Ako ste inženjer ili student tehnike, znate šta su talasi.
Talasi su važan dio mnogih tehnologija koje svakodnevno koristite, od radio signala do ultrazvučnog snimanja.
Ali da li ste ikada razmišljali o tome šta ovi talasi rade dok se udaljavaju od mesta na kome počinju? Tu dolazi ideja o širenju zraka.
Širenje snopa je ugao pod kojim se elektromagnetski ili akustični snop udaljava od svoje središnje ose dok se kreće kroz materijal.
Razumijevanje širenja zraka važno je za dizajniranje i najbolje korištenje mnogih inženjerskih sistema, poput rasvjete, sonara i lasera.
Dakle, u ovom članku ću govoriti o širenju snopa i zašto je to važno u području inženjerstva.
Uvod u širenje zraka
Formalna definicija:
Ugao odstupanja od centralne ose elektromagnetnog ili akustičnog snopa dok putuje kroz materijal.
Širenje snopa je količina u kojoj se elektromagnetski ili akustični snop udaljava od svoje središnje ose dok se kreće kroz materijal.
Obično se mjeri u stepenima i pokazuje koliko je širina zraka od izvora na određenoj udaljenosti.
U inženjerstvu, širenje snopa je važna ideja koja pomaže da se shvati koliko su jaki iu kom smjeru su svjetlost, zvuk i radio valovi.
Širenje zraka u rasvjeti
U rasvjeti, širenje snopa je način da se izmjeri koliko daleko ide svjetlost od izvora s reflektorom, poput sijalice.
Mjeri širinu snopa, što je važno znati želite li odlučiti koliko svjetlosti će obasjati predmet ili površinu.
U zavisnosti od toga koliko su velike, reflektorske lampe imaju ili tačkasti ili široki snop.
Širina snopa je ono po čemu se spot snop razlikuje od snopa za poplavu.
Koristite ovu jednostavnu formulu da pronađete širinu svetlosnog snopa sa date udaljenosti: Širenje snopa = Ugao snopa x.018 x Udaljenost.
Na primjer, ako želite da znate koliko daleko će doprijeti svjetlost reflektora od 120 stepeni sa udaljenosti od 15 stopa, možete jednostavno ubaciti brojeve u ovu formulu.
Proizvođači često opisuju reflektore i reflektore na malo drugačije načine.
Poznavanje načina na koji radi širenje snopa pomoći će vam da odaberete pravo vanjsko svjetlo za vaš projekt.
Za veće udaljenosti najbolje će raditi uži snop koji ide dalje.
Ako želite da koristite svjetla šireg snopa za stvaranje atmosfere, udaljenost između svjetala treba biti jednaka ili veća od prečnika širenja snopa svjetlosti.
Širenje zraka u akustičnim talasima
Širenje snopa može se desiti i kod ultrazvučnih pretvarača, gdje se mjeri kao ugao između glavnog režnja zvučnog snopa u dalekom polju i samog glavnog režnja.
Divergencija snopa je još jedan način da se izmeri koliko se zvučna energija širi dok se udaljava od svog izvora.
Mnogo zavisi od toga koliko se često koristi sonda i koliko je velika.
Aplet se može koristiti za dobivanje grube procjene ugla divergencije snopa, koji je polovina ugla širenja snopa.
Ovo se radi uzimajući u obzir prečnik (D), frekvenciju (F) i brzinu zvuka (V) u tečnom ili čvrstom mediju.
Zašto širenje zraka nije smiješno u inženjerstvu
Još uvijek je teško razumjeti? Dozvolite mi da malo promijenim tačku gledišta:
Ko uopće treba da brine o dosadnim stvarima kao što je širenje zraka? Samo pustite da vaši svjetlosni ili zvučni valovi lete hteli-ne htjeli i nadajte se najboljem! Uostalom, kome je potrebna preciznost ili tačnost u inženjerskim aplikacijama, zar ne?
Naravno, to uopšte nije tačno, kao što zna svaki inženjer ili student tehnike.
Prilikom dizajniranja i optimizacije različitih tehnologija, širenje zraka je jedna od najvažnijih stvari o kojima treba razmišljati.
Ali ponekad nam je potrebno malo ironičnog humora da shvatimo koliko je važan koncept poput širenja zraka.
Vratimo se sada na objašnjenje.
Faktori koji utječu na širenje zraka
Stvari koje utječu na način na koji se elektromagnetski i akustični valovi šire ovise o vrsti materijala kroz koji putuju.
Prilikom odabira sonde za ultrazvuk, ugao snopa je važna stvar o kojoj treba razmišljati.
Širenje zraka čini refleksije manje glasnim jer se zvučna energija širi na veću površinu.
Frekvencija i prečnik pretvarača imaju mnogo veze sa širinom snopa.
Kada se koristi niskofrekventni pretvarač, širenje snopa je šire nego kada se koristi visokofrekventni pretvarač.
Kako prečnik sonde raste, širenje snopa će se smanjiti.
Kada se zvučni snopovi ne šire, brzina kojom se šire određena je koeficijentom difrakcije D, koji je povezan sa zakrivljenošću površine izofrekvencije.
Izbor sonde ima veliki uticaj na osetljivost, rezoluciju, penetraciju i širenje snopa.
Promjena radne frekvencije ili valnog oblika ima mali učinak.
Faktori koji utječu na širenje snopa u svjetlosnim valovima
Refrakcija je ono što se događa kada se svjetlosni val kreće od jednog materijala do drugog i mijenja brzinu i smjer.
Koliko se svjetlosni val savija ovisi o kutu pod kojim udari u površinu i indeksima loma dva materijala.
Indeks prelamanja pokazuje koliko materijal usporava svjetlost u odnosu na vakuum.
Kada svjetlost prođe kroz prizmu, ona se savija dvaput: jednom kada ulazi i ponovo kada izlazi.
Koliko se svjetlost savija zavisi od njene talasne dužine, tako da se različite boje savijaju pod različitim uglovima.
To se zove disperzija.
Kada svjetlost prođe kroz komad stakla, dio se odbija od površine, a dio prolazi pravo kroz.
Koliko se svjetlost reflektira ovisi o kutu pod kojim udari o površinu i o tome kako zrak i staklo savijaju svjetlost.
Indeks prelamanja stakla je veći od indeksa zraka, pa kada svjetlost prelazi iz zraka u staklo, usporava se i savija se prema normali (zamišljena linija okomita na površinu).
Kada svjetlost prelazi iz stakla u zrak, ona se ubrzava i savija od normale.
Ukratko, svojstva medija kroz koje val putuje, kao i frekvencija i veličina pretvarača, glavne su stvari koje utječu na širenje elektromagnetnih i akustičnih valova.
Refrakcija mijenja brzinu i smjer svjetlosnih valova dok prolaze kroz različite materijale.
Ovo utiče na to koliko su udaljeni svetlosni talasi.
Poznavanje onoga što utiče na širenje zraka važno je za odabir prave opreme i postizanje željenih rezultata u različitim inženjerskim aplikacijama.
Upotreba snopa širenja
Širenje zraka važan je dio mnogih inženjerskih aplikacija, kao što su osvjetljenje, sonarni sistemi, tehnologije podvodnog senzora i još mnogo toga.
Važno je znati kako širenje zraka utječe na ove tehnologije kako biste mogli odabrati pravu opremu i postići željene rezultate.
Širenje zraka u rasvjeti
U rasvjeti, ugao pod kojim svjetlost izlazi iz uređaja naziva se širenje snopa.
Više područja je osvijetljeno sa manjim intenzitetom svjetlosti ako je snop širi.
S druge strane, širenje snopa koje je uže daje više svjetla na manju površinu.
Sa višesmjernim šinskim glavama, ugao snopa se može promijeniti na licu mjesta pomicanjem sočiva.
Rasprostranjeni snop snopa se može koristiti za osvjetljavanje velike površine, dok se širenje snopa može koristiti za isticanje određenih dijelova prostorije.
Različite vrste svjetala imaju različite uzorke kako se njihova svjetlost širi, a napravljene su iz različitih razloga.
Svjetla s raširenim snopom imaju širi uzorak snopa od reflektora, koji proizvode fokusiraniji svjetlosni snop koji može putovati dalje ispred vozila.
Svjetla za maglu mogu svijetliti kroz slojeve magle, kiše, snijega ili prašine na putu jer imaju širok horizontalni raspon, ali uski vertikalni graničnik.
NEMA sistem klasifikacije širenja zraka
Nacionalna asocijacija proizvođača električne energije (NEMA) smislila je način da klasifikuje kako se svjetlost širi.
Ovaj sistem se naziva NEMA širenje snopa.
Odnosi se na dvije ivice gdje se intenzitet svjetlosti širi horizontalno i vertikalno do 10% maksimalnog intenziteta snopa i korelira s tim da li je izlaz svjetlosti vrlo uzak, vrlo širok ili negdje između.
Uglovi horizontalnog i vertikalnog širenja snopa koriste se da bi se utvrdila razlika između tipova NEMA.
Standardizirani NEMA sistem klasifikacije uglova snopa daje svima u industriji dosljedan način da otkriju kako svjetiljke šire svjetlost.
Šest tipova koje je imenovala NEMA koriste se za različite stvari.
Možete dobiti odgovarajuću distribuciju svjetlosti za svoj projekat korištenjem rasvjetnih tijela s pravom NEMA klasifikacijom.
Širenje zraka u sonarnim sistemima
U sonarnim sistemima, širenje snopa se odnosi na područje pokrivenosti zvučnih talasa koje emituje pretvarač.
Multibeam sonar šalje više sonarnih zraka u isto vrijeme u obliku lepeze koji gleda ispod broda i sa svake strane.
U poređenju sa sonarom sa jednim snopom, ovo omogućava brže i preciznije skeniranje veće površine morskog dna.
Različite frekvencije otkrivaju različite nivoe detalja u podacima sonara.
Visokofrekventni impulsi pokazuju mnogo detalja, ali ne mogu ići duboko u vodu.
Niskofrekventni impulsi, s druge strane, idu dublje u vodu, ali pokazuju manje detalja.
Širenje zraka u podvodnim senzorskim tehnologijama
Širenje zraka također utječe na tehnologije za podvodno otkrivanje, kao što je komunikacija vidljivog svjetla (UVLC).
UVLC koristi frekvencijski raspon između 450 i 550 nm jer radiofrekvencijski signali mnogo brže gube snagu u morskoj vodi.
Ovo omogućava ljudima da razgovaraju pod vodom, iako morska voda nije uvijek iste temperature i trup se pomiče kada ga udare valovi.
Ukratko, širenje snopa je važna stvar o kojoj treba razmišljati u mnogim inženjerskim aplikacijama, kao što su rasvjeta, sonarni sistemi i tehnologije za otkrivanje onoga što se događa pod vodom.
Važno je znati kako širenje zraka utječe na ove tehnologije kako biste mogli odabrati pravu opremu i postići željene rezultate.
Koje metode se mogu koristiti za kontrolu ili promjenu širenja zraka u različitim situacijama?
Oblikovanje grede i upravljanje
Oblikovanje zraka i upravljanje je važna tehnika koja se koristi u mnogim modernim uređajima, kao što su sočiva fotoaparata i optičke pincete.
Kod ove metode, greda se mijenja na različite načine kako bi se dobio željeni raspon.
Jedan popularan način za promjenu oblika zraka je korištenje difrakcijskih optičkih elemenata (DOE).
DOE-ovi mogu promijeniti način na koji se snop širi u smislu faze i amplitude kako bi dobili širinu zraka koja je potrebna.
Također, holografske optičke pincete koriste holograme napravljene od strane kompjutera za oblikovanje i usmjeravanje svjetlosnih zraka kako bi se napravile zamke u 3D prostoru.
Dielektrične metapovršine
Dielektrične metapovršine su tanki, umjetni slojevi struktura manjih od valne dužine koji mogu promijeniti način na koji se svjetlost ponaša na osnovu indeksa prelamanja, perioda, upadnog ugla i oblika poprečnog presjeka.
Oni mogu promijeniti snagu, fazu i polarizaciju zraka, što im omogućava da naprave složene uzorke zraka.
Leće, reflektori i difrakcione rešetke
U nekim situacijama, sočiva, reflektori ili difrakcijske rešetke mogu se koristiti za kontrolu koliko se zraka širi.
Objektivi mogu promijeniti oblik zraka kako bi ga učinili užim ili širim, a reflektori mogu okrenuti snop u određenom smjeru.
Difrakcione rešetke mogu podijeliti snop na više od jednog snopa ili ga saviti u određeni uzorak.
Otvor blende ili iris
Promjenom veličine otvora, otvor ili iris se mogu koristiti za promjenu veličine snopa.
U fotografiji se ova metoda često koristi za kontrolu količine svjetlosti koja ulazi u kameru i za postizanje prave dubine polja.
Pomicanje radnog komada ili lasera
Kada koristite laser za rezanje ili zavarivanje, na primjer, zrak se može promijeniti pomicanjem radnog komada ili lasera.
Ova metoda se koristi za izradu vrlo preciznih rezova ili zavarenih spojeva i za kontrolu udaljenosti širine snopa.
Akceleratori čestica
Akceleratori čestica mogu kontrolirati ili mijenjati širenje zraka na više načina.
To uključuje metode ubrizgavanja i ekstrakcije, hlađenje zraka, spin transport, polarizaciju, analizu prvog okreta, pristup najbližem podešavanju, kompenzaciju rezonancije zbira i emitanciju blizu rezonancije sprege.
Ove metode se koriste kako bi se osiguralo da je zrak stabilan, dobro fokusiran i na pravom mjestu.
Zaključno, postoji mnogo načina za kontrolu ili promjenu načina širenja zraka, a najbolji način za to ovisi o primjeni i potrebama.
Važno je odabrati pravu tehniku kako biste dobili željeno širenje zraka i bili sigurni da aplikacija funkcionira.
Tehnike za kontrolu i manipulaciju širenja zraka
Širenje zraka je kritičan faktor u mnogim inženjerskim aplikacijama, uključujući rasvjetu, sonarne sisteme i akceleratore čestica.
Različite aplikacije zahtijevaju različite načine kontrole ili promjene širenja zraka.
Izračunavanje širine snopa
Možete lako odrediti pravo širenje snopa za vaš dizajn rasvjete množenjem ugla snopa sa konstantnom vrijednošću od 0,018, a zatim s udaljenosti.
Na primjer, ako želite da odredite područje pokrivenosti (veličina tačke) grede od 10° koja je postavljena 25 stopa iznad palube (razdaljina bacanja), možete koristiti ovu formulu: 10° x 0,018 x 25 ft = 4,5 ft.
U zavisnosti od toga koliko su velike, reflektorske lampe mogu imati ili tačkasti ili preplavljeni snop.
Posjedovanje oba tipa daje vam više načina da osvijetlite svoju imovinu.
Kada birate žarulju za svoj prostor, razmislite kakvu atmosferu želite stvoriti.
Reflektori su obično sijalice sa uskim snopom, poput 12°.
Flood ili wash svjetla su sijalice sa širim snopom, poput 60° ili tako nešto.
Oblikovanje i upravljanje gredom
Oblikovanje zraka i upravljanje ključni su dio mnogih modernih tehnologija, poput optičkih pinceta i sočiva fotoaparata.
Optički elementi poput sočiva, ogledala i rešetki koriste se za promjenu oblika zraka i usmjeravanje u određenom smjeru ili fokusiranje na metu.
Ova metoda se također koristi za kontrolu zraka s različitim indeksima prelamanja, periodima, upadnim uglovima i oblicima poprečnog presjeka u dielektričnim metapovršinama.
Smanjenje širenja zraka
U ultrazvučnoj tehnologiji, možete smanjiti širenje snopa korištenjem sonde visoke frekvencije ili povećanjem promjera sonde.
Pomicanjem optički zarobljene mikrosfere kroz svjetlosni snop, moguće je kontrolisati kako se snop kreće u optofluidnom uređaju.
Akceleratori čestica imaju mnogo načina za kontrolu ili promjenu širenja snopa, kao što su metode ubrizgavanja i ekstrakcije, hlađenje snopa, spin transport, polarizacija, analiza prvog okreta, pristup najbližem podešavanju, kompenzacija zbrojne rezonance i emitanca blizu rezonancije sprege.
Postoje i sljedeći načini za sužavanje grede:
Korištenje ekspandera snopa: ekspanderi snopa se mogu koristiti za smanjenje divergencije snopa i osigurati da promjer snopa ne prelazi određenu granicu kada je izlazni snop daleko.
Povećanjem snopa unutar sistema, ulazni prečnik raste, što čini divergenciju manjom.
- Korištenje kolimatora: Kolimator se može koristiti za smanjenje širenja laserskog snopa i njegovo povećanje kolimacije.
- Korištenje manjeg otvora: Veličina rupe kroz koju laserski snop prolazi može utjecati na to koliko je snop udaljen.
Većinu vremena, manji otvor blende će učiniti da se zrak manje širi.
- Upotreba sočiva sa većom žižnom daljinom: sočivo sa većom žižnom daljinom može se koristiti za fokusiranje laserskog snopa na manju tačku, što može smanjiti širenje zraka.
Važno je imati na umu da ove tehnike mogu pomoći u smanjenju širenja zraka, ali mogu učiniti samo toliko.
Također, neke tehnike mogu uzrokovati druge optičke aberacije, kao što je sferna aberacija, koja može smanjiti kvalitetu zraka.
Važno je dobro razmisliti o potrebama sistema i odabrati pravi način za smanjenje širenja zraka.
Zvučni snop se širi u dalekom polju
Nekoliko stvari utiče na to kako se zvučni snop širi u dalekom polju.
To uključuje veličinu i oblik izvora ultrazvuka, frekvenciju snopa, način na koji je snop fokusiran i veličinu ili otvor blende sonde.
Daleko polje
Daleko polje je područje u kojem promjer zraka raste dalje od izvora nego jedna dužina blizu zone.
Prečnik sonde i frekvencija ultrazvuka
Koliko se zvučni snop širi u dalekom polju zavisi od veličine sonde, koja se naziva otvor blende, i frekvencije zvučnih talasa.
Kristali većeg promjera koji proizvode zvuk više frekvencije proizvode snopove koji se manje razilaze u dalekom polju.
Kristali manjeg prečnika i niže frekvencije stvaraju snopove koji su veoma rašireni u dalekom polju.
Veličina i oblik izvora ultrazvuka
Na širinu zraka, dužinu Fresnelove zone i ugao divergencije izvan bliskog polja utiče veličina izvora ultrazvuka.
Za pretvarač u kojem nije primijenjeno fokusiranje, dužina Fresnelove zone određena je prečnikom sonde i talasnom dužinom.
Fokusiranje zraka
Način na koji je snop fokusiran takođe menja kako izgleda u dalekom polju.
Fokusiranje zraka može učiniti da se zrak manje širi u udaljenom polju.
S druge strane, korištenje sonde koja ne fokusira snop, čini da se snop više širi.
Ukratko, prečnik ili otvor blende sonde, frekvencija ultrazvuka, veličina i oblik izvora ultrazvuka i način na koji je snop fokusiran utiču na to koliko se zvučni snop širi u svom dalekom polju.
Poznavajući ove faktore, inženjeri i istraživači mogu napraviti ultrazvučne sisteme koji najbolje odgovaraju njihovim potrebama.
Izračun talasne dužine, bliskog polja, širenja snopa
Savjet: Uključite dugme za titl ako vam je potrebno. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu za podešavanja, ako niste upoznati sa govornim jezikom. Možda ćete morati prvo kliknuti na jezik videozapisa prije nego što vaš omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.
Zaključak
Dok zaključujemo ovu raspravu o širenju zraka, vrijedi odvojiti trenutak i razmotriti duboki utjecaj koji ovaj koncept ima na svijet inženjeringa.
Širenje zraka je vrlo važan koncept koji treba razumjeti ako želite dizajnirati sisteme rasvjete za stadion, poboljšati sonarno snimanje za podmornice ili napraviti lasersku tehnologiju za medicinsku upotrebu.
Inženjeri mogu obaviti posao koji je precizniji i efikasniji nego ikad prije pažljivo kontrolirajući i mijenjajući način na koji se valovi ponašaju dok se kreću kroz različite materijale.
Dakle, sljedeći put kada budete radili na inženjerskom projektu, imajte na umu snagu širenja zraka i kako vam to može pomoći da postignete svoje ciljeve.
Uz malo mašte i kreativnosti, zaista nema granica za ono što možete učiniti.
Podijelite na…
