Pokud jste inženýr nebo student inženýrství, víte, co jsou vlny.
Vlny jsou důležitou součástí mnoha technologií, které používáte každý den, od rádiových signálů po ultrazvukové zobrazování.
Ale přemýšleli jste někdy o tom, co tyto vlny dělají, když se vzdalují od místa, kde začínají? Zde přichází na řadu myšlenka šíření paprsku.
Šíření paprsku je úhel, pod kterým se elektromagnetický nebo akustický paprsek pohybuje směrem od své středové osy, když se pohybuje materiálem.
Pochopení šíření paprsku je důležité pro navrhování a co nejlepší využití mnoha inženýrských systémů, jako je osvětlení, sonar a lasery.
V tomto článku tedy budu mluvit o šíření paprsku a proč je důležité v oblasti strojírenství.
Úvod do šíření paprsku
Formální definice:
Úhel divergence od středové osy elektromagnetického nebo akustického paprsku při jeho průchodu materiálem.
Šíření paprsku je množství, o které se elektromagnetický nebo akustický paprsek vzdálí od své středové osy, když se pohybuje materiálem.
Obvykle se měří ve stupních a ukazuje, jak široký je paprsek od zdroje v určité vzdálenosti.
Ve strojírenství je šíření paprsku důležitou myšlenkou, která pomáhá zjistit, jak silné a kterým směrem je světlo, zvuk a rádiové vlny.
Paprsek se rozšířil v osvětlení
V osvětlení je šíření paprsku způsob, jak měřit, jak daleko jde světlo od zdroje s reflektorem, jako je žárovka.
Měří, jak široký je paprsek, což je důležité vědět, pokud se chcete rozhodnout, kolik světla bude svítit na předmět nebo povrch.
V závislosti na tom, jak jsou velké, mají reflektorové žárovky buď bodový nebo široký paprsek.
Šířka paprsku je to, co dělá bodový paprsek odlišný od záplavového paprsku.
Pomocí tohoto jednoduchého vzorce zjistíte šířku světelného paprsku z dané vzdálenosti: Rozpětí paprsku = Úhel paprsku x,018 x Vzdálenost.
Pokud například chcete vědět, jak daleko dosáhne světlo 120stupňového světlometu ze vzdálenosti 15 stop, můžete čísla jednoduše zapojit do tohoto vzorce.
Bodová světla a světlomety jsou často výrobci popisovány mírně odlišnými způsoby.
Znalost toho, jak funguje šíření paprsku, vám pomůže vybrat to správné venkovní světlo pro váš projekt.
Na delší vzdálenosti bude nejlépe fungovat užší paprsek, který jde dále.
Pokud chcete k vytvoření atmosféry použít světla se širším paprskem, vzdálenost mezi světly by měla být stejná nebo větší než průměr šíření paprsku světla.
Paprsek se šíří v akustických vlnách
K šíření paprsku může dojít také u ultrazvukových měničů, kde se měří jako úhel mezi hlavním lalokem zvukového paprsku ve vzdáleném poli a samotným hlavním lalokem.
Divergence paprsku je další způsob, jak měřit, kolik zvukové energie se šíří, když se vzdaluje od svého zdroje.
Hodně záleží na tom, jak často se převodník používá a jak je velký.
K získání hrubého odhadu úhlu divergence paprsku, který je polovinou úhlu šíření paprsku, lze použít applet.
To se provádí zohledněním průměru (D), frekvence (F) a rychlosti zvuku (V) v kapalném nebo pevném médiu.
Proč Beam Spread není ve strojírenství žádná záležitost
Stále těžké pochopit? Dovolím si trochu změnit úhel pohledu:
Kdo se stejně musí starat o otravné věci, jako je šíření paprsku? Nechte své světelné nebo zvukové vlny létat chtě nechtě a doufejte v to nejlepší! Koneckonců, kdo potřebuje přesnost nebo přesnost v inženýrských aplikacích, že?
To samozřejmě vůbec není pravda, jak ví každý inženýr nebo student inženýrství.
Při navrhování a optimalizaci různých technologií je šíření paprsku jednou z nejdůležitějších věcí, na kterou je třeba myslet.
Někdy ale potřebujeme trochu ironického humoru, abychom pochopili, jak důležitý je koncept, jako je šíření paprsku.
Nyní se vraťme k vysvětlení.
Faktory ovlivňující šíření paprsku
Věci, které ovlivňují způsob šíření elektromagnetických a akustických vln, závisí na typu materiálu, kterým procházejí.
Při výběru snímače pro ultrazvuk je důležitý úhel paprsku, na který je třeba myslet.
Rozložení paprsku způsobuje, že odrazy jsou méně hlasité, protože zvuková energie je rozprostřena na větší plochu.
Frekvence a průměr měniče mají hodně společného s tím, jak široký je paprsek.
Při použití nízkofrekvenčního měniče je rozptyl paprsku širší než při použití vysokofrekvenčního měniče.
Jak roste průměr snímače, rozptyl paprsku se bude zmenšovat.
Když se zvukové paprsky nešíří, rychlost, jakou se šíří, je určena difrakčním koeficientem D, který souvisí se zakřivením izofrekvenčního povrchu.
Výběr snímače má velký vliv na citlivost, rozlišení, penetraci a šíření paprsku.
Změna provozní frekvence nebo tvaru vlny má malý vliv.
Faktory ovlivňující šíření paprsku ve světelných vlnách
Lom je to, co se stane, když se světelná vlna pohybuje z jednoho materiálu na druhý a mění rychlost a směr.
Jak moc se světelná vlna ohýbá, závisí na úhlu, pod kterým dopadá na povrch, a na indexech lomu obou materiálů.
Index lomu ukazuje, jak moc materiál zpomaluje světlo ve srovnání s vakuem.
Když světlo prochází hranolem, je ohnuto dvakrát: jednou při vstupu a podruhé při výstupu.
Jak moc se světlo ohýbá, závisí na jeho vlnové délce, takže různé barvy se ohýbají pod různými úhly.
Tomu se říká disperze.
Když světlo prochází kouskem skla, část se odráží od povrchu a část prochází přímo skrz.
Kolik světla se odráží, závisí na úhlu, pod kterým dopadá na povrch, a na tom, jak vzduch a sklo ohýbají světlo.
Index lomu skla je vyšší než index lomu vzduchu, takže když světlo přechází ze vzduchu do skla, zpomaluje se a ohýbá se směrem k normále (myšlená čára kolmá k povrchu).
Když světlo přejde ze skla do vzduchu, zrychlí se a ohne se od normálu.
Stručně řečeno, vlastnosti média, kterým vlna prochází, stejně jako frekvence a velikost měniče, jsou hlavními věcmi, které ovlivňují šíření elektromagnetických a akustických vln.
Lom mění rychlost a směr světelných vln při průchodu různými materiály.
To ovlivňuje, jak daleko jsou od sebe světelné vlny.
Vědět, co ovlivňuje šíření paprsku, je důležité pro výběr správného zařízení a získání požadovaných výsledků v různých technických aplikacích.
Použití Beam Spread
Šíření paprsku je důležitou součástí mnoha inženýrských aplikací, jako je osvětlení, sonarové systémy, podvodní technologie snímání a další.
Je důležité vědět, jak šíření paprsku ovlivňuje tyto technologie, abyste si mohli vybrat správné vybavení a dosáhnout požadovaných výsledků.
Paprsek se rozšířil v osvětlení
V osvětlení se úhel, pod kterým světlo vychází ze svítidla, nazývá šíření paprsku.
Pokud je paprsek širší, je osvětlena větší plocha s menší intenzitou světla.
Na druhou stranu, užší rozptyl paprsku dává více světla na menší plochu.
S vícepaprskovými rozprostřenými hlavami lze úhel paprsku měnit na místě pohybem čočky.
Záplavové paprsky lze použít k osvětlení velké plochy, zatímco bodové paprsky lze použít k zvýraznění určitých částí místnosti.
Různé druhy světel mají různé vzory pro to, jak se jejich světlo šíří, které jsou vyrobeny z různých důvodů.
Světla s rozptylovým paprskem mají širší vzorek paprsku než reflektory, které vytvářejí zaostřenější světelný paprsek, který může cestovat dále před vozidlem.
Mlhová světla mohou prosvítat vrstvami mlhy, deště, sněhu nebo prachu na vozovce, protože mají široký horizontální rozptyl, ale úzký vertikální okraj.
Systém klasifikace šíření paprsků NEMA
National Electrical Manufacturers Association (NEMA) přišla se způsobem, jak klasifikovat, jak se světlo šíří.
Tento systém se nazývá šíření paprsku NEMA.
Vztahuje se ke dvěma okrajům, kde se intenzita světla šíří horizontálně a vertikálně na 10 % maximální intenzity paprsku a koreluje s tím, zda je světelný výstup velmi úzký, velmi široký nebo někde mezi tím.
K rozlišení mezi typy NEMA se používají úhly horizontálního a vertikálního šíření paprsku.
Standardizovaný systém klasifikace úhlu paprsku NEMA poskytuje každému v oboru konzistentní způsob, jak zjistit, jak svítidla šíří světlo.
Šest typů pojmenovaných NEMA se používá pro různé věci.
Správnou distribuci světla pro svůj projekt můžete získat použitím svítidel se správnou klasifikací NEMA.
Rozložení paprsku v systémech Sonar
V sonarových systémech se šíření paprsku týká oblasti pokrytí zvukovými vlnami emitovanými převodníkem.
Vícepaprskový sonar vysílá několik sonarových paprsků současně ve tvaru vějíře, který vypadá pod loď a na každou stranu.
Oproti jednopaprskovému sonaru to umožňuje rychleji a s větší přesností skenovat větší plochu mořského dna.
Různé frekvence odhalují různé úrovně detailů v sonarových datech.
Vysokofrekvenční pulzy ukazují spoustu detailů, ale nemohou jít hluboko do vody.
Nízkofrekvenční pulzy naproti tomu jdou hlouběji do vody, ale vykazují méně detailů.
Rozložení paprsku v technologiích snímání pod vodou
Šíření paprsku ovlivňuje také technologie pro snímání pod vodou, jako je komunikace ve viditelném světle (UVLC).
UVLC používá frekvenční rozsah mezi 450 a 550 nm, protože radiofrekvenční signály ztrácejí svou sílu v mořské vodě mnohem rychleji.
To umožňuje lidem mluvit pod vodou, i když mořská voda nemá vždy stejnou teplotu a trup se pohybuje, když na něj narazí vlny.
Stručně řečeno, šíření paprsku je důležitou věcí, na kterou je třeba myslet v mnoha technických aplikacích, jako je osvětlení, sonarové systémy a technologie pro snímání toho, co se děje pod vodou.
Je důležité vědět, jak šíření paprsku ovlivňuje tyto technologie, abyste si mohli vybrat správné vybavení a dosáhnout požadovaných výsledků.
Jaké metody lze použít k řízení nebo změně šíření paprsku v různých situacích?
Tvarování paprsku a řízení
Tvarování a řízení paprsku je důležitá technika, která se používá v mnoha moderních zařízeních, jako jsou čočky fotoaparátů a optické pinzety.
Při této metodě se paprsek mění různými způsoby, aby se dosáhlo požadovaného rozpětí.
Jedním z oblíbených způsobů, jak změnit tvar paprsku, je použití difrakčních optických prvků (DOE).
DOE mohou změnit způsob šíření paprsku z hlediska fáze a amplitudy, aby se dosáhlo potřebného šíření paprsku.
Holografické optické pinzety také používají hologramy vytvořené počítačem k tvarování a směrování světelných paprsků k vytváření pastí ve 3D prostoru.
Dielektrické metapovrchy
Dielektrické metapovrchy jsou tenké, člověkem vytvořené vrstvy struktur menší než vlnová délka, které mohou změnit způsob, jakým se světlo chová na základě jeho indexu lomu, periody, úhlu dopadu a tvaru průřezu.
Mohou měnit sílu, fázi a polarizaci paprsku, což jim umožňuje vytvářet složité vzory paprsků.
Čočky, reflektory a difrakční mřížky
V některých situacích lze použít čočky, reflektory nebo difrakční mřížky k ovládání toho, jak daleko se paprsek šíří.
Čočky mohou změnit tvar paprsku tak, aby byl užší nebo širší, a reflektory mohou otočit paprsek v určitém směru.
Difrakční mřížky mohou rozdělit paprsek na více než jeden paprsek nebo jej ohnout do určitého vzoru.
Clona nebo clona
Změnou velikosti otvoru lze pro změnu velikosti paprsku použít clonu nebo clonu.
Ve fotografii se tato metoda často používá pro kontrolu množství světla, které se dostane do fotoaparátu, a pro získání správné hloubky ostrosti.
Pohyb obrobku nebo laseru
Při použití laseru například k řezání nebo svařování lze paprsek změnit pohybem obrobku nebo laseru.
Tato metoda se používá k provádění řezů nebo svarů, které jsou velmi přesné a ke kontrole, jak daleko se paprsek rozšíří.
Urychlovače částic
Urychlovače částic mohou řídit nebo měnit šíření paprsku mnoha způsoby.
Patří mezi ně metody vstřikování a extrakce, chlazení paprsku, transport rotace, polarizace, analýza první otáčky, přístup s nejtěsnějším laděním, kompenzace součtové rezonance a vyzařování blízké vazební rezonanci.
Tyto metody se používají k zajištění toho, aby byl paprsek stabilní, dobře zaostřený a na správném místě.
Závěrem, existuje mnoho způsobů, jak ovládat nebo měnit způsob šíření paprsku, a nejlepší způsob, jak to udělat, závisí na aplikaci a potřebách.
Je důležité zvolit správnou techniku, abyste dosáhli požadovaného šíření paprsku a ujistit se, že aplikace funguje.
Techniky pro řízení a manipulaci s rozprostřením paprsku
Šíření paprsku je kritickým faktorem v mnoha technických aplikacích, včetně osvětlení, sonarových systémů a urychlovačů částic.
Různé aplikace vyžadují různé způsoby ovládání nebo změny šíření paprsku.
Výpočet šíření paprsku
Správný rozptyl paprsku pro váš návrh osvětlení snadno zjistíte vynásobením úhlu paprsku konstantní hodnotou 0,018 a poté vzdáleností.
Pokud například chcete zjistit oblast pokrytí (velikost bodu) 10° paprsku, který je namontován 25 stop nad palubou (vzdálenost vrhání), můžete použít tento vzorec: 10° x 0,018 x 25 stop = 4,5 ft.
V závislosti na tom, jak jsou velké, mohou reflektorové žárovky mít buď bodový paprsek nebo záplavový paprsek.
Oba typy vám poskytují více způsobů, jak osvětlit vaši nemovitost.
Při výběru žárovky do vašeho prostoru myslete na to, jakou atmosféru chcete vytvořit.
Bodová světla jsou obvykle žárovky s úzkým paprskem, například 12°.
Povodňová nebo oplachová světla jsou žárovky se širším paprskem, například 60° nebo tak.
Tvarování paprsku a řízení
Tvarování a řízení paprsku je klíčovou součástí mnoha moderních technologií, jako jsou optické pinzety a čočky fotoaparátů.
Optické prvky jako čočky, zrcadla a mřížky se používají ke změně tvaru paprsku a jeho nasměrování do určitého směru nebo zaostření na cíl.
Tato metoda se také používá k řízení paprsků s různými indexy lomu, periodami, úhly dopadu a tvary průřezu v dielektrických metapovrchech.
Snížení rozptylu paprsku
V ultrazvukové technologii můžete zmenšit rozptyl paprsku použitím snímače s vysokou frekvencí nebo zvětšením průměru snímače.
Pohybem opticky zachycené mikrokuličky světelným paprskem je možné řídit, jak se paprsek pohybuje v optofluidním zařízení.
Urychlovače částic mají mnoho způsobů, jak řídit nebo měnit šíření paprsku, jako jsou metody vstřikování a extrakce, chlazení paprsku, rotace transportu, polarizace, analýza první otáčky, nejtěsnější přístup, kompenzace součtové rezonance a emitance blízko vazební rezonance.
Existují také následující způsoby, jak zúžit paprsek:
Použití expandéru paprsku: Expandéry paprsku lze použít ke snížení divergence paprsku a zajistit, aby průměr paprsku nepřekročil určitou mez, když je výstupní paprsek daleko.
Zvětšením paprsku uvnitř systému roste vstupní průměr, čímž se zmenšuje divergence.
- Použití kolimátoru: Kolimátor lze použít ke snížení šíření laserového paprsku a jeho lepší kolimaci.
- Použití menší clony: Velikost otvoru, kterým laserový paprsek prochází, může ovlivnit, jak daleko je paprsek od sebe.
Většinu času menší clona způsobí, že se paprsek rozšíří méně.
- Použití čočky s delší ohniskovou vzdáleností: Čočku s delší ohniskovou vzdáleností lze použít k zaostření laserového paprsku na menší bod, což může snížit šíření paprsku.
Je důležité mít na paměti, že tyto techniky mohou pomoci snížit šíření paprsku, ale mohou udělat jen tolik.
Některé techniky mohou také způsobit další optické aberace, jako je sférická aberace, která může snížit kvalitu paprsku.
Je důležité pečlivě promyslet potřeby systému a zvolit správný způsob, jak omezit šíření paprsku.
Zvukový paprsek se šíří ve vzdáleném poli
Způsob šíření zvukového paprsku ve vzdáleném poli ovlivňuje několik věcí.
Patří mezi ně velikost a tvar zdroje ultrazvuku, frekvence paprsku, způsob zaostření paprsku a velikost nebo apertura měniče.
Vzdálené pole
Vzdálené pole je oblast, kde průměr paprsku roste dále od zdroje, než je délka blízké zóny.
Průměr a frekvence ultrazvuku
Jak moc se zvukový paprsek rozprostírá ve vzdáleném poli, závisí na velikosti snímače, který se nazývá apertura, a na frekvenci zvukových vln.
Krystaly s větším průměrem produkující zvuk s vyšší frekvencí produkují paprsky, které se ve vzdáleném poli méně rozbíhají.
Krystaly s menším průměrem a nižší frekvencí vytvářejí paprsky, které jsou ve vzdáleném poli velmi rozprostřeny.
Velikost a tvar zdroje ultrazvuku
Šířka paprsku, délka Fresnelovy zóny a úhel divergence za blízkým polem jsou ovlivněny velikostí zdroje ultrazvuku.
U převodníku, ve kterém není aplikováno žádné zaostřování, je délka Fresnelovy zóny určena průměrem převodníku a vlnovou délkou.
Zaostřování paprsku
Způsob, jakým je paprsek zaostřen, také mění jeho vzhled ve vzdáleném poli.
Zaostření paprsku může snížit šíření paprsku ve vzdáleném poli.
Použití převodníku, který paprsek nezaostří, na druhou stranu způsobí, že se paprsek více rozšíří.
Stručně řečeno, průměr nebo apertura měniče, frekvence ultrazvuku, velikost a tvar zdroje ultrazvuku a způsob, jakým je paprsek zaostřen, to vše ovlivňuje to, jak moc se zvukový paprsek šíří ve svém vzdáleném poli.
Díky znalosti těchto faktorů mohou inženýři a výzkumníci vytvořit ultrazvukové systémy, které nejlépe vyhovují jejich potřebám.
Výpočty vlnové délky, blízkého pole, šíření paprsku
Tip: Pokud potřebujete, zapněte tlačítko titulků. Pokud nejste obeznámeni s mluveným jazykem, vyberte v tlačítku nastavení „automatický překlad“. Než bude váš oblíbený jazyk dostupný pro překlad, možná budete muset nejprve kliknout na jazyk videa.
Závěr
Na konci této diskuse o šíření paprsku stojí za to zvážit hluboký dopad, který má tento koncept na svět inženýrství.
Šíření paprsku je velmi důležitý koncept, kterému je třeba porozumět, pokud chcete navrhnout osvětlovací systémy pro stadion, vylepšit sonarové zobrazování pro ponorky nebo vyrobit laserovou technologii pro lékařské použití.
Inženýři mohou dělat práci, která je přesnější a efektivnější než kdykoli předtím, pečlivým řízením a změnou způsobu, jakým se vlny chovají, když se pohybují různými materiály.
Takže až budete příště pracovat na inženýrském projektu, mějte na paměti sílu šíření paprsku a to, jak vám může pomoci dosáhnout vašich cílů.
S trochou fantazie a kreativity se opravdu meze nekladou.
Sdílet na…
