Hvis du er ingeniør eller ingeniørstuderende, ved du, hvad bølger er.
Bølger er en vigtig del af mange af de teknologier, du bruger hver dag, lige fra radiosignaler til ultralydsbilleddannelse.
Men har du nogensinde tænkt over, hvad disse bølger gør, når de bevæger sig væk fra det sted, hvor de starter? Det er her, ideen om strålespredning kommer ind.
Strålespredning er den vinkel, hvorved en elektromagnetisk eller akustisk stråle bevæger sig væk fra sin midterakse, når den bevæger sig gennem et materiale.
Forståelse af strålespredning er vigtig for at designe og udnytte mange tekniske systemer bedst muligt, såsom belysning, ekkolod og lasere.
Så jeg vil tale om strålespredning og hvorfor det er vigtigt inden for teknik i denne artikel.
Introduktion til strålespredning
Formel definition:
Vinklen for divergens fra den centrale akse af en elektromagnetisk eller akustisk stråle, når den bevæger sig gennem et materiale.
Strålespredning er den mængde, som en elektromagnetisk eller akustisk stråle bevæger sig væk fra sin midterakse, når den bevæger sig gennem et materiale.
Det måles normalt i grader og viser, hvor bred strålen er fra kilden i en vis afstand.
I teknik er strålespredning en vigtig idé, der hjælper med at finde ud af, hvor stærk og i hvilken retning lys, lyd og radiobølger er.
Strålespredning i belysning
I belysning er strålespredning en måde at måle, hvor langt lys fra en kilde med en reflektor, som en pære, går.
Den måler, hvor bred strålen er, hvilket er vigtigt at vide, hvis du vil bestemme, hvor meget lys der skal skinne på en genstand eller overflade.
Afhængigt af hvor store de er, har reflektorlamper enten en punktstråle eller en bred stråle.
Bjælkens bredde er det, der gør en punktstråle forskellig fra en oversvømmelsesstråle.
Brug denne enkle formel til at finde bredden af en lysstråle fra en given afstand: Strålespredning = Strålevinkel x.018 x Afstand.
For eksempel, hvis du vil vide, hvor langt en 120-graders projektørs lys vil nå fra 15 fod væk, kan du bare tilslutte tallene til denne formel.
Spotlys og projektørlys beskrives ofte af producenter på lidt forskellige måder.
At vide, hvordan strålespredning virker, hjælper dig med at vælge det rigtige udendørslys til dit projekt.
For længere afstande vil en smallere stråle, der går længere, fungere bedst.
Hvis du ønsker at bruge bredere lys til at skabe en atmosfære, skal afstanden mellem lysene være lig med eller større end diameteren af lysets spredning.
Strålespredning i akustiske bølger
Strålespredning kan også ske i ultralydstransducere, hvor det måles som vinklen mellem lydstrålens hovedlob i det fjerne felt og selve hovedloben.
Stråledivergensen er en anden måde at måle, hvor meget lydenergi spreder sig, når den bevæger sig væk fra sin kilde.
Det afhænger meget af, hvor ofte transduceren bruges, og hvor stor den er.
En applet kan bruges til at få et groft estimat af stråledivergensvinklen, som er halvdelen af strålespredningsvinklen.
Dette gøres ved at tage højde for diameter (D), frekvens (F) og lydhastighed (V) i et flydende eller fast medium.
Hvorfor strålespredning ikke er nogen grinende sag i teknik
Stadig svært at forstå? Lad mig ændre synspunktet lidt:
Hvem skal alligevel bekymre sig om irriterende ting som strålespredning? Bare lad dine lys- eller lydbølger flyve vildt og håb på det bedste! Når alt kommer til alt, hvem har brug for præcision eller nøjagtighed i tekniske applikationer, ikke?
Det er selvfølgelig slet ikke sandt, som enhver ingeniør eller ingeniørstuderende ved.
Når man designer og optimerer forskellige teknologier, er strålespredning en af de vigtigste ting at tænke på.
Men nogle gange har vi brug for en lille smule ironisk humor for at forstå, hvor vigtigt et koncept som strålespredning er.
Lad os nu gå tilbage til forklaringen.
Faktorer, der påvirker strålespredning
De ting, der påvirker måden, hvorpå elektromagnetiske og akustiske bølger spredes, afhænger af den type materiale, de rejser igennem.
Når du vælger en transducer til ultralyd, er strålevinklen en vigtig ting at tænke på.
Strålespredning gør refleksioner mindre høje, fordi lydenergi spredes ud over et større område.
Frekvensen og diameteren på transduceren har meget at gøre med, hvor bred strålen er.
Når en lavfrekvent transducer anvendes, er strålespredningen bredere, end når der anvendes en højfrekvent transducer.
Efterhånden som transducerens diameter vokser, vil strålespredningen krympe.
Når lydstråler ikke spredes, bestemmes hastigheden, hvormed de spredes, af diffraktionskoefficienten D, som er relateret til krumningen af isofrekvensoverfladen.
Valget af transducer har stor effekt på følsomhed, opløsning, penetration og strålespredning.
Ændring af driftsfrekvens eller bølgeform har en lille effekt.
Faktorer, der påvirker strålespredning i lysbølger
Brydning er, hvad der sker, når en lysbølge bevæger sig fra et materiale til et andet og ændrer hastighed og retning.
Hvor meget lysbølgen bøjer afhænger af den vinkel, den rammer overfladen med, og brydningsindekserne for de to materialer.
Brydningsindekset viser, hvor meget et materiale bremser lyset sammenlignet med et vakuum.
Når lys går gennem et prisme, bøjes det to gange: én gang når det går ind og igen når det kommer ud.
Hvor meget lyset bøjer afhænger af dets bølgelængde, så forskellige farver bøjer i forskellige vinkler.
Dette kaldes spredning.
Når lys går gennem et stykke glas, preller noget af det af overfladen og noget af det går lige igennem.
Hvor meget lys der reflekteres afhænger af den vinkel, det rammer overfladen i, og af hvordan luft og glas bøjer lyset.
Glasets brydningsindeks er højere end luftens, så når lys går fra luft til glas, bremses det og bøjer sig mod normalen (en imaginær linje vinkelret på overfladen).
Når lys går fra glas til luft, accelererer det og bøjer sig væk fra det normale.
Kort sagt er egenskaberne for mediet, bølgen bevæger sig igennem, samt transducerens frekvens og størrelse, de vigtigste ting, der påvirker spredningen af elektromagnetiske og akustiske bølger.
Brydning ændrer lysbølgernes hastighed og retning, når de passerer gennem forskellige materialer.
Dette påvirker hvor langt fra hinanden lysbølgerne er.
At vide, hvad der påvirker strålespredningen, er vigtigt for at vælge det rigtige udstyr og få de resultater, du ønsker i forskellige tekniske applikationer.
Anvendelser af strålespredning
Strålespredning er en vigtig del af mange tekniske applikationer, såsom belysning, ekkolodssystemer, undervandssensorteknologier og mere.
Det er vigtigt at vide, hvordan strålespredning påvirker disse teknologier, så du kan vælge det rigtige udstyr og få de resultater, du ønsker.
Strålespredning i belysning
I belysning kaldes den vinkel, hvormed lyset kommer ud af et armatur, dets strålespredning.
Mere område lyses op med mindre lysintensitet, hvis strålen er bredere.
På den anden side sætter en strålespredning, der er smallere, mere lys i et mindre område.
Med multi-beam spread track heads kan strålevinklen ændres på stedet ved at flytte linsen.
Oversvømmelsesstrålespredning kan bruges til at lyse et stort område op, mens spotstrålespredning kan bruges til at fremhæve bestemte dele af et rum.
Forskellige slags lys har forskellige mønstre for, hvordan deres lys spredes, som er lavet af forskellige årsager.
Spredt strålelys har et bredere strålemønster end spotlights, som producerer en mere fokuseret lysstråle, der kan bevæge sig længere foran køretøjet.
Tågelygter kan skinne gennem lag af tåge, regn, sne eller støv på vejen, fordi de har en bred vandret spredning, men en smal lodret afskæring.
NEMA Beam Spread Classification System
National Electrical Manufacturers Association (NEMA) kom op med en måde at klassificere, hvordan lys spredes.
Dette system kaldes NEMA-strålespredningen.
Det refererer til de to kanter, hvor lysintensiteten spredes horisontalt og vertikalt til 10 % af den maksimale stråleintensitet og korrelerer med, om lysudbyttet er meget smalt, meget bredt eller et sted midt imellem.
Vinkler for vandret og lodret strålespredning bruges til at kende forskel på NEMA-typer.
Det standardiserede NEMA strålevinkelklassificeringssystem giver alle i branchen en ensartet måde at finde ud af, hvordan armaturer spreder lys.
De seks typer navngivet af NEMA bruges til forskellige ting.
Du kan få den rigtige lysfordeling til dit projekt ved at bruge armaturer med den rigtige NEMA-klassificering.
Strålespredning i ekkolodssystemer
I ekkolodssystemer refererer strålespredning til dækningsområdet for lydbølger, der udsendes af en transducer.
Multibeam ekkolod udsender flere ekkolodsstråler på samme tid i et vifteformet mønster, der ser under skibet og til hver side.
Sammenlignet med enkeltstråle-ekkolod gør dette det muligt at scanne et større område af havbunden hurtigere og med større nøjagtighed.
Forskellige frekvenser afslører forskellige niveauer af detaljer i ekkolodsdata.
Højfrekvente impulser viser mange detaljer, men kan ikke gå dybt ned i vandet.
Lavfrekvente impulser går på den anden side dybere ned i vandet, men viser færre detaljer.
Strålespredning i undervandssensorteknologier
Strålespredning påvirker også teknologier til undervandsregistrering, såsom synlig lyskommunikation (UVLC).
UVLC bruger et frekvensområde mellem 450 og 550 nm, fordi radiofrekvenssignaler mister deres styrke meget hurtigere i havvand.
Dette gør det muligt for folk at tale under vandet, selvom havvandet ikke altid har samme temperatur, og skroget bevæger sig, når bølgerne rammer det.
Kort sagt er strålespredning en vigtig ting at tænke på i mange tekniske applikationer, såsom belysning, ekkolodssystemer og teknologier til at fornemme, hvad der foregår under vandet.
Det er vigtigt at vide, hvordan strålespredning påvirker disse teknologier, så du kan vælge det rigtige udstyr og få de resultater, du ønsker.
Hvilke metoder kan bruges til at kontrollere eller ændre spredningen af en stråle i forskellige situationer?
Stråleformning og styring
Stråleformning og styring er en vigtig teknik, der bruges i mange moderne enheder, såsom kameralinser og optisk pincet.
I denne metode ændres strålen på forskellige måder for at få den spredning, der ønskes.
En populær måde at ændre strålens form på er at bruge diffraktive optiske elementer (DOE'er).
DOE'erne kan ændre, hvordan strålen spredes med hensyn til fase og amplitude for at få den strålespredning, der er nødvendig.
Også holografisk optisk pincet bruger hologrammer lavet af en computer til at forme og rette lysstråler til at lave fælder i 3D-rum.
Dielektriske metaflader
Dielektriske metaoverflader er tynde, menneskeskabte lag af strukturer mindre end en bølgelængde, der kan ændre den måde, lys opfører sig på baseret på dets brydningsindeks, periode, indfaldsvinkel og tværsnitsform.
De kan ændre strålens styrke, fase og polarisering, hvilket lader dem lave komplekse strålemønstre.
Linser, reflektorer og diffraktionsgitre
I nogle situationer kan linser, reflektorer eller diffraktionsgitre bruges til at kontrollere, hvor langt en stråle spredes.
Linser kan ændre strålens form for at gøre den smallere eller bredere, og reflektorer kan dreje strålen i en bestemt retning.
Diffraktionsgitre kan opdele strålen i mere end én stråle eller bøje den ind i et bestemt mønster.
Blænde eller iris
Ved at ændre størrelsen af åbningen kan en blænde eller iris bruges til at ændre størrelsen på strålen.
Inden for fotografering bruges denne metode ofte til at styre hvor meget lys der kommer ind i kameraet og for at få den rigtige dybdeskarphed.
Flytning af emnet eller laseren
Når man bruger en laser til at skære eller svejse for eksempel, kan strålen ændres ved at flytte emnet eller laseren.
Denne metode bruges til at lave snit eller svejsninger, der er meget præcise og til at kontrollere, hvor langt strålen spredes.
Partikelacceleratorer
Partikelacceleratorer kan kontrollere eller ændre strålespredning på en række måder.
Disse omfatter injektions- og ekstraktionsmetoder, strålekøling, spintransport, polarisering, første drejningsanalyse, nærmeste tune-tilgang, kompensering af sumresonansen og emittans nær koblingsresonans.
Disse metoder bruges til at sikre, at strålen er stabil, velfokuseret og på det rigtige sted.
Afslutningsvis er der mange måder at kontrollere eller ændre den måde, en stråle spredes på, og den bedste måde at gøre det på afhænger af applikationen og behovene.
Det er vigtigt at vælge den rigtige teknik for at få den strålespredning, du ønsker, og sikre dig, at påføringen virker.
Teknikker til styring og manipulation af strålespredning
Strålespredning er en kritisk faktor i mange tekniske applikationer, herunder belysning, sonarsystemer og partikelacceleratorer.
Forskellige applikationer kræver forskellige måder at kontrollere eller ændre strålespredning på.
Beregning af strålespredning
Du kan nemt finde ud af den rigtige strålespredning til dit lysdesign ved at gange lysstrålens vinkel med en konstant værdi på 0,018 og derefter med afstanden.
For eksempel, hvis du vil finde ud af dækningsområdet (spotstørrelse) af en 10° bjælke, der er monteret 25 fod over dækket (kastafstanden), kan du bruge denne formel: 10° x 0,018 x 25 ft = 4,5 ft.
Afhængigt af hvor store de er, kan reflektorlamper enten have en punktstråle eller en oversvømmelsesstråle.
At have begge typer giver dig flere måder at belyse din ejendom på.
Når du vælger en pære til dit rum, så tænk på, hvilken slags atmosfære du vil skabe.
Spotlygter er normalt pærer med en smal stråle, f.eks. 12°.
Oversvømmelses- eller vaskelys er pærer med en bredere stråle, f.eks. 60° eller deromkring.
Stråleformning og styring
Stråleformning og styring er en vigtig del af mange moderne teknologier, såsom optiske pincet og kameralinser.
Optiske elementer som linser, spejle og gitre bruges til at ændre strålens form og rette den i en bestemt retning eller fokusere den på et mål.
Denne metode bruges også til at styre stråler med forskellige brydningsindekser, perioder, indfaldsvinkler og tværsnitsformer i dielektriske metaoverflader.
Reduktion af strålespredning
Inden for ultralydsteknologi kan du gøre strålespredningen mindre ved at bruge en transducer med høj frekvens eller ved at gøre transducerens diameter større.
Ved at flytte en optisk fanget mikrokugle gennem en lysstråle er det muligt at kontrollere, hvordan en stråle bevæger sig i en optofluidisk enhed.
Partikelacceleratorer har mange måder at kontrollere eller ændre strålespredning på, såsom injektions- og ekstraktionsmetoder, stråleafkøling, spintransport, polarisering, første turanalyse, nærmeste tune-tilgang, kompensering af sumresonansen og emittans nær koblingsresonans.
Der er også følgende måder at indsnævre strålen på:
Brug af en stråleudvidelse: Strålekspandere kan bruges til at reducere stråledivergens og sikre, at strålediameteren ikke overskrider en vis grænse, når udgangsstrålen er langt væk.
Ved at gøre strålen større inde i systemet, vokser indgangsdiameteren, hvilket gør divergensen mindre.
- Brug af en kollimator: En kollimator kan bruges til at reducere spredningen af laserstrålen og gøre den mere kollimeret.
- Brug af en mindre blænde: Størrelsen af det hul, som laserstrålen går igennem, kan påvirke, hvor langt fra hinanden strålen er.
Det meste af tiden vil en mindre blænde gøre strålen mindre spredt.
- Brug af en linse med længere brændvidde: En linse med længere brændvidde kan bruges til at fokusere laserstrålen til et mindre punkt, hvilket kan reducere strålespredningen.
Det er vigtigt at huske på, at disse teknikker kan hjælpe med at reducere strålespredning, men de kan kun gøre så meget.
Nogle teknikker kan også forårsage andre optiske aberrationer, såsom sfærisk aberration, som kan sænke kvaliteten af strålen.
Det er vigtigt at tænke nøje over systemets behov og vælge den rigtige måde at reducere strålespredningen på.
Lydstråle spredes i det fjerne felt
Flere ting påvirker, hvordan en lydstråle spredes i det fjerne felt.
Disse omfatter størrelsen og formen af ultralydskilden, frekvensen af strålen, hvordan strålen er fokuseret og transducerens størrelse eller blænde.
Det fjerne felt
Det fjerne felt er det område, hvor strålediameteren vokser længere væk fra kilden end en nærzonelængde.
Transducerdiameter og frekvens af ultralyd
Hvor meget en lydstråle spreder sig i det fjerne felt afhænger af størrelsen af transduceren, kaldet blænden, og frekvensen af lydbølgerne.
Krystaller med større diameter, der producerer lyd med højere frekvens, producerer stråler, der divergerer mindre i det fjerne felt.
Krystaller med en mindre diameter og en lavere frekvens laver stråler, der er meget spredt ud i det fjerne felt.
Størrelse og form af ultralydskilde
Strålebredden, længden af Fresnel-zonen og divergensvinklen ud over nærfeltet er alle påvirket af størrelsen af ultralydskilden.
For en transducer, hvor der ikke anvendes fokusering, bestemmes længden af Fresnel-zonen af transducerens diameter og bølgelængde.
Strålefokusering
Den måde, hvorpå strålen er fokuseret, ændrer også, hvordan den ser ud i det fjerne felt.
Fokusering af strålen kan få strålen til at spredes mindre i det fjerne felt.
Brug af en transducer, der ikke fokuserer strålen, får på den anden side strålen til at spredes mere.
Kort sagt, transducerens diameter eller blænde, frekvensen af ultralyden, størrelsen og formen af ultralydskilden og den måde, hvorpå strålen er fokuseret, påvirker alt sammen, hvor meget en lydstråle spredes ud i dets fjerne felt.
Ved at kende til disse faktorer kan ingeniører og forskere lave ultralydssystemer, der fungerer bedst til deres behov.
Beregninger af bølgelængde, nærfelt, strålespredning
Tip: Slå billedtekstknappen til, hvis du har brug for det. Vælg "automatisk oversættelse" i indstillingsknappen, hvis du ikke er fortrolig med det talte sprog. Du skal muligvis først klikke på sproget for videoen, før dit yndlingssprog bliver tilgængeligt til oversættelse.
Konklusion
Når vi afslutter denne diskussion om strålespredning, er det værd at tage et øjeblik til at overveje den dybe indvirkning, som dette koncept har på ingeniørverdenen.
Strålespredning er et meget vigtigt koncept at forstå, hvis du vil designe lyssystemer til et stadion, forbedre ekkolodsbilleddannelse til ubåde eller lave laserteknologi til medicinsk brug.
Ingeniører kan udføre arbejde, der er mere præcist og effektivt end nogensinde før ved omhyggeligt at kontrollere og ændre den måde, bølger opfører sig på, når de bevæger sig gennem forskellige materialer.
Så næste gang du arbejder på et ingeniørprojekt, skal du huske på styrken af strålespredning, og hvordan det kan hjælpe dig med at nå dine mål.
Med lidt fantasi og kreativitet er der virkelig ingen grænser for, hvad du kan gøre.
Del på…
