Ako ste inženjer ili student strojarstva, znate što su valovi.
Valovi su važan dio mnogih tehnologija koje svakodnevno koristite, od radio signala do ultrazvučnog snimanja.
Ali jeste li ikada razmišljali o tome što ti valovi rade dok se odmiču od mjesta gdje počinju? Ovdje dolazi ideja o širenju snopa.
Širenje zrake je kut pod kojim se elektromagnetska ili akustična zraka udaljava od svoje središnje osi dok se kreće kroz materijal.
Razumijevanje širenja zrake važno je za projektiranje i najbolje korištenje mnogih inženjerskih sustava, poput rasvjete, sonara i lasera.
Dakle, u ovom ću članku govoriti o širenju snopa i zašto je ono važno u području inženjerstva.
Uvod u širenje snopa
Formalna definicija:
Kut odstupanja od središnje osi elektromagnetske ili akustične zrake dok putuje kroz materijal.
Širenje zrake je količina kojom se elektromagnetska ili akustična zraka udaljava od svoje središnje osi dok se kreće kroz materijal.
Obično se mjeri u stupnjevima i pokazuje koliko je snop širok od izvora na određenoj udaljenosti.
U inženjerstvu je širenje snopa važna ideja koja pomaže utvrditi koliko su jaki i u kojem su smjeru svjetlosni, zvučni i radiovalovi.
Širenje snopa u rasvjeti
U rasvjeti, širenje snopa je način da se izmjeri koliko daleko ide svjetlost od izvora s reflektorom, poput žarulje.
Mjeri širinu snopa, što je važno znati ako želite odlučiti koliko svjetla želite obasjati predmet ili površinu.
Ovisno o veličini, reflektorske svjetiljke imaju točkasti ili široki snop.
Širina snopa ono je što čini točkasti snop drugačijim od poplavnog snopa.
Upotrijebite ovu jednostavnu formulu da biste pronašli širinu svjetlosnog snopa sa zadane udaljenosti: Širenje snopa = Kut snopa x,018 x Udaljenost.
Na primjer, ako želite znati koliko daleko će svjetlost reflektora od 120 stupnjeva doprijeti s udaljenosti od 15 stopa, možete samo uključiti brojeve u ovu formulu.
Spot svjetla i reflektori proizvođači često opisuju na malo drugačije načine.
Poznavanje načina na koji radi širenje snopa pomoći će vam da odaberete pravo vanjsko svjetlo za svoj projekt.
Za veće udaljenosti najbolje će funkcionirati uža zraka koja ide dalje.
Ako želite koristiti svjetla šireg snopa za stvaranje atmosfere, udaljenost između svjetala treba biti jednaka ili veća od promjera širenja snopa svjetlosti.
Širenje zrake u akustičnim valovima
Širenje snopa također se može dogoditi u ultrazvučnim sondama, gdje se mjeri kao kut između glavnog snopa zvučnog snopa u dalekom polju i samog glavnog snopa.
Divergencija snopa je još jedan način da se izmjeri koliko se zvučne energije širi dok se udaljava od svog izvora.
To uvelike ovisi o tome koliko se često koristi sonda i koliko je velika.
Aplet se može koristiti za grubu procjenu kuta divergencije zrake, što je polovica kuta širenja zrake.
To se radi uzimajući u obzir promjer (D), frekvenciju (F) i brzinu zvuka (V) u tekućem ili čvrstom mediju.
Zašto širenje snopa nije smiješno u inženjerstvu
Još uvijek je teško razumjeti? Da malo promijenim gledište:
Tko se uopće treba brinuti o dosadnim stvarima poput širenja snopa? Samo pustite svoje svjetlosne ili zvučne valove da lete ne htjeli-ne htjeli i nadajte se najboljem! Uostalom, kome treba preciznost ili točnost u inženjerskim primjenama, zar ne?
Naravno, to uopće nije točno, što svaki inženjer ili student strojarstva zna.
Prilikom projektiranja i optimiziranja različitih tehnologija, širenje snopa je jedna od najvažnijih stvari o kojoj treba razmišljati.
Ali ponekad nam je potrebno malo ironičnog humora da shvatimo koliko je važan koncept poput širenja snopa.
Sada se vratimo na objašnjenje.
Čimbenici koji utječu na širenje zrake
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, kut snopa je važna stvar o kojoj treba razmišljati.
Širenje snopa čini refleksije manje glasnima jer se zvučna energija širi na veće područje.
Frekvencija i promjer sonde uvelike ovise o tome koliko je široka zraka.
Kada se koristi niskofrekventni pretvarač, širina zraka je veća nego kada se koristi visokofrekventni pretvarač.
Kako promjer sonde raste, širina snopa će se smanjivati.
Kada se zvučne zrake ne šire, brzina kojom se šire određena je koeficijentom difrakcije D, koji je povezan sa zakrivljenošću izofrekventne površine.
Odabir sonde ima veliki utjecaj na osjetljivost, razlučivost, prodor i širenje snopa.
Promjena radne frekvencije ili valnog oblika ima mali učinak.
Čimbenici 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 udara o površinu i o indeksima loma dvaju materijala.
Indeks loma pokazuje koliko neki materijal usporava svjetlost u usporedbi s vakuumom.
Kada svjetlost prolazi kroz prizmu, dvaput se savija: jednom dok ulazi i drugi put kada izlazi.
Koliko se svjetlost savija ovisi o njenoj valnoj duljini, pa se različite boje savijaju pod različitim kutovima.
To se zove disperzija.
Kada svjetlost prolazi kroz komad stakla, dio se odbija od površine, a dio prolazi ravno kroz njega.
Koliko se svjetlost reflektira ovisi o kutu pod kojim ona pada na površinu i o tome kako zrak i staklo savijaju svjetlost.
Indeks loma stakla je veći od indeksa loma zraka, pa kada svjetlost prelazi iz zraka u staklo, ona se usporava i savija prema normali (zamišljenoj liniji okomitoj na površinu).
Kada svjetlost prelazi sa stakla na zrak, ubrzava se i skreće od normale.
Ukratko, svojstva medija kroz koji val putuje, kao i frekvencija i veličina pretvarača, glavne su stvari koje utječu na širenje elektromagnetskih i akustičnih valova.
Refrakcija mijenja brzinu i smjer svjetlosnih valova dok prolaze kroz različite materijale.
To utječe na udaljenost svjetlosnih valova.
Znati što utječe na širenje zrake važno je za odabir prave opreme i postizanje željenih rezultata u različitim inženjerskim primjenama.
Upotreba širenja snopa
Širenje snopa važan je dio mnogih inženjerskih aplikacija, kao što su rasvjeta, sonarni sustavi, podvodne senzorske tehnologije i još mnogo toga.
Važno je znati kako širenje snopa utječe na ove tehnologije kako biste mogli odabrati pravu opremu i dobiti rezultate koje želite.
Širenje snopa u rasvjeti
U rasvjeti, kut pod kojim svjetlost izlazi iz rasvjetnog tijela naziva se širina snopa.
Više je područja osvijetljeno manjim intenzitetom svjetla ako je snop širi.
S druge strane, širenje snopa koje je uže stavlja više svjetla na manje područje.
Kod tračničkih glava s više snopova, kut snopa se može promijeniti na licu mjesta pomicanjem leće.
Rasprostranjeni snop se može koristiti za osvjetljavanje velikog područja, dok se rasprostranjeni snop može koristiti za isticanje određenih dijelova prostorije.
Različite vrste svjetala imaju različite obrasce za širenje svjetlosti, koji su napravljeni iz različitih razloga.
Svjetla s raširenim snopom imaju širi snop od reflektora, koji proizvode fokusiraniji snop svjetla koji može putovati dalje od vozila.
Svjetla za maglu mogu svijetliti kroz slojeve magle, kiše, snijega ili prašine na cesti jer imaju širok vodoravni raspon, ali uzak okomiti graničnik.
NEMA sustav klasifikacije širenja snopa
Nacionalna udruga proizvođača električne energije (NEMA) smislila je način klasificiranja načina na koji se svjetlost širi.
Ovaj sustav se naziva NEMA širenje snopa.
Odnosi se na dva ruba gdje se intenzitet svjetlosti širi vodoravno i okomito do 10% maksimalnog intenziteta snopa i korelira s time je li svjetlosni izlaz vrlo uzak, vrlo širok ili negdje između.
Kutovi vodoravnog i okomitog širenja zrake koriste se za razlikovanje NEMA tipova.
Standardizirani NEMA sustav klasifikacije kuta snopa daje svima u industriji dosljedan način da otkriju kako rasvjetna tijela šire svjetlost.
Šest tipova koje je imenovala NEMA koriste se za različite stvari.
Možete dobiti pravu distribuciju svjetla za svoj projekt korištenjem rasvjetnih tijela s pravom NEMA klasifikacijom.
Širenje zrake u sonarnim sustavima
U sonarnim sustavima širenje snopa odnosi se na područje pokrivenosti zvučnih valova koje emitira pretvornik.
Multibeam sonar šalje više sonarnih zraka u isto vrijeme u obliku lepeze koji gleda ispod broda i na svaku stranu.
U usporedbi s jednozračnim sonarom, ovo omogućuje brže i točnije skeniranje veće površine morskog dna.
Različite frekvencije otkrivaju različite razine detalja u podacima sonara.
Visokofrekventni impulsi pokazuju puno detalja, ali ne mogu ići duboko u vodu.
Niskofrekventni pulsevi, s druge strane, idu dublje u vodu, ali pokazuju manje detalja.
Širenje zrake u tehnologijama podvodnog senzora
Širenje zraka također utječe na tehnologije za podvodno detektiranje, kao što je komunikacija vidljivom svjetlošću (UVLC).
UVLC koristi frekvencijski raspon između 450 i 550 nm jer radiofrekventni signali mnogo brže gube snagu u morskoj vodi.
To omogućuje ljudima da razgovaraju pod vodom, iako morska voda nema uvijek istu temperaturu i trup se pomiče kada ga udare valovi.
Ukratko, širenje zrake je važna stvar o kojoj treba razmišljati u mnogim inženjerskim primjenama, kao što su rasvjeta, sonarni sustavi i tehnologije za otkrivanje onoga što se događa pod vodom.
Važno je znati kako širenje snopa utječe na ove tehnologije kako biste mogli odabrati pravu opremu i dobiti rezultate koje želite.
Koje se metode mogu koristiti za kontrolu ili promjenu širenja zrake u različitim situacijama?
Oblikovanje grede i upravljanje
Oblikovanje i upravljanje snopom važna je tehnika koja se koristi u mnogim modernim uređajima, poput leća fotoaparata i optičkih pinceta.
U ovoj metodi, greda se mijenja na različite načine kako bi se dobila željena širina.
Jedan od popularnih načina za promjenu oblika snopa je korištenje difrakcijskih optičkih elemenata (DOE).
DOE može promijeniti način na koji se zraka širi u smislu faze i amplitude kako bi se postiglo potrebno širenje zrake.
Također, holografske optičke pincete koriste holograme napravljene pomoću računala za oblikovanje i usmjeravanje svjetlosnih zraka kako bi napravile zamke u 3D prostoru.
Dielektrične metapovršine
Dielektrične metapovršine su tanki, umjetni slojevi struktura manjih od valne duljine koji mogu promijeniti način na koji se svjetlost ponaša na temelju indeksa loma, perioda, upadnog kuta i oblika poprečnog presjeka.
Oni mogu promijeniti snagu, fazu i polarizaciju zrake, što im omogućuje izradu složenih uzoraka zraka.
Leće, reflektori i difrakcijske rešetke
U nekim situacijama leće, reflektori ili difrakcijske rešetke mogu se koristiti za kontrolu širine zrake.
Leće mogu promijeniti oblik snopa kako bi ga učinile užim ili širim, a reflektori mogu snop okrenuti u određenom smjeru.
Difrakcijske rešetke mogu podijeliti snop u više od jednog snopa ili ga saviti u određeni uzorak.
Otvor blende ili iris
Promjenom veličine otvora, otvor blende ili iris može se koristiti za promjenu veličine snopa.
U fotografiji se ova metoda često koristi za kontrolu količine svjetlosti koja ulazi u fotoaparat i za dobivanje prave dubinske oštrine.
Pomicanje obratka ili lasera
Kada koristite laser za rezanje ili zavarivanje, na primjer, snop se može promijeniti pomicanjem obratka ili lasera.
Ova se metoda koristi za izradu rezova ili zavara koji su vrlo precizni i za kontrolu širine zrake.
Akceleratori čestica
Akceleratori čestica mogu kontrolirati ili promijeniti širenje snopa na više načina.
To uključuje metode ubrizgavanja i ekstrakcije, hlađenje snopa, prijenos spina, polarizaciju, analizu prvog zavoja, pristup najbližem ugađanju, kompenzaciju sumske rezonancije i rezonanciju emitiranja blizu spoja.
Ove se metode koriste kako bi se osiguralo da je zraka stabilna, dobro fokusirana i na pravom mjestu.
Zaključno, postoji mnogo načina za kontrolu ili promjenu načina na koji se širi zraka, a najbolji način za to ovisi o primjeni i potrebama.
Važno je odabrati pravu tehniku kako biste dobili željeno širenje snopa i bili sigurni da aplikacija radi.
Tehnike kontrole i manipuliranja širenjem zrake
Širenje snopa kritičan je čimbenik u mnogim inženjerskim primjenama, uključujući rasvjetu, sonarne sustave i akceleratore čestica.
Različite aplikacije zahtijevaju različite načine za kontrolu ili promjenu širenja snopa.
Izračunavanje širenja snopa
Jednostavno možete odrediti pravo širenje snopa za svoj dizajn rasvjete množenjem kuta snopa s konstantnom vrijednošću od 0,018, a zatim s udaljenošću.
Na primjer, ako želite izračunati područje pokrivenosti (veličina točke) grede od 10° koja je postavljena 25 stopa iznad palube (dometna udaljenost), možete upotrijebiti ovu formulu: 10° x 0,018 x 25 ft = 4,5 ft.
Ovisno o tome koliko su velike, reflektorske svjetiljke mogu imati točkasti ili reflektorski snop.
Posjedovanje obje vrste daje vam više načina za osvjetljavanje vašeg posjeda.
Kada birate žarulju za svoj prostor, razmislite kakvu atmosferu želite stvoriti.
Spot svjetla su obično žarulje s uskim snopom, poput 12°.
Reflektori su žarulje sa širim snopom, otprilike 60°.
Oblikovanje grede i upravljanje
Oblikovanje i upravljanje snopom ključni je dio mnogih modernih tehnologija, poput optičkih pinceta i leća fotoaparata.
Optički elementi poput leća, zrcala i rešetki koriste se za promjenu oblika snopa i usmjeravanje u određenom smjeru ili fokusiranje na metu.
Ova se metoda također koristi za kontrolu zraka s različitim indeksima loma, periodima, upadnim kutovima i oblicima presjeka u dielektričnim metapovršinama.
Smanjenje širenja snopa
U ultrazvučnoj tehnologiji možete smanjiti širenje zrake korištenjem sonde visoke frekvencije ili povećanjem promjera sonde.
Pomicanjem optički zarobljene mikrosfere kroz svjetlosnu zraku, moguće je kontrolirati kako se zraka kreće u optofluidnom uređaju.
Akceleratori čestica imaju mnogo načina za kontrolu ili promjenu širenja snopa, kao što su metode ubrizgavanja i ekstrakcije, hlađenje snopa, transport spina, polarizacija, analiza prvog zavoja, pristup najbližeg ugađanja, kompenzacija rezonancije zbroja i rezonancije emitiranja blizu sprezanja.
Postoje i sljedeći načini sužavanja snopa:
Korištenje ekspandera snopa: Ekspanderi snopa mogu se koristiti za smanjenje divergencije snopa i osiguravanje da promjer snopa ne prijeđe određenu granicu kada je izlazni snop daleko.
Povećavanjem snopa unutar sustava, ulazni promjer raste, što čini divergenciju manjom.
- Korištenje kolimatora: Kolimator se može koristiti za smanjenje širenja laserske zrake i njezinu veću kolimaciju.
- Korištenje manjeg otvora blende: Veličina rupe kroz koju prolazi laserska zraka može utjecati na udaljenost zrake.
U većini slučajeva, manji otvor blende manje će širiti zraku.
- Korištenje leće s većom žarišnom duljinom: Objektiv s većom žarišnom duljinom može se koristiti za fokusiranje laserske zrake u manju točku, što može smanjiti širenje zrake.
Važno je imati na umu da ove tehnike mogu pomoći u smanjenju širenja zrake, ali mogu učiniti samo toliko.
Također, neke tehnike mogu uzrokovati druge optičke aberacije, poput sferne aberacije, što može smanjiti kvalitetu zrake.
Važno je dobro razmisliti o potrebama sustava i odabrati pravi način za smanjenje širenja snopa.
Širenje zvučne zrake u dalekom polju
Nekoliko stvari utječe na to kako se zvučna zraka širi u dalekom polju.
To uključuje veličinu i oblik izvora ultrazvuka, frekvenciju zrake, način na koji je zraka fokusirana i veličinu ili otvor sonde.
Daleko polje
Daleko polje je područje gdje promjer zrake raste dalje od izvora od duljine jedne bliže zone.
Promjer sonde i frekvencija ultrazvuka
Koliko se zvučni snop širi u dalekom polju ovisi o veličini pretvornika, koji se naziva otvor blende, i frekvenciji zvučnih valova.
Kristali većeg promjera koji proizvode zvuk više frekvencije proizvode zrake koje manje divergiraju u dalekom polju.
Kristali manjeg promjera i niže frekvencije daju zrake koje su jako raširene u dalekom polju.
Veličina i oblik izvora ultrazvuka
Na širinu snopa, duljinu Fresnelove zone i kut divergencije izvan bliskog polja utječe veličina izvora ultrazvuka.
Za pretvornik u kojem se ne primjenjuje fokusiranje, duljina Fresnelove zone određena je promjerom pretvornika i valnom duljinom.
Fokusiranje snopa
Način na koji je zraka fokusirana također mijenja izgled u dalekom polju.
Fokusiranje zrake može učiniti da se zraka manje širi u dalekom polju.
Korištenje sonde koja ne fokusira zraku, s druge strane, čini da se zraka više širi.
Ukratko, promjer ili otvor sonde, frekvencija ultrazvuka, veličina i oblik izvora ultrazvuka i način na koji je zraka fokusirana utječu na to koliko se zvučna zraka širi u svom dalekom polju.
Poznavajući te čimbenike, inženjeri i istraživači mogu napraviti ultrazvučne sustave koji najbolje odgovaraju njihovim potrebama.
Izračuni valne duljine, bliskog polja, širenja zrake
Savjet: Uključite tipku titlova ako vam je potrebna. Odaberite "automatski prijevod" u gumbu postavki, ako niste upoznati s govornim jezikom. Možda ćete prvo morati kliknuti na jezik videozapisa prije nego što vaš omiljeni jezik postane dostupan za prijevod.
Zaključak
Dok zaključujemo ovu raspravu o širenju snopa, vrijedi odvojiti trenutak za razmatranje dubokog utjecaja koji ovaj koncept ima na svijet inženjerstva.
Širenje snopa vrlo je važan koncept koji treba razumjeti ako želite dizajnirati sustave rasvjete za stadion, poboljšati sonarne slike za podmornice ili izraditi lasersku tehnologiju za medicinske potrebe.
Inženjeri mogu obavljati posao koji je precizniji i učinkovitiji 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 snopa i kako vam može pomoći da postignete svoje ciljeve.
Uz malo mašte i kreativnosti, zaista nema ograničenja u onome što možete učiniti.
Dijeli…
