Jei esate inžinierius ar inžinieriaus studentas, žinote, kas yra bangos.
Bangos yra svarbi daugelio kasdien naudojamų technologijų dalis – nuo radijo signalų iki ultragarsinio vaizdo.
Bet ar kada nors pagalvojote apie tai, ką daro šios bangos tol, kol jos prasideda? Čia ir atsiranda spindulio sklaidos idėja.
Spindulio plitimas yra kampas, kuriuo elektromagnetinis arba akustinis spindulys tolsta nuo savo centrinės ašies judėdamas per medžiagą.
Spindulio sklaidos supratimas yra svarbus kuriant ir geriausiai naudojant daugelį inžinerinių sistemų, pvz., apšvietimo, sonaro ir lazerių.
Taigi, šiame straipsnyje kalbėsiu apie spindulių sklaidą ir kodėl tai svarbu inžinerijos srityje.
Įvadas į sijos sklaidą
Oficialus apibrėžimas:
Elektromagnetinio arba akustinio pluošto nukrypimo nuo centrinės ašies kampas, kai jis sklinda per medžiagą.
Spindulio plitimas yra kiekis, kurį elektromagnetinis arba akustinis pluoštas nutolsta nuo savo centrinės ašies judėdamas per medžiagą.
Paprastai jis matuojamas laipsniais ir parodo, kokio pločio spindulys yra nuo šaltinio tam tikru atstumu.
Inžinerijoje spindulio sklaida yra svarbi idėja, padedanti išsiaiškinti, kokia stipri ir kokia kryptimi yra šviesos, garso ir radijo bangos.
Spindulio sklaida apšvietime
Apšvietime spindulio sklaida yra būdas išmatuoti, kaip toli šviesa nukeliauja nuo šaltinio su atšvaitu, pavyzdžiui, elektros lempute.
Jis matuoja spindulio pločio, o tai svarbu žinoti, jei norite nuspręsti, kiek šviesos apšviesti objektą ar paviršių.
Priklausomai nuo to, kokio dydžio jie yra, atšvaitinės lempos turi taškinį arba platų spindulį.
Sijos plotis taškinis pluoštas skiriasi nuo potvynio spindulio.
Norėdami rasti šviesos pluošto plotį iš tam tikro atstumo, naudokite šią paprastą formulę: Spindulio plitimas = Spindulio kampas x,018 x Atstumas.
Pavyzdžiui, jei norite sužinoti, kiek 120 laipsnių kampo prožektorių šviesa pasieks 15 pėdų atstumu, galite tiesiog įtraukti skaičius į šią formulę.
Taškinius ir prožektorius gamintojai dažnai apibūdina kiek skirtingai.
Žinodami, kaip veikia spindulių sklaida, galėsite pasirinkti tinkamą lauko šviesą jūsų projektui.
Didesniems atstumams geriausiai tiks siauresnis, toliau einantis sija.
Jei norite naudoti platesnio spindulio šviestuvus, kad sukurtumėte atmosferą, atstumas tarp žibintų turi būti lygus arba didesnis už šviesos sklidimo skersmenį.
Spindulio plitimas akustinėmis bangomis
Spindulio plitimas taip pat gali vykti ultragarso keitikliuose, kur jis matuojamas kaip kampas tarp pagrindinės garso pluošto skilties tolimajame lauke ir pačios pagrindinės skilties.
Spindulio divergencija yra dar vienas būdas išmatuoti, kiek garso energijos pasklinda tolstant nuo šaltinio.
Tai labai priklauso nuo to, kaip dažnai naudojamas keitiklis ir kokio dydžio jis yra.
Programėlė gali būti naudojama norint gauti apytikslį spindulio nuokrypio kampą, kuris yra pusė spindulio sklidimo kampo.
Tai atliekama atsižvelgiant į skersmenį (D), dažnį (F) ir garso greitį (V) skystoje arba kietoje terpėje.
Kodėl sijos sklaida inžinerijoje nėra juokinga
Vis dar sunku suprasti? Šiek tiek pakeisiu požiūrį:
Kam vis tiek reikia jaudintis dėl nemalonių dalykų, tokių kaip spindulio sklaida? Tiesiog leiskite savo šviesos ar garso bangoms skraidyti nenoriai ir tikėkitės geriausio! Galų gale, kam reikia tikslumo ar tikslumo inžinerinėse programose, tiesa?
Žinoma, tai visiškai netiesa, kaip žino bet kuris inžinierius ar inžinierių studentas.
Kuriant ir optimizuojant įvairias technologijas, vienas iš svarbiausių dalykų, apie kurį reikia galvoti, yra spindulio sklaida.
Tačiau kartais mums reikia šiek tiek ironiško humoro, kad suprastume, kokia svarbi yra tokia sąvoka kaip spindulio sklaida.
Dabar grįžkime prie paaiškinimo.
Spindulio plitimą įtakojantys veiksniai
Dalykai, turintys įtakos elektromagnetinių ir akustinių bangų sklidimui, priklauso nuo medžiagos, kuria jos keliauja.
Renkantis ultragarso keitiklį, svarbu atsižvelgti į spindulio kampą.
Spindulio plitimas sumažina atspindžių garsumą, nes garso energija pasklinda didesniame plote.
Keitiklio dažnis ir skersmuo labai priklauso nuo spindulio pločio.
Kai naudojamas žemo dažnio keitiklis, pluošto sklaida yra platesnė nei naudojant aukšto dažnio keitiklį.
Didėjant keitiklio skersmeniui, spindulio sklidimas trauksis.
Kai garso pluoštai nesklinda, jų sklidimo greitis nustatomas pagal difrakcijos koeficientą D, kuris yra susijęs su izodedažnio paviršiaus kreivumu.
Keitiklio pasirinkimas turi didelę įtaką jautrumui, raiškai, skverbimuisi ir spindulio sklidimui.
Veikimo dažnio ar bangos formos keitimas turi nedidelį poveikį.
Veiksniai, įtakojantys spindulio plitimą šviesos bangose
Refrakcija yra tai, kas atsitinka, kai šviesos banga juda iš vienos medžiagos į kitą ir keičia greitį bei kryptį.
Kiek šviesos banga lenkiasi, priklauso nuo kampo, kuriuo ji atsitrenkia į paviršių, ir abiejų medžiagų lūžio rodiklių.
Lūžio rodiklis rodo, kiek medžiaga sulėtina šviesą, palyginti su vakuumu.
Kai šviesa praeina per prizmę, ji sulenkiama du kartus: vieną kartą, kai įeina, ir dar kartą, kai išeina.
Kiek šviesos lenkiasi, priklauso nuo jos bangos ilgio, todėl skirtingos spalvos lenkiasi skirtingais kampais.
Tai vadinama dispersija.
Kai šviesa praeina pro stiklo gabalą, dalis jos atsimuša į paviršių, o dalis eina tiesiai.
Kiek šviesos atsispindi, priklauso nuo kampo, kuriuo ji patenka į paviršių, ir nuo to, kaip oras ir stiklas lenkia šviesą.
Stiklo lūžio rodiklis yra didesnis nei oro, todėl, kai šviesa iš oro patenka į stiklą, ji sulėtėja ir lenkiasi link normalios (įsivaizduojamos linijos, statmenos paviršiui).
Kai šviesa iš stiklo pereina į orą, ji pagreitėja ir nukrypsta nuo įprastos.
Trumpai tariant, terpės, kuria sklinda banga, savybės, taip pat keitiklio dažnis ir dydis yra pagrindiniai dalykai, turintys įtakos elektromagnetinių ir akustinių bangų plitimui.
Refrakcija keičia šviesos bangų greitį ir kryptį, kai jos praeina per skirtingas medžiagas.
Tai turi įtakos šviesos bangų atstumui.
Norint pasirinkti tinkamą įrangą ir gauti norimų rezultatų įvairiose inžinerinėse programose, svarbu žinoti, kas turi įtakos spindulio sklidimui.
Sijos sklaidos panaudojimas
Spindulio sklaida yra svarbi daugelio inžinerinių programų dalis, pvz., apšvietimas, sonaro sistemos, povandeninės jutimo technologijos ir kt.
Svarbu žinoti, kaip spindulio sklaida veikia šias technologijas, kad galėtumėte pasirinkti tinkamą įrangą ir gauti norimus rezultatus.
Spindulio sklaida apšvietime
Apšvietime kampas, kuriuo šviesa sklinda iš armatūros, vadinamas jo spindulio sklidimu.
Didesnis plotas apšviečiamas mažesniu šviesos intensyvumu, jei spindulys platesnis.
Kita vertus, siauresnis pluoštas suteikia daugiau šviesos mažesniame plote.
Naudojant kelių spindulių išskleistos vėžės galvutes, spindulio kampą galima keisti vietoje judant objektyvą.
Potvynių spindulių sklaidos gali būti naudojamos norint apšviesti didelį plotą, o taškinės sijos gali būti naudojamos tam tikroms kambario dalims paryškinti.
Įvairių tipų šviestuvai turi skirtingus šviesos sklidimo modelius, kurie gaminami dėl skirtingų priežasčių.
Išsklaidytų šviesų šviesų spindulys yra platesnis nei prožektorių, kurie sukuria labiau sufokusuotą šviesos spindulį, kuris gali nukeliauti toliau prieš transporto priemonę.
Rūko žibintai gali prasiskverbti pro rūko, lietaus, sniego ar dulkių sluoksnius ant kelio, nes jie yra plačiai horizontaliai išsklaidyti, bet siauri vertikaliai.
NEMA spindulių sklaidos klasifikavimo sistema
Nacionalinė elektros gamintojų asociacija (NEMA) sugalvojo būdą, kaip klasifikuoti šviesos sklaidą.
Ši sistema vadinama NEMA spindulio sklaida.
Tai reiškia du kraštus, kuriuose šviesos intensyvumas plinta horizontaliai ir vertikaliai iki 10 % didžiausio spindulio intensyvumo ir koreliuoja su tuo, ar šviesos srautas yra labai siauras, labai platus ar kažkur tarp jų.
Horizontaliojo ir vertikalaus spindulio plitimo kampai naudojami norint nustatyti skirtumą tarp NEMA tipų.
Standartizuota NEMA spindulio kampų klasifikavimo sistema suteikia visiems pramonės atstovams nuoseklų būdą išsiaiškinti, kaip šviestuvai skleidžia šviesą.
Šeši NEMA pavadinti tipai naudojami skirtingiems dalykams.
Galite gauti tinkamą šviesos paskirstymą savo projektui naudodami šviestuvus su tinkama NEMA klasifikacija.
Spindulio sklaida sonaro sistemose
Sonarinėse sistemose spindulio sklaida reiškia keitiklio skleidžiamų garso bangų aprėpties plotą.
Kelių spindulių sonaras vienu metu siunčia kelis sonaro spindulius vėduoklės pavidalu, kuris atrodo po laivu ir į kiekvieną bortą.
Palyginti su vieno spindulio sonaru, tai leidžia greičiau ir tiksliau nuskaityti didesnį jūros dugno plotą.
Skirtingi dažniai atskleidžia skirtingus sonaro duomenų detalumo lygius.
Aukšto dažnio impulsai rodo daug detalių, bet negali patekti į vandenį.
Kita vertus, žemo dažnio impulsai patenka giliau į vandenį, bet rodo mažiau detalių.
Spindulio sklaida povandeninio jutimo technologijose
Spindulio plitimas taip pat turi įtakos povandeninio jutimo technologijoms, tokioms kaip matomos šviesos ryšys (UVLC).
UVLC naudoja dažnių diapazoną nuo 450 iki 550 nm, nes radijo dažnių signalai jūros vandenyje praranda savo stiprumą daug greičiau.
Tai leidžia žmonėms kalbėti po vandeniu, nors jūros vanduo ne visada yra vienodos temperatūros ir korpusas juda, kai jį pasiekia bangos.
Trumpai tariant, spindulio sklaida yra svarbus dalykas, apie kurį reikia galvoti daugelyje inžinerinių programų, tokių kaip apšvietimas, sonaro sistemos ir technologijos, skirtos suvokti, kas vyksta po vandeniu.
Svarbu žinoti, kaip spindulio sklaida veikia šias technologijas, kad galėtumėte pasirinkti tinkamą įrangą ir gauti norimus rezultatus.
Kokiais metodais galima kontroliuoti ar pakeisti spindulio plitimą įvairiose situacijose?
Sijos formavimas ir valdymas
Spindulio formavimas ir valdymas yra svarbi technika, naudojama daugelyje šiuolaikinių įrenginių, pavyzdžiui, fotoaparatų objektyvuose ir optiniuose pincetuose.
Taikant šį metodą, sija keičiama įvairiais būdais, kad būtų pasiektas norimas sklidimas.
Vienas populiarus būdas pakeisti pluošto formą yra naudoti difrakcinius optinius elementus (DOE).
DOE gali pakeisti pluošto paskirstymą pagal fazę ir amplitudę, kad būtų išskleistas reikalingas pluoštas.
Be to, holografiniai optiniai pincetai naudoja kompiuterio sukurtas hologramas, kad suformuotų ir nukreiptų šviesos spindulius, kad padarytų spąstus 3D erdvėje.
Dielektriniai metapaviršiai
Dielektriniai metapaviršiai yra ploni, žmogaus sukurti struktūrų sluoksniai, mažesni už bangos ilgį, galintys pakeisti šviesos elgesį pagal jos lūžio rodiklį, periodą, kritimo kampą ir skerspjūvio formą.
Jie gali pakeisti spindulio stiprumą, fazę ir poliarizaciją, o tai leidžia sukurti sudėtingus pluošto modelius.
Lęšiai, atšvaitai ir difrakcijos grotelės
Kai kuriais atvejais lęšiai, atšvaitai arba difrakcinės grotelės gali būti naudojami siekiant kontroliuoti spindulio sklidimo tolį.
Lęšiai gali keisti spindulio formą, kad jis būtų siauresnis ar platesnis, o atšvaitai gali pasukti spindulį tam tikra kryptimi.
Difrakcinės gardelės gali skaidyti spindulį į daugiau nei vieną spindulį arba sulenkti į tam tikrą raštą.
Diafragma arba rainelė
Keičiant angos dydį, sijos dydžiui pakeisti galima naudoti apertūrą arba rainelę.
Fotografuojant šis metodas dažnai naudojamas norint kontroliuoti, kiek šviesos patenka į fotoaparatą, ir norint gauti reikiamą lauko gylį.
Ruošinio arba lazerio perkėlimas
Pavyzdžiui, naudojant lazerį pjovimui ar virinimui, spindulį galima pakeisti judinant ruošinį arba lazerį.
Šis metodas naudojamas norint atlikti labai tikslius pjūvius ar suvirinimo siūles ir kontroliuoti, kiek spindulio sklinda.
Dalelių greitintuvai
Dalelių greitintuvai gali valdyti arba keisti pluošto sklidimą įvairiais būdais.
Tai apima įpurškimo ir ištraukimo metodus, spindulio aušinimą, sukimosi transportavimą, poliarizaciją, pirmojo posūkio analizę, artimiausio derinimo metodą, sumos rezonanso kompensavimą ir spinduliuotę šalia sujungimo rezonanso.
Šie metodai naudojami siekiant įsitikinti, kad spindulys yra stabilus, gerai sufokusuotas ir tinkamoje vietoje.
Apibendrinant galima pasakyti, kad yra daug būdų, kaip valdyti ar pakeisti spindulio sklidimą, o geriausias būdas tai padaryti priklauso nuo taikymo ir poreikių.
Svarbu pasirinkti tinkamą techniką, kad gautumėte norimą spindulio sklaidą ir įsitikinkite, kad programa veikia.
Spindulio plitimo valdymo ir manipuliavimo metodai
Spindulio sklaida yra svarbus veiksnys daugelyje inžinerinių programų, įskaitant apšvietimą, sonarų sistemas ir dalelių greitintuvus.
Skirtingos programos reikalauja skirtingų būdų, kaip valdyti arba pakeisti spindulio sklidimą.
Spindulio plitimo apskaičiavimas
Galite nesunkiai nustatyti tinkamą šviesos sklaidą savo apšvietimo dizainui, padauginę spindulio kampą iš pastovios vertės 0,018 ir tada iš atstumo.
Pavyzdžiui, jei norite išsiaiškinti 10° spindulio, sumontuoto 25 pėdų aukštyje virš denio, aprėpties plotą (taško dydį) (metimo atstumas), galite naudoti šią formulę: 10° x 0,018 x 25 pėdos = 4,5 ft.
Priklausomai nuo to, kokio dydžio jie yra, atšvaitinės lempos gali turėti taškinį arba potvynio spindulį.
Turėdami abu tipus, galėsite apšviesti savo turtą daugiau.
Rinkdamiesi lemputę savo erdvei, pagalvokite, kokią atmosferą norite sukurti.
Taškiniai žibintai dažniausiai yra siauro spindulio, pavyzdžiui, 12°, lemputės.
Apšvietimo arba prausimosi lemputės yra platesnio spindulio, pavyzdžiui, 60° ar pan., lemputės.
Sijos formavimas ir valdymas
Spindulio formavimas ir valdymas yra pagrindinė daugelio šiuolaikinių technologijų, tokių kaip optiniai pincetai ir fotoaparato objektyvai, dalis.
Optiniai elementai, tokie kaip lęšiai, veidrodžiai ir grotelės, naudojami pakeisti spindulio formą ir nukreipti jį tam tikra kryptimi arba sufokusuoti jį į taikinį.
Šis metodas taip pat naudojamas valdyti pluoštus su skirtingais lūžio rodikliais, periodais, kritimo kampais ir skerspjūvio formomis dielektriniuose metapaviršiuose.
Spindulio plitimo mažinimas
Ultragarso technologijoje spindulį galite sumažinti naudodami aukšto dažnio keitiklį arba padidindami keitiklio skersmenį.
Per šviesos spindulį perkeliant optiškai įstrigusią mikrosferą, galima valdyti, kaip spindulys juda optofluidiniame įrenginyje.
Dalelių greitintuvai turi daug būdų, kaip valdyti arba pakeisti pluošto sklidimą, pavyzdžiui, įpurškimo ir ištraukimo metodus, pluošto aušinimą, sukimosi transportavimą, poliarizaciją, pirmojo posūkio analizę, artimiausio derinimo metodą, sumos rezonanso kompensavimą ir spinduliuotę šalia jungties rezonanso.
Taip pat yra šie būdai susiaurinti spindulį:
Spindulio plėtiklio naudojimas: Spindulio plėtiklius galima naudoti siekiant sumažinti spindulio divergenciją ir užtikrinti, kad pluošto skersmuo neviršytų tam tikros ribos, kai išėjimo spindulys yra toli.
Padidinus spindulį sistemos viduje, didėja įvesties skersmuo, todėl skirtumas sumažėja.
- Kolimatoriaus naudojimas: Kolimatorius gali būti naudojamas siekiant sumažinti lazerio spindulio plitimą ir padaryti jį labiau kolimuotą.
- Mažesnės diafragmos naudojimas: skylės, pro kurią praeina lazerio spindulys, dydis gali turėti įtakos spindulio atstumui.
Dažniausiai dėl mažesnės diafragmos spindulys bus mažesnis.
- Ilgesnio židinio nuotolio objektyvo naudojimas: lazerio spindulį galima sufokusuoti į mažesnę vietą, o tai gali sumažinti spindulio plitimą.
Svarbu nepamiršti, kad šie metodai gali padėti sumažinti spindulio plitimą, tačiau jie gali padaryti tik tiek.
Be to, kai kurie metodai gali sukelti kitas optines aberacijas, pvz., sferinę aberaciją, dėl kurios gali pablogėti pluošto kokybė.
Svarbu gerai apgalvoti sistemos poreikius ir pasirinkti tinkamą būdą, kaip sumažinti spindulio sklaidą.
Garso pluoštas, sklindantis tolimame lauke
Kai kurie dalykai turi įtakos garso pluošto plitimui tolimame lauke.
Tai apima ultragarso šaltinio dydį ir formą, pluošto dažnį, pluošto fokusavimą ir keitiklio dydį arba diafragmą.
Tolimasis laukas
Tolimasis laukas yra sritis, kurioje spindulio skersmuo auga toliau nuo šaltinio nei artimos zonos ilgis.
Keitiklio skersmuo ir ultragarso dažnis
Kiek garso pluoštas pasklinda tolimajame lauke, priklauso nuo keitiklio, vadinamo diafragma, dydžio ir garso bangų dažnio.
Didesnio skersmens kristalai, skleidžiantys aukštesnio dažnio garsą, sukuria mažiau besiskiriančius spindulius tolimame lauke.
Mažesnio skersmens ir žemesnio dažnio kristalai sukuria spindulius, kurie labai išsiskleidžia tolimame lauke.
Ultragarso šaltinio dydis ir forma
Spindulio plotis, Frenelio zonos ilgis ir nukrypimo kampas už artimojo lauko priklauso nuo ultragarso šaltinio dydžio.
Keitikliui, kuriame nėra fokusavimo, Frenelio zonos ilgis nustatomas pagal keitiklio skersmenį ir bangos ilgį.
Spindulio fokusavimas
Spindulio fokusavimo būdas taip pat keičia jo išvaizdą tolimame lauke.
Sufokusavus spindulį, spindulys gali mažiau plisti tolimame lauke.
Kita vertus, naudojant keitiklį, kuris nesufokusuoja pluošto, spindulys plinta labiau.
Trumpai tariant, keitiklio skersmuo arba diafragma, ultragarso dažnis, ultragarso šaltinio dydis ir forma bei pluošto fokusavimo būdas turi įtakos garso pluošto plitimui tolimame lauke.
Žinodami apie šiuos veiksnius, inžinieriai ir mokslininkai gali sukurti geriausiai jų poreikius atitinkančias ultragarso sistemas.
Bangos ilgio, artimojo lauko, spindulio sklaidos skaičiavimai
Patarimas: jei reikia, įjunkite antraštės mygtuką. Jei nesate susipažinę su šnekamąja kalba, nustatymų mygtuke pasirinkite „automatinis vertimas“. Gali tekti pirmiausia spustelėti vaizdo įrašo kalbą, kad jūsų mėgstamiausia kalba taptų prieinama versti.
Išvada
Kai baigiame šią diskusiją apie spindulių sklaidą, verta skirti šiek tiek laiko ir apsvarstyti, kokį didelį poveikį ši koncepcija daro inžinerijos pasauliui.
Spindulio sklaida yra labai svarbi sąvoka, kurią reikia suprasti, jei norite sukurti stadiono apšvietimo sistemas, pagerinti povandeninių laivų sonaro vaizdavimą ar naudoti lazerinę technologiją medicinos reikmėms.
Inžinieriai gali atlikti tikslesnį ir efektyvesnį darbą nei bet kada anksčiau, atidžiai kontroliuodami ir keisdami bangų elgesį, kai jos juda per skirtingas medžiagas.
Taigi, kai kitą kartą dirbsite su inžineriniu projektu, atminkite spindulio sklidimo galią ir tai, kaip tai gali padėti jums pasiekti savo tikslus.
Turint šiek tiek vaizduotės ir kūrybiškumo, tai, ką galite padaryti, tikrai neriboja.
Pasidalinti…
