Ja esat inženieris vai inženierzinātņu students, jūs zināt, kas ir viļņi.
Viļņi ir svarīga daļa no daudzām tehnoloģijām, kuras izmantojat katru dienu, sākot no radio signāliem līdz ultraskaņas attēlveidošanai.
Bet vai esat kādreiz domājuši par to, ko šie viļņi dara, virzoties prom no sākuma? Šeit parādās ideja par staru izkliedi.
Stara izkliede ir leņķis, kādā elektromagnētiskais vai akustiskais stars attālinās no savas centrālās ass, pārvietojoties caur materiālu.
Izpratne par staru kūļa izplatību ir svarīga daudzu inženiertehnisko sistēmu, piemēram, apgaismojuma, hidrolokatoru un lāzeru, projektēšanā un vislabākajā izmantošanā.
Tātad, šajā rakstā es runāšu par staru izkliedi un to, kāpēc tas ir svarīgi inženierzinātņu jomā.
Ievads staru izkliedēšanā
Formālā definīcija:
Elektromagnētiskā vai akustiskā stara novirzes leņķis no centrālās ass, kad tas pārvietojas caur materiālu.
Stara izkliede ir daudzums, ko elektromagnētiskais vai akustiskais stars attālinās no savas centrālās ass, pārvietojoties caur materiālu.
To parasti mēra grādos un parāda, cik plats ir staru kūlis no avota noteiktā attālumā.
Inženierzinātnēs staru kūļa izkliedēšana ir svarīga ideja, kas palīdz noskaidrot, cik spēcīgi un kādā virzienā ir gaisma, skaņa un radioviļņi.
Staru izkliede apgaismojumā
Apgaismojumā staru kūļa izkliede ir veids, kā izmērīt, cik tālu gaisma atrodas no avota ar atstarotāju, piemēram, spuldzi.
Tas mēra, cik plats ir staru kūlis, kas ir svarīgi zināt, ja vēlaties izlemt, cik daudz gaismas apgaismot objektu vai virsmu.
Atkarībā no tā, cik lielas tās ir, atstarojošām lampām ir vai nu punktveida, vai plata stara.
Sijas platums ir tas, ar ko punktveida stars atšķiras no plūdu kūļa.
Izmantojiet šo vienkāršo formulu, lai atrastu gaismas stara platumu no noteikta attāluma: staru kūļa izkliede = stara leņķis x,018 x attālums.
Piemēram, ja vēlaties uzzināt, cik tālu sasniegs 120 grādu prožektora gaisma no 15 pēdu attāluma, varat vienkārši pievienot skaitļus šai formulai.
Prožektorus un prožektorus ražotāji bieži raksturo nedaudz atšķirīgi.
Zinot, kā darbojas staru kūļa izkliede, varēsiet izvēlēties savam projektam piemērotāko āra apgaismojumu.
Lielākiem attālumiem vislabāk noderēs šaurāks stars, kas sniedzas tālāk.
Ja vēlaties izmantot plašākas gaismas gaismas, lai radītu atmosfēru, attālumam starp gaismām jābūt vienādam vai lielākam par gaismas stara izkliedes diametru.
Staru izkliede akustiskajos viļņos
Staru izplatīšanās var notikt arī ultraskaņas devējos, kur to mēra kā leņķi starp skaņas stara galveno daivu tālākajā laukā un pašu galveno daivu.
Staru diverģence ir vēl viens veids, kā izmērīt, cik daudz skaņas enerģijas izplatās, attālinoties no avota.
Tas lielā mērā ir atkarīgs no tā, cik bieži devējs tiek izmantots un cik liels tas ir.
Apletu var izmantot, lai iegūtu aptuvenu staru diverģences leņķa novērtējumu, kas ir puse no stara izkliedes leņķa.
To veic, ņemot vērā diametru (D), frekvenci (F) un skaņas ātrumu (V) šķidrā vai cietā vidē.
Kāpēc staru izkliedēšana inženierzinātnēs nesmejas
Joprojām grūti saprast? Ļaujiet man nedaudz mainīt viedokli:
Kam tomēr jāuztraucas par nepatīkamām lietām, piemēram, staru izkliedi? Vienkārši ļaujiet saviem gaismas vai skaņas viļņiem lidot negribot un ceriet uz labāko! Galu galā, kam ir vajadzīga precizitāte vai precizitāte inženierijas lietojumos, vai ne?
Protams, tā nepavisam nav taisnība, kā to zina jebkurš inženieris vai inženierzinātņu students.
Izstrādājot un optimizējot dažādas tehnoloģijas, staru kūļa izkliedēšana ir viena no svarīgākajām lietām, par ko jādomā.
Bet dažreiz mums ir nepieciešams mazliet ironiska humora, lai saprastu, cik svarīgs ir tāds jēdziens kā staru izkliede.
Tagad atgriezīsimies pie skaidrojuma.
Faktori, kas ietekmē staru kūļa izplatību
Lietas, kas ietekmē elektromagnētisko un akustisko viļņu izplatīšanos, ir atkarīgas no materiāla veida, caur kuru tie pārvietojas.
Izvēloties ultraskaņas devēju, ir svarīgi padomāt par staru kūļa leņķi.
Stara izkliede padara atspulgus mazāk skaļus, jo skaņas enerģija tiek izplatīta lielākā laukumā.
Pārveidotāja frekvence un diametrs lielā mērā ir saistīti ar staru kūļa platumu.
Ja tiek izmantots zemfrekvences devējs, staru kūļa izplatība ir plašāka nekā tad, ja tiek izmantots augstfrekvences devējs.
Pieaugot devēja diametram, staru kūļa izplatība saruks.
Kad skaņas stari neizplatās, to izplatīšanās ātrumu nosaka difrakcijas koeficients D, kas ir saistīts ar izofrekvences virsmas izliekumu.
Pārveidotāja izvēlei ir liela ietekme uz jutību, izšķirtspēju, iespiešanos un staru kūļa izplatību.
Darba frekvences vai viļņu formas maiņai ir neliela ietekme.
Faktori, kas ietekmē staru kūļa izplatību gaismas viļņos
Refrakcija ir tas, kas notiek, kad gaismas vilnis pārvietojas no viena materiāla uz otru un maina ātrumu un virzienu.
Cik daudz gaismas vilnis izliecas, ir atkarīgs no leņķa, kādā tas skar virsmu, un abu materiālu refrakcijas koeficientiem.
Refrakcijas indekss parāda, cik daudz materiāls palēnina gaismu salīdzinājumā ar vakuumu.
Kad gaisma iet caur prizmu, tā tiek saliekta divreiz: vienu reizi, kad tā ieiet iekšā, un vēlreiz, kad tā izplūst.
Cik daudz gaismas izliecas, ir atkarīgs no tās viļņa garuma, tāpēc dažādas krāsas liecas dažādos leņķos.
To sauc par dispersiju.
Kad gaisma iet cauri stikla gabalam, daļa no tās atlec no virsmas un daļa iet cauri.
Cik daudz gaismas tiek atstarots, ir atkarīgs no leņķa, kādā tā saskaras ar virsmu, un no tā, kā gaiss un stikls liec gaismu.
Stikla laušanas koeficients ir augstāks nekā gaisa, tāpēc, kad gaisma no gaisa nonāk stiklā, tā palēninās un noliecas uz normālu (iedomātu līniju, kas ir perpendikulāra virsmai).
Kad gaisma pāriet no stikla uz gaisu, tā paātrinās un noliecas prom no parastā.
Īsāk sakot, vides īpašības, caur kurām vilnis pārvietojas, kā arī devēja frekvence un izmērs ir galvenās lietas, kas ietekmē elektromagnētisko un akustisko viļņu izplatību.
Refrakcija maina gaismas viļņu ātrumu un virzienu, kad tie iet cauri dažādiem materiāliem.
Tas ietekmē to, cik tālu atrodas gaismas viļņi.
Lai izvēlētos pareizo aprīkojumu un iegūtu vēlamos rezultātus dažādos inženiertehniskos lietojumos, ir svarīgi zināt, kas ietekmē staru kūļa izplatību.
Siju izkliedes izmantošana
Staru izkliede ir svarīga daudzu inženiertehnisko lietojumu, piemēram, apgaismojuma, sonāru sistēmu, zemūdens sensoru tehnoloģiju un citu, sastāvdaļa.
Ir svarīgi zināt, kā staru izkliede ietekmē šīs tehnoloģijas, lai jūs varētu izvēlēties pareizo aprīkojumu un iegūt vēlamos rezultātus.
Staru izkliede apgaismojumā
Apgaismojumā leņķi, kādā gaisma izplūst no armatūras, sauc par tā stara izplatīšanos.
Ja stars ir platāks, tiek izgaismots lielāks laukums ar mazāku gaismas intensitāti.
No otras puses, šaurāks staru kūlis rada vairāk gaismas mazākā laukumā.
Izmantojot vairāku staru izkliedes sliežu galviņas, stara leņķi var mainīt uz vietas, pārvietojot objektīvu.
Plūdu staru izkliedes var izmantot, lai izgaismotu lielu laukumu, savukārt punktveida staru izklājumus var izmantot, lai izceltu noteiktas telpas daļas.
Dažādu veidu gaismām ir dažādi gaismas izplatīšanās modeļi, kas tiek izgatavoti dažādu iemeslu dēļ.
Izkliedētās gaismas lukturiem ir plašāks staru kūļa modelis nekā prožektoriem, kas rada fokusētāku gaismas staru, kas var virzīties tālāk transportlīdzekļa priekšā.
Miglas lukturi var spīdēt cauri miglas, lietus, sniega vai putekļu slāņiem uz ceļa, jo tiem ir plašs horizontālais izkliedējums, bet šaura vertikālā robeža.
NEMA staru izkliedes klasifikācijas sistēma
Nacionālā elektroierīču ražotāju asociācija (NEMA) nāca klajā ar veidu, kā klasificēt gaismas izplatīšanās veidu.
Šo sistēmu sauc par NEMA staru izkliedi.
Tas attiecas uz abām malām, kur gaismas intensitāte izplatās horizontāli un vertikāli līdz 10% no maksimālās staru kūļa intensitātes un korelē ar to, vai gaismas atdeve ir ļoti šaura, ļoti plata vai kaut kur pa vidu.
Lai noteiktu atšķirību starp NEMA veidiem, tiek izmantoti horizontālā un vertikālā staru kūļa izkliedes leņķi.
Standartizētā NEMA staru kūļa leņķa klasifikācijas sistēma sniedz ikvienam nozares pārstāvim konsekventu veidu, kā noskaidrot, kā armatūra izplata gaismu.
Seši NEMA nosauktie veidi tiek izmantoti dažādām lietām.
Jūs varat iegūt pareizo gaismas sadalījumu savam projektam, izmantojot ķermeņus ar pareizo NEMA klasifikāciju.
Staru izkliede sonāru sistēmās
Sonāru sistēmās staru kūļa izkliede attiecas uz devēja emitēto skaņas viļņu pārklājuma zonu.
Daudzstaru hidrolokators vienlaikus izsūta vairākus hidrolokatoru starus vēdekļveida formā, kas izskatās zem kuģa un uz katru pusi.
Salīdzinot ar viena stara hidrolokatoru, tas ļauj ātrāk un precīzāk skenēt lielāku jūras gultnes laukumu.
Dažādas frekvences atklāj dažādu sonāra datu detalizācijas pakāpi.
Augstas frekvences impulsi parāda daudz detaļu, bet nevar iekļūt dziļi ūdenī.
No otras puses, zemas frekvences impulsi nonāk dziļāk ūdenī, bet parāda mazāk detaļu.
Staru izkliede zemūdens sensoru tehnoloģijās
Stara izkliede ietekmē arī zemūdens sensoru tehnoloģijas, piemēram, redzamās gaismas komunikāciju (UVLC).
UVLC izmanto frekvenču diapazonu no 450 līdz 550 nm, jo radiofrekvenču signāli jūras ūdenī zaudē spēku daudz ātrāk.
Tas ļauj cilvēkiem sarunāties zem ūdens, lai gan jūras ūdens temperatūra ne vienmēr ir vienāda un korpuss kustas, kad tam pieskaras viļņi.
Īsāk sakot, staru kūļa izkliede ir svarīga lieta, par ko jādomā daudzos inženiertehniskos lietojumos, piemēram, apgaismojumā, hidrolokatoru sistēmās un tehnoloģijās, kas ļauj uztvert, kas notiek zem ūdens.
Ir svarīgi zināt, kā staru izkliede ietekmē šīs tehnoloģijas, lai jūs varētu izvēlēties pareizo aprīkojumu un iegūt vēlamos rezultātus.
Kādas metodes var izmantot, lai kontrolētu vai mainītu staru izplatību dažādās situācijās?
Staru veidošana un stūrēšana
Staru veidošana un stūrēšana ir svarīgs paņēmiens, ko izmanto daudzās modernās ierīcēs, piemēram, kameru objektīvos un optiskajās pincetēs.
Izmantojot šo metodi, staru kūlis tiek mainīts dažādos veidos, lai iegūtu vēlamo izkliedi.
Viens populārs veids, kā mainīt staru kūļa formu, ir izmantot difrakcijas optiskos elementus (DOE).
DOE var mainīt staru kūļa izkliedēšanas veidu fāzes un amplitūdas izteiksmē, lai iegūtu vajadzīgo staru izkliedi.
Tāpat hologrāfiskās optiskās pincetes izmanto datora veidotas hologrammas, lai veidotu un virzītu gaismas starus, lai izveidotu slazdus 3D telpā.
Dielektriskās metavirsmas
Dielektriskās metavirsmas ir plāni, mākslīgi veidoti konstrukciju slāņi, kas ir mazāki par viļņa garumu, kas var mainīt gaismas uzvedību, pamatojoties uz tās laušanas koeficientu, periodu, krišanas leņķi un šķērsgriezuma formu.
Tie var mainīt staru kūļa stiprumu, fāzi un polarizāciju, kas ļauj veidot sarežģītus staru modeļus.
Lēcas, atstarotāji un difrakcijas režģi
Dažās situācijās var izmantot lēcas, atstarotājus vai difrakcijas režģus, lai kontrolētu, cik tālu stars izplatās.
Lēcas var mainīt stara formu, padarot to šaurāku vai platāku, un atstarotāji var pagriezt staru noteiktā virzienā.
Difrakcijas režģi var sadalīt staru kūli vairākos staros vai saliekt to noteiktā veidā.
Apertūra vai varavīksnene
Mainot atvēruma izmēru, var izmantot apertūru vai varavīksneni, lai mainītu stara izmēru.
Fotogrāfijā šo metodi bieži izmanto, lai kontrolētu, cik daudz gaismas nonāk kamerā, un lai iegūtu pareizo lauka dziļumu.
Apstrādājamās detaļas vai lāzera pārvietošana
Izmantojot lāzeru, piemēram, griešanai vai metināšanai, staru var mainīt, pārvietojot apstrādājamo priekšmetu vai lāzeru.
Šo metodi izmanto, lai veiktu ļoti precīzus griezumus vai metinājumus un kontrolētu, cik tālu staru kūlis izplatās.
Daļiņu paātrinātāji
Daļiņu paātrinātāji var kontrolēt vai mainīt staru kūļa izplatību vairākos veidos.
Tie ietver injekcijas un ekstrakcijas metodes, staru kūļa dzesēšanu, griešanās transportēšanu, polarizāciju, pirmā pagrieziena analīzi, tuvākās melodijas pieeju, summas rezonanses kompensēšanu un izstarojumu savienojuma rezonanses tuvumā.
Šīs metodes tiek izmantotas, lai pārliecinātos, ka stars ir vienmērīgs, labi fokusēts un atrodas pareizajā vietā.
Noslēgumā jāsaka, ka ir daudz veidu, kā kontrolēt vai mainīt staru kūļa izplatīšanās veidu, un labākais veids, kā to izdarīt, ir atkarīgs no pielietojuma un vajadzībām.
Ir svarīgi izvēlēties pareizo paņēmienu, lai iegūtu vēlamo staru kūļa izplatību un pārliecinātos, ka aplikācija darbojas.
Staru izplatības kontroles un manipulācijas paņēmieni
Stara izkliede ir būtisks faktors daudzos inženiertehniskos lietojumos, tostarp apgaismojumā, hidrolokatoru sistēmās un daļiņu paātrinātājos.
Dažādām lietojumprogrammām ir nepieciešami dažādi veidi, kā kontrolēt vai mainīt staru kūļa izplatību.
Sijas izplatības aprēķināšana
Jūs varat viegli izdomāt pareizo staru kūļa sadalījumu savam apgaismojuma dizainam, reizinot staru kūļa leņķi ar nemainīgu vērtību 0,018 un pēc tam ar attālumu.
Piemēram, ja vēlaties noteikt pārklājuma laukumu (punkta izmēru) 10° staram, kas uzstādīts 25 pēdas virs klāja (metiena attālums), varat izmantot šo formulu: 10° x 0,018 x 25 pēdas = 4,5 pēdas
Atkarībā no tā, cik lielas tās ir, atstarojošām lampām var būt vai nu punktveida stars, vai applūstošs stars.
Izmantojot abus veidus, jums ir vairāk iespēju apgaismot savu īpašumu.
Izvēloties spuldzi savai telpai, padomājiet par to, kādu atmosfēru vēlaties radīt.
Vietas gaismas parasti ir spuldzes ar šauru staru kūli, piemēram, 12°.
Plūdu vai mazgāšanas gaismas ir spuldzes ar platāku staru kūli, piemēram, 60° vai vairāk.
Siju veidošana un stūrēšana
Staru veidošana un stūrēšana ir daudzu mūsdienu tehnoloģiju, piemēram, optisko pincešu un kameru objektīvu, galvenā sastāvdaļa.
Optiskie elementi, piemēram, lēcas, spoguļi un režģi, tiek izmantoti, lai mainītu staru kūļa formu un novirzītu to noteiktā virzienā vai fokusētu uz mērķi.
Šo metodi izmanto arī, lai kontrolētu starus ar dažādiem refrakcijas rādītājiem, periodiem, krītošiem leņķiem un šķērsgriezuma formām dielektriskās metavirsmās.
Stara izplatības samazināšana
Ultraskaņas tehnoloģijā staru kūļa izplatību var samazināt, izmantojot augstas frekvences devēju vai palielinot devēja diametru.
Pārvietojot optiski iesprostotu mikrosfēru caur gaismas staru kūli, ir iespējams kontrolēt, kā kustas stars optofluidiskā ierīcē.
Daļiņu paātrinātājiem ir daudz veidu, kā kontrolēt vai mainīt staru kūļa izplatību, piemēram, iesmidzināšanas un ekstrakcijas metodes, staru kūļa dzesēšanu, griešanās transportēšanu, polarizāciju, pirmā pagrieziena analīzi, tuvākās melodijas pieeju, summas rezonanses kompensēšanu un izstarojumu savienojuma rezonanses tuvumā.
Ir arī šādi veidi, kā sašaurināt staru:
Staru paplašinātāja izmantošana: staru kūļa paplašinātājus var izmantot, lai samazinātu staru kūļa novirzi un nodrošinātu, ka staru kūļa diametrs nepārsniedz noteiktu robežu, kad izejas stars atrodas tālu.
Sistēmas iekšpusē palielinot staru kūli, palielinās ieejas diametrs, kas samazina novirzi.
- Kolimatora izmantošana: var izmantot kolimatoru, lai samazinātu lāzera stara izplatību un padarītu to kolimētāku.
- Mazākas diafragmas atvēruma izmantošana: cauruma izmērs, caur kuru iziet lāzera stars, var ietekmēt stara attālumu.
Lielāko daļu laika mazāka diafragma samazina staru izkliedi.
- Izmantojot objektīvu ar lielāku fokusa attālumu: objektīvu ar lielāku fokusa attālumu var izmantot, lai fokusētu lāzera staru mazākā vietā, kas var samazināt stara izplatību.
Ir svarīgi paturēt prātā, ka šie paņēmieni var palīdzēt samazināt staru kūļa izplatību, taču tie var darīt tikai tik daudz.
Dažas metodes var izraisīt arī citas optiskās aberācijas, piemēram, sfērisku aberāciju, kas var pasliktināt stara kvalitāti.
Ir svarīgi rūpīgi pārdomāt sistēmas vajadzības un izvēlēties pareizo veidu, kā samazināt staru izkliedi.
Skaņas stara izplatīšanās tālajā laukā
Vairākas lietas ietekmē skaņas stara izplatīšanos tālajā laukā.
Tie ietver ultraskaņas avota izmēru un formu, staru kūļa frekvenci, staru fokusa veidu un devēja izmēru vai apertūru.
Tāls lauks
Tālais lauks ir apgabals, kurā staru kūļa diametrs aug tālāk no avota nekā tuvās zonas garums.
Pārveidotāja diametrs un ultraskaņas frekvence
Tas, cik lielā mērā skaņas stars izplatās tālajā laukā, ir atkarīgs no devēja lieluma, ko sauc par apertūru, un skaņas viļņu frekvences.
Lielāka diametra kristāli, kas rada augstākas frekvences skaņu, rada starus, kas mazāk novirzās tālajā laukā.
Kristāli ar mazāku diametru un zemāku frekvenci veido starus, kas ir ļoti izkliedēti tālajā laukā.
Ultraskaņas avota izmērs un forma
Ultraskaņas avota lielums ietekmē staru kūļa platumu, Fresnela zonas garumu un novirzes leņķi aiz tuvā lauka.
Pārveidotājam, kurā netiek pielietota fokusēšana, Fresnela zonas garumu nosaka devēja diametrs un viļņa garums.
Staru fokusēšana
Stara fokusēšanas veids maina arī tā izskatu tālajā laukā.
Fokusējot staru, tas var mazāk izplatīties tālajā laukā.
No otras puses, izmantojot devēju, kas nefokusē staru kūli, stars izkliedējas vairāk.
Īsāk sakot, devēja diametrs vai apertūra, ultraskaņas frekvence, ultraskaņas avota izmērs un forma, kā arī staru kūļa fokusēšanas veids ietekmē to, cik lielā mērā skaņas stars izplatās tā tālajā laukā.
Zinot par šiem faktoriem, inženieri un pētnieki var izveidot ultraskaņas sistēmas, kas vislabāk atbilst viņu vajadzībām.
Viļņa garuma, tuvā lauka, staru kūļa izplatības aprēķini
Padoms. Ja nepieciešams, ieslēdziet parakstu pogu. Iestatījumu pogā izvēlieties “automātiskā tulkošana”, ja neesat pazīstams ar runāto valodu. Iespējams, vispirms būs jānoklikšķina uz videoklipa valodas, pirms jūsu iecienītākā valoda kļūst pieejama tulkošanai.
Secinājums
Kad mēs noslēdzam šo diskusiju par staru kūļa izplatību, ir vērts veltīt brīdi, lai apsvērtu šīs koncepcijas nozīmīgo ietekmi uz inženieru pasauli.
Staru izkliedēšana ir ļoti svarīgs jēdziens, kas jāsaprot, ja vēlaties izstrādāt stadiona apgaismojuma sistēmas, uzlabot zemūdeņu hidrolokatoru attēlveidošanu vai izmantot lāzertehnoloģiju medicīniskiem nolūkiem.
Inženieri var veikt darbu, kas ir precīzāks un efektīvāks nekā jebkad agrāk, rūpīgi kontrolējot un mainot veidu, kā viļņi uzvedas, pārvietojoties pa dažādiem materiāliem.
Tāpēc nākamreiz, kad strādājat pie inženiertehniskā projekta, paturiet prātā staru kūļa izkliedes spēku un to, kā tas var palīdzēt sasniegt jūsu mērķus.
Ja jums ir nedaudz iztēles un radošuma, jūsu paveiktajam nav nekādu ierobežojumu.
Kopīgot…
