Ak ste inžinier alebo študent inžinierstva, viete, čo sú vlny.
Vlny sú dôležitou súčasťou mnohých technológií, ktoré používate každý deň, od rádiových signálov až po ultrazvukové zobrazovanie.
Ale zamysleli ste sa niekedy nad tým, čo tieto vlny robia, keď sa vzďaľujú od miesta, kde začínajú? Tu prichádza myšlienka šírenia lúča.
Šírenie lúča je uhol, pod ktorým sa elektromagnetický alebo akustický lúč pri pohybe materiálom vzďaľuje od svojej stredovej osi.
Pochopenie šírenia lúča je dôležité pre navrhovanie a čo najlepšie využitie mnohých inžinierskych systémov, ako sú osvetlenie, sonar a lasery.
Takže v tomto článku budem hovoriť o šírení lúča a prečo je dôležité v oblasti strojárstva.
Úvod do šírenia lúčov
Formálna definícia:
Uhol divergencie od stredovej osi elektromagnetického alebo akustického lúča pri jeho prechode materiálom.
Šírenie lúča je množstvo, o ktoré sa elektromagnetický alebo akustický lúč vzdiali od svojej stredovej osi, keď sa pohybuje materiálom.
Zvyčajne sa meria v stupňoch a ukazuje, aký široký je lúč od zdroja v určitej vzdialenosti.
V inžinierstve je šírenie lúča dôležitou myšlienkou, ktorá pomáha zistiť, aké silné a akým smerom je svetlo, zvuk a rádiové vlny.
Rozloženie lúča v osvetlení
V osvetlení je šírenie lúča spôsob, ako zmerať vzdialenosť svetla od zdroja s reflektorom, ako je žiarovka.
Meria, aký široký je lúč, čo je dôležité vedieť, ak sa chcete rozhodnúť, koľko svetla svietiť na predmet alebo povrch.
V závislosti od toho, aké sú veľké, majú reflektorové žiarovky buď bodový alebo široký lúč.
Šírka lúča je to, čím sa bodový lúč líši od záplavového lúča.
Na zistenie šírky svetelného lúča z danej vzdialenosti použite tento jednoduchý vzorec: Rozpätie lúča = Uhol lúča x,018 x Vzdialenosť.
Napríklad, ak chcete vedieť, ako ďaleko dosiahne svetlo 120-stupňového svetlometu zo vzdialenosti 15 stôp, môžete čísla jednoducho zapojiť do tohto vzorca.
Bodové svetlá a záplavové svetlá výrobcovia často opisujú trochu odlišným spôsobom.
Vedieť, ako funguje šírenie lúča, vám pomôže vybrať si správne vonkajšie svetlo pre váš projekt.
Na dlhšie vzdialenosti bude najlepšie fungovať užší lúč, ktorý ide ďalej.
Ak chcete na vytvorenie atmosféry použiť svetlá so širším lúčom, vzdialenosť medzi svetlami by mala byť rovnaká alebo väčšia ako priemer šírenia lúča svetla.
Rozloženie lúča v akustických vlnách
K šíreniu lúča môže dôjsť aj v ultrazvukových prevodníkoch, kde sa meria ako uhol medzi hlavným lalokom zvukového lúča vo vzdialenom poli a samotným hlavným lalokom.
Divergencia lúča je ďalším spôsobom, ako merať, koľko zvukovej energie sa šíri, keď sa vzďaľuje od svojho zdroja.
Veľa záleží na tom, ako často sa prevodník používa a aký je veľký.
Na získanie hrubého odhadu uhla divergencie lúča je možné použiť aplet, ktorý je polovicou uhla šírenia lúča.
Toto sa robí tak, že sa berie do úvahy priemer (D), frekvencia (F) a rýchlosť zvuku (V) v kvapalnom alebo pevnom médiu.
Prečo Beam Spread nie je v strojárstve na smiech
Stále ťažké pochopiť? Dovolím si trochu zmeniť uhol pohľadu:
Kto sa musí starať o otravné veci, ako je šírenie lúča? Nechajte svoje svetelné alebo zvukové vlny lietať chtiac-nechtiac a dúfajte v to najlepšie! Koniec koncov, kto potrebuje presnosť alebo presnosť v inžinierskych aplikáciách, však?
Samozrejme to vôbec nie je pravda, ako to vie každý inžinier alebo študent inžinierstva.
Pri navrhovaní a optimalizácii rôznych technológií je šírenie lúča jednou z najdôležitejších vecí, na ktoré treba myslieť.
Niekedy však potrebujeme trochu ironického humoru, aby sme pochopili, aký dôležitý je pojem ako šírenie lúča.
Teraz sa vráťme k vysvetleniu.
Faktory ovplyvňujúce šírenie lúča
Veci, ktoré ovplyvňujú spôsob šírenia elektromagnetických a akustických vĺn, závisia od typu materiálu, ktorým prechádzajú.
Pri výbere snímača pre ultrazvuk je dôležitý uhol lúča, na ktorý treba myslieť.
Rozloženie lúča spôsobuje, že odrazy sú menej hlasné, pretože zvuková energia je rozložená na väčšiu plochu.
Frekvencia a priemer prevodníka majú veľa spoločného s tým, aký široký je lúč.
Pri použití nízkofrekvenčného prevodníka je rozptyl lúča širší ako pri použití vysokofrekvenčného prevodníka.
Keď sa priemer snímača zväčší, šírenie lúča sa bude zmenšovať.
Keď sa zvukové lúče nešíria, rýchlosť, akou sa šíria, je určená difrakčným koeficientom D, ktorý súvisí so zakrivením izofrekvenčného povrchu.
Výber prevodníka má veľký vplyv na citlivosť, rozlíšenie, penetráciu a šírenie lúča.
Zmena prevádzkovej frekvencie alebo tvaru vlny má malý vplyv.
Faktory ovplyvňujúce šírenie lúča vo svetelných vlnách
Refrakcia je to, čo sa stane, keď sa svetelná vlna pohybuje z jedného materiálu na druhý a mení rýchlosť a smer.
Ako veľmi sa svetelná vlna ohýba, závisí od uhla, pod ktorým dopadá na povrch, a od indexov lomu týchto dvoch materiálov.
Index lomu ukazuje, ako veľmi materiál spomaľuje svetlo v porovnaní s vákuom.
Keď svetlo prechádza hranolom, je ohnuté dvakrát: raz pri vstupe a znova pri výstupe.
Koľko svetla sa ohne závisí od jeho vlnovej dĺžky, takže rôzne farby sa ohýbajú pod rôznymi uhlami.
Toto sa nazýva disperzia.
Keď svetlo prechádza cez kus skla, časť sa odrazí od povrchu a časť prejde rovno.
To, koľko svetla sa odráža, závisí od uhla, pod ktorým dopadá na povrch a od toho, ako vzduch a sklo ohýbajú svetlo.
Index lomu skla je vyšší ako index lomu vzduchu, takže keď svetlo prechádza zo vzduchu do skla, spomaľuje sa a ohýba sa smerom k normálu (imaginárna čiara kolmá na povrch).
Keď svetlo prechádza zo skla do vzduchu, zrýchľuje sa a odkláňa sa od normálu.
Stručne povedané, vlastnosti média, ktorým vlna prechádza, ako aj frekvencia a veľkosť meniča sú hlavné veci, ktoré ovplyvňujú šírenie elektromagnetických a akustických vĺn.
Refrakcia mení rýchlosť a smer svetelných vĺn, keď prechádzajú rôznymi materiálmi.
To ovplyvňuje, ako ďaleko sú od seba svetelné vlny.
Vedieť, čo ovplyvňuje šírenie lúča, je dôležité pre výber správneho zariadenia a dosiahnutie požadovaných výsledkov v rôznych inžinierskych aplikáciách.
Použitie rozloženia lúča
Šírenie lúča je dôležitou súčasťou mnohých inžinierskych aplikácií, ako je osvetlenie, sonarové systémy, technológie snímania pod vodou a ďalšie.
Je dôležité vedieť, ako šírenie lúča ovplyvňuje tieto technológie, aby ste si mohli vybrať správne zariadenie a dosiahnuť požadované výsledky.
Rozloženie lúča v osvetlení
Pri osvetlení sa uhol, pod ktorým svetlo vychádza zo svietidla, nazýva šírenie lúča.
Ak je lúč širší, rozsvieti sa väčšia plocha s menšou intenzitou svetla.
Na druhej strane, lúč, ktorý je užší, dáva viac svetla na menšiu plochu.
S viaclúčovými rozprestrenými dráhovými hlavami je možné meniť uhol vyžarovania na mieste pohybom šošovky.
Záplavové lúče môžu byť použité na osvetlenie veľkej plochy, zatiaľ čo bodové lúče môžu byť použité na zvýraznenie určitých častí miestnosti.
Rôzne druhy svetiel majú rôzne vzory pre šírenie ich svetla, ktoré sú vyrobené z rôznych dôvodov.
Rozšírené svetlá majú širší vzor lúča ako bodové svetlá, ktoré vytvárajú sústredenejší svetelný lúč, ktorý sa môže pohybovať ďalej pred vozidlom.
Hmlové svetlá môžu presvitať cez vrstvy hmly, dažďa, snehu alebo prachu na vozovke, pretože majú široký horizontálny rozptyl, ale úzky vertikálny okraj.
Systém klasifikácie lúčov NEMA
National Electrical Manufacturers Association (NEMA) prišla so spôsobom, ako klasifikovať, ako sa šíri svetlo.
Tento systém sa nazýva NEMA šírenie lúča.
Vzťahuje sa na dva okraje, kde sa intenzita svetla šíri horizontálne a vertikálne do 10 % maximálnej intenzity lúča a koreluje s tým, či je výstup svetla veľmi úzky, veľmi široký alebo niekde medzi tým.
Na rozlíšenie medzi typmi NEMA sa používajú uhly horizontálneho a vertikálneho šírenia lúča.
Štandardizovaný systém klasifikácie uhla vyžarovania NEMA poskytuje každému v odvetví konzistentný spôsob, ako zistiť, ako svietidlá šíria svetlo.
Šesť typov pomenovaných podľa NEMA sa používa na rôzne veci.
Správnu distribúciu svetla pre svoj projekt môžete dosiahnuť použitím svietidiel so správnou klasifikáciou NEMA.
Rozloženie lúča v systémoch Sonar
V sonarových systémoch sa šírenie lúča vzťahuje na oblasť pokrytia zvukovými vlnami vysielanými prevodníkom.
Viaclúčový sonar vysiela viacero sonarových lúčov súčasne v tvare vejára, ktorý sa pozerá pod loď a na každú stranu.
V porovnaní s jednolúčovým sonarom to umožňuje rýchlejšie a presnejšie skenovať väčšiu plochu morského dna.
Rôzne frekvencie odhaľujú rôzne úrovne detailov sonarových údajov.
Vysokofrekvenčné impulzy ukazujú veľa detailov, ale nemôžu ísť hlboko do vody.
Nízkofrekvenčné impulzy, na druhej strane, idú hlbšie do vody, ale vykazujú menej detailov.
Rozloženie lúča v technológiách snímania pod vodou
Šírenie lúča ovplyvňuje aj technológie na snímanie pod vodou, ako je napríklad komunikácia vo viditeľnom svetle (UVLC).
UVLC používa frekvenčný rozsah medzi 450 a 550 nm, pretože rádiofrekvenčné signály strácajú svoju silu v morskej vode oveľa rýchlejšie.
To umožňuje ľuďom hovoriť pod vodou, aj keď morská voda nemá vždy rovnakú teplotu a trup sa pohne, keď naň narazia vlny.
Stručne povedané, šírenie lúča je dôležitá vec, na ktorú treba myslieť v mnohých inžinierskych aplikáciách, ako je osvetlenie, sonarové systémy a technológie na snímanie toho, čo sa deje pod vodou.
Je dôležité vedieť, ako šírenie lúča ovplyvňuje tieto technológie, aby ste si mohli vybrať správne zariadenie a dosiahnuť požadované výsledky.
Aké metódy možno použiť na riadenie alebo zmenu šírenia lúča v rôznych situáciách?
Tvarovanie lúča a riadenie
Tvarovanie a riadenie lúča je dôležitá technika, ktorá sa používa v mnohých moderných zariadeniach, ako sú šošovky fotoaparátov a optické pinzety.
Pri tejto metóde sa lúč mení rôznymi spôsobmi, aby sa dosiahol požadovaný rozptyl.
Jedným z populárnych spôsobov, ako zmeniť tvar lúča, je použitie difrakčných optických prvkov (DOE).
DOE môžu zmeniť spôsob rozloženia lúča z hľadiska fázy a amplitúdy, aby sa dosiahol potrebný rozptyl lúča.
Holografické optické pinzety tiež používajú hologramy vytvorené počítačom na tvarovanie a smerovanie svetelných lúčov na vytváranie pascí v 3D priestore.
Dielektrické metapovrchy
Dielektrické metapovrchy sú tenké, človekom vytvorené vrstvy štruktúr menších ako vlnová dĺžka, ktoré môžu zmeniť spôsob, akým sa svetlo správa na základe jeho indexu lomu, periódy, uhla dopadu a tvaru prierezu.
Môžu meniť silu, fázu a polarizáciu lúča, čo im umožňuje vytvárať zložité vzory lúčov.
Šošovky, reflektory a difrakčné mriežky
V niektorých situáciách je možné použiť šošovky, reflektory alebo difrakčné mriežky na ovládanie vzdialenosti lúča.
Šošovky môžu zmeniť tvar lúča tak, aby bol užší alebo širší, a reflektory môžu lúč otáčať v určitom smere.
Difrakčné mriežky môžu rozdeliť lúč na viac ako jeden lúč alebo ho ohnúť do určitého vzoru.
Clona alebo clona
Zmenou veľkosti otvoru možno použiť clonu alebo clonu na zmenu veľkosti lúča.
Vo fotografii sa táto metóda často používa na kontrolu množstva svetla, ktoré sa dostane do fotoaparátu, a na získanie správnej hĺbky ostrosti.
Presúvanie obrobku alebo lasera
Pri použití lasera napríklad na rezanie alebo zváranie je možné meniť lúč pohybom obrobku alebo lasera.
Táto metóda sa používa na vytváranie rezov alebo zvarov, ktoré sú veľmi presné a na kontrolu, ako ďaleko sa lúč šíri.
Urýchľovače častíc
Urýchľovače častíc môžu riadiť alebo meniť šírenie lúča mnohými spôsobmi.
Patria sem metódy vstrekovania a extrakcie, chladenie lúča, transport rotácie, polarizácia, analýza prvej otáčky, prístup s najbližším ladením, kompenzácia súčtu rezonancie a emisia blízko spojovacej rezonancie.
Tieto metódy sa používajú na zabezpečenie toho, aby bol lúč stabilný, dobre zaostrený a na správnom mieste.
Na záver, existuje mnoho spôsobov, ako ovládať alebo zmeniť spôsob šírenia lúča a najlepší spôsob, ako to urobiť, závisí od aplikácie a potrieb.
Je dôležité zvoliť správnu techniku, aby ste dosiahli požadovaný lúč a ubezpečiť sa, že aplikácia funguje.
Techniky ovládania a manipulácie s šírením lúča
Šírenie lúča je kritickým faktorom v mnohých inžinierskych aplikáciách vrátane osvetlenia, sonarových systémov a urýchľovačov častíc.
Rôzne aplikácie vyžadujú rôzne spôsoby ovládania alebo zmeny šírenia lúča.
Výpočet šírenia lúča
Správny rozptyl lúča pre váš návrh osvetlenia môžete ľahko zistiť vynásobením uhla lúča konštantnou hodnotou 0,018 a potom vzdialenosťou.
Napríklad, ak chcete zistiť oblasť pokrytia (veľkosť bodu) 10° lúča, ktorý je namontovaný 25 stôp nad palubou (vzdialenosť hodu), môžete použiť tento vzorec: 10° x 0,018 x 25 ft = 4,5 ft.
V závislosti od toho, aké veľké sú, môžu mať reflektorové žiarovky buď bodový alebo záplavový lúč.
Oba typy vám poskytujú viac spôsobov, ako osvetliť váš majetok.
Pri výbere žiarovky do vášho priestoru myslite na to, akú atmosféru chcete vytvoriť.
Bodové svetlá sú zvyčajne žiarovky s úzkym lúčom, napríklad 12°.
Záplavové alebo umývacie svetlá sú žiarovky so širším lúčom, napríklad 60° alebo podobne.
Tvarovanie lúča a riadenie
Tvarovanie a riadenie lúča je kľúčovou súčasťou mnohých moderných technológií, ako sú optické pinzety a šošovky fotoaparátov.
Optické prvky, ako sú šošovky, zrkadlá a mriežky, sa používajú na zmenu tvaru lúča a jeho nasmerovanie v určitom smere alebo zameranie na cieľ.
Táto metóda sa tiež používa na riadenie lúčov s rôznymi indexmi lomu, periódami, uhlmi dopadu a tvarmi prierezu v dielektrických metapovrchoch.
Zníženie šírenia lúča
V ultrazvukovej technológii môžete zmenšiť šírenie lúča použitím prevodníka s vysokou frekvenciou alebo zväčšením priemeru prevodníka.
Pohybom opticky zachytenej mikroguľôčky cez svetelný lúč je možné kontrolovať, ako sa lúč pohybuje v optofluidnom zariadení.
Urýchľovače častíc majú mnoho spôsobov, ako riadiť alebo meniť šírenie lúča, ako sú metódy vstrekovania a extrakcie, chladenie lúča, transport rotácie, polarizácia, analýza prvej otáčky, najbližší prístup, kompenzácia súčtu rezonancie a emisia v blízkosti väzobnej rezonancie.
Existujú aj nasledujúce spôsoby zúženia lúča:
Použitie expandéra lúča: Expandéry lúča možno použiť na zníženie divergencie lúča a zabezpečiť, aby priemer lúča neprekročil určitú hranicu, keď je výstupný lúč ďaleko.
Zväčšením lúča vo vnútri systému sa zväčší vstupný priemer, čím sa zmenší divergencia.
- Použitie kolimátora: Na zníženie šírenia laserového lúča a jeho lepšiu kolimáciu možno použiť kolimátor.
- Použitie menšej clony: Veľkosť otvoru, cez ktorý laserový lúč prechádza, môže ovplyvniť vzdialenosť od seba.
Väčšinu času menší otvor spôsobí, že sa lúč menej rozšíri.
- Použitie šošovky s dlhšou ohniskovou vzdialenosťou: Objektív s dlhšou ohniskovou vzdialenosťou možno použiť na zaostrenie laserového lúča do menšieho bodu, čo môže znížiť šírenie lúča.
Je dôležité mať na pamäti, že tieto techniky môžu pomôcť znížiť šírenie lúča, ale môžu urobiť len toľko.
Niektoré techniky môžu tiež spôsobiť iné optické aberácie, ako je sférická aberácia, ktorá môže znížiť kvalitu lúča.
Je dôležité dôkladne premyslieť potreby systému a zvoliť správny spôsob zníženia šírenia lúča.
Zvukový lúč sa šíri vo vzdialenom poli
Niekoľko vecí ovplyvňuje, ako sa zvukový lúč šíri vo vzdialenom poli.
Tieto zahŕňajú veľkosť a tvar zdroja ultrazvuku, frekvenciu lúča, spôsob zaostrenia lúča a veľkosť alebo apertúru prevodníka.
Ďaleké pole
Vzdialené pole je oblasť, kde priemer lúča rastie ďalej od zdroja, než je dĺžka blízkej zóny.
Priemer a frekvencia prevodníka ultrazvuku
To, do akej miery sa zvukový lúč šíri vo vzdialenom poli, závisí od veľkosti prevodníka, nazývaného apertúra, a od frekvencie zvukových vĺn.
Kryštály s väčším priemerom produkujúce zvuk s vyššou frekvenciou vytvárajú lúče, ktoré sa vo vzdialenom poli menej rozchádzajú.
Kryštály s menším priemerom a nižšou frekvenciou vytvárajú lúče, ktoré sú veľmi rozložené vo vzdialenom poli.
Veľkosť a tvar zdroja ultrazvuku
Šírka lúča, dĺžka Fresnelovej zóny a uhol divergencie za blízkym poľom sú ovplyvnené veľkosťou zdroja ultrazvuku.
Pre prevodník, v ktorom nie je aplikované žiadne zaostrovanie, je dĺžka Fresnelovej zóny určená priemerom prevodníka a vlnovou dĺžkou.
Zaostrovanie lúča
Spôsob, akým je lúč zaostrený, tiež mení jeho vzhľad vo vzdialenom poli.
Zaostrenie lúča môže znížiť šírenie lúča vo vzdialenom poli.
Na druhej strane použitie prevodníka, ktorý lúč nezaostruje, spôsobí, že sa lúč viac rozšíri.
Stručne povedané, priemer alebo apertúra prevodníka, frekvencia ultrazvuku, veľkosť a tvar zdroja ultrazvuku a spôsob zaostrenia lúča ovplyvňujú, do akej miery sa zvukový lúč šíri vo svojom vzdialenom poli.
Poznaním týchto faktorov môžu inžinieri a výskumníci vytvoriť ultrazvukové systémy, ktoré najlepšie vyhovujú ich potrebám.
Výpočty vlnovej dĺžky, blízkeho poľa, šírenia lúča
Tip: Ak potrebujete, zapnite tlačidlo titulkov. Ak nie ste oboznámení s hovoreným jazykom, vyberte v tlačidle nastavení „automatický preklad“. Možno budete musieť najskôr kliknúť na jazyk videa, až potom bude váš obľúbený jazyk dostupný na preklad.
Záver
Keď ukončíme túto diskusiu o šírení lúča, stojí za to zvážiť hlboký vplyv, ktorý má tento koncept na svet inžinierstva.
Šírenie lúča je veľmi dôležitý koncept, ktorý treba pochopiť, či chcete navrhnúť osvetľovacie systémy pre štadión, zlepšiť zobrazovanie sonarom pre ponorky alebo vyrobiť laserovú technológiu na lekárske účely.
Inžinieri môžu robiť prácu, ktorá je presnejšia a efektívnejšia než kedykoľvek predtým, a to starostlivým riadením a zmenou spôsobu, akým sa vlny správajú, keď sa pohybujú rôznymi materiálmi.
Takže, keď budete nabudúce pracovať na inžinierskom projekte, majte na pamäti silu šírenia lúča a to, ako vám môže pomôcť dosiahnuť vaše ciele.
S trochou fantázie a kreativity sa naozaj medze nekladú.
Zdieľať na…
