Če ste inženir ali študent tehnike, veste, kaj so valovi.
Valovi so pomemben del mnogih tehnologij, ki jih uporabljate vsak dan, od radijskih signalov do ultrazvočnega slikanja.
Toda ali ste kdaj pomislili, kaj počnejo ti valovi, ko se odmikajo od mesta, kjer se začnejo? Tu nastopi zamisel o širjenju žarka.
Širjenje žarka je kot, pod katerim se elektromagnetni ali akustični žarek med premikanjem skozi material odmakne od svoje središčne osi.
Razumevanje širjenja žarka je pomembno za načrtovanje in najboljšo uporabo številnih inženirskih sistemov, kot so razsvetljava, sonar in laserji.
Torej, v tem članku bom govoril o širjenju žarka in zakaj je to pomembno na področju inženiringa.
Uvod v širjenje žarka
Formalna opredelitev:
Kot odstopanja od centralne osi elektromagnetnega ali akustičnega žarka, ko potuje skozi material.
Širjenje žarka je količina, ki jo elektromagnetni ali akustični žarek odmakne od svoje središčne osi, ko se premika skozi material.
Običajno se meri v stopinjah in kaže, kako širok je žarek od vira na določeni razdalji.
V tehniki je širjenje žarka pomembna ideja, ki pomaga ugotoviti, kako močni in v katero smer so svetloba, zvok in radijski valovi.
Širjenje žarka pri razsvetljavi
Pri razsvetljavi je širjenje žarka način za merjenje, kako daleč sega svetloba od vira z reflektorjem, kot je žarnica.
Meri, kako širok je žarek, kar je pomembno vedeti, če se želite odločiti, koliko svetlobe boste osvetlili predmet ali površino.
Reflektorske sijalke imajo, odvisno od velikosti, točkovni ali široki snop.
Širina žarka je tisto, zaradi česar se točkovni žarek razlikuje od poplavnega žarka.
S to preprosto formulo poiščite širino svetlobnega žarka z dane razdalje: Širjenje žarka = Kot žarka x,018 x Razdalja.
Na primer, če želite vedeti, kako daleč bo segla svetloba 120-stopinjskega reflektorja z razdalje 15 čevljev, lahko preprosto vstavite številke v to formulo.
Proizvajalci pogosto opisujejo reflektorje in reflektorje nekoliko drugače.
Če boste vedeli, kako deluje širjenje žarka, boste lažje izbrali pravo zunanjo luč za svoj projekt.
Za daljše razdalje bo najbolje deloval ožji žarek, ki seže dlje.
Če želite za ustvarjanje vzdušja uporabiti luči s širšim snopom, naj bo razdalja med lučmi enaka ali večja od premera širjenja svetlobnega snopa.
Širjenje žarka v akustičnih valovih
Širjenje žarka se lahko zgodi tudi v ultrazvočnih pretvornikih, kjer se meri kot med glavnim režnjem zvočnega žarka v daljnem polju in samim glavnim režnjem.
Divergenca žarka je še en način za merjenje količine zvočne energije, ki se razširi, ko se oddaljuje od svojega vira.
Zelo je odvisno od tega, kako pogosto se pretvornik uporablja in kako velik je.
Programček lahko uporabite za pridobitev grobe ocene kota divergence žarka, ki je polovica kota širjenja žarka.
To naredimo tako, da upoštevamo premer (D), frekvenco (F) in hitrost zvoka (V) v tekočem ali trdnem mediju.
Zakaj širjenje žarka ni smešno v tehniki
Še vedno težko razumeti? Naj malo spremenim pogled:
Komu je sploh treba skrbeti zaradi nadležnih stvari, kot je širjenje žarka? Samo pustite, da vaši svetlobni ali zvočni valovi letijo hočeš nočeš in upajte na najboljše! Konec koncev, kdo potrebuje natančnost ali točnost v inženirskih aplikacijah, kajne?
Seveda to sploh ne drži, kar ve vsak inženir ali študent strojništva.
Pri načrtovanju in optimizaciji različnih tehnologij je širjenje žarka ena najpomembnejših stvari, o kateri je treba razmišljati.
Toda včasih potrebujemo malo ironičnega humorja, da razumemo, kako pomemben je koncept, kot je širjenje žarka.
Zdaj pa se vrnimo k razlagi.
Dejavniki, ki vplivajo na širjenje žarka
Stvari, ki vplivajo na način širjenja elektromagnetnih in akustičnih valov, so odvisne od vrste materiala, skozi katerega potujejo.
Pri izbiri pretvornika za ultrazvok je pomembno upoštevati kot žarka.
Zaradi širjenja žarka so odboji manj glasni, ker je zvočna energija razpršena po večjem območju.
Frekvenca in premer pretvornika imata veliko opraviti s tem, kako širok je žarek.
Pri uporabi nizkofrekvenčnega pretvornika je širina žarka širša kot pri uporabi visokofrekvenčnega pretvornika.
Ko se premer pretvornika poveča, se širina žarka zmanjša.
Ko se zvočni žarki ne širijo, je hitrost, s katero se širijo, določena z uklonskim koeficientom D, ki je povezan z ukrivljenostjo izofrekvenčne površine.
Izbira pretvornika ima velik vpliv na občutljivost, ločljivost, penetracijo in širjenje žarka.
Spreminjanje delovne frekvence ali valovne oblike ima majhen učinek.
Dejavniki, ki vplivajo na širjenje žarka v svetlobnih valovih
Refrakcija je tisto, kar se zgodi, ko se svetlobni val premakne iz enega materiala v drugega ter spremeni hitrost in smer.
Koliko se svetlobni val upogne, je odvisno od kota, pod katerim zadene površino, in lomnih količnikov obeh materialov.
Indeks loma kaže, koliko material upočasni svetlobo v primerjavi z vakuumom.
Ko gre svetloba skozi prizmo, se dvakrat upogne: enkrat, ko vstopi, in drugič, ko izstopi.
Koliko se svetloba ukrivi, je odvisno od njene valovne dolžine, zato se različne barve upogibajo pod različnimi koti.
To se imenuje disperzija.
Ko gre svetloba skozi kos stekla, se je nekaj odbije od površine, nekaj pa gre naravnost skozi.
Koliko svetlobe se odbije, je odvisno od kota, pod katerim pade na površino, in od tega, kako zrak in steklo ukrivita svetlobo.
Lomni količnik stekla je višji od lomnega količnika zraka, zato se svetloba, ko prehaja iz zraka v steklo, upočasni in upogne proti normali (namišljeni črti, pravokotni na površino).
Ko gre svetloba iz stekla v zrak, se pospeši in upogiba stran od normale.
Skratka, lastnosti medija, skozi katerega val potuje, ter frekvenca in velikost pretvornika so glavne stvari, ki vplivajo na širjenje elektromagnetnih in zvočnih valov.
Lom spreminja hitrost in smer svetlobnih valov, ko prehajajo skozi različne materiale.
To vpliva na to, kako oddaljeni so svetlobni valovi.
Poznavanje, kaj vpliva na širjenje žarka, je pomembno za izbiro prave opreme in doseganje želenih rezultatov v različnih inženirskih aplikacijah.
Uporaba širjenja žarka
Širjenje žarka je pomemben del številnih inženirskih aplikacij, kot so razsvetljava, sonarni sistemi, tehnologije za podvodno zaznavanje in drugo.
Pomembno je vedeti, kako širjenje žarka vpliva na te tehnologije, da lahko izberete pravo opremo in dosežete želene rezultate.
Širjenje žarka pri razsvetljavi
Pri razsvetljavi se kot, pod katerim svetloba izhaja iz napeljave, imenuje širjenje žarka.
Večja površina je osvetljena z manj svetlobe, če je snop širši.
Po drugi strani pa ožji žarek daje več svetlobe na manjše območje.
Pri gosenicah z več žarki se lahko kot žarka spremeni na mestu samem s premikanjem leče.
Za osvetlitev velikega območja je mogoče uporabiti razpršene žarke, medtem ko lahko razpršene žarke uporabite za osvetljevanje določenih delov prostora.
Različne vrste luči imajo različne vzorce za širjenje svetlobe, ki so narejeni iz različnih razlogov.
Luči s širokim snopom imajo širši vzorec snopa kot reflektorji, ki proizvajajo bolj fokusiran svetlobni snop, ki lahko potuje dlje pred vozilom.
Meglenke lahko svetijo skozi plasti megle, dežja, snega ali prahu na cestišču, ker imajo široko vodoravno širino, a ozko navpično mejo.
Sistem klasifikacije širjenja žarka NEMA
Nacionalno združenje proizvajalcev električne opreme (NEMA) je iznašlo način, kako razvrstiti, kako se svetloba širi.
Ta sistem se imenuje širjenje žarka NEMA.
Nanaša se na dva robova, kjer se intenzivnost svetlobe širi vodoravno in navpično na 10 % največje jakosti žarka in je povezana s tem, ali je svetlobni izhod zelo ozek, zelo širok ali nekje vmes.
Za razlikovanje med tipi NEMA se uporabljajo koti vodoravnega in navpičnega širjenja žarka.
Standardizirani sistem klasifikacije kota žarka NEMA omogoča vsem v industriji dosleden način, da ugotovijo, kako napeljave širijo svetlobo.
Šest tipov, ki jih imenuje NEMA, se uporabljajo za različne stvari.
Z uporabo napeljav s pravilno klasifikacijo NEMA lahko dobite pravo porazdelitev svetlobe za svoj projekt.
Širjenje žarka v sonarnih sistemih
V sonarnih sistemih se širjenje žarka nanaša na območje pokritosti zvočnih valov, ki jih oddaja pretvornik.
Večžarkovni sonar oddaja več sonarnih žarkov hkrati v pahljačastem vzorcu, ki gleda pod ladjo in na vsako stran.
V primerjavi z enožarkovnim sonarjem to omogoča hitrejše in natančnejše skeniranje večje površine morskega dna.
Različne frekvence razkrivajo različne ravni podrobnosti sonarskih podatkov.
Visokofrekvenčni impulzi prikazujejo veliko podrobnosti, vendar ne morejo iti globoko v vodo.
Po drugi strani nizkofrekvenčni impulzi gredo globlje v vodo, vendar prikazujejo manj podrobnosti.
Širjenje žarka v tehnologijah podvodnega zaznavanja
Širjenje žarka vpliva tudi na tehnologije za podvodno zaznavanje, kot je komunikacija v vidni svetlobi (UVLC).
UVLC uporablja frekvenčno območje med 450 in 550 nm, ker radiofrekvenčni signali veliko hitreje izgubijo svojo moč v morski vodi.
To ljudem omogoča, da se pogovarjajo pod vodo, čeprav morska voda nima vedno enake temperature in se trup premakne, ko vanj udarijo valovi.
Skratka, širjenje žarka je pomembna stvar, o kateri je treba razmišljati v številnih inženirskih aplikacijah, kot so razsvetljava, sonarni sistemi in tehnologije za zaznavanje dogajanja pod vodo.
Pomembno je vedeti, kako širjenje žarka vpliva na te tehnologije, da lahko izberete pravo opremo in dosežete želene rezultate.
Katere metode je mogoče uporabiti za nadzor ali spremembo širjenja žarka v različnih situacijah?
Oblikovanje žarka in krmiljenje
Oblikovanje in usmerjanje snopa je pomembna tehnika, ki se uporablja v številnih sodobnih napravah, kot so objektivi fotoaparatov in optične pincete.
Pri tej metodi se žarek spreminja na različne načine, da se doseže želeno razpršenost.
Eden od priljubljenih načinov spreminjanja oblike žarka je uporaba difrakcijskih optičnih elementov (DOE).
DOE lahko spremenijo, kako se žarek razširi glede na fazo in amplitudo, da dosežejo potrebno širitev žarka.
Tudi holografske optične pincete uporabljajo holograme, ki jih izdela računalnik, da oblikujejo in usmerjajo svetlobne žarke, da naredijo pasti v 3D prostoru.
Dielektrične metapovršine
Dielektrične metapovršine so tanke, umetno izdelane plasti struktur, manjših od valovne dolžine, ki lahko spremenijo način obnašanja svetlobe glede na njen lomni količnik, periodo, vpadni kot in obliko preseka.
Spreminjajo lahko moč, fazo in polarizacijo žarka, kar jim omogoča izdelavo zapletenih vzorcev žarka.
Leče, reflektorji in uklonske rešetke
V nekaterih situacijah je mogoče uporabiti leče, reflektorje ali uklonske rešetke za nadzor, kako daleč se žarek širi.
Leče lahko spremenijo obliko žarka, da ga naredijo ožjega ali širšega, reflektorji pa žarek obrnejo v določeno smer.
Uklonske rešetke lahko razdelijo žarek na več žarkov ali ga upognejo v določen vzorec.
Zaslonka ali iris
S spreminjanjem velikosti odprtine lahko z zaslonko ali zaslonko spremenimo velikost žarka.
V fotografiji se ta metoda pogosto uporablja za nadzor količine svetlobe, ki pride v fotoaparat, in za pridobitev prave globinske ostrine.
Premikanje obdelovanca ali laserja
Ko na primer uporabljate laser za rezanje ali varjenje, lahko žarek spremenite s premikanjem obdelovanca ali laserja.
Ta metoda se uporablja za izdelavo rezov ali zvarov, ki so zelo natančni, in za nadzor, kako daleč se širi žarek.
Pospeševalniki delcev
Pospeševalniki delcev lahko nadzorujejo ali spreminjajo širjenje žarka na več načinov.
Ti vključujejo metode vbrizgavanja in ekstrakcije, hlajenje žarka, spinski transport, polarizacijo, analizo prvega zavoja, pristop najbližje naravnanosti, kompenzacijo resonance vsote in resonanco skorajšnjega sklopa.
Te metode se uporabljajo za zagotovitev, da je žarek stabilen, dobro fokusiran in na pravem mestu.
Skratka, obstaja veliko načinov za nadzor ali spreminjanje načina širjenja žarka, najboljši način za to pa je odvisen od aplikacije in potreb.
Pomembno je, da izberete pravo tehniko, da dosežete želeno širino žarka in zagotovite, da aplikacija deluje.
Tehnike za nadzor in manipulacijo širjenja žarka
Širjenje žarka je ključni dejavnik v številnih inženirskih aplikacijah, vključno z razsvetljavo, sonarnimi sistemi in pospeševalniki delcev.
Različne aplikacije zahtevajo različne načine nadzora ali spreminjanja širjenja žarka.
Izračun širjenja žarka
Pravo širino žarka za vašo zasnovo razsvetljave lahko preprosto ugotovite tako, da pomnožite kot žarka s konstantno vrednostjo 0,018 in nato z razdaljo.
Na primer, če želite ugotoviti območje pokritosti (velikost točke) žarka 10°, ki je nameščen 25 čevljev nad krovom (razdalja razdalje), lahko uporabite to formulo: 10° x 0,018 x 25 ft = 4,5 ft.
Odvisno od velikosti imajo lahko reflektorske sijalke točkovni ali preplavljeni žarek.
Obe vrsti vam omogočata več načinov za osvetlitev vaše nepremičnine.
Ko izbirate žarnico za svoj prostor, pomislite, kakšno vzdušje želite ustvariti.
Reflektorji so običajno žarnice z ozkim snopom, na primer 12°.
Poplavne ali pralne luči so žarnice s širšim snopom, kot je približno 60°.
Oblikovanje žarka in krmiljenje
Oblikovanje in usmerjanje žarkov je ključni del številnih sodobnih tehnologij, kot so optične pincete in objektivi fotoaparatov.
Optični elementi, kot so leče, zrcala in rešetke, se uporabljajo za spreminjanje oblike žarka in njegovo usmerjanje v določeno smer ali fokusiranje na cilj.
Ta metoda se uporablja tudi za kontrolo žarkov z različnimi lomnimi količniki, periodami, vpadnimi koti in oblikami preseka v dielektričnih metapovršinah.
Zmanjšanje širjenja žarka
V ultrazvočni tehnologiji lahko širjenje žarka zmanjšate z uporabo pretvornika z visoko frekvenco ali s povečanjem premera pretvornika.
S premikanjem optično ujete mikrokrogle skozi svetlobni žarek je mogoče nadzorovati, kako se žarek premika v optofluidni napravi.
Pospeševalniki delcev imajo veliko načinov za nadzor ali spreminjanje širjenja žarka, kot so metode vbrizgavanja in ekstrakcije, hlajenje žarka, spinski transport, polarizacija, analiza prvega zavoja, pristop najbližje nastavitve, kompenzacija resonance vsote in resonanca skoraj sklopitve.
Obstajajo tudi naslednji načini za zoženje žarka:
Uporaba razširjevalnika žarka: Razširjevalnike žarka lahko uporabite za zmanjšanje razhajanja žarka in zagotovite, da premer žarka ne preseže določene meje, ko je izhodni žarek daleč.
S povečanjem žarka znotraj sistema se vhodni premer poveča, zaradi česar je divergenca manjša.
- Uporaba kolimatorja: s kolimatorjem lahko zmanjšate širjenje laserskega žarka in ga naredite bolj kolimiranega.
- Uporaba manjše zaslonke: Velikost luknje, skozi katero gre laserski žarek, lahko vpliva na to, kako oddaljen je žarek.
V večini primerov se zaradi manjše odprtine žarek manj širi.
- Uporaba leče z daljšo goriščno razdaljo: lečo z daljšo goriščno razdaljo lahko uporabite za fokusiranje laserskega žarka v manjšo točko, kar lahko zmanjša širjenje žarka.
Pomembno je upoštevati, da te tehnike lahko pomagajo zmanjšati širjenje žarka, vendar lahko dosežejo zelo veliko.
Poleg tega lahko nekatere tehnike povzročijo druge optične aberacije, kot je sferična aberacija, ki lahko zmanjša kakovost žarka.
Pomembno je skrbno razmisliti o potrebah sistema in izbrati pravi način za zmanjšanje širjenja žarka.
Širjenje zvočnega žarka v oddaljenem polju
Več stvari vpliva na širjenje zvočnega žarka v oddaljenem polju.
Ti vključujejo velikost in obliko vira ultrazvoka, frekvenco žarka, kako je žarek fokusiran in velikost ali odprtino pretvornika.
Daljnje polje
Daljnje polje je območje, kjer premer žarka raste dlje od vira kot dolžina bližnjega območja.
Premer pretvornika in frekvenca ultrazvoka
Koliko se zvočni žarek razširi v oddaljenem polju, je odvisno od velikosti pretvornika, ki se imenuje zaslonka, in frekvence zvočnih valov.
Kristali z večjim premerom, ki proizvajajo zvok višje frekvence, proizvajajo žarke, ki se manj razhajajo v oddaljenem polju.
Kristali z manjšim premerom in nižjo frekvenco tvorijo žarke, ki so v daljnem polju zelo razprti.
Velikost in oblika ultrazvočnega vira
Velikost vira ultrazvoka vpliva na širino žarka, dolžino Fresnelovega območja in kot divergence izven bližnjega polja.
Pri pretvorniku, v katerem ni ostrenja, je dolžina Fresnelovega območja določena s premerom pretvornika in valovno dolžino.
Ostrenje žarka
Način fokusiranja žarka spremeni tudi njegov videz v oddaljenem polju.
Z ostrenjem žarka se lahko žarek manj širi v oddaljenem polju.
Po drugi strani pa uporaba pretvornika, ki ne fokusira žarka, povzroči, da se žarek bolj razširi.
Skratka, premer ali zaslonka pretvornika, frekvenca ultrazvoka, velikost in oblika vira ultrazvoka ter način fokusiranja žarka vplivajo na to, koliko se zvočni žarek razširi v svojem oddaljenem polju.
Če poznajo te dejavnike, lahko inženirji in raziskovalci izdelajo ultrazvočne sisteme, ki najbolje ustrezajo njihovim potrebam.
Izračuni valovne dolžine, bližnjega polja, širjenja žarka
Nasvet: Vklopite gumb za napise, če ga potrebujete. V gumbu z nastavitvami izberite »samodejno prevajanje«, če govorjenega jezika niste seznanjeni. Morda boste morali najprej klikniti jezik videoposnetka, preden postane vaš najljubši jezik na voljo za prevod.
Zaključek
Ko zaključujemo to razpravo o širjenju žarka, si je vredno vzeti trenutek in razmisliti o močnem vplivu, ki ga ima ta koncept na inženirski svet.
Širjenje snopa je zelo pomemben koncept, ki ga morate razumeti, če želite načrtovati sisteme razsvetljave za stadion, izboljšati sonarsko slikanje za podmornice ali izdelati lasersko tehnologijo za medicinske namene.
Inženirji lahko opravljajo delo, ki je natančnejše in učinkovitejše kot kadar koli prej, tako da skrbno nadzorujejo in spreminjajo način obnašanja valov, ko se premikajo skozi različne materiale.
Torej, ko boste naslednjič delali na inženirskem projektu, ne pozabite na moč širjenja žarka in na to, kako vam lahko pomaga pri doseganju vaših ciljev.
Z malo domišljije in ustvarjalnosti resnično ni omejitev, kaj lahko naredite.
Delite na...
