Si eres ingeniero o estudiante de ingeniería, sabes lo que son las ondas.
Las ondas son una parte importante de muchas de las tecnologías que usa todos los días, desde señales de radio hasta imágenes de ultrasonido.
Pero, ¿alguna vez has pensado en lo que hacen estas ondas a medida que se alejan de donde comenzaron? Aquí es donde entra la idea de la dispersión del haz.
La dispersión del haz es el ángulo en el que un haz electromagnético o acústico se aleja de su eje central a medida que se mueve a través de un material.
Comprender la dispersión del haz es importante para diseñar y hacer el mejor uso de muchos sistemas de ingeniería, como iluminación, sonar y láser.
Entonces, hablaré sobre la dispersión del haz y por qué es importante en el campo de la ingeniería en este artículo.
Introducción a la dispersión del haz
Definicion formal:
El ángulo de divergencia desde el eje central de un haz electromagnético o acústico a medida que viaja a través de un material.
La dispersión del haz es la cantidad que un haz electromagnético o acústico se aleja de su eje central a medida que se mueve a través de un material.
Por lo general, se mide en grados y muestra qué tan ancho es el haz desde la fuente a cierta distancia.
En ingeniería, la dispersión del haz es una idea importante que ayuda a determinar qué tan fuertes y en qué dirección son las ondas de luz, sonido y radio.
Propagación de haz en iluminación
En iluminación, la dispersión del haz es una forma de medir qué tan lejos llega la luz de una fuente con un reflector, como una bombilla.
Mide qué tan ancho es el haz, lo cual es importante saber si quieres decidir cuánta luz brillar sobre un objeto o superficie.
Según su tamaño, las lámparas reflectoras tienen un haz puntual o un haz ancho.
El ancho del haz es lo que hace que un haz puntual sea diferente de un haz de inundación.
Use esta fórmula simple para encontrar el ancho de un haz de luz desde una distancia dada: Apertura del haz = Ángulo del haz x.018 x Distancia.
Por ejemplo, si desea saber qué tan lejos llegará la luz de un reflector de 120 grados desde una distancia de 15 pies, puede ingresar los números en esta fórmula.
Los fabricantes suelen describir los focos y los reflectores de formas ligeramente diferentes.
Saber cómo funciona la dispersión del haz te ayudará a elegir la luz exterior adecuada para tu proyecto.
Para distancias más largas, un haz más angosto que llegue más lejos funcionará mejor.
Si desea utilizar luces de haz más ancho para crear una atmósfera, la distancia entre las luces debe ser igual o mayor que el diámetro de la dispersión del haz de luz.
Propagación del haz en ondas acústicas
La dispersión del haz también puede ocurrir en los transductores de ultrasonido, donde se mide como el ángulo entre el lóbulo principal del haz de sonido en el campo lejano y el propio lóbulo principal.
La divergencia del haz es otra forma de medir cuánta energía del sonido se propaga a medida que se aleja de su fuente.
Depende mucho de la frecuencia con la que se utilice el transductor y de su tamaño.
Se puede utilizar un applet para obtener una estimación aproximada del ángulo de divergencia del haz, que es la mitad del ángulo de dispersión del haz.
Esto se hace teniendo en cuenta el diámetro (D), la frecuencia (F) y la velocidad del sonido (V) en un medio líquido o sólido.
Por qué la dispersión del haz no es cosa de risa en ingeniería
¿Todavía es difícil de entender? Déjame cambiar un poco el punto de vista:
¿Quién necesita preocuparse por cosas molestas como la dispersión del haz de todos modos? ¡Simplemente deje que sus ondas de luz o sonido vuelen de cualquier manera y espere lo mejor! Después de todo, ¿quién necesita precisión o exactitud en las aplicaciones de ingeniería, verdad?
Por supuesto, esto no es cierto en absoluto, como sabe cualquier ingeniero o estudiante de ingeniería.
Al diseñar y optimizar diferentes tecnologías, la dispersión del haz es una de las cosas más importantes en las que pensar.
Pero a veces necesitamos un poco de humor irónico para comprender la importancia de un concepto como la dispersión del haz.
Ahora volvamos a la explicación.
Factores que afectan la dispersión del haz
Las cosas que afectan la forma en que se propagan las ondas electromagnéticas y acústicas dependen del tipo de material a través del cual viajan.
Al elegir un transductor para ultrasonido, el ángulo del haz es un aspecto importante a tener en cuenta.
La dispersión del haz hace que los reflejos sean menos fuertes porque la energía del sonido se distribuye en un área más grande.
La frecuencia y el diámetro del transductor tienen mucho que ver con el ancho del haz.
Cuando se utiliza un transductor de baja frecuencia, la dispersión del haz es mayor que cuando se utiliza un transductor de alta frecuencia.
A medida que crece el diámetro del transductor, la dispersión del haz se reducirá.
Cuando los haces de sonido no se propagan, la velocidad a la que se propagan está determinada por el coeficiente de difracción D, que está relacionado con la curvatura de la superficie de isofrecuencia.
La elección del transductor tiene un gran efecto en la sensibilidad, resolución, penetración y dispersión del haz.
Cambiar la frecuencia operativa o la forma de onda tiene un pequeño efecto.
Factores que afectan la dispersión del haz en ondas de luz
La refracción es lo que sucede cuando una onda de luz se mueve de un material a otro y cambia de velocidad y dirección.
La curvatura de la onda de luz depende del ángulo en el que golpea la superficie y los índices de refracción de los dos materiales.
El índice de refracción muestra cuánto reduce la velocidad de la luz un material en comparación con el vacío.
Cuando la luz atraviesa un prisma, se desvía dos veces: una al entrar y otra al salir.
La cantidad de luz que se dobla depende de su longitud de onda, por lo que los diferentes colores se doblan en diferentes ángulos.
Esto se llama dispersión.
Cuando la luz atraviesa un trozo de vidrio, una parte rebota en la superficie y otra parte pasa directamente.
La cantidad de luz que se refleja depende del ángulo en el que golpea la superficie y de cómo el aire y el vidrio doblan la luz.
El índice de refracción del vidrio es más alto que el del aire, por lo que cuando la luz pasa del aire al vidrio, se desacelera y se dobla hacia la normal (una línea imaginaria perpendicular a la superficie).
Cuando la luz pasa del vidrio al aire, se acelera y se desvía de lo normal.
En resumen, las propiedades del medio por el que viaja la onda, así como la frecuencia y el tamaño del transductor, son los factores principales que afectan la propagación de las ondas electromagnéticas y acústicas.
La refracción cambia la velocidad y la dirección de las ondas de luz a medida que pasan a través de diferentes materiales.
Esto afecta la distancia entre las ondas de luz.
Saber qué afecta la dispersión del haz es importante para elegir el equipo correcto y obtener los resultados que desea en diferentes aplicaciones de ingeniería.
Usos de la dispersión del haz
La dispersión del haz es una parte importante de muchas aplicaciones de ingeniería, como iluminación, sistemas de sonar, tecnologías de detección submarina y más.
Es importante saber cómo afecta la dispersión del haz a estas tecnologías para que pueda elegir el equipo adecuado y obtener los resultados que desea.
Propagación de haz en iluminación
En iluminación, el ángulo en el que la luz sale de un dispositivo se denomina dispersión del haz.
Se ilumina más área con menos intensidad de luz si el haz es más ancho.
Por otro lado, una dispersión del haz más estrecha pone más luz en un área más pequeña.
Con los cabezales de seguimiento de dispersión de haces múltiples, el ángulo del haz se puede cambiar en el lugar moviendo la lente.
Las extensiones de haz de inundación se pueden usar para iluminar un área grande, mientras que las extensiones de haz de luz puntual se pueden usar para resaltar ciertas partes de una habitación.
Los diferentes tipos de luces tienen diferentes patrones de cómo se propaga su luz, que se hacen por diferentes razones.
Las luces de haz extendido tienen un patrón de haz más ancho que los focos, lo que produce un haz de luz más enfocado que puede viajar más lejos por delante del vehículo.
Las luces antiniebla pueden brillar a través de capas de niebla, lluvia, nieve o polvo en la carretera porque tienen una amplia extensión horizontal pero un corte vertical estrecho.
Sistema de clasificación de dispersión de haz NEMA
La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) ideó una forma de clasificar cómo se propaga la luz.
Este sistema se denomina dispersión de haz NEMA.
Se refiere a los dos bordes donde la intensidad de la luz se propaga horizontal y verticalmente hasta el 10 % de la intensidad máxima del haz y se correlaciona con si la salida de luz es muy estrecha, muy ancha o en algún punto intermedio.
Los ángulos de dispersión del haz horizontal y vertical se utilizan para diferenciar entre los tipos de NEMA.
El sistema de clasificación de ángulo de haz estandarizado NEMA brinda a todos en la industria una forma consistente de descubrir cómo los accesorios difunden la luz.
Los seis tipos nombrados por NEMA se utilizan para diferentes cosas.
Puede obtener la distribución de luz adecuada para su proyecto utilizando luminarias con la clasificación NEMA adecuada.
Propagación del haz en sistemas de sonda
En los sistemas de sonar, la dispersión del haz se refiere al área de cobertura de las ondas sonoras emitidas por un transductor.
El sonar multihaz envía múltiples haces de sonar al mismo tiempo en un patrón en forma de abanico que mira debajo del barco y a cada lado.
En comparación con el sonar de haz único, esto permite escanear un área más grande del lecho marino con mayor rapidez y precisión.
Diferentes frecuencias revelan diferentes niveles de detalle en los datos del sonar.
Los pulsos de alta frecuencia muestran muchos detalles pero no pueden profundizar en el agua.
Los pulsos de baja frecuencia, por otro lado, se adentran más en el agua pero muestran menos detalles.
Propagación del haz en tecnologías de detección submarina
La dispersión del haz también afecta a las tecnologías de detección subacuática, como la comunicación por luz visible (UVLC).
UVLC utiliza un rango de frecuencia entre 450 y 550 nm porque las señales de radiofrecuencia pierden su fuerza mucho más rápido en el agua de mar.
Esto hace posible que las personas hablen bajo el agua, a pesar de que el agua de mar no siempre tiene la misma temperatura y el casco se mueve cuando las olas lo golpean.
En resumen, es importante tener en cuenta la dispersión del haz en muchas aplicaciones de ingeniería, como la iluminación, los sistemas de sonda y las tecnologías para detectar lo que sucede bajo el agua.
Es importante saber cómo afecta la dispersión del haz a estas tecnologías para que pueda elegir el equipo adecuado y obtener los resultados que desea.
¿Qué métodos se pueden usar para controlar o cambiar la dispersión de un haz en diferentes situaciones?
Conformación y dirección del haz
La formación y dirección del haz es una técnica importante que se utiliza en muchos dispositivos modernos, como lentes de cámara y pinzas ópticas.
En este método, el haz se cambia de diferentes maneras para obtener la extensión deseada.
Una forma popular de cambiar la forma del haz es usar elementos ópticos difractivos (DOE).
Los DOE pueden cambiar la forma en que se distribuye el haz en términos de fase y amplitud para obtener la distribución del haz que se necesita.
Además, las pinzas ópticas holográficas usan hologramas hechos por una computadora para dar forma y dirigir los rayos de luz para hacer trampas en el espacio 3D.
Metasuperficies dieléctricas
Las metasuperficies dieléctricas son capas delgadas hechas por el hombre de estructuras más pequeñas que una longitud de onda que pueden cambiar la forma en que se comporta la luz en función de su índice de refracción, período, ángulo de incidencia y forma de sección transversal.
Pueden cambiar la fuerza, la fase y la polarización del haz, lo que les permite crear patrones de haz complejos.
Lentes, reflectores y rejillas de difracción
En algunas situaciones, se pueden usar lentes, reflectores o rejillas de difracción para controlar hasta dónde se propaga un haz.
Las lentes pueden cambiar la forma del haz para hacerlo más angosto o más ancho, y los reflectores pueden girar el haz en cierta dirección.
Las rejillas de difracción pueden dividir el haz en más de un haz o doblarlo en un patrón determinado.
Apertura o iris
Cambiando el tamaño de la abertura, se puede usar una abertura o iris para cambiar el tamaño del haz.
En fotografía, este método se utiliza a menudo para controlar la cantidad de luz que entra en la cámara y obtener la profundidad de campo adecuada.
Mover la pieza de trabajo o el láser
Cuando se usa un láser para cortar o soldar, por ejemplo, el rayo se puede cambiar moviendo la pieza de trabajo o el láser.
Este método se utiliza para realizar cortes o soldaduras muy precisos y para controlar la extensión del haz.
Aceleradores de partículas
Los aceleradores de partículas pueden controlar o cambiar la dispersión del haz de varias formas.
Estos incluyen métodos de inyección y extracción, enfriamiento del haz, transporte de espín, polarización, análisis de primer giro, aproximación de sintonía más cercana, compensación de la resonancia de suma y resonancia de acoplamiento cercano de emitancia.
Estos métodos se utilizan para asegurarse de que el haz esté estable, bien enfocado y en el lugar correcto.
En conclusión, hay muchas formas de controlar o cambiar la forma en que se propaga un haz, y la mejor manera de hacerlo depende de la aplicación y las necesidades.
Es importante elegir la técnica adecuada para obtener la dispersión del haz que desea y asegurarse de que la aplicación funcione.
Técnicas para controlar y manipular la dispersión del haz
La dispersión del haz es un factor crítico en muchas aplicaciones de ingeniería, incluidas la iluminación, los sistemas de sonar y los aceleradores de partículas.
Diferentes aplicaciones requieren diferentes formas de controlar o cambiar la dispersión del haz.
Cálculo de la dispersión del haz
Puede calcular fácilmente la distribución correcta del haz para su diseño de iluminación multiplicando el ángulo del haz por un valor constante de 0,018 y luego por la distancia.
Por ejemplo, si desea calcular el área de cobertura (tamaño del punto) de un haz de 10° que está montado a 25 pies por encima de la cubierta (la distancia de proyección), puede usar esta fórmula: 10° x 0,018 x 25 pies = 4,5 pie
Según su tamaño, las lámparas reflectoras pueden tener un haz puntual o un haz de inundación.
Tener ambos tipos le brinda más formas de iluminar su propiedad.
Al elegir una bombilla para tu espacio, piensa en qué tipo de ambiente quieres crear.
Los focos suelen ser bombillas con un haz estrecho, como 12°.
Las luces de inundación o de lavado son bombillas con un haz más ancho, como 60 ° o menos.
Conformación y dirección del haz
La formación y dirección del haz es una parte clave de muchas tecnologías modernas, como las pinzas ópticas y las lentes de las cámaras.
Los elementos ópticos como lentes, espejos y rejillas se utilizan para cambiar la forma del haz y dirigirlo en una dirección determinada o enfocarlo en un objetivo.
Este método también se utiliza para controlar haces con diferentes índices de refracción, períodos, ángulos de incidencia y formas de sección transversal en metasuperficies dieléctricas.
Reducción de la dispersión del haz
En la tecnología de ultrasonido, puede reducir la dispersión del haz utilizando un transductor de alta frecuencia o aumentando el diámetro del transductor.
Al mover una microesfera atrapada ópticamente a través de un haz de luz, es posible controlar cómo se mueve un haz en un dispositivo optofluídico.
Los aceleradores de partículas tienen muchas formas de controlar o cambiar la dispersión del haz, como los métodos de inyección y extracción, el enfriamiento del haz, el transporte de espín, la polarización, el análisis del primer giro, el enfoque de sintonía más cercana, la compensación de la resonancia de la suma y la emisión cerca de la resonancia de acoplamiento.
También existen las siguientes formas de estrechar el haz:
Uso de un expansor de haz: los expansores de haz se pueden usar para reducir la divergencia del haz y asegurarse de que el diámetro del haz no supere cierto límite cuando el haz de salida está muy lejos.
Al hacer que el haz sea más grande dentro del sistema, el diámetro de entrada crece, lo que hace que la divergencia sea más pequeña.
- Uso de un colimador: se puede usar un colimador para reducir la dispersión del rayo láser y hacerlo más colimado.
- Uso de una apertura más pequeña: el tamaño del orificio por el que pasa el rayo láser puede afectar la distancia entre el rayo.
La mayoría de las veces, una apertura más pequeña hará que el haz se propague menos.
- Uso de una lente con una distancia focal más larga: se puede usar una lente con una distancia focal más larga para enfocar el rayo láser en un punto más pequeño, lo que puede reducir la dispersión del rayo.
Es importante tener en cuenta que estas técnicas pueden ayudar a reducir la dispersión del haz, pero no pueden hacer mucho.
Además, algunas técnicas pueden causar otras aberraciones ópticas, como la aberración esférica, que puede disminuir la calidad del haz.
Es importante pensar detenidamente en las necesidades del sistema y elegir la forma correcta de reducir la dispersión del haz.
Propagación del haz de sonido en el campo lejano
Varias cosas afectan cómo se propaga un haz de sonido en el campo lejano.
Estos incluyen el tamaño y la forma de la fuente de ultrasonido, la frecuencia del haz, cómo se enfoca el haz y el tamaño o la apertura del transductor.
el campo lejano
El campo lejano es el área donde el diámetro del haz crece más lejos de la fuente que la longitud de una zona cercana.
Diámetro del transductor y frecuencia de ultrasonido
La dispersión de un haz de sonido en el campo lejano depende del tamaño del transductor, llamado apertura, y de la frecuencia de las ondas sonoras.
Los cristales de mayor diámetro que producen un sonido de mayor frecuencia producen haces que divergen menos en el campo lejano.
Los cristales con un diámetro más pequeño y una frecuencia más baja producen haces que están muy dispersos en el campo lejano.
Tamaño y forma de la fuente de ultrasonido
El ancho del haz, la longitud de la zona de Fresnel y el ángulo de divergencia más allá del campo cercano se ven afectados por el tamaño de la fuente de ultrasonido.
Para un transductor en el que no se aplica enfoque, la longitud de la zona de Fresnel está determinada por el diámetro del transductor y la longitud de onda.
Enfoque de haz
La forma en que se enfoca el haz también cambia su aspecto en el campo lejano.
Enfocar el haz puede hacer que el haz se propague menos en el campo lejano.
El uso de un transductor que no enfoca el haz, por otro lado, hace que el haz se extienda más.
En resumen, el diámetro o la apertura del transductor, la frecuencia del ultrasonido, el tamaño y la forma de la fuente de ultrasonido, y la forma en que se enfoca el haz, afectan cuánto se propaga un haz de sonido en su campo lejano.
Al conocer estos factores, los ingenieros e investigadores pueden crear sistemas de ultrasonido que funcionen mejor para sus necesidades.
Cálculos de longitud de onda, campo cercano y dispersión del haz
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Conclusión
Al concluir esta discusión sobre la dispersión del haz, vale la pena tomarse un momento para considerar el profundo impacto que tiene este concepto en el mundo de la ingeniería.
La dispersión del haz es un concepto muy importante que debe comprender si desea diseñar sistemas de iluminación para un estadio, mejorar las imágenes de sonar para submarinos o crear tecnología láser para usos médicos.
Los ingenieros pueden hacer un trabajo que es más preciso y eficiente que nunca controlando y cambiando cuidadosamente la forma en que se comportan las ondas a medida que se mueven a través de diferentes materiales.
Por lo tanto, la próxima vez que trabaje en un proyecto de ingeniería, tenga en cuenta el poder de la dispersión del haz y cómo puede ayudarlo a alcanzar sus objetivos.
Con un poco de imaginación y creatividad, realmente no hay límites para lo que puedes hacer.
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