Jos olet insinööri tai insinööriopiskelija, tiedät mitä aallot ovat.
Aallot ovat tärkeä osa monia päivittäin käyttämiäsi teknologioita radiosignaaleista ultraäänikuvaukseen.
Mutta oletko koskaan ajatellut, mitä nämä aallot tekevät siirtyessään pois lähtöpaikastaan? Tässä tulee esiin ajatus säteen levittämisestä.
Säteen leviäminen on kulma, jossa sähkömagneettinen tai akustinen säde siirtyy pois keskiakselistaan liikkuessaan materiaalin läpi.
Säteen leviämisen ymmärtäminen on tärkeää monien teknisten järjestelmien, kuten valaistuksen, kaikuluotaimen ja lasereiden, suunnittelussa ja hyödyntämisessä.
Joten puhun tässä artikkelissa säteen leviämisestä ja siitä, miksi se on tärkeää tekniikan alalla.
Johdatus Beam Spreadiin
Muodollinen määritelmä:
Sähkömagneettisen tai akustisen säteen poikkeamakulma keskiakselista sen kulkiessa materiaalin läpi.
Säteen leviäminen on määrä, jonka sähkömagneettinen tai akustinen säde siirtyy pois keskiakselistaan liikkuessaan materiaalin läpi.
Se mitataan yleensä asteina ja näyttää kuinka leveä säde on lähteestä tietyllä etäisyydellä.
Suunnittelussa säteen leviäminen on tärkeä idea, joka auttaa selvittämään, kuinka voimakkaita ja mihin suuntaan valo, ääni ja radioaallot ovat.
Säteen leviäminen valaistukseen
Valaistuksessa säteen leviäminen on tapa mitata kuinka kauas valo lähtee heijastimella, kuten hehkulampulla, kulkee.
Se mittaa säteen leveyttä, mikä on tärkeää tietää, jos haluat päättää kuinka paljon valoa loistaa esineeseen tai pintaan.
Heijastinlampuissa on niiden koosta riippuen joko kohdevalo tai laaja valokeila.
Palkin leveys tekee pistepalkin eron tulvapalkista.
Käytä tätä yksinkertaista kaavaa löytääksesi valonsäteen leveyden tietyltä etäisyydeltä: Säteen leviäminen = Säteen kulma x,018 x Etäisyys.
Jos esimerkiksi haluat tietää, kuinka kauas 120 asteen valonheittimen valo ulottuu 15 metrin etäisyydeltä, voit liittää numerot tähän kaavaan.
Valmistajat kuvailevat kohdevalaisimia ja valonheittimiä usein hieman eri tavalla.
Kun tiedät kuinka säteen leviäminen toimii, voit valita oikean ulkovalon projektiisi.
Pidemmillä matkoilla kapeampi, pidemmälle menevä palkki toimii parhaiten.
Jos haluat käyttää leveämmän valokeilan valoja tunnelman luomiseen, valojen välisen etäisyyden tulee olla yhtä suuri tai suurempi kuin valonsäteen leviämisen halkaisija.
Säteen leviäminen akustisissa aalloissa
Säteen leviäminen voi tapahtua myös ultraääniantureissa, joissa se mitataan kaukokentässä olevan äänikeilan pääkeilan ja itse pääkeilan välisenä kulmana.
Säteen hajonta on toinen tapa mitata kuinka paljon äänienergiaa leviää, kun se siirtyy pois lähteestään.
Se riippuu paljon siitä, kuinka usein anturia käytetään ja kuinka suuri se on.
Sovelman avulla voidaan saada karkea arvio säteen hajaantumiskulmasta, joka on puolet säteen leviämiskulmasta.
Tämä tehdään ottamalla huomioon halkaisija (D), taajuus (F) ja äänen nopeus (V) nestemäisessä tai kiinteässä väliaineessa.
Miksi Beam Spread ei ole naurettava asia tekniikassa
Vieläkö vaikea ymmärtää? Muutanpa hieman näkökulmaa:
Kenen pitää olla huolissaan ärsyttävistä asioista, kuten säteen leviämisestä? Anna valo- tai ääniaaltosi lentää tahtomattaan ja toivoa parasta! Loppujen lopuksi, kuka tarvitsee tarkkuutta tai tarkkuutta suunnittelusovelluksissa, eikö niin?
Tämä ei tietenkään pidä lainkaan paikkaansa, kuten jokainen insinööri tai insinööriopiskelija tietää.
Erilaisia teknologioita suunniteltaessa ja optimoitaessa säteen leviäminen on yksi tärkeimmistä huomioista.
Mutta joskus tarvitsemme hieman ironista huumoria ymmärtääksemme, kuinka tärkeä käsite, kuten säteen leviäminen, on.
Palataan nyt selitykseen.
Säteen leviämiseen vaikuttavat tekijät
Sähkömagneettisten ja akustisten aaltojen leviämiseen vaikuttavat asiat riippuvat materiaalityypistä, jonka läpi ne kulkevat.
Kun valitset ultraäänianturia, säteen kulma on tärkeä huomioida.
Säteen leviäminen tekee heijastuksista vähemmän äänekkäitä, koska äänienergia jakautuu suuremmalle alueelle.
Anturin taajuudella ja halkaisijalla on paljon tekemistä säteen leveyden kanssa.
Kun käytetään matalataajuista anturia, säteen leviäminen on leveämpi kuin korkeataajuista anturia käytettäessä.
Kun anturin halkaisija kasvaa, säteen leviäminen kutistuu.
Kun äänisäteet eivät leviä, niiden leviämisnopeus määräytyy diffraktiokertoimen D mukaan, joka liittyy isotaajuuspinnan kaarevyyteen.
Anturin valinnalla on suuri vaikutus herkkyyteen, resoluutioon, tunkeutumiseen ja säteen leviämiseen.
Toimintataajuuden tai aaltomuodon muuttamisella on pieni vaikutus.
Säteen leviämiseen valoaalloissa vaikuttavat tekijät
Taittuminen tapahtuu, kun valoaalto siirtyy materiaalista toiseen ja muuttaa nopeutta ja suuntaa.
Kuinka paljon valoaalto taipuu, riippuu kulmasta, jossa se osuu pintaan, ja näiden kahden materiaalin taitekertoimista.
Taitekerroin osoittaa, kuinka paljon materiaali hidastaa valoa verrattuna tyhjiöön.
Kun valo kulkee prisman läpi, se taipuu kahdesti: kerran kun se menee sisään ja uudelleen kun se tulee ulos.
Kuinka paljon valo taipuu, riippuu sen aallonpituudesta, joten eri värit taipuvat eri kulmissa.
Tätä kutsutaan dispersioksi.
Kun valo kulkee lasin läpi, osa siitä pomppii pois pinnasta ja osa menee suoraan läpi.
Se, kuinka paljon valoa heijastuu, riippuu kulmasta, jossa se osuu pintaan ja kuinka ilma ja lasi taivuttaa valoa.
Lasin taitekerroin on korkeampi kuin ilman, joten kun valo siirtyy ilmasta lasiin, se hidastuu ja taipuu kohti normaalia (kuvitteellinen viiva, joka on kohtisuorassa pintaan).
Kun valo siirtyy lasista ilmaan, se kiihtyy ja taipuu pois normaalista.
Lyhyesti sanottuna aallon läpi kulkevan väliaineen ominaisuudet sekä anturin taajuus ja koko ovat tärkeimmät tekijät, jotka vaikuttavat sähkömagneettisten ja akustisten aaltojen leviämiseen.
Taittuminen muuttaa valoaaltojen nopeutta ja suuntaa niiden kulkiessa eri materiaalien läpi.
Tämä vaikuttaa siihen, kuinka kaukana valoaallot ovat toisistaan.
Tietäminen, mikä vaikuttaa säteen leviämiseen, on tärkeää oikean laitteiston valinnassa ja haluttujen tulosten saavuttamisessa erilaisissa suunnittelusovelluksissa.
Beam Spreadin käyttötarkoitukset
Säteen leviäminen on tärkeä osa monia teknisiä sovelluksia, kuten valaistusta, kaikuluotainjärjestelmiä, vedenalaisia tunnistustekniikoita ja paljon muuta.
On tärkeää tietää, miten säteen leviäminen vaikuttaa näihin teknologioihin, jotta voit valita oikeat laitteet ja saada haluamasi tulokset.
Säteen leviäminen valaistukseen
Valaistuksessa kulmaa, jossa valo tulee valaisimesta, kutsutaan sen säteen leviämiseksi.
Enemmän aluetta valaistaan pienemmällä valovoimakkuudella, jos säde on leveämpi.
Toisaalta kapeampi säteen leviäminen tuo enemmän valoa pienemmälle alueelle.
Monisädehajautetuilla kiskopäillä säteen kulmaa voidaan muuttaa paikan päällä linssiä liikuttamalla.
Tulvisäteen levityksiä voidaan käyttää suuren alueen valaisemiseen, kun taas pistesäteen levityksiä voidaan käyttää tiettyjen huoneen osien korostamiseen.
Erilaisilla valoilla on erilaiset valon leviämiskuviot, jotka on tehty eri syistä.
Hajavaloilla on leveämpi valokeila kuin kohdevaloilla, jotka tuottavat tarkennetun valonsäteen, joka voi kulkea kauemmas ajoneuvon edellä.
Sumuvalot voivat paistaa tiellä olevien sumu-, sade-, lumi- tai pölykerrosten läpi, koska niillä on laaja vaakasuora leveys, mutta kapea pystysuora leikkaus.
NEMA Beam Spread luokitusjärjestelmä
National Electrical Manufacturers Association (NEMA) keksi tavan luokitella kuinka valo leviää.
Tätä järjestelmää kutsutaan NEMA-säteen leviämiseksi.
Se viittaa kahteen reunaan, joissa valon intensiteetti leviää vaakasuunnassa ja pystysuunnassa 10 prosenttiin säteen maksimivoimakkuudesta ja korreloi sen kanssa, onko valoteho erittäin kapea, hyvin leveä vai jossain siltä väliltä.
Vaaka- ja pystysuoran säteen leviämisen kulmia käytetään erottamaan NEMA-tyypit.
Standardoitu NEMA-sädekulmaluokitusjärjestelmä antaa kaikille alan toimijoille johdonmukaisen tavan selvittää, kuinka valaisimet levittävät valoa.
NEMA:n nimeämiä kuutta tyyppiä käytetään eri asioihin.
Saat oikean valon jakautumisen projektiisi käyttämällä oikean NEMA-luokituksen omaavia valaisimia.
Säteen leviäminen luotainjärjestelmissä
Kaikujärjestelmissä säteen leviämisellä tarkoitetaan kaikuanturin lähettämien ääniaaltojen peittoaluetta.
Multibeam-luotain lähettää useita luotainsäteitä samanaikaisesti viuhkamaisessa kuviossa, joka näyttää aluksen alle ja molemmille puolille.
Yksikeilaiseen kaikuluotaimeen verrattuna tämä mahdollistaa suuremman alueen merenpohjan skannaamisen nopeammin ja tarkemmin.
Eri taajuudet paljastavat luotaintiedoissa eri yksityiskohtia.
Korkeataajuiset pulssit näyttävät paljon yksityiskohtia, mutta eivät pääse syvälle veteen.
Matalataajuiset pulssit sen sijaan menevät syvemmälle veteen, mutta näyttävät vähemmän yksityiskohtia.
Säteen leviäminen vedenalaisissa tunnistustekniikoissa
Säteen leviäminen vaikuttaa myös vedenalaiseen tunnistusteknologioihin, kuten näkyvän valon viestintään (UVLC).
UVLC käyttää taajuusaluetta 450-550 nm, koska radiotaajuiset signaalit menettävät voimansa paljon nopeammin merivedessä.
Tämä mahdollistaa ihmisten puhumisen veden alla, vaikka merivesi ei ole aina samaa lämpötilaa ja runko liikkuu aaltojen osuessa siihen.
Lyhyesti sanottuna säteen leviäminen on tärkeä ajateltava asia monissa teknisissä sovelluksissa, kuten valaistuksessa, kaikuluotainjärjestelmissä ja teknologioissa, joilla havaitaan, mitä veden alla tapahtuu.
On tärkeää tietää, miten säteen leviäminen vaikuttaa näihin teknologioihin, jotta voit valita oikeat laitteet ja saada haluamasi tulokset.
Millä menetelmillä säteen leviämistä voidaan hallita tai muuttaa eri tilanteissa?
Palkin muotoilu ja ohjaus
Säteen muotoilu ja ohjaus on tärkeä tekniikka, jota käytetään monissa nykyaikaisissa laitteissa, kuten kameran linsseissä ja optisissa pinseteissä.
Tässä menetelmässä palkkia vaihdetaan eri tavoin halutun leviämisen saamiseksi.
Yksi suosittu tapa muuttaa säteen muotoa on käyttää diffraktiivisia optisia elementtejä (DOE).
DOE:t voivat muuttaa säteen jakautumista vaiheen ja amplitudin suhteen saadakseen tarvittavan säteen leviämisen.
Myös holografiset optiset pinsetit käyttävät tietokoneen tekemiä hologrammeja muotoilemaan ja suuntaamaan valonsäteitä ansojen tekemiseen 3D-avaruudessa.
Dielektriset metapinnat
Dielektriset metapinnat ovat ohuita, ihmisen tekemiä aallonpituutta pienempiä rakenteita, jotka voivat muuttaa tapaa, jolla valo käyttäytyy sen taitekertoimen, jakson, tulokulman ja poikkileikkauksen muodon perusteella.
Ne voivat muuttaa säteen voimakkuutta, vaihetta ja polarisaatiota, mikä antaa heille mahdollisuuden tehdä monimutkaisia sädekuvioita.
Linssit, heijastimet ja diffraktiosäleiköt
Joissakin tilanteissa linssejä, heijastimia tai diffraktiohileitä voidaan käyttää säätämään säteen leviämistä.
Linssit voivat muuttaa säteen muotoa kapeammaksi tai leveämmäksi, ja heijastimet voivat kääntää säteen tiettyyn suuntaan.
Diffraktiohilat voivat jakaa säteen useammaksi kuin yhdeksi säteeksi tai taivuttaa sen tietyksi kuvioksi.
Aukko tai iiris
Aukon kokoa muuttamalla aukon tai iiriksen avulla voidaan muuttaa säteen kokoa.
Valokuvauksessa tätä menetelmää käytetään usein säätämään, kuinka paljon valoa pääsee kameraan ja saada oikea syväterävyys.
Työkappaleen tai laserin siirtäminen
Käytettäessä laseria esimerkiksi leikkaamiseen tai hitsaukseen, sädettä voidaan muuttaa liikuttamalla työkappaletta tai laseria.
Tätä menetelmää käytetään erittäin tarkkojen leikkausten tai hitsausten tekemiseen ja säteen leviämisen hallintaan.
Hiukkaskiihdyttimet
Hiukkaskiihdyttimet voivat ohjata tai muuttaa säteen leviämistä useilla tavoilla.
Näitä ovat injektio- ja irrotusmenetelmät, säteen jäähdytys, spinsiirto, polarisaatio, ensimmäisen käännöksen analyysi, lähimmän virityksen lähestymistapa, summaresonanssin kompensointi ja emittanssi lähellä kytkentäresonanssia.
Näillä menetelmillä varmistetaan, että säde on vakaa, hyvin kohdistettu ja oikeassa paikassa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että on monia tapoja hallita tai muuttaa säteen leviämistä, ja paras tapa tehdä se riippuu sovelluksesta ja tarpeista.
On tärkeää valita oikea tekniikka, jotta saat haluamasi säteen leviämisen ja varmistat, että sovellus toimii.
Tekniikat säteen leviämisen hallintaan ja manipulointiin
Säteen leviäminen on kriittinen tekijä monissa suunnittelusovelluksissa, mukaan lukien valaistus, kaikuluotainjärjestelmät ja hiukkaskiihdyttimet.
Eri sovellukset vaativat erilaisia tapoja hallita tai muuttaa säteen leviämistä.
Säteen leviämisen laskeminen
Voit helposti selvittää oikean säteen jakautumisen valaistussuunnitelmaasi kertomalla säteen kulman vakioarvolla 0,018 ja sitten etäisyydellä.
Jos esimerkiksi haluat selvittää 10° säteen peittoalueen (pisteen koon), joka on asennettu 25 jalkaa kannen yläpuolelle (heittoetäisyys), voit käyttää tätä kaavaa: 10° x 0,018 x 25 jalkaa = 4,5 ft.
Heijastinlamppujen koosta riippuen ne voivat olla joko piste- tai tulvivalaisimia.
Molempien tyyppien käyttö antaa sinulle enemmän tapoja valaista omaisuuttasi.
Kun valitset tilaan polttimoa, mieti millaisen tunnelman haluat luoda.
Kohdevalot ovat yleensä lamppuja, joiden valokeila on kapea, kuten 12°.
Tulva- tai pesuvalot ovat lamppuja, joiden valokeila on leveä, esimerkiksi 60°.
Palkin muotoilu ja ohjaus
Säteen muotoilu ja ohjaus on keskeinen osa monissa nykyaikaisissa teknologioissa, kuten optisissa pinseteissä ja kameran linsseissä.
Optisia elementtejä, kuten linssejä, peilejä ja ritilöitä, käytetään säteen muodon muuttamiseen ja sen suuntaamiseen tiettyyn suuntaan tai kohdistamiseen kohteeseen.
Tätä menetelmää käytetään myös ohjaamaan säteitä, joilla on erilaiset taitekertoimet, jaksot, tulokulmat ja poikkileikkausmuodot dielektrisissä metapinnoissa.
Vähentää säteen leviämistä
Ultraäänitekniikassa säteen leviämistä voidaan pienentää käyttämällä korkeataajuista anturia tai suurentamalla anturin halkaisijaa.
Siirtämällä optisesti loukkuun jäänyttä mikropalloa valonsäteen läpi on mahdollista ohjata säteen liikkumista optofluidilaitteessa.
Hiukkaskiihdyttimillä on monia tapoja ohjata tai muuttaa säteen leviämistä, kuten injektio- ja irrotusmenetelmät, säteen jäähdytys, pyörimiskuljetus, polarisaatio, ensimmäisen käännöksen analyysi, lähin virityslähestymistapa, summaresonanssin kompensointi ja emittanssi lähellä kytkentäresonanssia.
On myös seuraavia tapoja kaventaa sädettä:
Säteen laajentimen käyttö: Säteen laajentajia voidaan käyttää vähentämään säteen hajoamista ja varmistamaan, että säteen halkaisija ei ylitä tiettyä rajaa, kun lähtösäde on kaukana.
Kun sädettä suurennetaan järjestelmän sisällä, tulohalkaisija kasvaa, mikä pienentää divergenttiä.
- Kollimaattorin käyttö: Kollimaattoria voidaan käyttää vähentämään lasersäteen leviämistä ja lisäämään sen kollimoitumista.
- Pienemmän aukon käyttäminen: Sen reiän koko, jonka läpi lasersäde kulkee, voi vaikuttaa siihen, kuinka kaukana säde on toisistaan.
Suurimman osan ajasta pienempi aukko vähentää säteen leviämistä.
- Pitkän polttovälin objektiivin käyttäminen: Pidemmällä polttovälillä varustettua objektiivia voidaan käyttää lasersäteen tarkentamiseen pienempään kohtaan, mikä voi vähentää säteen leviämistä.
On tärkeää pitää mielessä, että nämä tekniikat voivat auttaa vähentämään säteen leviämistä, mutta ne voivat tehdä vain niin paljon.
Jotkut tekniikat voivat myös aiheuttaa muita optisia poikkeamia, kuten pallopoikkeamaa, mikä voi heikentää säteen laatua.
On tärkeää miettiä tarkasti järjestelmän tarpeet ja valita oikea tapa vähentää säteen leviämistä.
Ääninsäde leviää kaukaiseen kenttään
Monet asiat vaikuttavat siihen, miten äänisäde leviää kaukokentässä.
Näitä ovat ultraäänilähteen koko ja muoto, säteen taajuus, säteen fokusointi ja anturin koko tai aukko.
Kaukainen kenttä
Kaukokenttä on alue, jossa säteen halkaisija kasvaa kauempana lähteestä kuin lähialueen pituus.
Anturin halkaisija ja ultraäänen taajuus
Se, kuinka paljon äänisäde leviää kaukokentässä, riippuu muuntimen koosta, jota kutsutaan aukoksi, ja ääniaaltojen taajuudesta.
Suuremman halkaisijan kiteet, jotka tuottavat korkeamman taajuuden ääntä, tuottavat säteitä, jotka eroavat vähemmän kaukokentässä.
Halkaisijaltaan pienemmät ja pienemmän taajuuden omaavat kiteet muodostavat säteitä, jotka ovat hyvin hajallaan kaukokentässä.
Ultraäänilähteen koko ja muoto
Ultraäänilähteen koko vaikuttaa säteen leveyteen, Fresnel-vyöhykkeen pituuteen ja lähikentän ulkopuoliseen hajaantumiskulmaan.
Muuntimessa, jossa ei käytetä tarkennusta, Fresnel-vyöhykkeen pituus määräytyy anturin halkaisijan ja aallonpituuden mukaan.
Säteen tarkennus
Säteen kohdistustapa muuttaa myös sen ulkonäköä kaukokentässä.
Säteen tarkentaminen voi vähentää säteen leviämistä kaukokentässä.
Toisaalta käyttämällä anturia, joka ei fokusoi sädettä, säde leviää enemmän.
Lyhyesti sanottuna anturin halkaisija tai aukko, ultraäänen taajuus, ultraäänilähteen koko ja muoto sekä säteen fokusointitapa vaikuttavat kaikki siihen, kuinka paljon äänisäde leviää kaukokenttään.
Tietäen nämä tekijät insinöörit ja tutkijat voivat tehdä ultraäänijärjestelmiä, jotka sopivat parhaiten heidän tarpeisiinsa.
Aallonpituus-, lähikenttä- ja säteen leviämislaskelmat
Vinkki: Ota tekstityspainike käyttöön, jos tarvitset sitä. Valitse asetuspainikkeesta "automaattinen käännös", jos puhuttu kieli ei ole sinulle tuttu. Sinun on ehkä napsautettava ensin videon kieltä, ennen kuin suosikkikielesi on saatavilla käännettäväksi.
Johtopäätös
Kun päätämme tämän keskustelun säteen leviämisestä, kannattaa ottaa hetki pohtimaan, kuinka syvällinen vaikutus tällä konseptilla on insinöörimaailmaan.
Säteen leviäminen on erittäin tärkeä käsite ymmärtääksesi, jos haluat suunnitella stadionin valaistusjärjestelmiä, parantaa sukellusveneiden luotainkuvausta tai tehdä lasertekniikkaa lääketieteelliseen käyttöön.
Insinöörit voivat tehdä työtä, joka on tarkempaa ja tehokkaampaa kuin koskaan ennen, valvomalla ja muuttamalla tarkasti aaltojen käyttäytymistä niiden liikkuessa eri materiaalien läpi.
Joten, kun seuraavan kerran työskentelet suunnitteluprojektin parissa, pidä mielessä säteen leviämisen voima ja kuinka se voi auttaa sinua saavuttamaan tavoitteesi.
Pienellä mielikuvituksella ja luovuudella ei todellakaan ole rajoja sille, mitä voit tehdä.
Jaa…
