Si vous êtes ingénieur ou étudiant en ingénierie, vous savez ce que sont les ondes.
Les ondes jouent un rôle important dans de nombreuses technologies que vous utilisez au quotidien, des signaux radio à l'imagerie par ultrasons.
Mais avez-vous déjà pensé à ce que font ces ondes lorsqu'elles s'éloignent de leur point de départ ? C'est là qu'intervient l'idée de propagation du faisceau.
L'étalement du faisceau est l'angle auquel un faisceau électromagnétique ou acoustique s'éloigne de son axe central lorsqu'il se déplace à travers un matériau.
Comprendre la propagation du faisceau est important pour concevoir et tirer le meilleur parti de nombreux systèmes d'ingénierie, tels que l'éclairage, le sonar et les lasers.
Je vais donc parler de la propagation du faisceau et de son importance dans le domaine de l'ingénierie dans cet article.
Introduction à l'étalement du faisceau
Définition formelle:
Angle de divergence par rapport à l'axe central d'un faisceau électromagnétique ou acoustique lorsqu'il traverse un matériau.
L'étalement du faisceau est la quantité d'un faisceau électromagnétique ou acoustique qui s'éloigne de son axe central lorsqu'il se déplace à travers un matériau.
Il est généralement mesuré en degrés et indique la largeur du faisceau par rapport à la source à une certaine distance.
En ingénierie, la propagation du faisceau est une idée importante qui aide à déterminer la force et la direction de la lumière, du son et des ondes radio.
Propagation du faisceau dans l'éclairage
En éclairage, la propagation du faisceau est un moyen de mesurer la distance parcourue par la lumière d'une source avec un réflecteur, comme une ampoule.
Il mesure la largeur du faisceau, ce qui est important à savoir si vous voulez décider de la quantité de lumière à éclairer sur un objet ou une surface.
Selon leur taille, les lampes à réflecteur ont soit un faisceau ponctuel, soit un faisceau large.
La largeur du faisceau est ce qui différencie un faisceau ponctuel d'un faisceau large.
Utilisez cette formule simple pour trouver la largeur d'un faisceau lumineux à partir d'une distance donnée : Faisceau étendu = Angle du faisceau x.018 x Distance.
Par exemple, si vous voulez savoir jusqu'où la lumière d'un projecteur à 120 degrés atteindra une distance de 15 pieds, vous pouvez simplement insérer les chiffres dans cette formule.
Les projecteurs et les projecteurs sont souvent décrits par les fabricants de manière légèrement différente.
Savoir comment fonctionne la diffusion du faisceau vous aidera à choisir la bonne lumière extérieure pour votre projet.
Pour de plus longues distances, un faisceau plus étroit qui va plus loin fonctionnera mieux.
Si vous souhaitez utiliser des lumières à faisceau plus large pour créer une atmosphère, la distance entre les lumières doit être égale ou supérieure au diamètre du faisceau de la lumière.
Propagation du faisceau dans les ondes acoustiques
La propagation du faisceau peut également se produire dans les transducteurs à ultrasons, où elle est mesurée comme l'angle entre le lobe principal du faisceau sonore dans le champ lointain et le lobe principal lui-même.
La divergence du faisceau est une autre façon de mesurer la quantité d'énergie sonore qui se propage lorsqu'elle s'éloigne de sa source.
Cela dépend beaucoup de la fréquence d'utilisation du transducteur et de sa taille.
Une applet peut être utilisée pour obtenir une estimation approximative de l'angle de divergence du faisceau, qui est la moitié de l'angle d'étalement du faisceau.
Cela se fait en prenant en compte le diamètre (D), la fréquence (F) et la vitesse du son (V) dans un milieu liquide ou solide.
Pourquoi l'étalement du faisceau n'est pas un sujet de rire en ingénierie
Toujours difficile à comprendre ? Je change un peu le point de vue :
Qui a besoin de s'inquiéter de choses embêtantes comme la propagation du faisceau de toute façon ? Laissez simplement vos ondes lumineuses ou sonores voler bon gré mal gré et espérez le meilleur ! Après tout, qui a besoin de précision ou d'exactitude dans les applications d'ingénierie, n'est-ce pas ?
Bien sûr, ce n'est pas vrai du tout, comme tout ingénieur ou étudiant en ingénierie le sait.
Lors de la conception et de l'optimisation de différentes technologies, la propagation du faisceau est l'une des choses les plus importantes à prendre en compte.
Mais parfois, nous avons besoin d'un peu d'humour ironique pour comprendre l'importance d'un concept comme l'étalement du faisceau.
Revenons maintenant à l'explication.
Facteurs affectant la propagation du faisceau
Les éléments qui affectent la propagation des ondes électromagnétiques et acoustiques dépendent du type de matériau qu'elles traversent.
Lors du choix d'un transducteur pour ultrasons, l'angle du faisceau est une chose importante à laquelle il faut penser.
La propagation du faisceau rend les réflexions moins fortes car l'énergie sonore est répartie sur une plus grande surface.
La fréquence et le diamètre du transducteur ont beaucoup à voir avec la largeur du faisceau.
Lorsqu'un transducteur basse fréquence est utilisé, l'étalement du faisceau est plus large que lorsqu'un transducteur haute fréquence est utilisé.
Au fur et à mesure que le diamètre du transducteur augmente, la propagation du faisceau diminue.
Lorsque les faisceaux sonores ne se propagent pas, la vitesse à laquelle ils se propagent est déterminée par le coefficient de diffraction D, qui est lié à la courbure de la surface isofréquence.
Le choix du transducteur a un effet important sur la sensibilité, la résolution, la pénétration et la propagation du faisceau.
La modification de la fréquence de fonctionnement ou de la forme d'onde a un petit effet.
Facteurs affectant la propagation du faisceau dans les ondes lumineuses
La réfraction est ce qui se passe lorsqu'une onde lumineuse se déplace d'un matériau à un autre et change de vitesse et de direction.
L'ampleur de la courbure de l'onde lumineuse dépend de l'angle auquel elle frappe la surface et des indices de réfraction des deux matériaux.
L'indice de réfraction montre à quel point un matériau ralentit la lumière par rapport à un vide.
Lorsque la lumière traverse un prisme, elle est courbée deux fois : une fois à l'entrée et une autre à la sortie.
La quantité de lumière qui se plie dépend de sa longueur d'onde, de sorte que différentes couleurs se plient à des angles différents.
C'est ce qu'on appelle la dispersion.
Lorsque la lumière traverse un morceau de verre, une partie rebondit sur la surface et une autre passe directement à travers.
La quantité de lumière réfléchie dépend de l'angle auquel elle frappe la surface et de la façon dont l'air et le verre plient la lumière.
L'indice de réfraction du verre est supérieur à celui de l'air, donc lorsque la lumière passe de l'air dans le verre, elle ralentit et se courbe vers la normale (une ligne imaginaire perpendiculaire à la surface).
Lorsque la lumière passe du verre à l'air, elle accélère et s'éloigne de la normale.
En bref, les propriétés du milieu traversé par l'onde, ainsi que la fréquence et la taille du transducteur, sont les principaux facteurs qui affectent la propagation des ondes électromagnétiques et acoustiques.
La réfraction modifie la vitesse et la direction des ondes lumineuses lorsqu'elles traversent différents matériaux.
Cela affecte la distance entre les ondes lumineuses.
Il est important de savoir ce qui affecte la propagation du faisceau pour choisir le bon équipement et obtenir les résultats souhaités dans différentes applications d'ingénierie.
Utilisations de la propagation du faisceau
La propagation du faisceau est une partie importante de nombreuses applications d'ingénierie, telles que l'éclairage, les systèmes de sonar, les technologies de détection sous-marine, etc.
Il est important de savoir comment la propagation du faisceau affecte ces technologies afin que vous puissiez choisir le bon équipement et obtenir les résultats souhaités.
Propagation du faisceau dans l'éclairage
En éclairage, l'angle auquel la lumière sort d'un luminaire est appelé son étalement du faisceau.
Plus de zone est éclairée avec moins d'intensité lumineuse si le faisceau est plus large.
D'un autre côté, un faisceau plus étroit met plus de lumière dans une zone plus petite.
Avec les têtes de piste multifaisceaux, l'angle du faisceau peut être modifié sur place en déplaçant la lentille.
Les faisceaux larges peuvent être utilisés pour éclairer une grande surface, tandis que les faisceaux ponctuels peuvent être utilisés pour mettre en évidence certaines parties d'une pièce.
Différents types de lumières ont des modèles différents pour la façon dont leur lumière se propage, qui sont faites pour différentes raisons.
Les feux à faisceau étendu ont un faisceau plus large que les projecteurs, qui produisent un faisceau lumineux plus focalisé qui peut se déplacer plus loin devant le véhicule.
Les phares antibrouillard peuvent briller à travers les couches de brouillard, de pluie, de neige ou de poussière sur la route car ils ont une large diffusion horizontale mais une coupure verticale étroite.
Système de classification de l'étalement du faisceau NEMA
La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) a trouvé un moyen de classer la propagation de la lumière.
Ce système s'appelle l'étalement du faisceau NEMA.
Il fait référence aux deux bords où l'intensité lumineuse se propage horizontalement et verticalement jusqu'à 10 % de l'intensité maximale du faisceau et correspond au fait que la sortie lumineuse est très étroite, très large ou quelque part entre les deux.
Les angles de propagation du faisceau horizontal et vertical sont utilisés pour faire la différence entre les types NEMA.
Le système normalisé de classification des angles de faisceau NEMA offre à tous les acteurs de l'industrie un moyen cohérent de comprendre comment les luminaires diffusent la lumière.
Les six types nommés par NEMA sont utilisés pour différentes choses.
Vous pouvez obtenir la bonne distribution de lumière pour votre projet en utilisant des luminaires avec la bonne classification NEMA.
Propagation du faisceau dans les systèmes sonar
Dans les systèmes sonar, l'étalement du faisceau fait référence à la zone de couverture des ondes sonores émises par un transducteur.
Le sonar multifaisceaux envoie plusieurs faisceaux de sonar en même temps dans un motif en forme d'éventail qui regarde sous le navire et de chaque côté.
Comparé au sonar à faisceau unique, cela permet de balayer une plus grande surface du fond marin plus rapidement et avec plus de précision.
Différentes fréquences révèlent différents niveaux de détail dans les données sonar.
Les impulsions à haute fréquence montrent beaucoup de détails mais ne peuvent pas pénétrer profondément dans l'eau.
Les impulsions à basse fréquence, en revanche, pénètrent plus profondément dans l'eau mais montrent moins de détails.
Propagation du faisceau dans les technologies de détection sous-marines
La propagation du faisceau affecte également les technologies de détection sous-marine, telles que la communication par lumière visible (UVLC).
L'UVLC utilise une gamme de fréquences comprise entre 450 et 550 nm car les signaux de radiofréquence perdent leur force beaucoup plus rapidement dans l'eau de mer.
Cela permet aux gens de parler sous l'eau, même si l'eau de mer n'est pas toujours à la même température et que la coque bouge lorsque les vagues la frappent.
En bref, la propagation du faisceau est une chose importante à laquelle il faut penser dans de nombreuses applications d'ingénierie, telles que l'éclairage, les systèmes de sonar et les technologies de détection de ce qui se passe sous l'eau.
Il est important de savoir comment la propagation du faisceau affecte ces technologies afin que vous puissiez choisir le bon équipement et obtenir les résultats souhaités.
Quelles méthodes peuvent être utilisées pour contrôler ou modifier la propagation d'un faisceau dans différentes situations ?
Mise en forme et orientation du faisceau
La mise en forme et la direction du faisceau est une technique importante utilisée dans de nombreux appareils modernes, comme les objectifs de caméra et les pincettes optiques.
Dans cette méthode, le faisceau est modifié de différentes manières pour obtenir la propagation souhaitée.
Un moyen populaire de modifier la forme du faisceau consiste à utiliser des éléments optiques diffractifs (DOE).
Les DOE peuvent modifier la façon dont le faisceau est étalé en termes de phase et d'amplitude pour obtenir l'étalement de faisceau nécessaire.
De plus, les pincettes optiques holographiques utilisent des hologrammes créés par un ordinateur pour façonner et diriger des faisceaux lumineux afin de créer des pièges dans l'espace 3D.
Métasurfaces diélectriques
Les métasurfaces diélectriques sont de fines couches artificielles de structures plus petites qu'une longueur d'onde qui peuvent modifier le comportement de la lumière en fonction de son indice de réfraction, de sa période, de son angle d'incidence et de la forme de sa section transversale.
Ils peuvent modifier la force, la phase et la polarisation du faisceau, ce qui leur permet de créer des modèles de faisceaux complexes.
Lentilles, réflecteurs et réseaux de diffraction
Dans certaines situations, des lentilles, des réflecteurs ou des réseaux de diffraction peuvent être utilisés pour contrôler la distance de propagation d'un faisceau.
Les lentilles peuvent modifier la forme du faisceau pour le rendre plus étroit ou plus large, et les réflecteurs peuvent orienter le faisceau dans une certaine direction.
Les réseaux de diffraction peuvent diviser le faisceau en plusieurs faisceaux ou le plier selon un certain motif.
Ouverture ou iris
En modifiant la taille de l'ouverture, une ouverture ou un iris peut être utilisé pour modifier la taille du faisceau.
En photographie, cette méthode est souvent utilisée pour contrôler la quantité de lumière pénétrant dans l'appareil photo et pour obtenir la bonne profondeur de champ.
Déplacement de la pièce ou du laser
Lors de l'utilisation d'un laser pour couper ou souder, par exemple, le faisceau peut être modifié en déplaçant la pièce ou le laser.
Cette méthode est utilisée pour effectuer des coupes ou des soudures très précises et pour contrôler la distance de propagation du faisceau.
Accélérateurs de particules
Les accélérateurs de particules peuvent contrôler ou modifier la propagation du faisceau de plusieurs façons.
Celles-ci incluent les méthodes d'injection et d'extraction, le refroidissement du faisceau, le transport de spin, la polarisation, l'analyse du premier tour, l'approche au réglage le plus proche, la compensation de la résonance de somme et l'émittance près de la résonance de couplage.
Ces méthodes sont utilisées pour s'assurer que le faisceau est stable, bien focalisé et au bon endroit.
En conclusion, il existe de nombreuses façons de contrôler ou de modifier la façon dont un faisceau se propage, et la meilleure façon de le faire dépend de l'application et des besoins.
Il est important de choisir la bonne technique pour obtenir la diffusion de faisceau souhaitée et s'assurer que l'application fonctionne.
Techniques de contrôle et de manipulation de la propagation du faisceau
La propagation du faisceau est un facteur critique dans de nombreuses applications d'ingénierie, notamment l'éclairage, les systèmes de sonar et les accélérateurs de particules.
Différentes applications nécessitent différentes manières de contrôler ou de modifier la propagation du faisceau.
Calcul de la propagation du faisceau
Vous pouvez facilement déterminer la bonne répartition du faisceau pour votre conception d'éclairage en multipliant l'angle du faisceau par une valeur constante de 0,018, puis par la distance.
Par exemple, si vous voulez déterminer la zone de couverture (taille du spot) d'un faisceau de 10° monté à 25 pieds au-dessus du pont (la distance de projection), vous pouvez utiliser cette formule : 10° x 0,018 x 25 pieds = 4,5 pi.
Selon leur taille, les lampes à réflecteur peuvent avoir un faisceau ponctuel ou un faisceau large.
Avoir les deux types vous donne plus de façons d'éclairer votre propriété.
Lorsque vous choisissez une ampoule pour votre espace, pensez au type d'atmosphère que vous souhaitez créer.
Les spots sont généralement des ampoules à faisceau étroit, comme 12°.
Les projecteurs ou wash sont des ampoules avec un faisceau plus large, comme 60° environ.
Façonnage et direction du faisceau
La mise en forme et la direction du faisceau sont des éléments clés de nombreuses technologies modernes, telles que les pincettes optiques et les objectifs d'appareil photo.
Des éléments optiques tels que des lentilles, des miroirs et des réseaux sont utilisés pour modifier la forme du faisceau et le diriger dans une certaine direction ou le focaliser sur une cible.
Cette méthode est également utilisée pour contrôler les faisceaux avec différents indices de réfraction, périodes, angles d'incidence et formes de section transversale dans les métasurfaces diélectriques.
Réduction de la propagation du faisceau
Dans la technologie des ultrasons, vous pouvez réduire la propagation du faisceau en utilisant un transducteur à haute fréquence ou en agrandissant le diamètre du transducteur.
En déplaçant une microsphère piégée optiquement à travers un faisceau lumineux, il est possible de contrôler la façon dont un faisceau se déplace dans un dispositif optofluidique.
Les accélérateurs de particules ont de nombreuses façons de contrôler ou de modifier la propagation du faisceau, telles que les méthodes d'injection et d'extraction, le refroidissement du faisceau, le transport de spin, la polarisation, l'analyse du premier tour, l'approche au réglage le plus proche, la compensation de la résonance de somme et l'émittance près de la résonance de couplage.
Il existe également les méthodes suivantes pour rétrécir le faisceau :
Utilisation d'un extenseur de faisceau : les extenseurs de faisceau peuvent être utilisés pour réduire la divergence du faisceau et s'assurer que le diamètre du faisceau ne dépasse pas une certaine limite lorsque le faisceau de sortie est éloigné.
En agrandissant le faisceau à l'intérieur du système, le diamètre d'entrée augmente, ce qui réduit la divergence.
- Utilisation d'un collimateur : Un collimateur peut être utilisé pour réduire la propagation du faisceau laser et le rendre plus collimaté.
- Utilisation d'une ouverture plus petite : La taille du trou traversé par le faisceau laser peut affecter la distance entre le faisceau.
La plupart du temps, une ouverture plus petite rendra le faisceau moins étendu.
- Utilisation d'un objectif avec une distance focale plus longue : Un objectif avec une distance focale plus longue peut être utilisé pour focaliser le faisceau laser dans un point plus petit, ce qui peut réduire la propagation du faisceau.
Il est important de garder à l'esprit que ces techniques peuvent aider à réduire la propagation du faisceau, mais elles ne peuvent pas faire grand-chose.
De plus, certaines techniques peuvent provoquer d'autres aberrations optiques, comme l'aberration sphérique, qui peuvent réduire la qualité du faisceau.
Il est important de bien réfléchir aux besoins du système et de choisir la bonne manière de réduire la propagation du faisceau.
Faisceau sonore étendu dans le champ lointain
Plusieurs choses affectent la façon dont un faisceau sonore se propage dans le champ lointain.
Ceux-ci incluent la taille et la forme de la source d'ultrasons, la fréquence du faisceau, la façon dont le faisceau est focalisé et la taille ou l'ouverture du transducteur.
Le champ lointain
Le champ lointain est la zone où le diamètre du faisceau s'éloigne de la source par rapport à une longueur de zone proche.
Diamètre du transducteur et fréquence des ultrasons
L'étendue d'un faisceau sonore dans le champ lointain dépend de la taille du transducteur, appelée ouverture, et de la fréquence des ondes sonores.
Des cristaux de plus grand diamètre produisant un son de fréquence plus élevée produisent des faisceaux qui divergent moins dans le champ lointain.
Des cristaux de plus petit diamètre et de fréquence plus faible forment des faisceaux très étalés dans le champ lointain.
Taille et forme de la source d'ultrasons
La largeur du faisceau, la longueur de la zone de Fresnel et l'angle de divergence au-delà du champ proche sont tous affectés par la taille de la source d'ultrasons.
Pour un transducteur dans lequel aucune focalisation n'est appliquée, la longueur de la zone de Fresnel est déterminée par le diamètre du transducteur et la longueur d'onde.
Focalisation du faisceau
La façon dont le faisceau est focalisé change également son apparence dans le champ lointain.
La focalisation du faisceau peut réduire la propagation du faisceau dans le champ lointain.
L'utilisation d'un transducteur qui ne focalise pas le faisceau, en revanche, étend davantage le faisceau.
En bref, le diamètre ou l'ouverture du transducteur, la fréquence des ultrasons, la taille et la forme de la source d'ultrasons et la façon dont le faisceau est focalisé affectent tous l'étendue d'un faisceau sonore dans son champ lointain.
En connaissant ces facteurs, les ingénieurs et les chercheurs peuvent créer des systèmes à ultrasons qui répondent le mieux à leurs besoins.
Calculs de longueur d'onde, de champ proche et d'étalement du faisceau
Conseil : Activez le bouton de sous-titrage si vous en avez besoin. Choisissez "traduction automatique" dans le bouton des paramètres, si vous n'êtes pas familier avec la langue parlée. Vous devrez peut-être d'abord cliquer sur la langue de la vidéo avant que votre langue préférée ne soit disponible pour la traduction.
Conclusion
Alors que nous concluons cette discussion sur la propagation du faisceau, il vaut la peine de prendre un moment pour considérer l'impact profond que ce concept a sur le monde de l'ingénierie.
La propagation du faisceau est un concept très important à comprendre si vous souhaitez concevoir des systèmes d'éclairage pour un stade, améliorer l'imagerie sonar pour les sous-marins ou créer une technologie laser à des fins médicales.
Les ingénieurs peuvent effectuer un travail plus précis et efficace que jamais en contrôlant et en modifiant soigneusement le comportement des ondes lorsqu'elles se déplacent à travers différents matériaux.
Ainsi, la prochaine fois que vous travaillerez sur un projet d'ingénierie, gardez à l'esprit la puissance de la propagation du faisceau et comment cela peut vous aider à atteindre vos objectifs.
Avec un peu d'imagination et de créativité, il n'y a vraiment aucune limite à ce que vous pouvez faire.
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