あなたがエンジニアまたは工学の学生であれば、波が何であるかを知っています。
波は、無線信号から超音波イメージングまで、私たちが毎日使用する多くの技術の重要な部分です。
しかし、これらの波が始まりの場所から離れていくときに、これらの波が何をするか考えたことはありますか? ここで、ビーム拡散のアイデアが登場します。
ビーム広がりは、電磁ビームまたは音響ビームが材料を通過する際に中心軸から離れる角度です。
ビームの広がりを理解することは、照明、ソナー、レーザーなどの多くのエンジニアリング システムを設計して最大限に活用するために重要です。
そこで、この記事では、ビームの広がりと、エンジニアリングの分野でビームの広がりが重要である理由について説明します。
ビーム拡散の概要
正式な定義:
電磁ビームまたは音響ビームが材料を通過するときの中心軸からの発散角度。
ビームの広がりは、電磁ビームまたは音響ビームが材料を通過する際に中心軸から離れる量です。
通常は角度で測定され、特定の距離で光源からビームがどれだけ広いかを示します。
工学では、ビームの広がりは、光、音、電波がどの方向にどのくらい強いかを理解するのに役立つ重要なアイデアです。
照明におけるビーム拡散
照明では、ビームの広がりは、電球などの反射板を備えた光源からの光がどれだけ離れているかを測定する方法です。
ビームの幅を測定します。これは、物体または表面を照らす光の量を決定する場合に重要です。
それらの大きさに応じて、リフレクター ランプにはスポット ビームまたはワイド ビームのいずれかがあります。
スポット ビームとフラッド ビームの違いは、ビームの幅にあります。
次の簡単な式を使用して、特定の距離からの光ビームの幅を見つけます。ビームの広がり = ビームの角度 x.018 x 距離。
たとえば、120 度のフラッドライトの光が 15 フィートの距離からどれだけ届くかを知りたい場合は、数値をこの式に代入するだけで済みます。
スポット ライトとフラッド ライトは、メーカーによって若干異なる方法で説明されることがよくあります。
ビーム スプレッドがどのように機能するかを知ることは、プロジェクトに適した屋外照明を選択するのに役立ちます。
距離が長い場合は、より遠くまで届く細いビームが最適です。
広いビーム ライトを使用して大気を作成する場合、ライト間の距離は、ライトのビーム スプレッドの直径以上にする必要があります。
音響波のビーム広がり
ビームの広がりは、超音波トランスデューサでも発生する可能性があり、遠距離場の音響ビームのメイン ローブとメイン ローブ自体の間の角度として測定されます。
ビーム発散は、音源から遠ざかるにつれて音エネルギーがどれだけ広がるかを測定する別の方法です。
トランスデューサーの使用頻度とサイズに大きく依存します。
アプレットを使用して、ビーム広がり角の半分であるビーム発散角の概算を取得できます。
これは、液体または固体媒体の直径 (D)、周波数 (F)、および音速 (V) を考慮して行われます。
エンジニアリングにおいて、ビームの広がりが笑い事ではない理由
まだわかりにくい？少し視点を変えてみましょう：
とにかく、ビームの広がりなどの厄介なことを心配する必要があるのは誰ですか? 光や音波を意のままに飛ばして、最高の結果を期待しましょう! 結局のところ、エンジニアリング アプリケーションで精度や精度を必要とするのは誰でしょうか?
もちろん、エンジニアや工学部の学生なら誰でも知っているように、これはまったく真実ではありません。
さまざまな技術を設計および最適化する場合、ビームの広がりは考慮すべき最も重要なことの 1 つです。
しかし、ビーム拡散のような概念がいかに重要であるかを理解するには、皮肉なユーモアが必要な場合があります。
では、説明に戻りましょう。
ビーム広がりに影響を与える要因
電磁波と音響波が広がる方法に影響を与えるものは、通過する物質の種類によって異なります。
超音波用トランスデューサを選択する場合、ビーム角度は重要な考慮事項です。
ビーム スプレッドは、音のエネルギーがより広い領域に広がるため、反射音を小さくします。
トランスデューサの周波数と直径は、ビームの幅に大きく関係しています。
低周波トランスデューサを使用すると、高周波トランスデューサを使用した場合よりもビームの広がりが大きくなります。
トランスデューサの直径が大きくなるにつれて、ビームの広がりは縮小します。
音のビームが広がらない場合、拡散の速度は回折係数 D によって決まります。これは、等周波数面の曲率に関連しています。
トランスデューサの選択は、感度、分解能、浸透、およびビームの広がりに大きな影響を与えます。
動作周波数または波形を変更しても影響はわずかです。
光波のビーム広がりに影響を与える要因
屈折は、光波がある物質から別の物質に移動し、速度と方向が変化するときに発生します。
光波がどの程度曲がるかは、表面に当たる角度と 2 つの材料の屈折率によって異なります。
屈折率は、真空と比較して物質が光をどれだけ遅くするかを示します。
光がプリズムを通過すると、入射時に 1 回、出射時に 2 回、2 回曲げられます。
光の曲がり方は波長によって異なるため、色によって曲がる角度が異なります。
これを分散といいます。
光がガラス片を通過するとき、一部は表面で反射し、一部は直進します。
反射する光の量は、表面に当たる角度と、空気とガラスが光を曲げる方法によって異なります。
ガラスの屈折率は空気の屈折率よりも高いため、空気からガラスに光が入ると、光は減速し、法線 (表面に垂直な仮想線) に向かって曲がります。
光がガラスから空気に向かうとき、速度が増し、通常の方向から曲がります。
つまり、波が通過する媒体の特性、およびトランスデューサの周波数とサイズが、電磁波と音響波の広がりに影響を与える主な要因です。
屈折は、異なる物質を通過する光波の速度と方向を変化させます。
これは、光波の間隔に影響します。
ビームの広がりに何が影響するかを知ることは、適切な機器を選択し、さまざまなエンジニアリング アプリケーションで必要な結果を得るために重要です。
ビームスプレッドの使用
ビーム拡散は、照明、ソナー システム、水中センシング技術など、多くのエンジニアリング アプリケーションの重要な部分です。
ビームの広がりがこれらの技術にどのように影響するかを知ることは重要です。これにより、適切な機器を選択して希望する結果を得ることができます。
照明におけるビーム拡散
照明では、光がフィクスチャから出てくる角度をビーム スプレッドと呼びます。
ビームがより広い場合、より少ない光強度でより多くの領域が照らされます。
一方、ビームの広がりが狭いほど、より小さな領域により多くの光が入ります。
マルチビームスプレッドトラックヘッドにより、レンズを動かすことでビーム角度をその場で変えることができます。
フラッド ビーム スプレッドは広い範囲を照らすために使用でき、スポット ビーム スプレッドは部屋の特定の部分を強調するために使用できます。
異なる種類のライトには、異なる理由で作られる光の広がり方のパターンが異なります。
拡散ビーム ライトは、スポット ライトよりも広いビーム パターンを持ち、より集束された光ビームを生成し、車両のさらに前方を移動できます。
フォグ ライトは、水平方向の広がりが広く、垂直方向のカットオフが狭いため、道路上の霧、雨、雪、またはほこりの層を照らすことができます。
NEMA ビーム拡散分類システム
全米電気製造業者協会 (NEMA) は、光がどのように広がるかを分類する方法を考え出しました。
このシステムは、NEMA ビーム スプレッドと呼ばれます。
これは、光強度が最大ビーム強度の 10% まで水平方向および垂直方向に広がる 2 つのエッジを指し、光出力が非常に狭いか、非常に広いか、またはその中間であるかに相関します。
水平方向と垂直方向のビーム広がりの角度は、NEMA タイプの違いを示すために使用されます。
標準化された NEMA ビーム角度分類システムにより、業界の誰もが器具がどのように光を拡散するかを把握するための一貫した方法を得ることができます。
NEMA によって命名された 6 つのタイプは、さまざまなものに使用されます。
適切な NEMA 分類の器具を使用することで、プロジェクトに適切な配光を得ることができます。
ソナーシステムにおけるビーム拡散
ソナー システムでは、ビーム スプレッドとは、トランスデューサによって放出される音波のカバレッジ エリアを指します。
マルチビーム ソナーは、複数のソナー ビームを船の下と両側に向けて扇形に同時に送信します。
シングルビームソナーと比較して、海底の広い範囲をより速く、より正確にスキャンすることができます。
周波数が異なれば、ソナー データの詳細レベルも異なります。
高周波パルスは多くの詳細を示しますが、水中に深く入ることはできません。
一方、低周波パルスは水中に深く入り込みますが、詳細はわかりません。
水中センシング技術におけるビーム拡散
ビームの広がりは、可視光通信 (UVLC) などの水中センシング技術にも影響を与えます。
UVLC は 450 ～ 550 nm の周波数範囲を使用します。これは、無線周波数信号が海水中ではるかに急速に強度を失うためです。
これにより、海水が常に同じ温度であるとは限らず、波が当たると船体が動くにもかかわらず、人々は水中で話すことができます.
要するに、ビームの広がりは、照明、ソナー システム、水中で何が起こっているかを感知する技術など、多くのエンジニアリング アプリケーションで考慮すべき重要な要素です。
ビームの広がりがこれらの技術にどのように影響するかを知ることは重要です。これにより、適切な機器を選択して希望する結果を得ることができます。
さまざまな状況でビームの広がりを制御または変更するには、どのような方法を使用できますか?
ビーム整形とステアリング
ビーム シェーピングとステアリングは、カメラ レンズや光ピンセットなど、多くの最新のデバイスで使用されている重要な技術です。
この方法では、ビームがさまざまな方法で変更され、必要な広がりが得られます。
ビームの形状を変更する一般的な方法の 1 つは、回折光学素子 (DOE) を使用することです。
DOE は、必要なビームの広がりを得るために、位相と振幅に関してビームの広がり方を変更できます。
また、ホログラフィック光ピンセットは、コンピューターによって作成されたホログラムを使用して、光ビームを成形して方向付け、3D 空間にトラップを作成します。
誘電体メタサーフェス
誘電体メタサーフェスは、屈折率、周期、入射角、および断面形状に基づいて光の挙動を変えることができる、波長よりも小さい構造の薄い人工層です。
ビームの強度、位相、および偏光を変更できるため、複雑なビーム パターンを作成できます。
レンズ、反射板、回折格子
状況によっては、レンズ、リフレクター、または回折格子を使用して、ビームの広がりを制御できます。
レンズはビームの形状を変更してビームを狭くしたり広くしたりでき、リフレクタはビームを特定の方向に向けることができます。
回折格子は、ビームを複数のビームに分割したり、特定のパターンに曲げたりすることができます。
絞りまたはアイリス
開口部のサイズを変更することにより、アパーチャまたはアイリスを使用してビームのサイズを変更できます。
写真では、この方法は、カメラに入る光の量を制御し、適切な被写界深度を取得するためによく使用されます。
ワークピースまたはレーザーの移動
たとえば、レーザーを使用して切断または溶接する場合、ワークピースまたはレーザーを動かすことでビームを変更できます。
この方法は、非常に正確な切断または溶接を行い、ビームの広がりを制御するために使用されます。
粒子加速器
粒子加速器は、さまざまな方法でビームの広がりを制御または変更できます。
これらには、注入および抽出方法、ビーム冷却、スピン輸送、分極、最初のターン分析、最近接同調アプローチ、和共鳴の補償、および結合共鳴付近のエミッタンスが含まれます。
これらの方法は、ビームが安定し、焦点が合っており、適切な場所にあることを確認するために使用されます。
結論として、ビームの広がり方を制御または変更するには多くの方法があり、最適な方法はアプリケーションとニーズによって異なります。
適切な技術を選択して、必要なビーム スプレッドを取得し、アプリケーションが機能することを確認することが重要です。
ビームの広がりを制御および操作するための技術
ビームの広がりは、照明、ソナー システム、粒子加速器など、多くのエンジニアリング アプリケーションで重要な要素です。
アプリケーションが異なれば、ビームの広がりを制御または変更する方法も異なります。
ビーム広がりの計算
ビームの角度に定数値 0.018 を掛けてから距離を掛けることで、照明デザインに適したビームの広がりを簡単に計算できます。
たとえば、デッキから 25 フィート上に取り付けられた 10° ビームのカバレッジ エリア (スポット サイズ) (投射距離) を計算する場合は、次の式を使用できます: 10° x 0.018 x 25 フィート = 4.5フィート。
大きさに応じて、リフレクター ランプはスポット ビームまたはフラッド ビームのいずれかになります。
両方のタイプを使用すると、プロパティを照らす方法が増えます。
空間の電球を選ぶときは、どのような雰囲気を作りたいかを考えてください。
スポット ライトは通常、12° などの狭いビームの電球です。
フラッドライトまたはウォッシュライトは、60°程度の広いビームを持つ電球です。
ビーム整形とステアリング
ビーム シェーピングとステアリングは、光ピンセットやカメラ レンズなど、多くの最新技術の重要な部分です。
レンズ、ミラー、グレーティングなどの光学要素を使用して、ビームの形状を変更し、特定の方向に向けたり、ターゲットに焦点を合わせたりします。
この方法は、誘電体メタサーフェスの屈折率、周期、入射角、および断面形状が異なるビームを制御するためにも使用されます。
ビーム拡散の低減
超音波技術では、周波数の高いトランスデューサを使用するか、トランスデューサの直径を大きくすることで、ビームの広がりを小さくすることができます。
光学的にトラップされた微小球を光ビームで移動させることにより、光流体デバイス内でビームがどのように移動するかを制御できます。
粒子加速器には、ビームの広がりを制御または変更する多くの方法があります。たとえば、注入および抽出方法、ビーム冷却、スピン輸送、分極、最初のターン分析、最近接同調アプローチ、和共鳴の補償、結合共鳴付近のエミッタンスなどです。
ビームを狭めるには、次の方法もあります。
ビーム エキスパンダーの使用: ビーム エキスパンダーを使用して、ビーム発散を減らし、出力ビームが遠くにあるときにビーム径が特定の制限を超えないようにすることができます。
システム内でビームを大きくすると、入射径が大きくなり、発散が小さくなります。
- コリメータの使用: コリメータを使用して、レーザー ビームの広がりを減らし、よりコリメートすることができます。
- より小さいアパーチャを使用する: レーザー ビームが通過する穴のサイズは、ビームの距離に影響を与える可能性があります。
ほとんどの場合、開口部を小さくすると、ビームの広がりが小さくなります。
- 焦点距離の長いレンズの使用: 焦点距離の長いレンズを使用すると、レーザー ビームを小さなスポットに集束させることができ、ビームの広がりを抑えることができます。
これらの技術はビームの広がりを減らすのに役立ちますが、できることは限られていることに留意することが重要です。
また、一部の技術は、球面収差などの他の光学収差を引き起こし、ビームの品質を低下させる可能性があります。
システムのニーズを慎重に検討し、ビームの広がりを減らす正しい方法を選択することが重要です。
ファーフィールドでのサウンドビームの広がり
音響ビームが遠方界でどのように広がるかに影響を与える要因がいくつかあります。
これらには、超音波源のサイズと形状、ビームの周波数、ビームの集束方法、およびトランスデューサのサイズまたは開口部が含まれます。
ファーフィールド
遠方界は、ビーム径が近距離ゾーン長よりも光源から遠ざかる領域です。
超音波の振動子径と周波数
音響ビームが遠方界でどの程度広がるかは、アパーチャと呼ばれるトランスデューサのサイズと音波の周波数によって異なります。
より高い周波数の音を生成するより大きな直径の結晶は、遠方場での発散が少ないビームを生成します。
より小さな直径とより低い周波数の結晶は、遠方界で非常に広がるビームを作ります。
超音波源の大きさと形状
ビーム幅、フレネル ゾーンの長さ、近接場を超える発散角度はすべて、超音波源のサイズの影響を受けます。
フォーカシングが適用されていないトランスデューサの場合、フレネル ゾーンの長さは、トランスデューサの直径と波長によって決まります。
ビーム集束
ビームが集束される方法によっても、遠方界での見え方が変わります。
ビームを集束させると、遠方界でのビームの広がりを少なくすることができます。
一方、ビームを集束しないトランスデューサを使用すると、ビームがさらに広がります。
つまり、トランスデューサの直径または開口部、超音波の周波数、超音波源のサイズと形状、およびビームの集束方法のすべてが、音響ビームが遠距離場でどれだけ広がるかに影響します。
これらの要因を知ることで、エンジニアや研究者は、ニーズに最適な超音波システムを作成できます。
波長、近接場、ビーム広がりの計算
ヒント: 必要に応じてキャプション ボタンをオンにします。話し言葉に慣れていない場合は、設定ボタンで「自動翻訳」を選択してください。お気に入りの言語が翻訳可能になる前に、まずビデオの言語をクリックする必要がある場合があります。
結論
ビーム拡散に関するこの議論を締めくくるにあたり、この概念がエンジニアリングの世界に与える深刻な影響について考えてみる価値があります。
ビーム拡散は、スタジアムの照明システムを設計したり、潜水艦のソナー イメージングを改善したり、医療用のレーザー技術を開発したりする場合に理解しておくべき非常に重要な概念です。
エンジニアは、波がさまざまな素材を移動するときの波の動作を注意深く制御および変更することにより、これまで以上に正確かつ効率的に作業を行うことができます。
したがって、次にエンジニアリング プロジェクトに取り組むときは、ビーム スプレッドの力と、それが目標の達成にどのように役立つかを心に留めておいてください。
少しの想像力と創造性があれば、できることに制限はありません。
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