엔지니어이거나 공학도라면 파동이 무엇인지 알 것입니다.
전파는 무선 신호에서 초음파 이미징에 이르기까지 매일 사용하는 많은 기술의 중요한 부분입니다.
하지만 이 파동이 시작점에서 멀어지면서 어떤 일을 하는지 생각해 본 적이 있습니까? 여기서 빔 확산이라는 개념이 등장합니다.
빔 확산은 전자기 또는 음향 빔이 재료를 통과할 때 중심축에서 멀어지는 각도입니다.
빔 확산을 이해하는 것은 조명, 음파 탐지기 및 레이저와 같은 많은 엔지니어링 시스템을 설계하고 최대한 활용하는 데 중요합니다.
따라서 이 기사에서는 빔 확산과 엔지니어링 분야에서 빔 확산이 중요한 이유에 대해 이야기하겠습니다.
빔 확산 소개
공식적인 정의:
재료를 통과할 때 전자기 또는 음향 빔의 중심 축으로부터 발산하는 각도입니다.
빔 확산은 전자기 또는 음향 빔이 재료를 통과할 때 중심 축에서 멀어지는 양입니다.
일반적으로 각도로 측정되며 특정 거리에서 소스로부터 빔의 너비를 보여줍니다.
공학에서 빔 확산은 빛, 소리 및 전파가 얼마나 강하고 어떤 방향인지 파악하는 데 도움이 되는 중요한 아이디어입니다.
조명의 빔 확산
조명에서 빔 확산은 전구와 같이 반사체가 있는 광원에서 나오는 빛이 얼마나 멀리 가는지를 측정하는 방법입니다.
이것은 빔의 폭을 측정하며 물체나 표면에 비추는 빛의 양을 결정하려는 경우 이를 아는 것이 중요합니다.
크기에 따라 반사경 램프에는 스팟 빔 또는 와이드 빔이 있습니다.
빔의 너비는 스팟 빔을 홍수 빔과 다르게 만드는 것입니다.
이 간단한 공식을 사용하여 주어진 거리에서 광선의 너비를 찾으십시오. 빔 확산 = 빔 각도 x.018 x 거리.
예를 들어, 120도 투광등의 빛이 15피트 거리에서 얼마나 멀리 도달하는지 알고 싶다면 이 공식에 숫자를 대입하면 됩니다.
스포트 라이트와 투광 조명은 제조업체에서 약간 다른 방식으로 설명하는 경우가 많습니다.
빔 확산이 어떻게 작동하는지 알면 프로젝트에 적합한 실외 조명을 선택하는 데 도움이 됩니다.
더 먼 거리에서는 더 멀리 가는 더 좁은 빔이 가장 잘 작동합니다.
더 넓은 빔 조명을 사용하여 분위기를 조성하려면 조명 사이의 거리가 조명의 빔 확산 직경과 같거나 커야 합니다.
음파의 빔 확산
빔 확산은 초음파 트랜스듀서에서도 발생할 수 있으며, 원거리장에 있는 사운드 빔의 메인 로브와 메인 로브 자체 사이의 각도로 측정됩니다.
빔 발산은 소리 에너지가 소스에서 멀어짐에 따라 확산되는 양을 측정하는 또 다른 방법입니다.
트랜스듀서의 사용 빈도와 크기에 따라 많이 달라집니다.
빔 확산 각도의 절반인 빔 발산 각도의 대략적인 추정치를 얻기 위해 애플릿을 사용할 수 있습니다.
이는 액체 또는 고체 매체의 직경(D), 주파수(F) 및 음속(V)을 고려하여 수행됩니다.
엔지니어링에서 빔 확산이 웃을 일이 아닌 이유
아직도 이해하기 어렵나요? 관점을 조금 바꿔보겠습니다.
어쨌든 빔 확산과 같은 성가신 일에 대해 누가 걱정해야 합니까? 당신의 빛이나 음파가 아무렇게나 날아가도록 내버려두고 최선을 다하길 바랍니다! 결국 엔지니어링 응용 프로그램에서 정밀도나 정확성이 필요한 사람은 누구입니까?
물론 이것은 엔지니어나 공학도라면 누구나 알고 있듯이 전혀 사실이 아닙니다.
다양한 기술을 설계하고 최적화할 때 빔 확산은 고려해야 할 가장 중요한 사항 중 하나입니다.
하지만 때로는 빔 확산과 같은 개념이 얼마나 중요한지 이해하기 위해 약간의 아이러니한 유머가 필요합니다.
이제 설명으로 돌아가 봅시다.
빔 확산에 영향을 미치는 요인
전자기파와 음향파가 확산되는 방식에 영향을 미치는 것은 통과하는 물질의 유형에 따라 다릅니다.
초음파용 트랜스듀서를 선택할 때 빔 각도는 고려해야 할 중요한 사항입니다.
빔 확산은 사운드 에너지가 더 넓은 영역에 분산되기 때문에 반사음의 크기를 줄입니다.
변환기의 주파수와 직경은 빔의 폭과 많은 관련이 있습니다.
저주파 변환기를 사용하면 고주파 변환기를 사용할 때보다 빔 확산이 더 넓어집니다.
트랜스듀서의 직경이 커짐에 따라 빔 확산이 축소됩니다.
사운드 빔이 확산되지 않는 경우 확산 속도는 등주파수 표면의 곡률과 관련된 회절 계수 D에 의해 결정됩니다.
변환기의 선택은 감도, 해상도, 침투 및 빔 확산에 큰 영향을 미칩니다.
작동 주파수 또는 파형을 변경해도 작은 영향이 있습니다.
광파에서 빔 확산에 영향을 미치는 요인
굴절은 광파가 한 물질에서 다른 물질로 이동하고 속도와 방향을 바꿀 때 발생합니다.
광파가 휘는 정도는 표면에 닿는 각도와 두 재료의 굴절률에 따라 다릅니다.
굴절률은 재료가 진공에 비해 빛을 얼마나 느리게 하는지 보여줍니다.
빛이 프리즘을 통과할 때 두 번 구부러집니다. 한 번은 들어올 때, 한 번은 나올 때 구부러집니다.
빛이 굴절되는 정도는 파장에 따라 다르므로 다른 색상은 다른 각도에서 구부러집니다.
이것을 분산이라고 합니다.
빛이 유리 조각을 통과할 때 일부는 표면에서 반사되고 일부는 직진합니다.
반사되는 빛의 양은 빛이 표면에 닿는 각도와 공기와 유리가 빛을 굴절시키는 방식에 따라 다릅니다.
유리의 굴절률은 공기보다 높기 때문에 빛이 공기에서 유리로 들어갈 때 속도가 느려지고 법선(표면에 수직인 가상의 선)을 향해 구부러집니다.
빛이 유리에서 공기로 이동하면 속도가 빨라지고 법선에서 멀어집니다.
요컨대, 파동이 통과하는 매질의 특성과 변환기의 주파수 및 크기는 전자기파와 음향파의 확산에 영향을 미치는 주요 요소입니다.
굴절은 광파가 다른 물질을 통과할 때 속도와 방향을 변경합니다.
이것은 광파가 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 영향을 미칩니다.
올바른 장비를 선택하고 다양한 엔지니어링 응용 분야에서 원하는 결과를 얻으려면 빔 확산에 영향을 미치는 것이 무엇인지 아는 것이 중요합니다.
빔 확산의 용도
빔 확산은 조명, 소나 시스템, 수중 감지 기술 등과 같은 많은 엔지니어링 응용 분야에서 중요한 부분입니다.
올바른 장비를 선택하고 원하는 결과를 얻으려면 빔 확산이 이러한 기술에 어떤 영향을 미치는지 아는 것이 중요합니다.
조명의 빔 확산
조명에서 빛이 조명기에서 나오는 각도를 빔 확산이라고 합니다.
빔이 더 넓으면 더 적은 광량으로 더 많은 영역이 비춰집니다.
반면에 더 좁은 빔 확산은 더 작은 영역에 더 많은 빛을 비춥니다.
다중 빔 확산 트랙 헤드를 사용하면 렌즈를 이동하여 빔 각도를 현장에서 변경할 수 있습니다.
플러드 빔 확산은 넓은 영역을 밝히는 데 사용할 수 있는 반면 스팟 빔 확산은 방의 특정 부분을 강조하는 데 사용할 수 있습니다.
빛의 종류에 따라 빛이 퍼지는 방식에 따라 패턴이 다르며, 그 패턴은 서로 다른 이유로 만들어집니다.
확산 빔 라이트는 스포트라이트보다 빔 패턴이 더 넓어 차량보다 더 멀리 이동할 수 있는 더 집중된 라이트 빔을 생성합니다.
안개등은 수평으로 퍼지는 범위는 넓지만 수직 차단이 좁기 때문에 도로의 안개, 비, 눈 또는 먼지 층을 통해 빛날 수 있습니다.
NEMA 빔 확산 분류 시스템
NEMA(National Electrical Manufacturers Association)는 빛이 확산되는 방식을 분류하는 방법을 제시했습니다.
이 시스템을 NEMA 빔 확산이라고 합니다.
빛의 강도가 최대 빔 강도의 10%까지 수평 및 수직으로 퍼지는 두 개의 가장자리를 말하며 광 출력이 매우 좁은지, 매우 넓은지 또는 그 중간인지와 상관 관계가 있습니다.
수평 및 수직 빔 확산 각도는 NEMA 유형 간의 차이를 구분하는 데 사용됩니다.
표준화된 NEMA 빔 각도 분류 시스템은 업계의 모든 사람에게 조명기가 어떻게 빛을 퍼뜨리는지를 파악할 수 있는 일관된 방법을 제공합니다.
NEMA에서 명명한 6가지 유형은 서로 다른 용도로 사용됩니다.
NEMA 분류가 올바른 설비를 사용하여 프로젝트에 적합한 배광을 얻을 수 있습니다.
소나 시스템의 빔 확산
소나 시스템에서 빔 확산은 트랜스듀서에서 방출되는 음파의 적용 범위를 나타냅니다.
멀티빔 소나는 선박 하부와 양 측면을 바라보는 부채꼴 패턴으로 여러 개의 소나 빔을 동시에 발사합니다.
단일 빔 소나에 비해 해저의 더 넓은 영역을 더 빠르고 정확하게 스캔할 수 있습니다.
다른 주파수는 소나 데이터에서 다른 수준의 세부 정보를 나타냅니다.
고주파 펄스는 많은 세부 사항을 보여주지만 깊은 물속으로 들어갈 수는 없습니다.
반면에 저주파 펄스는 수심 깊숙이 들어가지만 세부 사항은 덜 나타납니다.
수중 감지 기술의 빔 확산
빔 확산은 가시광 통신(UVLC)과 같은 수중 감지 기술에도 영향을 미칩니다.
UVLC는 무선 주파수 신호가 해수에서 훨씬 더 빨리 강도를 잃기 때문에 450~550nm의 주파수 범위를 사용합니다.
이것은 바닷물이 항상 같은 온도가 아니며 파도가 부딪치면 선체가 움직이는데도 불구하고 사람들이 수중에서 대화하는 것을 가능하게 합니다.
요컨대, 빔 확산은 조명, 수중 음파 탐지기 시스템 및 수중 상황 감지 기술과 같은 많은 엔지니어링 응용 분야에서 고려해야 할 중요한 사항입니다.
올바른 장비를 선택하고 원하는 결과를 얻으려면 빔 확산이 이러한 기술에 어떤 영향을 미치는지 아는 것이 중요합니다.
다양한 상황에서 빔의 퍼짐을 제어하거나 변경하는 데 사용할 수 있는 방법은 무엇입니까?
빔 성형 및 스티어링
빔 성형 및 스티어링은 카메라 렌즈 및 광학 핀셋과 같은 많은 최신 장치에 사용되는 중요한 기술입니다.
이 방법에서는 빔이 원하는 확산을 얻기 위해 다양한 방식으로 변경됩니다.
빔의 모양을 변경하는 일반적인 방법 중 하나는 회절 광학 요소(DOE)를 사용하는 것입니다.
DOE는 필요한 빔 확산을 얻기 위해 위상 및 진폭 측면에서 빔이 확산되는 방식을 변경할 수 있습니다.
또한 홀로그램 광학 핀셋은 컴퓨터로 만든 홀로그램을 사용하여 광선을 형성하고 지시하여 3D 공간에서 트랩을 만듭니다.
유전체 메타표면
유전체 메타표면은 굴절률, 주기, 입사각 및 단면 모양에 따라 빛이 행동하는 방식을 변경할 수 있는 파장보다 작은 구조의 얇은 인공 층입니다.
빔의 강도, 위상 및 편광을 변경하여 복잡한 빔 패턴을 만들 수 있습니다.
렌즈, 반사경 및 회절 격자
경우에 따라 렌즈, 반사경 또는 회절 격자를 사용하여 빔이 퍼지는 정도를 제어할 수 있습니다.
렌즈는 빔의 모양을 변경하여 더 좁게 또는 더 넓게 만들 수 있으며 반사경은 빔을 특정 방향으로 돌릴 수 있습니다.
회절 격자는 빔을 둘 이상의 빔으로 분할하거나 특정 패턴으로 구부릴 수 있습니다.
조리개 또는 조리개
개구부의 크기를 변경함으로써 조리개 또는 조리개를 사용하여 빔의 크기를 변경할 수 있습니다.
사진에서 이 방법은 카메라에 들어오는 빛의 양을 제어하고 올바른 피사계 심도를 얻기 위해 종종 사용됩니다.
공작물 또는 레이저 이동
예를 들어 레이저를 사용하여 절단 또는 용접할 때 공작물 또는 레이저를 이동하여 빔을 변경할 수 있습니다.
이 방법은 매우 정밀한 절단 또는 용접을 만들고 빔이 퍼지는 정도를 제어하는 데 사용됩니다.
입자 가속기
입자 가속기는 여러 가지 방법으로 빔 확산을 제어하거나 변경할 수 있습니다.
여기에는 주입 및 추출 방법, 빔 냉각, 스핀 전송, 분극화, 첫 번째 회전 분석, 가장 근접한 조정 접근 방식, 합 공명 보상, 결합 공명 근처의 방출량이 포함됩니다.
이러한 방법은 빔이 안정적이고 초점이 잘 맞으며 올바른 위치에 있는지 확인하는 데 사용됩니다.
결론적으로, 빔이 퍼지는 방식을 제어하거나 변경하는 방법은 여러 가지가 있으며 이를 수행하는 가장 좋은 방법은 애플리케이션과 요구 사항에 따라 다릅니다.
원하는 빔 확산을 얻기 위해 올바른 기술을 선택하고 응용 프로그램이 작동하는지 확인하는 것이 중요합니다.
빔 확산 제어 및 조작 기술
빔 확산은 조명, 소나 시스템 및 입자 가속기를 비롯한 많은 엔지니어링 응용 분야에서 중요한 요소입니다.
응용 프로그램마다 빔 확산을 제어하거나 변경하는 다양한 방법이 필요합니다.
빔 확산 계산
빔의 각도에 상수 값 0.018을 곱한 다음 거리를 곱하면 조명 설계에 적합한 빔 확산을 쉽게 파악할 수 있습니다.
예를 들어 데크 위 25피트(투사 거리)에 장착된 10° 빔의 적용 범위(스폿 크기)를 파악하려는 경우 다음 공식을 사용할 수 있습니다. 10° x 0.018 x 25ft = 4.5 피트.
반사경 램프는 크기에 따라 스팟 빔 또는 플러드 빔을 가질 수 있습니다.
두 가지 유형을 모두 사용하면 건물에 조명을 더 많이 비출 수 있습니다.
공간에 사용할 전구를 선택할 때 어떤 분위기를 연출하고 싶은지 생각해보세요.
스포트 라이트는 일반적으로 12°와 같은 좁은 빔이 있는 전구입니다.
플러드 또는 워시 라이트는 60° 정도의 광속이 더 넓은 전구입니다.
빔 형성 및 조정
빔 형성 및 조정은 광학 핀셋 및 카메라 렌즈와 같은 많은 최신 기술의 핵심 부분입니다.
렌즈, 거울 및 격자와 같은 광학 요소는 빔의 모양을 변경하고 특정 방향으로 향하게 하거나 대상에 초점을 맞추는 데 사용됩니다.
이 방법은 유전체 메타표면에서 굴절률, 주기, 입사각 및 단면 모양이 다른 빔을 제어하는 데에도 사용됩니다.
빔 확산 감소
초음파 기술에서는 고주파의 트랜스듀서를 사용하거나 트랜스듀서의 직경을 크게 하여 빔 확산을 더 작게 만들 수 있습니다.
광선을 통해 광학적으로 갇힌 미세 구를 이동함으로써 광유체 장치에서 광선이 움직이는 방식을 제어할 수 있습니다.
입자 가속기는 주입 및 추출 방법, 빔 냉각, 스핀 전송, 편광, 1차 회전 분석, 근접 조정 접근 방식, 총 공명 보상, 커플링 공명 근처의 방출과 같은 빔 확산을 제어하거나 변경하는 여러 가지 방법이 있습니다.
빔을 좁히는 다음과 같은 방법도 있습니다.
빔 확장기 사용: 빔 확장기를 사용하여 빔 발산을 줄이고 출력 빔이 멀리 떨어져 있을 때 빔 직경이 특정 한계를 초과하지 않도록 할 수 있습니다.
시스템 내부에서 빔을 더 크게 만들면 입력 직경이 커지고 발산이 작아집니다.
- 콜리메이터 사용: 콜리메이터를 사용하여 레이저 빔의 확산을 줄이고 더 시준되도록 할 수 있습니다.
- 더 작은 조리개 사용: 레이저 빔이 통과하는 구멍의 크기는 빔의 거리에 영향을 줄 수 있습니다.
대부분의 경우 구경이 작을수록 빔이 덜 퍼집니다.
- 초점 거리가 더 긴 렌즈 사용: 초점 거리가 더 긴 렌즈를 사용하여 레이저 빔을 더 작은 지점에 집중시켜 빔 확산을 줄일 수 있습니다.
이러한 기술은 빔 확산을 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 그 정도만 할 수 있다는 점을 염두에 두는 것이 중요합니다.
또한 일부 기술은 구면 수차와 같은 다른 광학 수차를 유발하여 빔의 품질을 낮출 수 있습니다.
시스템의 요구 사항에 대해 신중하게 생각하고 빔 확산을 줄이는 올바른 방법을 선택하는 것이 중요합니다.
원거리에서 퍼지는 사운드 빔
원거리장에서 사운드 빔이 퍼지는 방식에 영향을 미치는 몇 가지 요소가 있습니다.
여기에는 초음파 소스의 크기와 모양, 빔의 주파수, 빔이 집중되는 방식, 트랜스듀서의 크기 또는 구경이 포함됩니다.
파 필드
원거리 필드는 빔 직경이 하나의 근거리 영역 길이보다 소스에서 더 멀어지는 영역입니다.
트랜스듀서 직경 및 초음파 주파수
원거리장에서 사운드 빔이 퍼지는 정도는 조리개라고 하는 변환기의 크기와 음파의 주파수에 따라 다릅니다.
더 높은 주파수 사운드를 생성하는 더 큰 직경의 크리스탈은 원거리 장에서 덜 발산하는 빔을 생성합니다.
직경이 더 작고 주파수가 더 낮은 크리스탈은 원거리장에서 매우 넓게 퍼지는 빔을 만듭니다.
초음파 소스의 크기와 모양
빔 폭, 프레넬 영역의 길이, 근거리장 너머 발산각은 모두 초음파 소스의 크기에 영향을 받습니다.
포커싱이 적용되지 않은 트랜스듀서의 경우 프레넬 영역의 길이는 트랜스듀서의 직경과 파장에 의해 결정됩니다.
빔 포커싱
빔이 집중되는 방식은 원거리에서 보이는 방식도 변경합니다.
빔의 초점을 맞추면 원거리에서 빔이 덜 퍼질 수 있습니다.
반면에 빔에 초점을 맞추지 않는 트랜스듀서를 사용하면 빔이 더 많이 퍼집니다.
즉, 트랜스듀서의 직경 또는 개구부, 초음파 주파수, 초음파 소스의 크기 및 모양, 빔이 집중되는 방식은 모두 사운드 빔이 원거리장에서 확산되는 정도에 영향을 미칩니다.
엔지니어와 연구원은 이러한 요소에 대해 알면 요구 사항에 가장 적합한 초음파 시스템을 만들 수 있습니다.
파장, 근거리, 빔 확산 계산
팁: 필요한 경우 캡션 버튼을 켭니다. 구어에 익숙하지 않은 경우 설정 버튼에서 "자동 번역"을 선택하십시오. 좋아하는 언어를 번역할 수 있게 되기 전에 먼저 동영상의 언어를 클릭해야 할 수도 있습니다.
결론
빔 확산에 대한 이 논의를 마치면서 이 개념이 엔지니어링 세계에 미치는 심오한 영향을 잠시 생각해 볼 가치가 있습니다.
빔 확산은 경기장용 조명 시스템을 설계하거나 잠수함용 소나 이미징을 개선하거나 의료용 레이저 기술을 제작하려는 경우 이해해야 할 매우 중요한 개념입니다.
엔지니어는 파동이 다른 재료를 통과할 때 작동하는 방식을 신중하게 제어하고 변경하여 이전보다 더 정확하고 효율적으로 작업을 수행할 수 있습니다.
따라서 다음에 엔지니어링 프로젝트를 수행할 때는 빔 확산의 힘과 이것이 목표 달성에 어떻게 도움이 되는지 염두에 두십시오.
약간의 상상력과 창의력만 있으면 할 수 있는 일에 한계가 없습니다.
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