Als je een ingenieur of een student techniek bent, weet je wat golven zijn.
Golven vormen een belangrijk onderdeel van veel van de technologieën die u dagelijks gebruikt, van radiosignalen tot ultrasone beeldvorming.
Maar heb je er ooit over nagedacht wat deze golven doen als ze weggaan van waar ze beginnen? Dit is waar het idee van bundelspreiding om de hoek komt kijken.
Bundelspreiding is de hoek waaronder een elektromagnetische of akoestische bundel weg beweegt van zijn middenas terwijl hij door een materiaal beweegt.
Het begrijpen van bundelspreiding is belangrijk voor het ontwerpen en optimaal gebruiken van veel technische systemen, zoals verlichting, sonar en lasers.
Dus ik zal het in dit artikel hebben over bundelspreiding en waarom het belangrijk is op het gebied van engineering.
Inleiding tot straalspreiding
Formele definitie:
De hoek van divergentie van de centrale as van een elektromagnetische of akoestische straal terwijl deze door een materiaal gaat.
Bundelspreiding is de hoeveelheid die een elektromagnetische of akoestische bundel van zijn middenas af beweegt terwijl hij door een materiaal beweegt.
Het wordt meestal gemeten in graden en geeft aan hoe breed de straal op een bepaalde afstand van de bron is.
In engineering is bundelspreiding een belangrijk idee dat helpt erachter te komen hoe sterk en in welke richting licht, geluid en radiogolven zijn.
Straalspreiding in verlichting
Bij verlichting is bundelspreiding een manier om te meten hoe ver licht van een bron met een reflector, zoals een gloeilamp, gaat.
Het meet hoe breed de straal is, wat belangrijk is om te weten als je wilt bepalen hoeveel licht je op een object of oppervlak wilt laten schijnen.
Reflectorlampen hebben, afhankelijk van hun grootte, een spotbundel of een brede bundel.
De breedte van de straal is wat een spotstraal anders maakt dan een schijnwerperstraal.
Gebruik deze eenvoudige formule om de breedte van een lichtstraal vanaf een bepaalde afstand te vinden: Straalspreiding = Straalhoek x.018 x Afstand.
Als u bijvoorbeeld wilt weten hoe ver het licht van een schijnwerper van 120 graden reikt vanaf een afstand van 4,5 meter, kunt u de getallen gewoon in deze formule invoeren.
Schijnwerpers en schijnwerpers worden door fabrikanten vaak op iets andere manieren beschreven.
Als u weet hoe bundelspreiding werkt, kunt u de juiste buitenverlichting voor uw project kiezen.
Voor langere afstanden werkt een smallere straal die verder gaat het beste.
Als je lampen met een bredere lichtbundel wilt gebruiken om sfeer te creëren, moet de afstand tussen de lampen gelijk zijn aan of groter zijn dan de diameter van de bundelspreiding van het licht.
Straalspreiding in akoestische golven
Bundelspreiding kan ook plaatsvinden in ultrasone transducers, waar het wordt gemeten als de hoek tussen de hoofdlob van de geluidsbundel in het verre veld en de hoofdlob zelf.
De straaldivergentie is een andere manier om te meten hoeveel geluidsenergie zich verspreidt als het van de bron af beweegt.
Het hangt sterk af van hoe vaak de transducer wordt gebruikt en hoe groot hij is.
Een applet kan worden gebruikt om een ruwe schatting te krijgen van de bundeldivergentiehoek, die de helft is van de bundelspreidingshoek.
Dit wordt gedaan door rekening te houden met de diameter (D), frequentie (F) en geluidssnelheid (V) in een vloeibaar of vast medium.
Waarom straalspreiding geen lachertje is in de techniek
Nog steeds moeilijk te begrijpen? Laat me het standpunt een beetje veranderen:
Wie moet zich trouwens zorgen maken over vervelende zaken als bundelspreiding? Laat je licht- of geluidsgolven gewoon willens en wetens vliegen en hoop op het beste! Immers, wie heeft precisie of nauwkeurigheid nodig in technische toepassingen, toch?
Dit is natuurlijk helemaal niet waar, zoals elke ingenieur of technische student weet.
Bij het ontwerpen en optimaliseren van verschillende technologieën is bundelspreiding een van de belangrijkste dingen om over na te denken.
Maar soms hebben we een beetje ironische humor nodig om te begrijpen hoe belangrijk een concept als beam spread is.
Laten we nu teruggaan naar de uitleg.
Factoren die de bundelspreiding beïnvloeden
De dingen die van invloed zijn op de manier waarop elektromagnetische en akoestische golven zich verspreiden, zijn afhankelijk van het soort materiaal waar ze doorheen reizen.
Bij het kiezen van een transducer voor echografie is de stralingshoek een belangrijk punt om over na te denken.
Bundelspreiding maakt reflecties minder luid omdat geluidsenergie over een groter gebied wordt verspreid.
De frequentie en diameter van de transducer hebben veel te maken met hoe breed de bundel is.
Bij gebruik van een laagfrequente transducer is de bundelspreiding breder dan bij gebruik van een hoogfrequente transducer.
Naarmate de diameter van de transducer groter wordt, zal de bundelspreiding kleiner worden.
Wanneer geluidsbundels zich niet verspreiden, wordt de snelheid waarmee ze zich verspreiden bepaald door de diffractiecoëfficiënt D, die verband houdt met de kromming van het isofrequentieoppervlak.
De keuze van de transducer heeft een grote invloed op de gevoeligheid, resolutie, penetratie en bundelspreiding.
Het veranderen van de werkfrequentie of golfvorm heeft een klein effect.
Factoren die de bundelspreiding in lichtgolven beïnvloeden
Breking is wat er gebeurt wanneer een lichtgolf van het ene materiaal naar het andere beweegt en van snelheid en richting verandert.
Hoeveel de lichtgolf buigt, hangt af van de hoek waaronder het het oppervlak raakt en de brekingsindices van de twee materialen.
De brekingsindex geeft aan hoeveel een materiaal licht vertraagt in vergelijking met een vacuüm.
Wanneer licht door een prisma gaat, wordt het twee keer gebogen: een keer als het naar binnen gaat en nog een keer als het naar buiten komt.
Hoeveel licht buigt, hangt af van de golflengte, dus verschillende kleuren buigen onder verschillende hoeken.
Dit wordt dispersie genoemd.
Als licht door een stuk glas gaat, kaatst een deel ervan tegen het oppervlak en een ander deel gaat er dwars doorheen.
Hoeveel licht wordt gereflecteerd, hangt af van de hoek waaronder het het oppervlak raakt en van hoe lucht en glas licht buigen.
De brekingsindex van glas is hoger dan die van lucht, dus wanneer licht van lucht in glas gaat, vertraagt het en buigt het naar de normaal (een denkbeeldige lijn loodrecht op het oppervlak).
Wanneer licht van glas naar lucht gaat, versnelt het en buigt het weg van de normaal.
Kortom, de eigenschappen van het medium waar de golf doorheen reist, evenals de frequentie en grootte van de transducer, zijn de belangrijkste factoren die de verspreiding van elektromagnetische en akoestische golven beïnvloeden.
Breking verandert de snelheid en richting van lichtgolven terwijl ze door verschillende materialen gaan.
Dit beïnvloedt hoe ver de lichtgolven uit elkaar staan.
Weten wat de straalspreiding beïnvloedt, is belangrijk voor het kiezen van de juiste apparatuur en het verkrijgen van de gewenste resultaten in verschillende technische toepassingen.
Gebruik van bundelspreiding
Straalspreiding is een belangrijk onderdeel van veel technische toepassingen, zoals verlichting, sonarsystemen, onderwaterwaarnemingstechnologieën en meer.
Het is belangrijk om te weten hoe bundelspreiding deze technologieën beïnvloedt, zodat u de juiste apparatuur kunt kiezen en de gewenste resultaten kunt behalen.
Straalspreiding in verlichting
Bij verlichting wordt de hoek waaronder het licht uit een armatuur komt de bundelspreiding genoemd.
Er wordt meer gebied verlicht met minder lichtintensiteit als de straal breder is.
Aan de andere kant zorgt een smallere bundelspreiding voor meer licht in een kleiner gebied.
Met multi-beam spread track heads kan de stralingshoek ter plekke worden gewijzigd door de lens te verplaatsen.
Flood beam spreads kunnen worden gebruikt om een groot gebied te verlichten, terwijl spot beam spreads kunnen worden gebruikt om bepaalde delen van een kamer te markeren.
Verschillende soorten lichten hebben verschillende patronen voor hoe hun licht zich verspreidt, die om verschillende redenen zijn gemaakt.
Gespreide bundellichten hebben een breder bundelpatroon dan schijnwerpers, die een meer gefocuste lichtbundel produceren die verder voor het voertuig kan reiken.
Mistlampen kunnen door lagen mist, regen, sneeuw of stof op de weg schijnen omdat ze een brede horizontale spreiding hebben maar een smalle verticale afbakening.
NEMA Beam Spread Classificatiesysteem
De National Electrical Manufacturers Association (NEMA) bedacht een manier om te classificeren hoe licht wordt verspreid.
Dit systeem wordt de NEMA bundelspreiding genoemd.
Het verwijst naar de twee randen waar de lichtintensiteit zich horizontaal en verticaal verspreidt tot 10% van de maximale bundelintensiteit en correleert met of de lichtuitvoer erg smal, erg breed of ergens daar tussenin is.
Hoeken van horizontale en verticale bundelspreiding worden gebruikt om het verschil tussen NEMA-types aan te geven.
Het gestandaardiseerde NEMA classificatiesysteem voor stralingshoeken geeft iedereen in de branche een consistente manier om erachter te komen hoe armaturen licht verspreiden.
De zes typen die door NEMA worden genoemd, worden voor verschillende dingen gebruikt.
De juiste lichtverdeling voor uw project krijgt u door armaturen met de juiste NEMA-classificatie te gebruiken.
Straalspreiding in sonarsystemen
In sonarsystemen verwijst bundelspreiding naar het dekkingsgebied van geluidsgolven die worden uitgezonden door een transducer.
Multibeam sonar zendt meerdere sonarstralen tegelijk uit in een waaiervormig patroon dat onder het schip en naar beide kanten kijkt.
In vergelijking met single-beam sonar maakt dit het mogelijk om sneller en nauwkeuriger een groter gebied van de zeebodem te scannen.
Verschillende frequenties onthullen verschillende detailniveaus in sonargegevens.
Hoogfrequente pulsen tonen veel detail, maar kunnen niet diep in het water gaan.
Laagfrequente pulsen daarentegen gaan dieper het water in maar tonen minder detail.
Straalspreiding in onderwaterwaarnemingstechnologieën
Bundelspreiding is ook van invloed op technologieën voor onderwaterwaarneming, zoals communicatie met zichtbaar licht (UVLC).
UVLC gebruikt een frequentiebereik tussen 450 en 550 nm omdat radiofrequentiesignalen in zeewater veel sneller aan kracht verliezen.
Dit maakt het voor mensen mogelijk om onder water te praten, ook al is zeewater niet altijd dezelfde temperatuur en beweegt de romp als golven erop slaan.
Kortom, bundelspreiding is een belangrijk ding om over na te denken in veel technische toepassingen, zoals verlichting, sonarsystemen en technologieën om te voelen wat er onder water gebeurt.
Het is belangrijk om te weten hoe bundelspreiding deze technologieën beïnvloedt, zodat u de juiste apparatuur kunt kiezen en de gewenste resultaten kunt behalen.
Welke methoden kunnen worden gebruikt om de spreiding van een straal in verschillende situaties te beheersen of te veranderen?
Straalvorming en sturing
Straalvorming en -sturing is een belangrijke techniek die wordt gebruikt in veel moderne apparaten, zoals cameralenzen en optische pincetten.
Bij deze methode wordt de straal op verschillende manieren veranderd om de gewenste spreiding te krijgen.
Een populaire manier om de vorm van de straal te veranderen, is door diffractieve optische elementen (DOE's) te gebruiken.
De DOE's kunnen de manier veranderen waarop de bundel wordt uitgespreid in termen van fase en amplitude om de bundelspreiding te krijgen die nodig is.
Holografische optische pincetten gebruiken ook hologrammen die door een computer zijn gemaakt om lichtstralen te vormen en te richten om vallen in de 3D-ruimte te maken.
Diëlektrische meta-oppervlakken
Diëlektrische metasurfaces zijn dunne, door de mens gemaakte lagen van structuren kleiner dan een golflengte die de manier waarop licht zich gedraagt kan veranderen op basis van de brekingsindex, periode, invalshoek en vorm van de dwarsdoorsnede.
Ze kunnen de sterkte, fase en polarisatie van de straal veranderen, waardoor ze complexe straalpatronen kunnen maken.
Lenzen, reflectoren en diffractieroosters
In sommige situaties kunnen lenzen, reflectoren of diffractieroosters worden gebruikt om te bepalen hoe ver een straal zich verspreidt.
Lenzen kunnen de vorm van de straal veranderen om deze smaller of breder te maken, en reflectoren kunnen de straal in een bepaalde richting draaien.
Diffractieroosters kunnen de bundel in meer dan één bundel splitsen of in een bepaald patroon buigen.
Diafragma of iris
Door de grootte van de opening te veranderen, kan een diafragma of iris worden gebruikt om de grootte van de bundel te veranderen.
In de fotografie wordt deze methode vaak gebruikt om te regelen hoeveel licht er in de camera komt en om de juiste scherptediepte te krijgen.
Het werkstuk of de laser verplaatsen
Wanneer u bijvoorbeeld een laser gebruikt om te snijden of te lassen, kan de straal worden gewijzigd door het werkstuk of de laser te verplaatsen.
Deze methode wordt gebruikt om sneden of lassen te maken die zeer nauwkeurig zijn en om te controleren hoe ver de straal zich verspreidt.
Deeltjesversnellers
Deeltjesversnellers kunnen de bundelspreiding op een aantal manieren regelen of veranderen.
Deze omvatten injectie- en extractiemethoden, bundelkoeling, spintransport, polarisatie, analyse van de eerste bocht, nadering van de beste afstemming, compensatie van de somresonantie en emissie nabij koppelingsresonantie.
Deze methoden worden gebruikt om ervoor te zorgen dat de straal stabiel, goed gefocust en op de juiste plaats is.
Kortom, er zijn veel manieren om de manier waarop een bundel zich verspreidt te regelen of te veranderen, en de beste manier om dit te doen hangt af van de toepassing en behoeften.
Het is belangrijk om de juiste techniek te kiezen om de gewenste bundelspreiding te krijgen en ervoor te zorgen dat de toepassing werkt.
Technieken voor het beheersen en manipuleren van straalspreiding
Straalspreiding is een kritieke factor in veel technische toepassingen, waaronder verlichting, sonarsystemen en deeltjesversnellers.
Verschillende toepassingen vragen om verschillende manieren om bundelspreiding te regelen of te veranderen.
Straalspreiding berekenen
U kunt eenvoudig de juiste bundelspreiding voor uw verlichtingsontwerp bepalen door de hoek van de bundel te vermenigvuldigen met een constante waarde van 0,018 en vervolgens met de afstand.
Als u bijvoorbeeld het dekkingsgebied (spotgrootte) wilt berekenen van een straal van 10° die 25 voet boven het dek is gemonteerd (de werpafstand), kunt u deze formule gebruiken: 10° x 0,018 x 25 ft = 4,5 ft.
Afhankelijk van hoe groot ze zijn, kunnen reflectorlampen een spot- of een flood-beam hebben.
Met beide typen heb je meer manieren om je woning te verlichten.
Denk bij het kiezen van een lamp voor uw ruimte na over wat voor soort sfeer u wilt creëren.
Spotlichten zijn meestal gloeilampen met een smalle bundel, zoals 12°.
Flood- of wash-lampen zijn lampen met een bredere bundel, ongeveer 60°.
Straalvorming en sturing
Straalvorming en -sturing is een belangrijk onderdeel van veel moderne technologieën, zoals optische pincetten en cameralenzen.
Optische elementen zoals lenzen, spiegels en roosters worden gebruikt om de vorm van de straal te veranderen en deze in een bepaalde richting te richten of op een doel te focussen.
Deze methode wordt ook gebruikt om bundels met verschillende brekingsindices, perioden, invalshoeken en dwarsdoorsnedevormen in diëlektrische metasurfaces te besturen.
Straalspreiding verminderen
Bij de ultrasoontechniek kun je de bundelspreiding kleiner maken door een transducer met een hoge frequentie te gebruiken of door de diameter van de transducer groter te maken.
Door een optisch gevangen microbolletje door een lichtstraal te bewegen, is het mogelijk om te regelen hoe een straal beweegt in een optofluidisch apparaat.
Deeltjesversnellers hebben veel manieren om bundelspreiding te regelen of te veranderen, zoals injectie- en extractiemethoden, bundelkoeling, spintransport, polarisatie, analyse van de eerste bocht, nadering van de beste melodie, compenseren van de somresonantie en emissie nabij koppelingsresonantie.
Er zijn ook de volgende manieren om de straal te verkleinen:
Een straalverbreder gebruiken: straalverbreders kunnen worden gebruikt om straaldivergentie te verminderen en ervoor te zorgen dat de straaldiameter een bepaalde limiet niet overschrijdt wanneer de uitgangsstraal ver weg is.
Door de bundel binnen het systeem groter te maken, groeit de ingangsdiameter, waardoor de divergentie kleiner wordt.
- Een collimator gebruiken: Een collimator kan worden gebruikt om de spreiding van de laserstraal te verminderen en deze meer gecollimeerd te maken.
- Een kleiner diafragma gebruiken: De grootte van het gat waar de laserstraal doorheen gaat, kan van invloed zijn op hoe ver de straal uit elkaar staat.
Meestal zorgt een kleiner diafragma ervoor dat de straal minder verspreid wordt.
- Een lens met een langere brandpuntsafstand gebruiken: Een lens met een langere brandpuntsafstand kan worden gebruikt om de laserstraal op een kleinere plek te focussen, waardoor de straalverspreiding kan worden verminderd.
Het is belangrijk om in gedachten te houden dat deze technieken kunnen helpen de bundelspreiding te verminderen, maar ze kunnen niet veel doen.
Sommige technieken kunnen ook andere optische aberraties veroorzaken, zoals sferische aberratie, die de kwaliteit van de bundel kan verminderen.
Het is belangrijk om goed na te denken over de behoeften van het systeem en de juiste manier te kiezen om bundelspreiding te verminderen.
Geluidsbundel verspreid in het verre veld
Er zijn verschillende dingen die van invloed zijn op hoe een geluidsbundel zich in het verre veld verspreidt.
Deze omvatten de grootte en vorm van de ultrasone bron, de frequentie van de straal, hoe de straal wordt gefocusseerd en de grootte of opening van de transducer.
Het verre veld
Het verre veld is het gebied waar de straaldiameter verder weg van de bron groeit dan één nabije zonelengte.
Transducerdiameter en frequentie van echografie
Hoeveel een geluidsbundel zich in het verre veld verspreidt, hangt af van de grootte van de transducer, de opening genaamd, en de frequentie van de geluidsgolven.
Kristallen met een grotere diameter die geluid met een hogere frequentie produceren, produceren bundels die minder divergeren in het verre veld.
Kristallen met een kleinere diameter en een lagere frequentie maken bundels die zeer verspreid zijn in het verre veld.
Grootte en vorm van echografiebron
De bundelbreedte, de lengte van de Fresnel-zone en de divergentiehoek buiten het nabije veld worden allemaal beïnvloed door de grootte van de ultrasone bron.
Voor een transducer waarin geen focussering wordt toegepast, wordt de lengte van de Fresnel-zone bepaald door de diameter van de transducer en de golflengte.
Straalfocussering
De manier waarop de straal wordt gefocust, verandert ook hoe deze eruitziet in het verre veld.
Door de bundel te focussen kan de bundel zich minder verspreiden in het verre veld.
Door een transducer te gebruiken die de straal niet focust, wordt de straal daarentegen meer verspreid.
Kortom, de diameter of opening van de transducer, de frequentie van het ultrasone geluid, de grootte en vorm van de ultrasone bron en de manier waarop de straal wordt gefocusseerd, hebben allemaal invloed op de mate waarin een geluidsstraal zich in zijn verre veld verspreidt.
Door deze factoren te kennen, kunnen ingenieurs en onderzoekers ultrasone systemen maken die het beste bij hun behoeften passen.
Golflengte, Nearfield, Beam Spread Berekeningen
Tip: Schakel de ondertitelingsknop in als je die nodig hebt. Kies "automatische vertaling" in de instellingenknop, als u de gesproken taal niet kent. Mogelijk moet u eerst op de taal van de video klikken voordat uw favoriete taal beschikbaar komt voor vertaling.
Conclusie
Nu we deze discussie over bundelspreiding beëindigen, is het de moeite waard om even stil te staan bij de diepgaande impact die dit concept heeft op de technische wereld.
Straalspreiding is een zeer belangrijk concept om te begrijpen als u verlichtingssystemen voor een stadion wilt ontwerpen, sonarbeeldvorming voor onderzeeërs wilt verbeteren of lasertechnologie voor medisch gebruik wilt maken.
Ingenieurs kunnen werk doen dat nauwkeuriger en efficiënter is dan ooit tevoren door de manier waarop golven zich gedragen terwijl ze door verschillende materialen bewegen, nauwkeurig te controleren en te veranderen.
Houd dus de volgende keer dat u aan een technisch project werkt de kracht van bundelspreiding in gedachten en hoe dit u kan helpen uw doelen te bereiken.
Met een beetje fantasie en creativiteit zijn er echt geen grenzen aan wat je kunt doen.
Delen op…
