Hvis du er ingeniør eller ingeniørstudent, vet du hva bølger er.
Bølger er en viktig del av mange av teknologiene du bruker hver dag, fra radiosignaler til ultralyd.
Men har du noen gang tenkt på hva disse bølgene gjør når de beveger seg bort fra der de starter? Det er her ideen om strålespredning kommer inn.
Strålespredning er vinkelen som en elektromagnetisk eller akustisk stråle beveger seg bort fra sin senterakse når den beveger seg gjennom et materiale.
Å forstå strålespredning er viktig for å designe og utnytte mange tekniske systemer på best mulig måte, som belysning, ekkolodd og lasere.
Så jeg vil snakke om strålespredning og hvorfor det er viktig innen ingeniørfag i denne artikkelen.
Introduksjon til strålespredning
Formell definisjon:
Vinkelen for divergens fra sentralaksen til en elektromagnetisk eller akustisk stråle når den beveger seg gjennom et materiale.
Strålespredning er mengden som en elektromagnetisk eller akustisk stråle beveger seg bort fra sin senterakse når den beveger seg gjennom et materiale.
Den måles vanligvis i grader og viser hvor bred strålen er fra kilden i en viss avstand.
I ingeniørfag er strålespredning en viktig idé som hjelper til med å finne ut hvor sterk og i hvilken retning lys, lyd og radiobølger er.
Strålespredning i belysning
I belysning er strålespredning en måte å måle hvor langt lys fra en kilde med en reflektor, som en lyspære, går.
Den måler hvor bred strålen er, noe som er viktig å vite hvis du vil bestemme hvor mye lys som skal skinne på en gjenstand eller overflate.
Avhengig av hvor store de er, har reflektorlamper enten en punktstråle eller en bred stråle.
Bredden på strålen er det som gjør en punktstråle forskjellig fra en flomstråle.
Bruk denne enkle formelen for å finne bredden på en lysstråle fra en gitt avstand: Strålespredning = Strålevinkel x.018 x Avstand.
For eksempel, hvis du vil vite hvor langt en 120-graders flomlys vil nå fra 15 fot unna, kan du bare koble tallene inn i denne formelen.
Spotlys og flomlys beskrives ofte av produsenter på litt forskjellige måter.
Å vite hvordan strålespredning fungerer vil hjelpe deg å velge riktig utendørslys for prosjektet ditt.
For lengre avstander vil en smalere stråle som går lenger fungere best.
Hvis du ønsker å bruke bredere lys for å skape en atmosfære, bør avstanden mellom lysene være lik eller større enn diameteren på lysets spredning.
Strålespredning i akustiske bølger
Strålespredning kan også skje i ultralydtransdusere, der det måles som vinkelen mellom hovedloben til lydstrålen i det fjerne feltet og selve hovedloben.
Stråledivergensen er en annen måte å måle hvor mye lydenergi som sprer seg når den beveger seg bort fra kilden.
Det avhenger mye av hvor ofte svingeren brukes og hvor stor den er.
En applet kan brukes til å få et grovt estimat av stråledivergensvinkelen, som er halvparten av strålespredningsvinkelen.
Dette gjøres ved å ta hensyn til diameter (D), frekvens (F) og lydhastighet (V) i et flytende eller fast medium.
Hvorfor strålespredning er ingen latterlig sak i engineering
Fortsatt vanskelig å forstå? La meg endre synspunktet litt:
Hvem trenger å bekymre seg for irriterende ting som strålespredning uansett? Bare la lys- eller lydbølgene fly fritt og håp på det beste! Tross alt, hvem trenger presisjon eller nøyaktighet i tekniske applikasjoner, ikke sant?
Dette er selvfølgelig ikke sant i det hele tatt, som enhver ingeniør eller ingeniørstudent vet.
Når du designer og optimerer ulike teknologier, er strålespredning en av de viktigste tingene å tenke på.
Men noen ganger trenger vi litt ironisk humor for å forstå hvor viktig et konsept som strålespredning er.
La oss nå gå tilbake til forklaringen.
Faktorer som påvirker strålespredning
Tingene som påvirker måten elektromagnetiske og akustiske bølger sprer seg på avhenger av typen materiale de reiser gjennom.
Når du velger en transduser for ultralyd, er strålevinkel en viktig ting å tenke på.
Strålespredning gjør refleksjoner mindre høye fordi lydenergi spres over et større område.
Frekvensen og diameteren på svingeren har mye å gjøre med hvor bred strålen er.
Når en lavfrekvent transduser brukes, er strålespredningen bredere enn når en høyfrekvent transduser brukes.
Når transduserens diameter vokser, vil strålespredningen krympe.
Når lydstråler ikke sprer seg, bestemmes hastigheten de sprer seg med av diffraksjonskoeffisienten D, som er relatert til krumningen til isofrekvensoverflaten.
Valget av svinger har stor effekt på følsomhet, oppløsning, penetrasjon og strålespredning.
Endring av driftsfrekvens eller bølgeform har en liten effekt.
Faktorer som påvirker strålespredning i lysbølger
Refraksjon er det som skjer når en lysbølge beveger seg fra et materiale til et annet og endrer hastighet og retning.
Hvor mye lysbølgen bøyer seg avhenger av vinkelen den treffer overflaten og brytningsindeksene til de to materialene.
Brytningsindeksen viser hvor mye et materiale bremser lyset sammenlignet med et vakuum.
Når lys går gjennom et prisme, bøyes det to ganger: én gang når det går inn og igjen når det kommer ut.
Hvor mye lys som bøyer seg avhenger av bølgelengden, så forskjellige farger bøyer seg i forskjellige vinkler.
Dette kalles spredning.
Når lys går gjennom et stykke glass, spretter noe av det fra overflaten og noe av det går rett gjennom.
Hvor mye lys som reflekteres avhenger av vinkelen det treffer overflaten i og av hvordan luft og glass bøyer lys.
Brytningsindeksen til glass er høyere enn for luft, så når lys går fra luft til glass, bremser det ned og bøyer seg mot normalen (en tenkt linje vinkelrett på overflaten).
Når lys går fra glass til luft, går det fart og bøyer seg bort fra det normale.
Kort fortalt er egenskapene til mediet bølgen går gjennom, samt frekvensen og størrelsen på svingeren, de viktigste tingene som påvirker spredningen av elektromagnetiske og akustiske bølger.
Refraksjon endrer hastigheten og retningen til lysbølger når de passerer gjennom forskjellige materialer.
Dette påvirker hvor langt fra hverandre lysbølgene er.
Å vite hva som påvirker strålespredning er viktig for å velge riktig utstyr og få de resultatene du ønsker i ulike ingeniørapplikasjoner.
Bruk av strålespredning
Strålespredning er en viktig del av mange ingeniørapplikasjoner, for eksempel belysning, ekkoloddsystemer, undervannssensorteknologier og mer.
Det er viktig å vite hvordan strålespredning påvirker disse teknologiene slik at du kan velge riktig utstyr og få de resultatene du ønsker.
Strålespredning i belysning
I belysning kalles vinkelen som lyset kommer ut av en armatur med strålespredningen.
Mer område lyses opp med mindre lysintensitet hvis strålen er bredere.
På den annen side gir en strålespredning som er smalere mer lys i et mindre område.
Med flerstrålesprede sporhoder kan strålevinkelen endres på stedet ved å flytte linsen.
Flomstrålespredning kan brukes til å lyse opp et stort område, mens spotstrålespredning kan brukes til å fremheve visse deler av et rom.
Ulike typer lys har forskjellige mønstre for hvordan lyset sprer seg, som er laget av forskjellige grunner.
Spredt strålelys har et bredere strålemønster enn spotlights, som produserer en mer fokusert lysstråle som kan bevege seg lenger foran kjøretøyet.
Tåkelys kan skinne gjennom lag med tåke, regn, snø eller støv på veien fordi de har en bred horisontal spredning, men en smal vertikal avskjæring.
NEMA Beam Spread Classification System
National Electrical Manufacturers Association (NEMA) kom opp med en måte å klassifisere hvordan lys spres.
Dette systemet kalles NEMA-strålespredningen.
Det refererer til de to kantene hvor lysintensiteten sprer seg horisontalt og vertikalt til 10 % av maksimal stråleintensitet og korrelerer med om lysutgangen er veldig smal, veldig bred eller et sted i mellom.
Vinkler med horisontal og vertikal strålespredning brukes til å fortelle forskjellen mellom NEMA-typer.
Det standardiserte NEMA strålevinkelklassifiseringssystemet gir alle i bransjen en konsekvent måte å finne ut hvordan armaturer sprer lys.
De seks typene navngitt av NEMA brukes til forskjellige ting.
Du kan få riktig lysfordeling for ditt prosjekt ved å bruke armaturer med riktig NEMA-klassifisering.
Strålespredning i ekkoloddsystemer
I ekkoloddsystemer refererer strålespredning til dekningsområdet til lydbølger som sendes ut av en svinger.
Multistråle ekkolodd sender ut flere ekkoloddstråler samtidig i et vifteformet mønster som ser under skipet og til hver side.
Sammenlignet med enkeltstråleekkolodd gjør dette det mulig å skanne et større område av havbunnen raskere og med mer nøyaktighet.
Ulike frekvenser avslører ulike detaljnivåer i ekkolodddata.
Høyfrekvente pulser viser mange detaljer, men kan ikke gå dypt ned i vannet.
Lavfrekvente pulser går derimot dypere ned i vannet, men viser mindre detaljer.
Strålespredning i undervannssensorteknologier
Strålespredning påvirker også teknologier for undervannsregistrering, for eksempel kommunikasjon med synlig lys (UVLC).
UVLC bruker et frekvensområde mellom 450 og 550 nm fordi radiofrekvente signaler mister sin styrke mye raskere i sjøvann.
Dette gjør det mulig for folk å snakke under vann, selv om sjøvann ikke alltid har samme temperatur og skroget beveger seg når bølgene treffer det.
Kort sagt er strålespredning en viktig ting å tenke på i mange ingeniørapplikasjoner, som belysning, ekkoloddsystemer og teknologier for å registrere hva som skjer under vann.
Det er viktig å vite hvordan strålespredning påvirker disse teknologiene slik at du kan velge riktig utstyr og få de resultatene du ønsker.
Hvilke metoder kan brukes for å kontrollere eller endre spredningen av en stråle i ulike situasjoner?
Stråleforming og styring
Stråleforming og styring er en viktig teknikk som brukes i mange moderne enheter, som kameralinser og optiske pinsett.
I denne metoden endres strålen på ulike måter for å få den spredningen som ønskes.
En populær måte å endre formen på strålen på er å bruke diffraktive optiske elementer (DOEs).
DOE-ene kan endre hvordan strålen er spredt ut i form av fase og amplitude for å få den strålespredningen som er nødvendig.
Også holografiske optiske pinsett bruker hologrammer laget av en datamaskin for å forme og rette lysstråler for å lage feller i 3D-rom.
Dielektriske metaflater
Dielektriske metaoverflater er tynne, menneskeskapte lag av strukturer mindre enn en bølgelengde som kan endre måten lys oppfører seg på basert på brytningsindeks, periode, innfallsvinkel og tverrsnittsform.
De kan endre strålens styrke, fase og polarisering, noe som lar dem lage komplekse strålemønstre.
Linser, reflektorer og diffraksjonsgitter
I noen situasjoner kan linser, reflektorer eller diffraksjonsgitter brukes til å kontrollere hvor langt en stråle sprer seg.
Linser kan endre formen på strålen for å gjøre den smalere eller bredere, og reflektorer kan snu strålen i en bestemt retning.
Diffraksjonsgitter kan dele strålen i mer enn én stråle eller bøye den inn i et bestemt mønster.
Blenderåpning eller iris
Ved å endre størrelsen på åpningen kan en blender eller iris brukes til å endre størrelsen på strålen.
I fotografering brukes denne metoden ofte for å kontrollere hvor mye lys som kommer inn i kameraet og for å få riktig dybdeskarphet.
Flytte arbeidsstykket eller laseren
Ved bruk av laser til å skjære eller sveise, for eksempel, kan strålen endres ved å flytte arbeidsstykket eller laseren.
Denne metoden brukes til å lage kutt eller sveiser som er svært presise og for å kontrollere hvor langt strålen sprer seg.
Partikkelakseleratorer
Partikkelakseleratorer kan kontrollere eller endre strålespredning på en rekke måter.
Disse inkluderer injeksjons- og ekstraksjonsmetoder, strålekjøling, spinntransport, polarisering, første svinganalyse, nærmeste tune-tilnærming, kompensering av sumresonansen og emittans nær koblingsresonans.
Disse metodene brukes for å sikre at strålen er stødig, godt fokusert og på rett plass.
Avslutningsvis er det mange måter å kontrollere eller endre måten en stråle sprer seg på, og den beste måten å gjøre det på avhenger av applikasjonen og behovene.
Det er viktig å velge riktig teknikk for å få den strålespredningen du ønsker og sørge for at applikasjonen fungerer.
Teknikker for å kontrollere og manipulere strålespredning
Strålespredning er en kritisk faktor i mange ingeniørapplikasjoner, inkludert belysning, ekkoloddsystemer og partikkelakseleratorer.
Ulike bruksområder krever forskjellige måter å kontrollere eller endre strålespredning på.
Beregning av strålespredning
Du kan enkelt finne ut riktig strålespredning for lysdesignet ditt ved å multiplisere vinkelen på strålen med en konstant verdi på 0,018 og deretter med avstanden.
For eksempel, hvis du vil finne ut dekningsområdet (punktstørrelse) til en 10° bjelke som er montert 25 fot over dekket (kasteavstanden), kan du bruke denne formelen: 10° x 0,018 x 25 fot = 4,5 ft.
Avhengig av hvor store de er, kan reflektorlamper enten ha en punktstråle eller en flomstråle.
Å ha begge typer gir deg flere måter å belyse eiendommen din på.
Når du velger en pære for rommet ditt, tenk på hva slags atmosfære du vil skape.
Spotlys er vanligvis pærer med en smal stråle, som 12°.
Flom- eller vaskelys er pærer med en bredere stråle, som 60° eller så.
Stråleforming og styring
Stråleforming og styring er en sentral del av mange moderne teknologier, som optiske pinsett og kameralinser.
Optiske elementer som linser, speil og gitter brukes til å endre formen på strålen og rette den i en bestemt retning eller fokusere den på et mål.
Denne metoden brukes også til å kontrollere stråler med forskjellige brytningsindekser, perioder, innfallsvinkler og tverrsnittsformer i dielektriske metaoverflater.
Redusere strålespredning
I ultralydteknologi kan du gjøre strålespredningen mindre ved å bruke en transduser med høy frekvens eller ved å gjøre diameteren på svingeren større.
Ved å flytte en optisk fanget mikrokule gjennom en lysstråle, er det mulig å kontrollere hvordan en stråle beveger seg i en optofluidisk enhet.
Partikkelakseleratorer har mange måter å kontrollere eller endre strålespredning på, for eksempel injeksjons- og ekstraksjonsmetoder, strålekjøling, spinntransport, polarisering, første svinganalyse, nærmeste tune-tilnærming, kompensering av sumresonansen og emittans nær koblingsresonans.
Det er også følgende måter å begrense strålen på:
Bruke en stråleutvider: Stråleutvidere kan brukes til å redusere stråledivergens og sørge for at strålediameteren ikke går over en viss grense når utgangsstrålen er langt unna.
Ved å gjøre strålen større inne i systemet, vokser inngangsdiameteren, noe som gjør divergensen mindre.
- Bruke en kollimator: En kollimator kan brukes til å redusere spredningen av laserstrålen og gjøre den mer kollimert.
- Bruke en mindre blenderåpning: Størrelsen på hullet som laserstrålen går gjennom kan påvirke hvor langt fra hverandre strålen er.
Mesteparten av tiden vil en mindre blenderåpning gjøre at strålen spres mindre.
- Bruke en linse med lengre brennvidde: En linse med lengre brennvidde kan brukes til å fokusere laserstrålen til et mindre punkt, noe som kan redusere strålespredningen.
Det er viktig å huske på at disse teknikkene kan bidra til å redusere strålespredningen, men de kan bare gjøre så mye.
Noen teknikker kan også forårsake andre optiske aberrasjoner, som sfærisk aberrasjon, som kan redusere kvaliteten på strålen.
Det er viktig å tenke nøye gjennom systemets behov og velge riktig måte å redusere strålespredningen på.
Lydstråle spredt i det fjerne feltet
Flere ting påvirker hvordan en lydstråle spres i det fjerne feltet.
Disse inkluderer størrelsen og formen på ultralydkilden, frekvensen til strålen, hvordan strålen er fokusert, og størrelsen eller blenderåpningen til transduseren.
Det fjerne feltet
Fjernfeltet er området der strålediameteren vokser lenger bort fra kilden enn én nærsonelengde.
Transduserdiameter og ultralydfrekvens
Hvor mye en lydstråle sprer seg i det fjerne feltet avhenger av størrelsen på svingeren, kalt blenderåpningen, og frekvensen til lydbølgene.
Krystaller med større diameter som produserer lyd med høyere frekvens produserer stråler som divergerer mindre i det fjerne feltet.
Krystaller med mindre diameter og lavere frekvens lager stråler som er svært spredt i det fjerne feltet.
Størrelse og form på ultralydkilden
Strålebredden, lengden på Fresnel-sonen og divergensvinkelen utenfor nærfeltet påvirkes alle av størrelsen på ultralydkilden.
For en transduser der det ikke er fokusert, bestemmes lengden på Fresnel-sonen av transduserens diameter og bølgelengden.
Strålefokusering
Måten strålen er fokusert på endrer også hvordan den ser ut i det fjerne feltet.
Fokusering av strålen kan gjøre at strålen spres mindre i det fjerne feltet.
Å bruke en svinger som ikke fokuserer strålen, derimot, gjør at strålen spres mer.
Kort sagt, diameteren eller blenderåpningen til transduseren, frekvensen til ultralyden, størrelsen og formen på ultralydkilden, og måten strålen er fokusert på, påvirker alt hvor mye en lydstråle sprer seg i det fjerne feltet.
Ved å vite om disse faktorene kan ingeniører og forskere lage ultralydsystemer som fungerer best for deres behov.
Bølgelengde, nærfelt, strålespredningsberegninger
Tips: Slå på bildetekstknappen hvis du trenger det. Velg "automatisk oversettelse" i innstillingsknappen hvis du ikke er kjent med talespråket. Du må kanskje klikke på språket til videoen først før favorittspråket ditt blir tilgjengelig for oversettelse.
Konklusjon
Når vi avslutter denne diskusjonen om strålespredning, er det verdt å ta et øyeblikk for å vurdere den dype innvirkningen dette konseptet har på ingeniørverdenen.
Strålespredning er et veldig viktig konsept å forstå hvis du ønsker å designe lyssystemer for et stadion, forbedre sonaravbildning for ubåter eller lage laserteknologi for medisinsk bruk.
Ingeniører kan utføre arbeid som er mer presist og effektivt enn noen gang før ved å nøye kontrollere og endre måten bølger oppfører seg når de beveger seg gjennom forskjellige materialer.
Så, neste gang du jobber med et ingeniørprosjekt, husk kraften til strålespredning og hvordan det kan hjelpe deg med å nå dine mål.
Med litt fantasi og kreativitet er det egentlig ingen grenser for hva du kan gjøre.
Dele på…
