Jeśli jesteś inżynierem lub studentem inżynierii, wiesz, czym są fale.
Fale są ważną częścią wielu technologii, z których korzystasz na co dzień, od sygnałów radiowych po obrazowanie ultradźwiękowe.
Ale czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, co robią te fale, gdy oddalają się od miejsca, w którym się rozpoczęły? W tym miejscu pojawia się pomysł rozproszenia wiązki.
Rozprzestrzenianie się wiązki to kąt, pod jakim wiązka elektromagnetyczna lub akustyczna oddala się od swojej osi środkowej, gdy przechodzi przez materiał.
Zrozumienie rozprzestrzeniania się wiązki jest ważne dla projektowania i najlepszego wykorzystania wielu systemów inżynierskich, takich jak oświetlenie, sonar i lasery.
W tym artykule opowiem o rozprzestrzenianiu się wiązki i dlaczego jest to ważne w dziedzinie inżynierii.
Wprowadzenie do rozprzestrzeniania się wiązki
Formalna definicja:
Kąt odchylenia od centralnej osi wiązki elektromagnetycznej lub akustycznej przechodzącej przez materiał.
Rozprzestrzenianie się wiązki to wielkość, o jaką wiązka elektromagnetyczna lub akustyczna oddala się od swojej osi środkowej, gdy przechodzi przez materiał.
Zwykle jest mierzony w stopniach i pokazuje, jak szeroka jest wiązka od źródła w określonej odległości.
W inżynierii rozproszenie wiązki jest ważną ideą, która pomaga dowiedzieć się, jak silne i w jakim kierunku jest światło, dźwięk i fale radiowe.
Rozprzestrzenianie się wiązki w oświetleniu
W oświetleniu rozproszenie wiązki jest sposobem na zmierzenie, jak daleko dociera światło od źródła z odbłyśnikiem, takim jak żarówka.
Mierzy szerokość wiązki, co jest ważne, jeśli chcesz zdecydować, ile światła ma świecić na przedmiot lub powierzchnię.
W zależności od tego, jak duże są, lampy reflektorowe mają wiązkę punktową lub szeroką wiązkę.
Szerokość wiązki jest tym, co odróżnia wiązkę punktową od wiązki powodziowej.
Użyj tego prostego wzoru, aby znaleźć szerokość wiązki światła z danej odległości: Rozprzestrzenianie się wiązki = Kąt wiązki x,018 x Odległość.
Na przykład, jeśli chcesz wiedzieć, jak daleko dotrze światło reflektora o kącie 120 stopni z odległości 15 stóp, możesz po prostu podstawić liczby do tego wzoru.
Oświetlenie punktowe i reflektory są często opisywane przez producentów w nieco inny sposób.
Wiedza o tym, jak działa rozproszenie wiązki, pomoże Ci wybrać odpowiednie oświetlenie zewnętrzne dla Twojego projektu.
W przypadku większych odległości najlepiej sprawdzi się węższa wiązka, która idzie dalej.
Jeśli chcesz użyć świateł o szerszej wiązce, aby stworzyć atmosferę, odległość między światłami powinna być równa lub większa niż średnica rozchodzenia się wiązki światła.
Rozprzestrzenianie się wiązki w falach akustycznych
Rozprzestrzenianie się wiązki może również zachodzić w przetwornikach ultradźwiękowych, gdzie jest mierzone jako kąt między głównym płatem wiązki dźwiękowej w polu dalekim a samym płatem głównym.
Rozbieżność wiązki to kolejny sposób mierzenia, ile energii dźwiękowej rozprzestrzenia się, gdy oddala się od źródła.
Wiele zależy od tego, jak często przetwornik jest używany i jak duży jest.
Aplet może być użyty do uzyskania przybliżonego oszacowania kąta rozbieżności wiązki, który jest połową kąta rozproszenia wiązki.
Odbywa się to poprzez uwzględnienie średnicy (D), częstotliwości (F) i prędkości dźwięku (V) w ośrodku ciekłym lub stałym.
Dlaczego rozprzestrzenianie się wiązki nie jest powodem do śmiechu w inżynierii
Nadal trudno to zrozumieć? Zmienię trochę punkt widzenia:
Kto i tak musi się martwić o brzydkie rzeczy, takie jak rozprzestrzenianie się wiązki? Po prostu pozwól falom świetlnym lub dźwiękowym latać chcąc nie chcąc i miej nadzieję na najlepsze! W końcu kto potrzebuje precyzji lub dokładności w zastosowaniach inżynierskich, prawda?
Oczywiście nie jest to wcale prawdą, o czym wie każdy inżynier lub student inżynierii.
Podczas projektowania i optymalizowania różnych technologii rozchodzenie się wiązki jest jedną z najważniejszych rzeczy, o których należy pomyśleć.
Ale czasami potrzebujemy odrobiny ironicznego humoru, aby zrozumieć, jak ważna jest koncepcja, taka jak rozproszenie wiązki.
Wróćmy teraz do wyjaśnienia.
Czynniki wpływające na rozprzestrzenianie się wiązki
Czynniki wpływające na sposób rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych i akustycznych zależą od rodzaju materiału, przez który przechodzą.
Wybierając głowicę do ultradźwięków, należy wziąć pod uwagę kąt wiązki.
Rozproszenie wiązki sprawia, że odbicia są cichsze, ponieważ energia dźwięku jest rozłożona na większym obszarze.
Częstotliwość i średnica przetwornika mają wiele wspólnego z szerokością wiązki.
Gdy używany jest przetwornik niskiej częstotliwości, rozpiętość wiązki jest szersza niż w przypadku przetwornika wysokiej częstotliwości.
Wraz ze wzrostem średnicy przetwornika rozpiętość wiązki będzie się zmniejszać.
Kiedy wiązki dźwiękowe się nie rozchodzą, szybkość, z jaką się rozprzestrzeniają, jest określona przez współczynnik dyfrakcji D, który jest związany z krzywizną powierzchni izoczęstotliwości.
Wybór przetwornika ma duży wpływ na czułość, rozdzielczość, penetrację i rozproszenie wiązki.
Zmiana częstotliwości roboczej lub kształtu fali ma niewielki wpływ.
Czynniki wpływające na rozprzestrzenianie się wiązki w falach świetlnych
Załamanie zachodzi, gdy fala świetlna przemieszcza się z jednego materiału do drugiego i zmienia prędkość oraz kierunek.
To, jak bardzo fala świetlna ugina się, zależy od kąta, pod jakim uderza w powierzchnię, oraz współczynników załamania światła obu materiałów.
Współczynnik załamania światła pokazuje, jak bardzo materiał spowalnia światło w porównaniu z próżnią.
Kiedy światło przechodzi przez pryzmat, załamuje się dwukrotnie: raz, gdy wchodzi i ponownie, gdy wychodzi.
To, jak bardzo światło się ugina, zależy od jego długości fali, więc różne kolory wyginają się pod różnymi kątami.
Nazywa się to dyspersją.
Kiedy światło przechodzi przez kawałek szkła, część odbija się od powierzchni, a część przechodzi prosto.
Ilość odbitego światła zależy od kąta padania światła na powierzchnię oraz od tego, jak powietrze i szkło załamują światło.
Współczynnik załamania szkła jest wyższy niż powietrza, więc kiedy światło przechodzi z powietrza do szkła, zwalnia i zagina się w kierunku normalnej (wyimaginowanej linii prostopadłej do powierzchni).
Kiedy światło przechodzi ze szkła do powietrza, przyspiesza i odchyla się od normy.
Krótko mówiąc, właściwości ośrodka, przez który przechodzi fala, a także częstotliwość i rozmiar przetwornika są głównymi czynnikami wpływającymi na rozprzestrzenianie się fal elektromagnetycznych i akustycznych.
Refrakcja zmienia prędkość i kierunek fal świetlnych, gdy przechodzą one przez różne materiały.
Wpływa to na to, jak daleko od siebie znajdują się fale świetlne.
Wiedza o tym, co wpływa na rozchodzenie się wiązki, jest ważna przy wyborze odpowiedniego sprzętu i uzyskiwaniu pożądanych rezultatów w różnych zastosowaniach inżynierskich.
Zastosowania rozprzestrzeniania się wiązki
Rozproszenie wiązki jest ważną częścią wielu zastosowań inżynieryjnych, takich jak oświetlenie, systemy sonarowe, technologie wykrywania podwodnego i wiele innych.
Ważne jest, aby wiedzieć, jak rozprzestrzenianie się wiązki wpływa na te technologie, aby móc wybrać odpowiedni sprzęt i uzyskać pożądane rezultaty.
Rozprzestrzenianie się wiązki w oświetleniu
W oświetleniu kąt, pod jakim światło wychodzi z oprawy, nazywany jest rozproszeniem wiązki.
Większy obszar jest oświetlany przy mniejszym natężeniu światła, jeśli wiązka jest szersza.
Z drugiej strony węższy rozsył wiązki daje więcej światła na mniejszym obszarze.
W przypadku wielowiązkowych głowic gąsienicowych kąt wiązki można zmieniać na miejscu, przesuwając soczewkę.
Wiązki rozproszone można wykorzystać do oświetlenia dużego obszaru, a rozproszone wiązki punktowe można wykorzystać do podświetlenia niektórych części pomieszczenia.
Różne rodzaje świateł mają różne wzorce rozprzestrzeniania się światła, które powstają z różnych powodów.
Światła z rozproszoną wiązką mają szerszy wzór wiązki niż reflektory punktowe, które wytwarzają bardziej skupioną wiązkę światła, która może przemieszczać się dalej przed pojazdem.
Światła przeciwmgielne mogą świecić przez warstwy mgły, deszczu, śniegu lub kurzu na drodze, ponieważ mają szeroki zasięg poziomy, ale wąskie pionowe odcięcie.
System klasyfikacji rozproszenia wiązki NEMA
National Electrical Manufacturers Association (NEMA) wymyśliło sposób klasyfikacji sposobu rozprzestrzeniania się światła.
Ten system nazywa się rozproszeniem wiązki NEMA.
Odnosi się do dwóch krawędzi, na których natężenie światła rozchodzi się poziomo i pionowo do 10% maksymalnego natężenia wiązki i koreluje z tym, czy strumień świetlny jest bardzo wąski, bardzo szeroki, czy gdzieś pomiędzy.
Kąty rozchodzenia się wiązki poziomej i pionowej służą do rozróżnienia typów NEMA.
Znormalizowany system klasyfikacji kątów wiązki NEMA zapewnia każdemu w branży spójny sposób ustalenia, w jaki sposób oprawy rozpraszają światło.
Sześć typów nazwanych przez NEMA jest używanych do różnych celów.
Możesz uzyskać odpowiedni rozsył światła dla swojego projektu, używając opraw z odpowiednią klasyfikacją NEMA.
Rozprzestrzenianie się wiązki w systemach sonarowych
W systemach sonarowych rozprzestrzenianie się wiązki odnosi się do obszaru pokrycia fal dźwiękowych emitowanych przez przetwornik.
Sonar wielowiązkowy wysyła jednocześnie wiele wiązek sonaru w kształcie wachlarza, który patrzy pod statek i na każdą burtę.
W porównaniu z sonarem jednowiązkowym umożliwia to szybsze i dokładniejsze skanowanie większego obszaru dna morskiego.
Różne częstotliwości ujawniają różne poziomy szczegółowości danych sonaru.
Impulsy o wysokiej częstotliwości pokazują wiele szczegółów, ale nie mogą wejść głęboko w wodę.
Z drugiej strony impulsy o niskiej częstotliwości wnikają głębiej w wodę, ale pokazują mniej szczegółów.
Rozprzestrzenianie się wiązki w technologiach wykrywania podwodnego
Rozprzestrzenianie się wiązki wpływa również na technologie wykrywania podwodnego, takie jak komunikacja w świetle widzialnym (UVLC).
UVLC wykorzystuje zakres częstotliwości od 450 do 550 nm, ponieważ sygnały o częstotliwości radiowej znacznie szybciej tracą swoją siłę w wodzie morskiej.
Dzięki temu ludzie mogą rozmawiać pod wodą, mimo że woda morska nie zawsze ma tę samą temperaturę, a kadłub porusza się, gdy uderzają w niego fale.
Krótko mówiąc, rozchodzenie się wiązki jest ważną rzeczą do rozważenia w wielu zastosowaniach inżynieryjnych, takich jak oświetlenie, systemy sonarowe i technologie wykrywania tego, co dzieje się pod wodą.
Ważne jest, aby wiedzieć, jak rozprzestrzenianie się wiązki wpływa na te technologie, aby móc wybrać odpowiedni sprzęt i uzyskać pożądane rezultaty.
Jakich metod można użyć do kontrolowania lub zmiany rozchodzenia się wiązki w różnych sytuacjach?
Kształtowanie i sterowanie wiązką
Kształtowanie i sterowanie wiązką to ważna technika stosowana w wielu nowoczesnych urządzeniach, takich jak obiektywy do aparatów fotograficznych i pęsety optyczne.
W tej metodzie wiązka jest zmieniana na różne sposoby, aby uzyskać pożądany rozrzut.
Jednym z popularnych sposobów zmiany kształtu wiązki jest użycie dyfrakcyjnych elementów optycznych (DOE).
DOE mogą zmieniać sposób rozprzestrzeniania się wiązki pod względem fazy i amplitudy, aby uzyskać potrzebne rozproszenie wiązki.
Ponadto holograficzne pęsety optyczne wykorzystują hologramy wykonane przez komputer do kształtowania i kierowania wiązek światła w celu tworzenia pułapek w przestrzeni 3D.
Metapowierzchnie dielektryczne
Metapowierzchnie dielektryczne to cienkie, stworzone przez człowieka warstwy struktur mniejszych niż długość fali, które mogą zmieniać sposób zachowania światła w oparciu o jego współczynnik załamania, okres, kąt padania i kształt przekroju poprzecznego.
Mogą zmieniać siłę, fazę i polaryzację wiązki, co pozwala im tworzyć złożone wzory wiązki.
Soczewki, reflektory i siatki dyfrakcyjne
W niektórych sytuacjach soczewki, odbłyśniki lub siatki dyfrakcyjne mogą być użyte do kontrolowania zasięgu wiązki.
Soczewki mogą zmieniać kształt wiązki, aby była węższa lub szersza, a reflektory mogą obracać wiązkę w określonym kierunku.
Siatki dyfrakcyjne mogą podzielić wiązkę na więcej niż jedną wiązkę lub wygiąć ją w określony wzór.
Przysłona lub tęczówka
Zmieniając rozmiar otworu, można użyć apertury lub tęczówki do zmiany rozmiaru wiązki.
W fotografii metoda ta jest często wykorzystywana do kontrolowania ilości światła wpadającego do aparatu i uzyskania odpowiedniej głębi ostrości.
Przesuwanie przedmiotu obrabianego lub lasera
Na przykład podczas używania lasera do cięcia lub spawania wiązkę można zmienić, przesuwając przedmiot obrabiany lub laser.
Ta metoda służy do wykonywania bardzo precyzyjnych cięć lub spawów oraz do kontrolowania, jak daleko rozchodzi się wiązka.
Akceleratory cząstek
Akceleratory cząstek mogą kontrolować lub zmieniać rozprzestrzenianie się wiązki na wiele sposobów.
Obejmują one metody wstrzykiwania i ekstrakcji, chłodzenie wiązki, transport spinu, polaryzację, analizę pierwszego obrotu, podejście do najbliższego strojenia, kompensację rezonansu sumy i emitancję w pobliżu rezonansu sprzężenia.
Metody te służą do upewnienia się, że wiązka jest stabilna, dobrze skupiona i we właściwym miejscu.
Podsumowując, istnieje wiele sposobów kontrolowania lub zmiany sposobu rozprzestrzeniania się wiązki, a najlepszy sposób na to zależy od zastosowania i potrzeb.
Ważne jest, aby wybrać odpowiednią technikę, aby uzyskać żądany zasięg wiązki i upewnić się, że aplikacja działa.
Techniki kontrolowania i manipulowania rozprzestrzenianiem się wiązki
Rozprzestrzenianie się wiązki jest kluczowym czynnikiem w wielu zastosowaniach inżynierskich, w tym w oświetleniu, systemach sonarowych i akceleratorach cząstek.
Różne zastosowania wymagają różnych sposobów kontrolowania lub zmiany rozmieszczenia wiązki.
Obliczanie rozproszenia wiązki
Możesz łatwo określić właściwy rozsył wiązki dla swojego projektu oświetleniowego, mnożąc kąt wiązki przez stałą wartość 0,018, a następnie przez odległość.
Na przykład, jeśli chcesz obliczyć obszar pokrycia (rozmiar plamki) wiązki 10°, która jest zamontowana 25 stóp nad pokładem (odległość rzutu), możesz użyć następującego wzoru: 10° x 0,018 x 25 stóp = 4,5 stopa
W zależności od tego, jak duże są, lampy reflektorowe mogą mieć wiązkę punktową lub wiązkę strumieniową.
Posiadanie obu typów daje więcej sposobów na oświetlenie Twojej nieruchomości.
Wybierając żarówkę do swojej przestrzeni, zastanów się, jaki klimat chcesz stworzyć.
Oświetlenie punktowe to zazwyczaj żarówki o wąskim kącie wiązki, np. 12°.
Światła typu „flood” lub „wash” to żarówki o szerszym promieniu, na przykład 60°.
Kształtowanie i sterowanie wiązką
Kształtowanie i sterowanie wiązką jest kluczowym elementem wielu nowoczesnych technologii, takich jak pinceta optyczna i obiektywy do aparatów.
Elementy optyczne, takie jak soczewki, lustra i siatki, służą do zmiany kształtu wiązki i kierowania jej w określonym kierunku lub skupiania jej na celu.
Metodę tę stosuje się również do kontrolowania wiązek o różnych współczynnikach załamania światła, okresach, kątach padania i kształtach przekroju poprzecznego w metapowierzchniach dielektrycznych.
Zmniejszenie rozproszenia wiązki
W technice ultradźwiękowej można zmniejszyć rozrzut wiązki stosując głowicę o wysokiej częstotliwości lub zwiększając średnicę głowicy.
Przesuwając optycznie uwięzioną mikrosferę przez wiązkę światła, można kontrolować sposób poruszania się wiązki w urządzeniu optofluidycznym.
Akceleratory cząstek mają wiele sposobów kontrolowania lub zmiany rozprzestrzeniania się wiązki, takich jak metody wstrzykiwania i ekstrakcji, chłodzenie wiązki, transport spinu, polaryzacja, analiza pierwszego obrotu, podejście do najbliższego strojenia, kompensacja rezonansu sumy i emitancja w pobliżu rezonansu sprzężenia.
Istnieją również następujące sposoby zawężenia wiązki:
Korzystanie z ekspandera wiązki: Ekspandery wiązki mogą być używane do zmniejszania rozbieżności wiązki i upewnienia się, że średnica wiązki nie przekracza określonego limitu, gdy wiązka wyjściowa jest daleko.
Zwiększając wiązkę wewnątrz układu, zwiększa się średnica wejściowa, co powoduje zmniejszenie rozbieżności.
- Korzystanie z kolimatora: Kolimatora można użyć do zmniejszenia rozprzestrzeniania się wiązki laserowej i zwiększenia jej skolimacji.
- Używanie mniejszej apertury: Rozmiar otworu, przez który przechodzi wiązka lasera, może wpływać na odległość między wiązką.
W większości przypadków mniejsza apertura spowoduje mniejsze rozproszenie wiązki.
- Używanie obiektywu o dłuższej ogniskowej: Obiektyw o dłuższej ogniskowej może być użyty do skupienia wiązki laserowej na mniejszym miejscu, co może zmniejszyć rozproszenie wiązki.
Należy pamiętać, że techniki te mogą pomóc w ograniczeniu rozprzestrzeniania się wiązki, ale mogą zdziałać tylko w ograniczonym zakresie.
Ponadto niektóre techniki mogą powodować inne aberracje optyczne, takie jak aberracja sferyczna, które mogą obniżyć jakość wiązki.
Ważne jest, aby dokładnie przemyśleć potrzeby systemu i wybrać odpowiedni sposób na zmniejszenie rozproszenia wiązki.
Rozprzestrzenianie się wiązki dźwięku w dalekim polu
Kilka rzeczy wpływa na to, jak wiązka dźwięku rozprzestrzenia się w dalekim polu.
Obejmują one rozmiar i kształt źródła ultradźwięków, częstotliwość wiązki, sposób skupienia wiązki oraz rozmiar lub aperturę przetwornika.
Dalekie Pole
Pole dalekie to obszar, w którym średnica wiązki rośnie dalej od źródła niż długość strefy bliskiej.
Średnica przetwornika i częstotliwość ultradźwięków
To, jak bardzo wiązka dźwiękowa rozprzestrzenia się w polu dalekim, zależy od wielkości przetwornika, zwanego aperturą, oraz od częstotliwości fal dźwiękowych.
Kryształy o większej średnicy wytwarzające dźwięk o wyższej częstotliwości wytwarzają wiązki, które mniej się rozchodzą w dalekim polu.
Kryształy o mniejszej średnicy i niższej częstotliwości tworzą wiązki, które są bardzo rozproszone w dalekim polu.
Rozmiar i kształt źródła ultradźwięków
Szerokość wiązki, długość strefy Fresnela i kąt rozbieżności poza polem bliskim zależą od wielkości źródła ultradźwięków.
W przypadku przetwornika, w którym nie zastosowano ogniskowania, długość strefy Fresnela jest określona przez średnicę przetwornika i długość fali.
Skupianie wiązki
Sposób, w jaki wiązka jest skupiona, zmienia również jej wygląd w dalekim polu.
Skupienie wiązki może sprawić, że wiązka będzie się mniej rozprzestrzeniać w dalekim polu.
Z drugiej strony użycie przetwornika, który nie ogniskuje wiązki, powoduje większe rozproszenie wiązki.
Krótko mówiąc, średnica lub apertura przetwornika, częstotliwość ultradźwięków, rozmiar i kształt źródła ultradźwięków oraz sposób skupienia wiązki wpływają na to, jak bardzo wiązka dźwięku rozprzestrzenia się w swoim dalekim polu.
Wiedząc o tych czynnikach, inżynierowie i badacze mogą tworzyć systemy ultradźwiękowe, które najlepiej odpowiadają ich potrzebom.
Obliczenia długości fali, bliskiego pola, rozprzestrzeniania się wiązki
Wskazówka: włącz przycisk napisów, jeśli go potrzebujesz. Wybierz „automatyczne tłumaczenie” w przycisku ustawień, jeśli nie znasz języka mówionego. Może być konieczne kliknięcie najpierw języka filmu, zanim Twój ulubiony język będzie dostępny do tłumaczenia.
Wniosek
Kończąc tę dyskusję na temat rozprzestrzeniania się wiązki, warto poświęcić chwilę na rozważenie głębokiego wpływu, jaki ta koncepcja ma na świat inżynierii.
Rozproszenie wiązki to bardzo ważna koncepcja, którą należy zrozumieć, jeśli chcesz zaprojektować systemy oświetlenia stadionu, udoskonalić obrazowanie sonaru dla łodzi podwodnych lub opracować technologię laserową do zastosowań medycznych.
Inżynierowie mogą wykonywać pracę bardziej precyzyjnie i wydajnie niż kiedykolwiek wcześniej, dokładnie kontrolując i zmieniając sposób, w jaki fale poruszają się w różnych materiałach.
Tak więc następnym razem, gdy będziesz pracować nad projektem inżynierskim, pamiętaj o sile rozprzestrzeniania się wiązki i o tym, jak może ona pomóc w osiągnięciu twoich celów.
Przy odrobinie wyobraźni i kreatywności naprawdę nie ma ograniczeń co do tego, co możesz zrobić.
Podziel się na…
