Se você é engenheiro ou estudante de engenharia, sabe o que são ondas.
As ondas são uma parte importante de muitas das tecnologias que você usa todos os dias, desde sinais de rádio até imagens de ultrassom.
Mas você já pensou no que essas ondas fazem quando se afastam de onde começam? É aqui que entra a ideia da propagação do feixe.
A propagação do feixe é o ângulo no qual um feixe eletromagnético ou acústico se afasta de seu eixo central à medida que se move através de um material.
Compreender a propagação do feixe é importante para projetar e fazer o melhor uso de muitos sistemas de engenharia, como iluminação, sonar e lasers.
Então, falarei sobre propagação de feixe e por que é importante no campo da engenharia neste artigo.
Introdução ao Beam Spread
Definição formal:
O ângulo de divergência do eixo central de um feixe eletromagnético ou acústico à medida que viaja através de um material.
A propagação do feixe é a quantidade que um feixe eletromagnético ou acústico se afasta de seu eixo central à medida que se move através de um material.
Geralmente é medido em graus e mostra a largura do feixe da fonte a uma certa distância.
Na engenharia, a propagação do feixe é uma ideia importante que ajuda a descobrir o quão forte e em que direção as ondas de luz, som e rádio são.
Propagação do Feixe na Iluminação
Na iluminação, a propagação do feixe é uma forma de medir a distância que a luz vai de uma fonte com um refletor, como uma lâmpada.
Ele mede a largura do feixe, o que é importante saber se você deseja decidir quanta luz deve incidir sobre um objeto ou superfície.
Dependendo do tamanho, as lâmpadas refletoras têm um feixe pontual ou amplo.
A largura do feixe é o que torna um feixe pontual diferente de um feixe de inundação.
Use esta fórmula simples para encontrar a largura de um feixe de luz de uma determinada distância: Beam Spread = Angle of Beam x.018 x Distance.
Por exemplo, se você quiser saber até onde a luz de um holofote de 120 graus alcançará a 15 pés de distância, basta inserir os números nesta fórmula.
Os holofotes e os holofotes geralmente são descritos pelos fabricantes de maneiras ligeiramente diferentes.
Saber como funciona a propagação do feixe ajudará você a escolher a luz externa certa para o seu projeto.
Para distâncias maiores, um feixe mais estreito que vai mais longe funcionará melhor.
Se você quiser usar luzes de feixe mais amplo para criar uma atmosfera, a distância entre as luzes deve ser igual ou maior que o diâmetro da propagação do feixe de luz.
Propagação de Feixe em Ondas Acústicas
A propagação do feixe também pode ocorrer em transdutores de ultrassom, onde é medida como o ângulo entre o lóbulo principal do feixe de som no campo distante e o próprio lóbulo principal.
A divergência do feixe é outra maneira de medir quanta energia sonora se espalha à medida que se afasta de sua fonte.
Depende muito da frequência com que o transdutor é usado e do tamanho dele.
Um applet pode ser usado para obter uma estimativa aproximada do ângulo de divergência do feixe, que é metade do ângulo de propagação do feixe.
Isso é feito levando em consideração o diâmetro (D), a frequência (F) e a velocidade do som (V) em um meio líquido ou sólido.
Por que o Beam Spread não é motivo de piada na engenharia
Ainda difícil de entender? Deixe-me mudar um pouco o ponto de vista:
Afinal, quem precisa se preocupar com coisas incômodas, como propagação de feixes? Apenas deixe suas ondas de luz ou som voarem à toa e torcer pelo melhor! Afinal, quem precisa de precisão ou exatidão em aplicações de engenharia, certo?
Claro, isso não é verdade, como qualquer engenheiro ou estudante de engenharia sabe.
Ao projetar e otimizar diferentes tecnologias, a propagação do feixe é uma das coisas mais importantes a se pensar.
Mas às vezes precisamos de um pouco de humor irônico para entender a importância de um conceito como a propagação do feixe.
Agora vamos voltar para a explicação.
Fatores que afetam a propagação do feixe
As coisas que afetam a forma como as ondas eletromagnéticas e acústicas se espalham dependem do tipo de material pelo qual elas estão passando.
Ao escolher um transdutor para ultrassom, é importante considerar o ângulo do feixe.
A propagação do feixe torna os reflexos menos altos porque a energia sonora é espalhada por uma área maior.
A frequência e o diâmetro do transdutor têm muito a ver com a largura do feixe.
Quando um transdutor de baixa frequência é usado, a propagação do feixe é maior do que quando um transdutor de alta frequência é usado.
À medida que o diâmetro do transdutor aumenta, a propagação do feixe diminui.
Quando os feixes de som não se espalham, a taxa na qual eles se espalham é determinada pelo coeficiente de difração D, que está relacionado à curvatura da superfície de isofrequência.
A escolha do transdutor tem um grande efeito na sensibilidade, resolução, penetração e propagação do feixe.
Alterar a frequência de operação ou a forma de onda tem um efeito pequeno.
Fatores que afetam a propagação do feixe em ondas de luz
A refração é o que acontece quando uma onda de luz se move de um material para outro e muda de velocidade e direção.
O quanto a onda de luz se curva depende do ângulo em que atinge a superfície e dos índices de refração dos dois materiais.
O índice de refração mostra o quanto um material retarda a luz em comparação com o vácuo.
Quando a luz passa por um prisma, ela é dobrada duas vezes: uma ao entrar e outra ao sair.
Quanta luz se curva depende de seu comprimento de onda, então cores diferentes se dobram em ângulos diferentes.
Isso é chamado de dispersão.
Quando a luz passa por um pedaço de vidro, parte dela ricocheteia na superfície e parte passa direto.
Quanta luz é refletida depende do ângulo em que ela atinge a superfície e de como o ar e o vidro desviam a luz.
O índice de refração do vidro é maior que o do ar, portanto, quando a luz passa do ar para o vidro, ela desacelera e se curva em direção ao normal (uma linha imaginária perpendicular à superfície).
Quando a luz passa do vidro para o ar, ela acelera e se desvia do normal.
Em resumo, as propriedades do meio pelo qual a onda está se propagando, bem como a frequência e o tamanho do transdutor, são os principais fatores que afetam a propagação das ondas eletromagnéticas e acústicas.
A refração altera a velocidade e a direção das ondas de luz à medida que passam por diferentes materiais.
Isso afeta a distância entre as ondas de luz.
Saber o que afeta a propagação do feixe é importante para escolher o equipamento certo e obter os resultados desejados em diferentes aplicações de engenharia.
Usos do Beam Spread
A propagação do feixe é uma parte importante de muitas aplicações de engenharia, como iluminação, sistemas de sonar, tecnologias de detecção subaquática e muito mais.
É importante saber como a propagação do feixe afeta essas tecnologias para que você possa escolher o equipamento certo e obter os resultados desejados.
Propagação do Feixe na Iluminação
Na iluminação, o ângulo em que a luz sai de uma luminária é chamado de propagação do feixe.
Mais área é iluminada com menos intensidade de luz se o feixe for mais amplo.
Por outro lado, uma propagação de feixe mais estreita coloca mais luz em uma área menor.
Com cabeçotes de esteira com espalhamento de feixe múltiplo, o ângulo do feixe pode ser alterado no local movendo a lente.
Os spreads de feixe de inundação podem ser usados para iluminar uma grande área, enquanto os spreads de feixe de ponto podem ser usados para destacar certas partes de uma sala.
Diferentes tipos de luzes têm diferentes padrões de propagação de luz, que são feitos por diferentes razões.
As luzes de feixe espalhado têm um padrão de feixe mais amplo do que os holofotes, que produzem um feixe de luz mais focado que pode viajar mais à frente do veículo.
Os faróis de neblina podem brilhar através de camadas de neblina, chuva, neve ou poeira na estrada porque têm uma ampla distribuição horizontal, mas um corte vertical estreito.
Sistema de classificação de espalhamento de feixe NEMA
A National Electrical Manufacturers Association (NEMA) criou uma maneira de classificar como a luz se espalha.
Este sistema é chamado de espalhamento do feixe NEMA.
Refere-se às duas bordas onde a intensidade da luz se espalha horizontal e verticalmente até 10% da intensidade máxima do feixe e se correlaciona se a saída de luz é muito estreita, muito larga ou em algum lugar intermediário.
Os ângulos de propagação do feixe horizontal e vertical são usados para diferenciar os tipos de NEMA.
O sistema padronizado de classificação de ângulo de feixe NEMA oferece a todos na indústria uma maneira consistente de descobrir como as luminárias espalham a luz.
Os seis tipos nomeados pela NEMA são usados para coisas diferentes.
Você pode obter a distribuição de luz certa para o seu projeto usando luminárias com a classificação NEMA correta.
Espalhamento de feixe em sistemas de sonar
Nos sistemas de sonar, a propagação do feixe refere-se à área de cobertura das ondas sonoras emitidas por um transdutor.
O sonar multifeixe envia vários feixes de sonar ao mesmo tempo em um padrão em forma de leque que olha sob o navio e para cada lado.
Comparado ao sonar de feixe único, isso possibilita a varredura de uma área maior do fundo do mar com mais rapidez e precisão.
Diferentes frequências revelam diferentes níveis de detalhes nos dados do sonar.
Pulsos de alta frequência mostram muitos detalhes, mas não podem ir fundo na água.
Os pulsos de baixa frequência, por outro lado, vão mais fundo na água, mas mostram menos detalhes.
Propagação de feixe em tecnologias de detecção subaquática
A propagação do feixe também afeta as tecnologias de detecção subaquática, como a comunicação por luz visível (UVLC).
O UVLC usa uma faixa de frequência entre 450 e 550 nm porque os sinais de radiofrequência perdem sua força muito mais rapidamente na água do mar.
Isso permite que as pessoas conversem debaixo d'água, embora a água do mar nem sempre esteja na mesma temperatura e o casco se mova quando as ondas o atingem.
Resumindo, a propagação do feixe é uma coisa importante a se pensar em muitas aplicações de engenharia, como iluminação, sistemas de sonar e tecnologias para detectar o que está acontecendo debaixo d'água.
É importante saber como a propagação do feixe afeta essas tecnologias para que você possa escolher o equipamento certo e obter os resultados desejados.
Quais métodos podem ser usados para controlar ou alterar a propagação de um feixe em diferentes situações?
Modelagem e direção do feixe
A modelagem e direção do feixe é uma técnica importante usada em muitos dispositivos modernos, como lentes de câmeras e pinças ópticas.
Nesse método, o feixe é alterado de diferentes maneiras para obter a propagação desejada.
Uma maneira popular de alterar a forma do feixe é usar elementos ópticos difrativos (DOEs).
Os DOEs podem alterar a forma como o feixe é espalhado em termos de fase e amplitude para obter a propagação do feixe necessária.
Além disso, pinças ópticas holográficas usam hologramas feitos por um computador para moldar e direcionar feixes de luz para criar armadilhas no espaço 3D.
Metasuperfícies dielétricas
As metasuperfícies dielétricas são camadas finas de estruturas feitas pelo homem, menores que um comprimento de onda, que podem alterar a maneira como a luz se comporta com base em seu índice de refração, período, ângulo de incidência e formato da seção transversal.
Eles podem alterar a intensidade, a fase e a polarização do feixe, o que os permite criar padrões de feixe complexos.
Lentes, refletores e grades de difração
Em algumas situações, lentes, refletores ou grades de difração podem ser usados para controlar o quanto um feixe se espalha.
As lentes podem alterar a forma do feixe para torná-lo mais estreito ou mais largo, e os refletores podem virar o feixe em uma determinada direção.
As grades de difração podem dividir o feixe em mais de um feixe ou dobrá-lo em um determinado padrão.
Abertura ou íris
Ao alterar o tamanho da abertura, uma abertura ou íris pode ser usada para alterar o tamanho do feixe.
Na fotografia, esse método costuma ser usado para controlar a quantidade de luz que entra na câmera e para obter a profundidade de campo correta.
Mover a peça de trabalho ou o laser
Ao usar um laser para cortar ou soldar, por exemplo, o feixe pode ser alterado movendo a peça de trabalho ou o laser.
Este método é usado para fazer cortes ou soldas muito precisos e para controlar o quanto o feixe se espalha.
Aceleradores de partículas
Os aceleradores de partículas podem controlar ou alterar a propagação do feixe de várias maneiras.
Isso inclui métodos de injeção e extração, resfriamento de feixe, transporte de spin, polarização, análise de primeira volta, abordagem de ajuste mais próximo, compensação da ressonância de soma e ressonância de emitância próxima ao acoplamento.
Esses métodos são usados para garantir que o feixe esteja estável, bem focado e no lugar certo.
Em conclusão, existem muitas maneiras de controlar ou alterar a forma como um feixe se espalha, e a melhor maneira de fazer isso depende da aplicação e das necessidades.
É importante escolher a técnica certa para obter a propagação do feixe desejada e garantir que a aplicação funcione.
Técnicas para controlar e manipular a propagação do feixe
A propagação do feixe é um fator crítico em muitas aplicações de engenharia, incluindo iluminação, sistemas de sonar e aceleradores de partículas.
Diferentes aplicações exigem diferentes maneiras de controlar ou alterar a propagação do feixe.
Cálculo da propagação do feixe
Você pode descobrir facilmente a propagação correta do feixe para o seu projeto de iluminação multiplicando o ângulo do feixe por um valor constante de 0,018 e depois pela distância.
Por exemplo, se quiser descobrir a área de cobertura (tamanho do ponto) de uma viga de 10° montada 25 pés acima do convés (a distância de lançamento), você pode usar esta fórmula: 10° x 0,018 x 25 pés = 4,5 pés
Dependendo do tamanho, as lâmpadas refletoras podem ter um feixe pontual ou um feixe de inundação.
Ter os dois tipos oferece mais maneiras de iluminar sua propriedade.
Ao escolher uma lâmpada para o seu espaço, pense no tipo de ambiente que deseja criar.
Os holofotes geralmente são lâmpadas com um feixe estreito, como 12°.
Luzes de inundação ou lavagem são lâmpadas com um feixe mais amplo, como 60° ou mais.
Modelagem e Direção de Vigas
A modelagem e direção do feixe é uma parte fundamental de muitas tecnologias modernas, como pinças ópticas e lentes de câmera.
Elementos ópticos como lentes, espelhos e grades são usados para alterar a forma do feixe e direcioná-lo em uma determinada direção ou focalizá-lo em um alvo.
Este método também é usado para controlar feixes com diferentes índices de refração, períodos, ângulos de incidência e formas de seção transversal em metasuperfícies dielétricas.
Reduzindo a propagação do feixe
Na tecnologia de ultrassom, você pode diminuir a propagação do feixe usando um transdutor de alta frequência ou aumentando o diâmetro do transdutor.
Ao mover uma microesfera opticamente presa através de um feixe de luz, é possível controlar como um feixe se move em um dispositivo optofluídico.
Os aceleradores de partículas têm muitas maneiras de controlar ou alterar a propagação do feixe, como métodos de injeção e extração, resfriamento do feixe, transporte de spin, polarização, análise de primeira volta, abordagem de sintonia mais próxima, compensação da ressonância de soma e emitância próxima à ressonância de acoplamento.
Existem também as seguintes maneiras de estreitar o feixe:
Usando um expansor de feixe: Os expansores de feixe podem ser usados para reduzir a divergência do feixe e garantir que o diâmetro do feixe não ultrapasse um determinado limite quando o feixe de saída estiver distante.
Ao aumentar o feixe dentro do sistema, o diâmetro de entrada cresce, o que torna a divergência menor.
- Usando um colimador: Um colimador pode ser usado para reduzir a propagação do feixe de laser e torná-lo mais colimado.
- Usando uma abertura menor: O tamanho do orifício pelo qual o feixe de laser passa pode afetar a distância entre o feixe.
Na maioria das vezes, uma abertura menor fará com que o feixe se espalhe menos.
- Usando uma lente com uma distância focal mais longa: Uma lente com uma distância focal mais longa pode ser usada para focalizar o feixe de laser em um ponto menor, o que pode reduzir a propagação do feixe.
É importante ter em mente que essas técnicas podem ajudar a reduzir a propagação do feixe, mas não podem fazer muito.
Além disso, algumas técnicas podem causar outras aberrações ópticas, como aberrações esféricas, que podem diminuir a qualidade do feixe.
É importante pensar cuidadosamente sobre as necessidades do sistema e escolher o caminho certo para reduzir a propagação do feixe.
Feixe de som espalhado no campo distante
Várias coisas afetam como um feixe de som se espalha no campo distante.
Isso inclui o tamanho e a forma da fonte de ultrassom, a frequência do feixe, como o feixe é focado e o tamanho ou abertura do transdutor.
O campo distante
O campo distante é a área onde o diâmetro do feixe cresce mais longe da fonte do que um comprimento de zona próxima.
Diâmetro do transdutor e frequência do ultrassom
O quanto um feixe de som se espalha no campo distante depende do tamanho do transdutor, chamado de abertura, e da frequência das ondas sonoras.
Cristais de diâmetro maior que produzem som de frequência mais alta produzem feixes que divergem menos no campo distante.
Cristais com diâmetro menor e frequência menor produzem feixes muito dispersos no campo distante.
Tamanho e formato da fonte de ultrassom
A largura do feixe, o comprimento da zona de Fresnel e o ângulo de divergência além do campo próximo são todos afetados pelo tamanho da fonte de ultrassom.
Para um transdutor no qual nenhum foco é aplicado, o comprimento da zona de Fresnel é determinado pelo diâmetro do transdutor e pelo comprimento de onda.
Feixe de Focagem
A maneira como o feixe é focado também muda a aparência no campo distante.
Focar o feixe pode fazer com que o feixe se espalhe menos no campo distante.
Usar um transdutor que não focaliza o feixe, por outro lado, faz com que o feixe se espalhe mais.
Resumindo, o diâmetro ou a abertura do transdutor, a frequência do ultrassom, o tamanho e a forma da fonte de ultrassom e a maneira como o feixe é focalizado afetam o quanto um feixe de som se espalha em seu campo distante.
Conhecendo esses fatores, engenheiros e pesquisadores podem criar sistemas de ultrassom que funcionem melhor para suas necessidades.
Cálculos de comprimento de onda, campo próximo e propagação de feixe
Dica: Ative o botão de legenda se precisar. Escolha “tradução automática” no botão de configurações, se você não estiver familiarizado com o idioma falado. Pode ser necessário clicar primeiro no idioma do vídeo antes que seu idioma favorito fique disponível para tradução.
Conclusão
Ao concluirmos esta discussão sobre propagação de vigas, vale a pena reservar um momento para considerar o profundo impacto que este conceito tem no mundo da engenharia.
A propagação do feixe é um conceito muito importante para entender se você deseja projetar sistemas de iluminação para um estádio, melhorar a imagem do sonar para submarinos ou criar tecnologia de laser para uso médico.
Os engenheiros podem fazer um trabalho mais preciso e eficiente do que nunca, controlando e alterando cuidadosamente a maneira como as ondas se comportam à medida que se movem através de diferentes materiais.
Então, da próxima vez que você estiver trabalhando em um projeto de engenharia, tenha em mente o poder da propagação do feixe e como ele pode ajudá-lo a alcançar seus objetivos.
Com um pouco de imaginação e criatividade, realmente não há limites para o que você pode fazer.
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