Dacă ești inginer sau student la inginerie, știi ce sunt valurile.
Undele sunt o parte importantă a multor tehnologii pe care le utilizați în fiecare zi, de la semnale radio până la imagistica cu ultrasunete.
Dar te-ai gândit vreodată ce fac aceste valuri atunci când se îndepărtează de locul în care încep? Aici intervine ideea extinderii fasciculului.
Răspândirea fasciculului este unghiul la care un fascicul electromagnetic sau acustic se îndepărtează de axa sa centrală în timp ce se deplasează printr-un material.
Înțelegerea răspândirii fasciculului este importantă pentru proiectarea și utilizarea optimă a multor sisteme de inginerie, cum ar fi iluminatul, sonarul și laserele.
Deci, voi vorbi despre răspândirea fasciculului și de ce este importantă în domeniul ingineriei în acest articol.
Introducere în Beam Spread
Definiție formală:
Unghiul de divergență față de axa centrală a unui fascicul electromagnetic sau acustic pe măsură ce se deplasează printr-un material.
Răspândirea fasciculului este cantitatea în care un fascicul electromagnetic sau acustic se îndepărtează de axa centrală pe măsură ce se deplasează printr-un material.
De obicei, se măsoară în grade și arată cât de larg este fasciculul de la sursă la o anumită distanță.
În inginerie, răspândirea fasciculului este o idee importantă care ne ajută să ne dăm seama cât de puternice și în ce direcție sunt lumina, sunetul și undele radio.
Răspândirea fasciculului în iluminat
În iluminat, răspândirea fasciculului este o modalitate de a măsura cât de departe merge lumina de o sursă cu un reflector, cum ar fi un bec.
Măsoară cât de largă este fasciculul, ceea ce este important să știți dacă doriți să decideți câtă lumină să strălucească pe un obiect sau pe o suprafață.
În funcție de cât de mari sunt, lămpile cu reflectoare fie au un fascicul spot, fie un fascicul larg.
Lățimea fasciculului este ceea ce face un fascicul spot diferit de un fascicul de inundație.
Utilizați această formulă simplă pentru a afla lățimea unui fascicul de lumină de la o anumită distanță: Extinderea fasciculului = Unghiul fasciculului x.018 x Distanța.
De exemplu, dacă doriți să știți cât de departe va ajunge lumina unui proiector de 120 de grade de la 15 picioare distanță, puteți doar să introduceți numerele în această formulă.
Farurile spot și reflectoarele sunt adesea descrise de producători în moduri ușor diferite.
Cunoașterea modului în care funcționează răspândirea fasciculului vă va ajuta să alegeți lumina de exterior potrivită pentru proiectul dvs.
Pentru distanțe mai lungi, un fascicul mai îngust care merge mai departe va funcționa cel mai bine.
Dacă doriți să utilizați lumini cu fascicul mai larg pentru a crea o atmosferă, distanța dintre lumini ar trebui să fie egală sau mai mare decât diametrul răspândirii fasciculului luminii.
Răspândirea fasciculului în unde acustice
Răspândirea fasciculului se poate întâmpla și în traductoarele cu ultrasunete, unde este măsurată ca unghi între lobul principal al fasciculului de sunet în câmpul îndepărtat și lobul principal însuși.
Divergența fasciculului este o altă modalitate de a măsura cât de multă energie sonoră se răspândește pe măsură ce se îndepărtează de sursa sa.
Depinde foarte mult de cât de des este folosit traductorul și cât de mare este.
Un applet poate fi folosit pentru a obține o estimare aproximativă a unghiului de divergență al fasciculului, care este jumătate din unghiul de răspândire al fasciculului.
Acest lucru se face luând în considerare diametrul (D), frecvența (F) și viteza sunetului (V) într-un mediu lichid sau solid.
De ce răspândirea fasciculului nu este o problemă de râs în inginerie
Încă greu de înțeles? Hai sa schimb putin punctul de vedere:
Oricum, cine trebuie să-și facă griji pentru lucruri deranjante, cum ar fi răspândirea fasciculului? Lasă-ți undele luminoase sau sonore să zboare vrând-nevrând și speră la ce este mai bun! La urma urmei, cine are nevoie de precizie sau acuratețe în aplicațiile de inginerie, nu?
Desigur, acest lucru nu este deloc adevărat, așa cum știe orice inginer sau student la inginerie.
Atunci când proiectați și optimizați diferite tehnologii, răspândirea fasciculului este unul dintre cele mai importante lucruri la care trebuie să vă gândiți.
Dar uneori avem nevoie de puțin umor ironic pentru a înțelege cât de important este un concept precum răspândirea fasciculului.
Acum să revenim la explicație.
Factori care afectează extinderea fasciculului
Lucrurile care afectează modul în care undele electromagnetice și acustice se răspândesc depind de tipul de material prin care călătoresc.
Atunci când alegeți un traductor pentru ultrasunete, unghiul fasciculului este un lucru important la care trebuie să vă gândiți.
Răspândirea fasciculului face reflexiile mai puțin puternice, deoarece energia sonoră este răspândită pe o zonă mai mare.
Frecvența și diametrul traductorului au foarte mult de-a face cu cât de larg este fasciculul.
Când se folosește un traductor de joasă frecvență, răspândirea fasciculului este mai largă decât atunci când se folosește un traductor de înaltă frecvență.
Pe măsură ce diametrul traductorului crește, răspândirea fasciculului se va micșora.
Când fasciculele de sunet nu se răspândesc, viteza cu care se răspândesc este determinată de coeficientul de difracție D, care este legat de curbura suprafeței de izofrecvență.
Alegerea traductorului are un efect mare asupra sensibilității, rezoluției, penetrarii și răspândirea fasciculului.
Modificarea frecvenței de operare sau a formei de undă are un efect mic.
Factori care afectează răspândirea fasciculului în unde luminoase
Refracția este ceea ce se întâmplă atunci când o undă luminoasă se deplasează de la un material la altul și își schimbă viteza și direcția.
Cât de mult se îndoaie unda luminoasă depinde de unghiul la care lovește suprafața și de indicii de refracție ai celor două materiale.
Indicele de refracție arată cât de mult un material încetinește lumina în comparație cu un vid.
Când lumina trece printr-o prismă, este îndoită de două ori: o dată când intră și din nou când iese.
Cât de multă lumină se îndoaie depinde de lungimea de undă, așa că diferite culori se îndoaie în unghiuri diferite.
Aceasta se numește dispersie.
Când lumina trece printr-o bucată de sticlă, o parte din ea sare de pe suprafață, iar o parte din ea trece direct.
Cât de multă lumină este reflectată depinde de unghiul la care lovește suprafața și de modul în care aerul și sticla curbează lumina.
Indicele de refracție al sticlei este mai mare decât cel al aerului, așa că atunci când lumina trece din aer în sticlă, ea încetinește și se îndoaie spre normal (o linie imaginară perpendiculară pe suprafață).
Când lumina trece de la sticlă la aer, se accelerează și se îndoaie de la normal.
Pe scurt, proprietățile mediului prin care trece valul, precum și frecvența și dimensiunea traductorului, sunt principalele lucruri care afectează răspândirea undelor electromagnetice și acustice.
Refracția modifică viteza și direcția undelor luminoase pe măsură ce trec prin diferite materiale.
Acest lucru afectează distanța dintre undele luminoase.
A ști ce afectează răspândirea fasciculului este important pentru a alege echipamentul potrivit și pentru a obține rezultatele dorite în diferite aplicații de inginerie.
Utilizări ale extinderii fasciculului
Răspândirea fasciculului este o parte importantă a multor aplicații de inginerie, cum ar fi iluminatul, sistemele sonar, tehnologiile de detectare subacvatică și multe altele.
Este important să știți cum răspândirea fasciculului afectează aceste tehnologii, astfel încât să puteți alege echipamentul potrivit și să obțineți rezultatele dorite.
Răspândirea fasciculului în iluminat
În iluminat, unghiul la care iese lumina dintr-un corp de iluminat se numește răspândirea fasciculului său.
Mai multă zonă este iluminată cu mai puțină intensitate a luminii dacă fasciculul este mai larg.
Pe de altă parte, o extindere a fasciculului care este mai îngust pune mai multă lumină într-o zonă mai mică.
În cazul capetelor de urmărire cu raze multiple, unghiul fasciculului poate fi modificat la fața locului prin mișcarea lentilei.
Răspândirile fasciculului de inundație pot fi folosite pentru a ilumina o suprafață mare, în timp ce extinderile fasciculului spot pot fi folosite pentru a evidenția anumite părți ale unei încăperi.
Diferite tipuri de lumini au modele diferite pentru modul în care se răspândește lumina lor, care sunt realizate din diferite motive.
Luminile cu fascicul extins au un model de fascicul mai larg decât reflectoarele, care produc un fascicul de lumină mai concentrat, care poate călători mai departe în fața vehiculului.
Farurile de ceață pot străluci prin straturi de ceață, ploaie, zăpadă sau praf de pe drum, deoarece au o răspândire orizontală largă, dar o întrerupere verticală îngustă.
Sistemul de clasificare NEMA Beam Spread
Asociația Națională a Producătorilor de Electricitate (NEMA) a venit cu o modalitate de a clasifica modul în care este răspândită lumina.
Acest sistem se numește răspândirea fasciculului NEMA.
Se referă la cele două margini în care intensitatea luminii se răspândește orizontal și vertical la 10% din intensitatea maximă a fasciculului și se corelează cu faptul că puterea luminii este foarte îngustă, foarte largă sau undeva la mijloc.
Unghiurile de răspândire a fasciculului orizontal și vertical sunt folosite pentru a face diferența dintre tipurile NEMA.
Sistemul standardizat de clasificare a unghiului fasciculului NEMA oferă tuturor din industrie o modalitate consecventă de a înțelege modul în care corpurile de iluminat răspândesc lumina.
Cele șase tipuri denumite de NEMA sunt folosite pentru lucruri diferite.
Puteți obține distribuția corectă a luminii pentru proiectul dvs. Utilizând corpuri de iluminat cu clasificarea NEMA potrivită.
Răspândirea fasciculului în sistemele sonare
În sistemele sonar, răspândirea fasciculului se referă la aria de acoperire a undelor sonore emise de un traductor.
Sonarul cu mai multe fascicule emite mai multe fascicule sonar în același timp într-un model în formă de evantai care arată sub navă și pe fiecare parte.
În comparație cu sonarul cu un singur fascicul, acest lucru face posibilă scanarea unei zone mai mari a fundului mării mai rapid și cu mai multă acuratețe.
Frecvențele diferite dezvăluie niveluri diferite de detaliu în datele sonarului.
Impulsurile de înaltă frecvență arată multe detalii, dar nu pot pătrunde adânc în apă.
Pulsurile de joasă frecvență, pe de altă parte, merg mai adânc în apă, dar arată mai puține detalii.
Răspândirea fasciculului în tehnologiile de detectare subacvatică
Răspândirea fasciculului afectează și tehnologiile de detectare subacvatică, cum ar fi comunicarea cu lumină vizibilă (UVLC).
UVLC folosește un interval de frecvență între 450 și 550 nm, deoarece semnalele de radiofrecvență își pierd puterea mult mai repede în apa de mare.
Acest lucru face posibil ca oamenii să vorbească sub apă, chiar dacă apa de mare nu are întotdeauna aceeași temperatură și carena se mișcă atunci când valurile o lovesc.
Pe scurt, răspândirea fasciculului este un lucru important la care trebuie să ne gândim în multe aplicații de inginerie, cum ar fi iluminatul, sistemele sonar și tehnologiile de detectare a ceea ce se întâmplă sub apă.
Este important să știți cum răspândirea fasciculului afectează aceste tehnologii, astfel încât să puteți alege echipamentul potrivit și să obțineți rezultatele dorite.
Ce metode pot fi folosite pentru a controla sau modifica extinderea unui fascicul în diferite situații?
Modelarea fasciculului și direcția
Modelarea și direcția fasciculului este o tehnică importantă care este utilizată în multe dispozitive moderne, cum ar fi lentilele camerei și pensetele optice.
În această metodă, fasciculul este schimbat în diferite moduri pentru a obține răspândirea dorită.
O modalitate populară de a schimba forma fasciculului este utilizarea elementelor optice difractive (DOE).
DOE-urile pot schimba modul în care fasciculul este răspândit în termeni de fază și amplitudine pentru a obține răspândirea fasciculului necesară.
De asemenea, pensetele optice holografice folosesc holograme realizate de un computer pentru a modela și a direcționa fasciculele de lumină pentru a face capcane în spațiul 3D.
Metasuprafețe dielectrice
Metasuprafețele dielectrice sunt straturi subțiri, create de om, de structuri mai mici decât o lungime de undă, care pot schimba modul în care lumina se comportă în funcție de indicele de refracție, perioada, unghiul de incident și forma secțiunii transversale.
Ele pot modifica puterea, faza și polarizarea fasciculului, ceea ce le permite să creeze modele de fascicule complexe.
Lentile, reflectoare și rețele de difracție
În unele situații, lentilele, reflectoarele sau rețelele de difracție pot fi utilizate pentru a controla cât de departe se extinde un fascicul.
Lentilele pot schimba forma fasciculului pentru a-l face mai îngust sau mai lat, iar reflectoarele pot întoarce fasciculul într-o anumită direcție.
Rețelele de difracție pot împărți fasciculul în mai mult de un fascicul sau îl pot îndoi într-un anumit model.
Diafragma sau irisul
Schimbând dimensiunea deschiderii, se poate folosi o deschidere sau iris pentru a modifica dimensiunea fasciculului.
În fotografie, această metodă este adesea folosită pentru a controla cât de multă lumină intră în cameră și pentru a obține adâncimea corectă de câmp.
Mutarea piesei de prelucrat sau a laserului
Când utilizați un laser pentru tăierea sau sudarea, de exemplu, fasciculul poate fi schimbat prin mișcarea piesei de prelucrat sau a laserului.
Această metodă este folosită pentru a face tăieturi sau suduri foarte precise și pentru a controla cât de departe se extinde fasciculul.
Acceleratoare de particule
Acceleratoarele de particule pot controla sau modifica răspândirea fasciculului în mai multe moduri.
Acestea includ metode de injecție și extracție, răcirea fasciculului, transportul de spin, polarizarea, analiza primului viraj, abordarea cea mai apropiată, compensarea rezonanței sumei și emitanța în apropierea rezonanței de cuplare.
Aceste metode sunt folosite pentru a vă asigura că fasciculul este constant, bine focalizat și în locul potrivit.
În concluzie, există multe modalități de a controla sau de a modifica modul în care un fascicul se răspândește, iar cel mai bun mod de a o face depinde de aplicație și de nevoi.
Este important să alegeți tehnica potrivită pentru a obține răspândirea fasciculului dorit și pentru a vă asigura că aplicația funcționează.
Tehnici de control și manipulare a extinderii fasciculului
Răspândirea fasciculului este un factor critic în multe aplicații de inginerie, inclusiv iluminat, sisteme sonar și acceleratoare de particule.
Aplicațiile diferite necesită modalități diferite de a controla sau de a modifica răspândirea fasciculului.
Calcularea extinderii fasciculului
Vă puteți da seama cu ușurință de răspândirea fasciculului potrivit pentru proiectarea dvs. De iluminat prin înmulțirea unghiului fasciculului cu o valoare constantă de 0,018 și apoi cu distanța.
De exemplu, dacă doriți să aflați zona de acoperire (dimensiunea punctului) a unui fascicul de 10° care este montat la 25 de picioare deasupra punții (distanța de aruncare), puteți utiliza această formulă: 10° x 0,018 x 25 ft = 4,5 ft.
În funcție de cât de mari sunt, lămpile cu reflectoare pot avea fie un fascicul spot, fie un fascicul de inundație.
Având ambele tipuri, vă oferă mai multe modalități de a vă lumina proprietatea.
Atunci când alegeți un bec pentru spațiul dvs., gândiți-vă la ce fel de atmosferă doriți să creați.
Farurile spot sunt de obicei becuri cu un fascicul îngust, cum ar fi 12°.
Luminile de inundație sau de spălare sunt becuri cu un fascicul mai larg, cum ar fi 60° sau cam asa ceva.
Modelarea fasciculului și direcția
Modelarea și direcția fasciculului este o parte cheie a multor tehnologii moderne, cum ar fi pensetele optice și lentilele camerei.
Elementele optice precum lentilele, oglinzile și grătarele sunt folosite pentru a schimba forma fasciculului și a-l direcționa într-o anumită direcție sau pentru a-l focaliza pe o țintă.
Această metodă este, de asemenea, utilizată pentru a controla fasciculele cu indici de refracție diferiți, perioade, unghiuri incidente și forme de secțiune transversală în metasuprafețele dielectrice.
Reducerea răspândirii fasciculului
În tehnologia cu ultrasunete, puteți micșora fasciculul folosind un traductor cu o frecvență înaltă sau mărind diametrul traductorului.
Prin deplasarea unei microsfere prinse optic printr-un fascicul de lumină, este posibil să se controleze modul în care un fascicul se mișcă într-un dispozitiv optofluid.
Acceleratoarele de particule au multe modalități de a controla sau modifica răspândirea fasciculului, cum ar fi metodele de injecție și extracție, răcirea fasciculului, transportul de spin, polarizarea, analiza la prima viraj, abordarea cea mai apropiată a tonului, compensarea rezonanței sumei și emitanța în apropierea rezonanței de cuplare.
Există, de asemenea, următoarele moduri de a îngusta fasciculul:
Utilizarea unui expandator de fascicul: Expansoarele de fascicul pot fi utilizate pentru a reduce divergența fasciculului și pentru a vă asigura că diametrul fasciculului nu depășește o anumită limită atunci când fasciculul de ieșire este departe.
Făcând fasciculul mai mare în interiorul sistemului, diametrul de intrare crește, ceea ce face ca divergența să fie mai mică.
- Utilizarea unui colimator: un colimator poate fi folosit pentru a reduce răspândirea razei laser și a-l face mai colimat.
- Folosind o deschidere mai mică: dimensiunea găurii prin care trece fasciculul laser poate afecta distanța dintre ele.
De cele mai multe ori, o deschidere mai mică va face ca fasciculul să se răspândească mai puțin.
- Utilizarea unui obiectiv cu o distanță focală mai mare: O lentilă cu o distanță focală mai mare poate fi utilizată pentru a focaliza fasciculul laser într-un loc mai mic, ceea ce poate reduce răspândirea fasciculului.
Este important să rețineți că aceste tehnici pot ajuta la reducerea răspândirii fasciculului, dar pot face doar atât de mult.
De asemenea, unele tehnici pot provoca alte aberații optice, cum ar fi aberația sferică, care pot scădea calitatea fasciculului.
Este important să vă gândiți cu atenție la nevoile sistemului și să alegeți modalitatea corectă de a reduce răspândirea fasciculului.
Fascicul de sunet răspândit în câmpul îndepărtat
Mai multe lucruri afectează modul în care un fascicul de sunet se răspândește în câmpul îndepărtat.
Acestea includ dimensiunea și forma sursei de ultrasunete, frecvența fasciculului, modul în care este focalizat fasciculul și dimensiunea sau deschiderea traductorului.
Câmpul îndepărtat
Câmpul îndepărtat este zona în care diametrul fasciculului crește mai departe de sursă decât lungimea unei zone apropiate.
Diametrul traductorului și frecvența ultrasunetelor
Cât de mult se răspândește un fascicul de sunet în câmpul îndepărtat depinde de dimensiunea traductorului, numită deschidere, și de frecvența undelor sonore.
Cristalele cu diametru mai mare care produc sunet cu frecvență mai mare produc fascicule care diverg mai puțin în câmpul îndepărtat.
Cristalele cu un diametru mai mic și o frecvență mai mică fac fascicule care sunt foarte răspândite în câmpul îndepărtat.
Dimensiunea și forma sursei de ultrasunete
Lățimea fasciculului, lungimea zonei Fresnel și unghiul de divergență dincolo de câmpul apropiat sunt toate afectate de dimensiunea sursei de ultrasunete.
Pentru un traductor în care nu se aplică focalizare, lungimea zonei Fresnel este determinată de diametrul traductorului și de lungimea de undă.
Focalizarea fasciculului
Modul în care este focalizat fasciculul schimbă, de asemenea, modul în care arată în câmpul îndepărtat.
Focalizarea fasciculului poate face ca fasciculul să se răspândească mai puțin în câmpul îndepărtat.
Utilizarea unui traductor care nu focalizează fasciculul, pe de altă parte, face ca fasciculul să se răspândească mai mult.
Pe scurt, diametrul sau deschiderea traductorului, frecvența ultrasunetelor, dimensiunea și forma sursei de ultrasunete și modul în care fasciculul este focalizat afectează cât de mult se răspândește un fascicul de sunet în câmpul său îndepărtat.
Cunoscând acești factori, inginerii și cercetătorii pot crea sisteme cu ultrasunete care funcționează cel mai bine pentru nevoile lor.
Calcule pentru lungimea de undă, câmpul apropiat, răspândirea fasciculului
Sfat: activați butonul de subtitrare dacă aveți nevoie de el. Alegeți „traducere automată” în butonul de setări, dacă nu sunteți familiarizat cu limba vorbită. Poate fi necesar să faceți mai întâi clic pe limba videoclipului înainte ca limba preferată să devină disponibilă pentru traducere.
Concluzie
Pe măsură ce încheiem această discuție despre răspândirea fasciculului, merită să luăm un moment în considerare impactul profund pe care acest concept îl are asupra lumii ingineriei.
Răspândirea fasciculului este un concept foarte important de înțeles dacă doriți să proiectați sisteme de iluminat pentru un stadion, să îmbunătățiți imagistica sonar pentru submarine sau să faceți tehnologie laser pentru uz medical.
Inginerii pot face o muncă mai precisă și mai eficientă decât oricând, controlând și schimbând cu atenție modul în care se comportă undele pe măsură ce se deplasează prin diferite materiale.
Deci, data viitoare când lucrați la un proiect de inginerie, țineți cont de puterea răspândirii fasciculului și de modul în care vă poate ajuta să vă atingeți obiectivele.
Cu puțină imaginație și creativitate, nu există limite pentru ceea ce poți face.
Distribuie pe…
