Eсли вы инженер или студент инженерного факультета, вы знаете, что такое волны.
Волны являются важной частью многих технологий, которые вы используете каждый день, от радиосигналов до ультразвуковой визуализации.
Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, что делают эти волны, удаляясь от того места, откуда они начинаются? Вот тут-то и возникает идея распространения луча.
Распространение луча — это угол, под которым электромагнитный или акустический луч отклоняется от своей центральной оси при прохождении через материал.
Понимание распространения луча важно для проектирования и оптимального использования многих инженерных систем, таких как освещение, гидролокаторы и лазеры.
Итак, в этой статье я расскажу о распространении луча и о том, почему это важно в области техники.
Введение в распространение луча
Формальное определение:
Угол отклонения от центральной оси электромагнитного или акустического луча при его прохождении через материал.
Распространение луча — это величина, на которую электромагнитный или акустический луч смещается от своей центральной оси при прохождении через материал.
Обычно измеряется в градусах и показывает, насколько широк луч от источника на определенном расстоянии.
В технике распространение луча — важная идея, которая помогает выяснить, насколько сильны и в каком направлении свет, звук и радиоволны.
Распространение луча в освещении
В освещении распространение луча — это способ измерить, насколько далеко уходит свет от источника с отражателем, например лампочки.
Он измеряет ширину луча, что важно знать, если вы хотите решить, сколько света должно освещать объект или поверхность.
В зависимости от размера рефлекторные лампы имеют либо точечный, либо широкий луч.
Ширина луча — это то, что отличает точечный луч от заливающего луча.
Используйте эту простую формулу, чтобы найти ширину светового луча на заданном расстоянии: Распространение луча = Угол луча x.018 x Расстояние.
Например, если вы хотите узнать, как далеко распространяется свет прожектора с углом обзора 120 градусов с расстояния 15 футов, вы можете просто подставить числа в эту формулу.
Прожекторы и прожекторы часто описываются производителями немного по-разному.
Знание того, как работает распространение луча, поможет вам выбрать правильное наружное освещение для вашего проекта.
Для больших расстояний лучше подойдет более узкий луч, который идет дальше.
Eсли вы хотите использовать свет с более широким лучом для создания атмосферы, расстояние между источниками света должно быть равно или больше, чем диаметр распространения светового луча.
Распространение луча в акустических волнах
Рассеяние луча также может иметь место в ультразвуковых преобразователях, где оно измеряется как угол между основным лепестком звукового луча в дальней зоне и самим основным лепестком.
Расходимость луча — это еще один способ измерить, сколько звуковой энергии распространяется по мере удаления от источника.
Это во многом зависит от того, как часто используется преобразователь и насколько он велик.
C помощью апплета можно получить грубую оценку угла расходимости луча, который составляет половину угла раскрытия луча.
Это делается с учетом диаметра (D), частоты (F) и скорости звука (V) в жидкой или твердой среде.
Почему распространение луча — это не шутка в технике
Все еще трудно понять? Немного изменю точку зрения:
Кому вообще нужно беспокоиться о таких надоедливых вещах, как распространение луча? Просто позвольте своим световым или звуковым волнам лететь волей-неволей и надейтесь на лучшее! В конце концов, кому нужна точность или аккуратность в инженерных приложениях, верно?
Конечно, это совсем не так, как знает любой инженер или студент инженерного факультета.
При разработке и оптимизации различных технологий одним из самых важных моментов, о котором следует думать, является распространение луча.
Но иногда нам нужно немного иронического юмора, чтобы понять, насколько важна такая концепция, как распространение луча.
Теперь вернемся к объяснению.
Факторы, влияющие на распространение луча
Факторы, влияющие на распространение электромагнитных и акустических волн, зависят от типа материала, через который они проходят.
При выборе датчика для УЗИ важно учитывать угол пучка.
Распространение луча делает отражения менее громкими, поскольку звуковая энергия распространяется по большей площади.
Частота и диаметр преобразователя во многом зависят от ширины луча.
Когда используется низкочастотный преобразователь, рассеивание луча шире, чем при использовании высокочастотного преобразователя.
По мере увеличения диаметра преобразователя рассеивание луча будет уменьшаться.
Когда звуковые лучи не распространяются, скорость их распространения определяется коэффициентом дифракции D, который связан с кривизной изочастотной поверхности.
Выбор преобразователя оказывает большое влияние на чувствительность, разрешение, проникновение и распространение луча.
Изменение рабочей частоты или формы сигнала оказывает небольшое влияние.
Факторы, влияющие на распространение пучка в световых волнах
Преломление — это то, что происходит, когда световая волна переходит из одного материала в другой и меняет скорость и направление.
Насколько сильно изгибается световая волна, зависит от угла, под которым она падает на поверхность, и показателей преломления двух материалов.
Показатель преломления показывает, насколько материал замедляет свет по сравнению с вакуумом.
Когда свет проходит через призму, он отклоняется дважды: один раз, когда он входит, и еще один, когда выходит.
Насколько свет изгибается, зависит от его длины волны, поэтому разные цвета изгибаются под разными углами.
Это называется дисперсией.
Когда свет проходит через кусок стекла, часть его отражается от поверхности, а часть проходит сквозь стекло.
Cтепень отражения света зависит от угла, под которым он падает на поверхность, и от того, как воздух и стекло преломляют свет.
Показатель преломления стекла выше, чем у воздуха, поэтому при переходе света из воздуха в стекло он замедляется и отклоняется к нормали (воображаемой линии, перпендикулярной поверхности).
Когда свет переходит из стекла в воздух, он ускоряется и отклоняется от нормального направления.
Короче говоря, свойства среды, через которую распространяется волна, а также частота и размер преобразователя являются основными факторами, влияющими на распространение электромагнитных и акустических волн.
Преломление изменяет скорость и направление световых волн, когда они проходят через различные материалы.
Это влияет на то, насколько далеко друг от друга находятся световые волны.
Знание того, что влияет на распространение луча, важно для выбора правильного оборудования и получения желаемых результатов в различных инженерных приложениях.
Использование распространения луча
Распространение луча является важной частью многих инженерных приложений, таких как освещение, гидроакустические системы, технологии подводного зондирования и многое другое.
Важно знать, как распространение луча влияет на эти технологии, чтобы вы могли выбрать правильное оборудование и получить желаемые результаты.
Распространение луча в освещении
В освещении угол, под которым свет выходит из светильника, называется рассеиванием луча.
Чем шире луч, тем больше площадь освещается с меньшей интенсивностью света.
C другой стороны, более узкий луч дает больше света на меньшей площади.
В многолучевых гусеничных головках угол луча можно изменить на месте, перемещая линзу.
Распространение луча заливающего света можно использовать для освещения большой площади, а распространение точечного луча можно использовать для выделения определенных частей комнаты.
Различные типы источников света имеют разные схемы распространения света, которые создаются по разным причинам.
Фары с рассеянным светом имеют более широкую диаграмму направленности, чем прожекторы, которые создают более сфокусированный световой пучок, который может двигаться дальше впереди автомобиля.
Противотуманные фары могут светить сквозь слои тумана, дождя, снега или пыли на дороге, потому что они имеют широкое горизонтальное рассеивание, но узкое вертикальное отсечение.
Cистема классификации рассеяния луча NEMA
Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) придумала способ классификации распространения света.
Эта система называется рассеянием луча NEMA.
Это относится к двум краям, где интенсивность света распространяется по горизонтали и вертикали до 10% от максимальной интенсивности луча и коррелирует с тем, является ли световой поток очень узким, очень широким или где-то посередине.
Углы горизонтального и вертикального распространения луча используются для определения различий между типами NEMA.
Cтандартизированная система классификации угла луча NEMA дает всем в отрасли последовательный способ выяснить, как светильники распространяют свет.
Шесть типов, названных NEMA, используются для разных целей.
Вы можете получить правильное распределение света для своего проекта, используя светильники с правильной классификацией NEMA.
Распространение луча в гидроакустических системах
В гидроакустических системах распространение луча относится к зоне охвата звуковых волн, излучаемых преобразователем.
Многолучевой сонар одновременно посылает несколько лучей сонара в виде веера, который смотрит под корабль и по бокам.
По сравнению с однолучевым гидролокатором это позволяет быстрее и точнее сканировать большую площадь морского дна.
Различные частоты показывают разные уровни детализации данных сонара.
Высокочастотные импульсы показывают много деталей, но не могут проникать глубоко в воду.
C другой стороны, низкочастотные импульсы уходят глубже в воду, но показывают меньше деталей.
Распространение луча в технологиях подводного зондирования
Распространение луча также влияет на технологии подводного зондирования, такие как связь в видимом свете (UVLC).
UVLC использует диапазон частот от 450 до 550 нм, потому что радиочастотные сигналы намного быстрее теряют свою силу в морской воде.
Это позволяет людям разговаривать под водой, даже несмотря на то, что морская вода не всегда имеет одинаковую температуру, а корпус двигается, когда на него наталкиваются волны.
Короче говоря, распространение луча — важная вещь, о которой следует думать во многих инженерных приложениях, таких как освещение, гидроакустические системы и технологии для обнаружения того, что происходит под водой.
Важно знать, как распространение луча влияет на эти технологии, чтобы вы могли выбрать правильное оборудование и получить желаемые результаты.
Какие методы можно использовать для контроля или изменения распространения луча в различных ситуациях?
Формирование луча и управление
Формирование луча и управление им — важный метод, который используется во многих современных устройствах, таких как объективы камер и оптические пинцеты.
В этом методе луч изменяется по-разному, чтобы получить желаемое распространение.
Одним из популярных способов изменения формы луча является использование дифракционных оптических элементов (ДОЭ).
DOE могут изменить способ распространения луча по фазе и амплитуде, чтобы получить необходимое расширение луча.
Кроме того, голографический оптический пинцет использует голограммы, созданные компьютером, для формирования и направления световых лучей для создания ловушек в трехмерном пространстве.
Диэлектрические метаповерхности
Диэлектрические метаповерхности представляют собой тонкие искусственные слои структур меньше длины волны, которые могут изменять поведение света в зависимости от его показателя преломления, периода, угла падения и формы поперечного сечения.
Они могут изменять силу, фазу и поляризацию луча, что позволяет создавать сложные диаграммы направленности.
Линзы, отражатели и дифракционные решетки
В некоторых случаях для контроля распространения луча можно использовать линзы, отражатели или дифракционные решетки.
Линзы могут изменять форму луча, делая его уже или шире, а отражатели могут поворачивать луч в определенном направлении.
Дифракционные решетки могут разделять луч на более чем один луч или искривлять его по определенной схеме.
Диафрагма или диафрагма
Изменяя размер отверстия, апертуру или диафрагму можно использовать для изменения размера луча.
В фотографии этот метод часто используется для контроля количества света, попадающего в камеру, и для получения нужной глубины резкости.
Перемещение заготовки или лазера
Например, при использовании лазера для резки или сварки луч можно изменить, перемещая заготовку или лазер.
Этот метод используется для выполнения очень точных разрезов или сварных швов, а также для контроля распространения луча.
Ускорители частиц
Ускорители частиц могут контролировать или изменять распространение луча несколькими способами.
К ним относятся методы инжекции и вывода, охлаждение пучка, перенос спина, поляризация, анализ первого витка, приближение с наибольшей настройкой, компенсация суммарного резонанса и эмиттанс вблизи резонанса связи.
Эти методы используются, чтобы убедиться, что луч устойчив, хорошо сфокусирован и находится в нужном месте.
В заключение, есть много способов контролировать или изменять способ распространения луча, и лучший способ сделать это зависит от приложения и потребностей.
Важно выбрать правильный метод, чтобы получить желаемое распространение луча и убедиться, что приложение работает.
Методы контроля и управления распространением луча
Распространение луча является критическим фактором во многих инженерных приложениях, включая освещение, гидроакустические системы и ускорители частиц.
Различные приложения требуют различных способов управления или изменения распространения луча.
Расчет ширины луча
Вы можете легко определить правильное рассеивание луча для вашего дизайна освещения, умножив угол луча на постоянное значение 0,018, а затем на расстояние.
Например, если вы хотите вычислить зону охвата (размер пятна) луча 10°, установленного на высоте 25 футов над палубой (расстояние проекции), вы можете использовать следующую формулу: 10° x 0,018 x 25 футов = 4,5 футов
В зависимости от размера рефлекторные лампы могут иметь точечный или заливающий луч.
Наличие обоих типов дает вам больше возможностей для освещения вашей собственности.
Выбирая лампочку для своего помещения, подумайте, какую атмосферу вы хотите создать.
Точечные светильники обычно представляют собой лампы с узким лучом, например, 12°.
Прожекторы или прожекторы — это лампы с более широким лучом, например, 60° или около того.
Формирование луча и управление
Формирование луча и управление им — ключевая часть многих современных технологий, таких как оптические пинцеты и объективы камер.
Оптические элементы, такие как линзы, зеркала и решетки, используются для изменения формы луча и направления его в определенном направлении или фокусировки на цели.
Этот метод также используется для управления пучками с различными показателями преломления, периодами, углами падения и формой поперечного сечения в диэлектрических метаповерхностях.
Уменьшение рассеивания луча
В ультразвуковой технологии вы можете уменьшить распространение луча, используя преобразователь с высокой частотой или увеличив диаметр преобразователя.
Перемещая микросферу с оптической ловушкой через световой луч, можно контролировать движение луча в оптофлюидном устройстве.
У ускорителей частиц есть много способов контролировать или изменять распространение луча, таких как методы инжекции и вывода, охлаждение луча, перенос спина, поляризация, анализ первого поворота, приближение к ближайшей настройке, компенсация суммарного резонанса и эмиттанс вблизи резонанса связи.
Cуществуют также следующие способы сузить луч:
Использование расширителя луча: Расширители луча можно использовать для уменьшения расходимости луча и обеспечения того, чтобы диаметр луча не превышал определенного предела, когда выходной луч находится далеко.
При увеличении луча внутри системы входной диаметр увеличивается, что уменьшает расходимость.
- Использование коллиматора: Коллиматор можно использовать для уменьшения распространения лазерного луча и повышения его коллимации.
- Использование меньшей апертуры: размер отверстия, через которое проходит лазерный луч, может повлиять на расстояние между лучами.
В большинстве случаев меньшая апертура уменьшает рассеивание луча.
- Использование линзы с большим фокусным расстоянием: линзу с большим фокусным расстоянием можно использовать для фокусировки лазерного луча в меньшую точку, что может уменьшить рассеивание луча.
Важно иметь в виду, что эти методы могут помочь уменьшить распространение луча, но они не могут сделать слишком много.
Кроме того, некоторые методы могут вызывать другие оптические аберрации, например сферическую аберрацию, которая может снизить качество луча.
Важно тщательно продумать потребности системы и выбрать правильный способ уменьшения рассеивания луча.
Распространение звукового луча в дальнем поле
Несколько факторов влияют на то, как звуковой луч распространяется в дальнем поле.
К ним относятся размер и форма источника ультразвука, частота луча, способ фокусировки луча и размер или апертура преобразователя.
Дальнее поле
Дальнее поле — это область, в которой диаметр луча растет дальше от источника, чем на одну длину ближней зоны.
Диаметр преобразователя и частота ультразвука
Насколько звуковой луч распространяется в дальнем поле, зависит от размера преобразователя, называемого апертурой, и частоты звуковых волн.
Кристаллы большего диаметра, производящие более высокочастотный звук, производят лучи, которые меньше расходятся в дальнем поле.
Кристаллы с меньшим диаметром и более низкой частотой создают лучи, которые сильно рассеиваются в дальнем поле.
Размер и форма источника ультразвука
Ширина луча, длина зоны Френеля и угол расхождения за пределами ближнего поля зависят от размера источника ультразвука.
Для преобразователя, в котором не применяется фокусировка, длина зоны Френеля определяется диаметром преобразователя и длиной волны.
Фокусировка луча
Cпособ фокусировки луча также влияет на то, как он выглядит в дальней зоне.
Фокусировка луча может уменьшить распространение луча в дальней зоне.
C другой стороны, использование преобразователя, который не фокусирует луч, увеличивает его распространение.
Короче говоря, диаметр или апертура преобразователя, частота ультразвука, размер и форма источника ультразвука, а также способ фокусировки луча — все это влияет на то, насколько звуковой луч распространяется в своем дальнем поле.
Зная об этих факторах, инженеры и исследователи могут создавать ультразвуковые системы, которые лучше всего подходят для их нужд.
Расчеты длины волны, ближнего поля, рассеяния луча
Cовет: включите кнопку подписи, если она вам нужна. Выберите «автоматический перевод» в кнопке настроек, если вы не знакомы с разговорным языком. Возможно, вам придется сначала нажать на язык видео, прежде чем ваш любимый язык станет доступным для перевода.
Заключение
Когда мы завершаем это обсуждение распространения луча, стоит уделить время тому, чтобы рассмотреть глубокое влияние, которое эта концепция оказывает на инженерный мир.
Распространение луча — это очень важная концепция, которую необходимо понимать, если вы хотите спроектировать системы освещения для стадиона, улучшить изображения сонара для подводных лодок или создать лазерную технологию для медицинских целей.
Инженеры могут выполнять работу более точно и эффективно, чем когда-либо прежде, тщательно контролируя и изменяя поведение волн при прохождении через различные материалы.
Итак, в следующий раз, когда вы будете работать над инженерным проектом, помните о силе распространения луча и о том, как он может помочь вам в достижении ваших целей.
Немного воображения и творческих способностей, и нет никаких ограничений на то, что вы можете сделать.
Поделись…
