Om du är ingenjör eller ingenjörsstudent vet du vad vågor är.
Vågor är en viktig del av många av de tekniker du använder varje dag, från radiosignaler till ultraljudsbilder.
Men har du någonsin tänkt på vad dessa vågor gör när de rör sig bort från där de börjar? Det är här idén om strålspridning kommer in.
Strålspridning är den vinkel med vilken en elektromagnetisk eller akustisk stråle rör sig bort från sin mittaxel när den rör sig genom ett material.
Att förstå strålspridningen är viktigt för att designa och göra det bästa av många tekniska system, som belysning, ekolod och lasrar.
Så jag ska prata om strålspridning och varför det är viktigt inom teknikområdet i den här artikeln.
Introduktion till strålspridning
Formell definition:
Vinkeln för divergens från den centrala axeln för en elektromagnetisk eller akustisk stråle när den färdas genom ett material.
Strålspridning är den mängd som en elektromagnetisk eller akustisk stråle rör sig bort från sin mittaxel när den rör sig genom ett material.
Den mäts vanligtvis i grader och visar hur bred strålen är från källan på ett visst avstånd.
Inom teknik är strålspridning en viktig idé som hjälper till att ta reda på hur stark och i vilken riktning ljus, ljud och radiovågor är.
Strålspridning i belysning
Inom belysning är strålspridning ett sätt att mäta hur långt ljus från en källa med en reflektor, som en glödlampa, går.
Den mäter hur bred strålen är, vilket är viktigt att veta om du vill bestämma hur mycket ljus som ska lysa på ett föremål eller en yta.
Beroende på hur stora de är har reflektorlampor antingen en punktstråle eller en bred stråle.
Strålens bredd är det som skiljer en punktstråle från en översvämningsstråle.
Använd denna enkla formel för att hitta bredden på en ljusstråle från ett givet avstånd: Strålspridning = Strålens vinkel x,018 x Avstånd.
Till exempel, om du vill veta hur långt en 120-graders strålkastares ljus kommer att nå från 15 fot bort, kan du bara koppla in siffrorna i den här formeln.
Spotlights och strålkastare beskrivs ofta av tillverkare på lite olika sätt.
Att veta hur strålspridning fungerar hjälper dig att välja rätt utomhusljus för ditt projekt.
För längre sträckor fungerar en smalare stråle som går längre bäst.
Om du vill använda bredare ljus för att skapa en atmosfär, bör avståndet mellan lamporna vara lika med eller större än diametern på ljusets strålspridning.
Strålspridning i akustiska vågor
Strålspridning kan även ske i ultraljudsgivare, där den mäts som vinkeln mellan ljudstrålens huvudlob i fjärrfältet och själva huvudloben.
Stråldivergensen är ett annat sätt att mäta hur mycket ljudenergi som sprids ut när den rör sig bort från sin källa.
Det beror mycket på hur ofta givaren används och hur stor den är.
En applet kan användas för att få en grov uppskattning av strålens divergensvinkel, vilket är hälften av strålspridningsvinkeln.
Detta görs genom att ta hänsyn till diameter (D), frekvens (F) och ljudhastighet (V) i ett flytande eller fast medium.
Varför strålspridning är ingen skrattande fråga inom teknik
Fortfarande svårt att förstå? Låt mig ändra synvinkeln lite:
Vem behöver oroa sig för irriterande saker som strålspridning? Låt bara dina ljus- eller ljudvågor flyga villigt och hoppas på det bästa! När allt kommer omkring, vem behöver precision eller noggrannhet i tekniska applikationer, eller hur?
Detta stämmer förstås inte alls, som vilken ingenjör eller ingenjörsstudent som helst vet.
När man designar och optimerar olika teknologier är strålspridning en av de viktigaste sakerna att tänka på.
Men ibland behöver vi lite ironisk humor för att förstå hur viktigt ett koncept som strålspridning är.
Låt oss nu gå tillbaka till förklaringen.
Faktorer som påverkar strålspridningen
De saker som påverkar hur elektromagnetiska och akustiska vågor sprids ut beror på vilken typ av material de färdas genom.
När du väljer en givare för ultraljud är strålvinkeln en viktig sak att tänka på.
Strålspridning gör reflektioner mindre högljudda eftersom ljudenergin sprids ut över ett större område.
Frekvensen och diametern på givaren har mycket att göra med hur bred strålen är.
När en lågfrekvent givare används är strålspridningen bredare än när en högfrekvent givare används.
När givarens diameter växer kommer strålspridningen att krympa.
När ljudstrålarna inte sprids bestäms hastigheten med vilken de sprids av diffraktionskoefficienten D, som är relaterad till krökningen av isofrekvensytan.
Valet av givare har stor effekt på känslighet, upplösning, penetration och strålspridning.
Att ändra arbetsfrekvensen eller vågformen har en liten effekt.
Faktorer som påverkar strålspridningen i ljusvågor
Refraktion är vad som händer när en ljusvåg rör sig från ett material till ett annat och ändrar hastighet och riktning.
Hur mycket ljusvågen böjs beror på vinkeln med vilken den träffar ytan och brytningsindexen för de två materialen.
Brytningsindexet visar hur mycket ett material saktar ner ljuset jämfört med ett vakuum.
När ljus går genom ett prisma böjs det två gånger: en gång när det går in och igen när det kommer ut.
Hur mycket ljuset böjs beror på dess våglängd, så olika färger böjs i olika vinklar.
Detta kallas dispersion.
När ljus går genom en glasbit studsar en del av det från ytan och en del går rakt igenom.
Hur mycket ljus som reflekteras beror på i vilken vinkel det träffar ytan och på hur luft och glas böjer ljus.
Glasets brytningsindex är högre än luftens, så när ljus går från luft till glas saktar det ner och böjer sig mot det normala (en tänkt linje vinkelrät mot ytan).
När ljus går från glas till luft, snabbar det upp och böjer sig bort från det normala.
Kort sagt, egenskaperna hos mediet vågen färdas genom, samt frekvensen och storleken på givaren, är de viktigaste sakerna som påverkar spridningen av elektromagnetiska och akustiska vågor.
Refraktion ändrar ljusvågornas hastighet och riktning när de passerar genom olika material.
Detta påverkar hur långt ifrån varandra ljusvågorna är.
Att veta vad som påverkar strålspridningen är viktigt för att välja rätt utrustning och få de resultat du vill ha i olika tekniska tillämpningar.
Användning av strålspridning
Strålspridning är en viktig del av många tekniska tillämpningar, såsom belysning, ekolodssystem, undervattensavkänningsteknologier och mer.
Det är viktigt att veta hur strålspridningen påverkar dessa tekniker så att du kan välja rätt utrustning och få de resultat du vill ha.
Strålspridning i belysning
I belysning kallas vinkeln med vilken ljus kommer ut ur en armatur dess strålspridning.
Mer område lyser upp med mindre ljusintensitet om strålen är bredare.
Å andra sidan ger en smalare strålspridning mer ljus på ett mindre område.
Med flerstrålespridningsspårhuvuden kan strålvinkeln ändras på plats genom att flytta linsen.
Flood beam spridningar kan användas för att lysa upp ett stort område, medan spot beam spridningar kan användas för att markera vissa delar av ett rum.
Olika sorters lampor har olika mönster för hur deras ljus sprids, som är gjorda av olika anledningar.
Spridningsljus har ett bredare strålmönster än spotlights, som ger en mer fokuserad ljusstråle som kan färdas längre framför fordonet.
Dimljus kan lysa genom lager av dimma, regn, snö eller damm på vägen eftersom de har en bred horisontell spridning men en smal vertikal avskärning.
NEMA strålspridningsklassificeringssystem
National Electrical Manufacturers Association (NEMA) kom på ett sätt att klassificera hur ljus sprids.
Detta system kallas NEMA strålspridning.
Det hänvisar till de två kanterna där ljusintensiteten sprider sig horisontellt och vertikalt till 10 % av den maximala strålintensiteten och korrelerar med om ljusutgången är mycket smal, mycket bred eller någonstans däremellan.
Vinklar för horisontell och vertikal strålspridning används för att se skillnaden mellan NEMA-typer.
Det standardiserade NEMA strålvinkelklassificeringssystemet ger alla i branschen ett konsekvent sätt att ta reda på hur armaturer sprider ljus.
De sex typer som NEMA nämner används för olika saker.
Du kan få rätt ljusfördelning för ditt projekt genom att använda armaturer med rätt NEMA-klassificering.
Strålspridning i ekolodssystem
I ekolodssystem avser strålspridning täckningsområdet för ljudvågor som emitteras av en givare.
Multibeam ekolod skickar ut flera ekolodsstrålar samtidigt i ett solfjäderformat mönster som ser ut under fartyget och åt varje sida.
Jämfört med enstrålade ekolod gör detta det möjligt att skanna ett större område av havsbotten snabbare och med större noggrannhet.
Olika frekvenser avslöjar olika detaljnivåer i ekolodsdata.
Högfrekventa pulser visar mycket detaljer men kan inte gå djupt ner i vattnet.
Lågfrekventa pulser går å andra sidan djupare ner i vattnet men visar mindre detaljer.
Strålspridning i undervattensavkänningsteknologier
Strålspridning påverkar också teknologier för undervattensavkänning, såsom synligt ljuskommunikation (UVLC).
UVLC använder ett frekvensområde mellan 450 och 550 nm eftersom radiofrekvenssignaler förlorar sin styrka mycket snabbare i havsvatten.
Detta gör det möjligt för människor att prata under vattnet, även om havsvatten inte alltid har samma temperatur och skrovet rör sig när vågorna träffar det.
Kort sagt, strålspridning är en viktig sak att tänka på i många tekniska tillämpningar, såsom belysning, ekolodssystem och teknologier för att känna av vad som händer under vattnet.
Det är viktigt att veta hur strålspridningen påverkar dessa tekniker så att du kan välja rätt utrustning och få de resultat du vill ha.
Vilka metoder kan användas för att kontrollera eller ändra spridningen av en stråle i olika situationer?
Balkformning och styrning
Strålformning och styrning är en viktig teknik som används i många moderna enheter, som kameralinser och optisk pincett.
I denna metod ändras strålen på olika sätt för att få den spridning som önskas.
Ett populärt sätt att ändra strålens form är att använda diffraktiva optiska element (DOE).
DOE:erna kan ändra hur strålen sprids i form av fas och amplitud för att få den strålspridning som behövs.
Även holografiska optiska pincett använder hologram gjorda av en dator för att forma och rikta ljusstrålar för att skapa fällor i 3D-rymden.
Dielektriska metasytor
Dielektriska metasytor är tunna, konstgjorda lager av strukturer som är mindre än en våglängd som kan förändra hur ljuset beter sig baserat på dess brytningsindex, period, infallsvinkel och tvärsnittsform.
De kan ändra strålens styrka, fas och polarisation, vilket gör att de kan skapa komplexa strålmönster.
Linser, reflektorer och diffraktionsgitter
I vissa situationer kan linser, reflektorer eller diffraktionsgitter användas för att styra hur långt en stråle sprids.
Linser kan ändra formen på strålen för att göra den smalare eller bredare, och reflektorer kan vända strålen i en viss riktning.
Diffraktionsgitter kan dela strålen i mer än en stråle eller böja den till ett visst mönster.
Bländare eller iris
Genom att ändra storleken på öppningen kan en bländare eller iris användas för att ändra strålens storlek.
Inom fotografering används ofta denna metod för att styra hur mycket ljus som kommer in i kameran och för att få rätt skärpedjup.
Flytta arbetsstycket eller lasern
När man använder en laser för att skära eller svetsa, till exempel, kan strålen ändras genom att flytta arbetsstycket eller lasern.
Denna metod används för att göra skärningar eller svetsar som är mycket exakta och för att kontrollera hur långt strålen sprids.
Partikelacceleratorer
Partikelacceleratorer kan kontrollera eller ändra strålspridningen på ett antal sätt.
Dessa inkluderar injektions- och extraktionsmetoder, strålkylning, spinntransport, polarisering, första varvsanalys, närmaste tune-inställning, kompensering av summaresonansen och emittans nära kopplingsresonans.
Dessa metoder används för att säkerställa att strålen är stadig, välfokuserad och på rätt plats.
Sammanfattningsvis finns det många sätt att kontrollera eller ändra hur en stråle sprids, och det bästa sättet att göra det beror på applikationen och behoven.
Det är viktigt att välja rätt teknik för att få den strålspridning man vill ha och se till att applikationen fungerar.
Tekniker för att kontrollera och manipulera strålspridning
Strålspridning är en kritisk faktor i många tekniska tillämpningar, inklusive belysning, ekolodssystem och partikelacceleratorer.
Olika tillämpningar kräver olika sätt att kontrollera eller ändra strålspridningen.
Beräkna strålspridning
Du kan enkelt räkna ut rätt strålspridning för din ljusdesign genom att multiplicera strålens vinkel med ett konstant värde på 0,018 och sedan med avståndet.
Om du till exempel vill räkna ut täckningsområdet (punktstorlek) för en 10° stråle som är monterad 25 fot ovanför däcket (kastavståndet), kan du använda den här formeln: 10° x 0,018 x 25 fot = 4,5 med.
Beroende på hur stora de är kan reflektorlampor antingen ha en punktstråle eller en översvämningsstråle.
Att ha båda typerna ger dig fler sätt att belysa din fastighet.
När du väljer en glödlampa för ditt utrymme, tänk på vilken typ av atmosfär du vill skapa.
Spotljus är vanligtvis glödlampor med en smal stråle, typ 12°.
Flood- eller wash-ljus är glödlampor med en bredare stråle, typ 60° eller så.
Strålformning och styrning
Strålformning och styrning är en viktig del av många moderna tekniker, som optisk pincett och kameralinser.
Optiska element som linser, speglar och galler används för att ändra formen på strålen och rikta den i en viss riktning eller fokusera den på ett mål.
Denna metod används också för att styra strålar med olika brytningsindex, perioder, infallsvinklar och tvärsnittsformer i dielektriska metasytor.
Minska strålspridningen
Inom ultraljudsteknik kan du göra strålspridningen mindre genom att använda en givare med hög frekvens eller genom att göra givarens diameter större.
Genom att flytta en optiskt fången mikrosfär genom en ljusstråle är det möjligt att styra hur en stråle rör sig i en optofluidisk enhet.
Partikelacceleratorer har många sätt att kontrollera eller ändra strålspridning, såsom injektions- och extraktionsmetoder, strålkylning, spinntransport, polarisering, första varvsanalys, närmaste tune-inställning, kompensering av summaresonansen och emittans nära kopplingsresonans.
Det finns också följande sätt att begränsa strålen:
Använda en strålexpanderare: Strålexpanderare kan användas för att minska stråldivergensen och se till att strålens diameter inte överskrider en viss gräns när den utgående strålen är långt borta.
Genom att göra strålen större inuti systemet växer ingångsdiametern, vilket gör divergensen mindre.
- Använda en kollimator: En kollimator kan användas för att minska spridningen av laserstrålen och göra den mer kollimerad.
- Använda en mindre bländare: Storleken på hålet som laserstrålen går igenom kan påverka hur långt ifrån varandra strålen är.
För det mesta kommer en mindre bländare att göra att strålen sprids mindre.
- Använda en lins med längre brännvidd: En lins med längre brännvidd kan användas för att fokusera laserstrålen till en mindre punkt, vilket kan minska strålspridningen.
Det är viktigt att komma ihåg att dessa tekniker kan bidra till att minska strålspridningen, men de kan bara göra så mycket.
Vissa tekniker kan också orsaka andra optiska aberrationer, som sfärisk aberration, vilket kan sänka strålens kvalitet.
Det är viktigt att noga tänka igenom systemets behov och välja rätt sätt att minska strålspridningen.
Ljudstråle sprids i fjärran fält
Flera saker påverkar hur en ljudstråle sprids i det bortre fältet.
Dessa inkluderar storleken och formen på ultraljudskällan, strålens frekvens, hur strålen fokuseras och givarens storlek eller öppning.
Det bortre fältet
Det bortre fältet är det område där strålens diameter växer längre bort från källan än en nära zonlängd.
Givardiameter och ultraljudsfrekvens
Hur mycket en ljudstråle sprids ut i det bortre fältet beror på storleken på givaren, kallad bländare, och ljudvågornas frekvens.
Kristaller med större diameter som producerar ljud med högre frekvens producerar strålar som divergerar mindre i fjärrfältet.
Kristaller med mindre diameter och lägre frekvens skapar strålar som är mycket utspridda i det bortre fältet.
Storlek och form på ultraljudskällan
Strålbredden, Fresnelzonens längd och divergensvinkeln bortom närfältet påverkas alla av storleken på ultraljudskällan.
För en givare där ingen fokusering tillämpas, bestäms längden på Fresnel-zonen av givarens diameter och våglängd.
Strålfokusering
Sättet som strålen fokuseras på ändrar också hur den ser ut i det bortre fältet.
Fokusering av strålen kan göra att strålen sprids mindre i det bortre fältet.
Att använda en givare som inte fokuserar strålen gör å andra sidan att strålen sprids mer.
Kort sagt, givarens diameter eller öppning, frekvensen av ultraljudet, storleken och formen på ultraljudskällan och hur strålen fokuseras påverkar alla hur mycket en ljudstråle sprids ut i dess avlägsna fält.
Genom att känna till dessa faktorer kan ingenjörer och forskare göra ultraljudssystem som fungerar bäst för deras behov.
Beräkningar av våglängd, närområde, strålspridning
Tips: Slå på bildtextknappen om du behöver den. Välj "automatisk översättning" i inställningsknappen om du inte är bekant med det talade språket. Du kan behöva klicka på språket för videon först innan ditt favoritspråk blir tillgängligt för översättning.
Slutsats
När vi avslutar den här diskussionen om strålspridning är det värt att ta en stund att överväga den djupgående inverkan som detta koncept har på ingenjörsvärlden.
Strålspridning är ett mycket viktigt koncept att förstå om du vill designa belysningssystem för en stadion, förbättra ekolodsavbildning för ubåtar eller göra laserteknik för medicinskt bruk.
Ingenjörer kan utföra arbete som är mer exakt och effektivt än någonsin tidigare genom att noggrant kontrollera och ändra hur vågor beter sig när de rör sig genom olika material.
Så, nästa gång du arbetar med ett ingenjörsprojekt, tänk på kraften i strålspridningen och hur den kan hjälpa dig att nå dina mål.
Med lite fantasi och kreativitet finns det egentligen inga gränser för vad du kan göra.
Dela på…
