Затухание

В физике , ослабление или, в некоторых случаях, исчезновение является постепенная потеря потока интенсивности через среду . Например, темные очки ослабляют солнечный свет , свинец ослабляет рентгеновские лучи , а вода и воздух ослабляют свет и звук с переменной степенью ослабления.

Средства защиты органов слуха помогают уменьшить акустический поток, попадающий в уши. Это явление называется акустическим затуханием и измеряется в децибелах (дБ).

В электротехнике и телекоммуникациях затухание влияет на распространение волн и сигналов в электрических цепях , в оптических волокнах и в воздухе. В этой области обычно производятся электрические аттенюаторы и оптические аттенюаторы .

Фон [ править ]

Затухание электромагнитного излучения в стандартной атмосфере в зависимости от частоты.

Во многих случаях затухание является экспоненциальной функцией длины пути через среду. В химической спектроскопии это известно как закон Бера – Ламберта . В технике затухание обычно измеряется в децибелах на единицу длины среды (дБ / см, дБ / км и т. Д.) И представлено коэффициентом затухания в рассматриваемой среде. ^[1] Затухание также происходит при землетрясениях ; когда сейсмические волны перемещаются дальше от гипоцентра , они становятся меньше по мере ослабления землей .

Ультразвук [ править ]

Одна из областей исследований, в которой затухание играет важную роль, - это физика ультразвука . Затухание в ультразвуке - это уменьшение амплитуды ультразвукового луча в зависимости от расстояния через среду формирования изображения. Учет эффектов затухания в ультразвуке важен, поскольку уменьшенная амплитуда сигнала может повлиять на качество создаваемого изображения. Зная ослабление, которое испытывает ультразвуковой луч, проходящий через среду, можно регулировать амплитуду входного сигнала, чтобы компенсировать любые потери энергии на желаемой глубине визуализации. ^[2]

• Измерение затухания ультразвука в гетерогенных системах, таких как эмульсии или коллоиды , дает информацию о распределении частиц по размерам . На эту технику существует стандарт ISO. ^[3]
• Затухание ультразвука можно использовать для измерения реологии растяжения . Есть акустические реометры , которые используют закон Стокса для измерения продольной вязкости и объемной вязкости .

Волновые уравнения, которые учитывают акустическое затухание, можно записать в форме дробной производной, см. Статью об акустическом затухании или, например, обзорную статью. ^[4]

В однородных средах основными физическими свойствами, способствующими затуханию звука, являются вязкость ^[5] и теплопроводность. ^{[6] [7]}

Коэффициент затухания [ править ]

Коэффициенты ослабления используются для количественной оценки различных сред в зависимости от того, насколько сильно уменьшается амплитуда передаваемого ультразвука в зависимости от частоты. Затухания коэффициент ( ) может быть использован для определения общего затухания в дБ в среде , используя следующую формулу:${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle {\text{Attenuation}}=\alpha \left[{\frac {\text{dB}}{{\text{MHz}}\cdot {\text{cm}}}}\right]\cdot \ell [{\text{cm}}]\cdot {\text{f}}[{\text{MHz}}]}$

Затухание линейно зависит от длины среды и коэффициента затухания, а также - приблизительно - от частоты падающего ультразвукового луча для биологической ткани (в то время как для более простых сред, таких как воздух, зависимость квадратичная ). Коэффициенты затухания сильно различаются для разных сред. Однако в биомедицинской ультразвуковой визуализации биологические материалы и вода являются наиболее часто используемыми средами. Коэффициенты ослабления обычных биологических материалов на частоте 1 МГц перечислены ниже: ^[8]

Материал	${\displaystyle \alpha {\text{ }}\left({\frac {\text{dB}}{{\text{MHz}}\cdot {\text{cm}}}}\right)}$
Воздух при 20 ° C [9]	1,64
Кровь	0,2
Кость , кортикальная	6.9
Кость, трабекулярная	9,94
Мозг	0,6
Грудь	0,75
Сердечный	0,52
Соединительная ткань	1,57
Дентин	80
Эмаль	120
Толстый	0,48
Печень	0,5
Костный мозг	0,5
Мышцы	1.09
Сухожилие	4,7
Мягкие ткани (в среднем)	0,54
Вода	0,0022

Есть два основных способа потери акустической энергии: поглощение и рассеяние , например рассеяние света . ^[10] Распространение ультразвука через однородные среды связано только с поглощением и может быть охарактеризовано только коэффициентом поглощения . При распространении в неоднородных средах необходимо учитывать рассеяние. ^[11] Волновые уравнения с дробной производной могут применяться для моделирования распространения акустических волн с потерями, см. Также акустическое затухание и Ref. ^[4]

Ослабление света в воде [ править ]

Коротковолновое излучение, излучаемое Солнцем, имеет длины волн в видимом спектре света от 360 нм (фиолетовый) до 750 нм (красный). Когда солнечное излучение достигает поверхности моря, коротковолновое излучение ослабляется водой, и интенсивность света экспоненциально уменьшается с глубиной воды. Интенсивность света на глубине можно рассчитать с помощью закона Бера-Ламберта .

В прозрачных водах середины океана видимый свет поглощается сильнее всего на самых длинных волнах. Таким образом, красные, оранжевые и желтые волны полностью поглощаются на меньшей глубине, в то время как синие и фиолетовые волны достигают большей глубины в толще воды . Поскольку волны синего и фиолетового цветов поглощаются меньше всего по сравнению с волнами других длин, воды открытого океана кажутся глазу темно-синими .

У берега прибрежные воды содержат больше фитопланктона, чем очень чистые воды среднего океана. Пигменты хлорофилла- а в фитопланктоне поглощают свет, а сами растения рассеивают свет, делая прибрежные воды менее прозрачными, чем воды среднего океана. Хлорофилл-а сильнее всего поглощает свет в самых коротких длинах волн (синего и фиолетового) видимого спектра. В прибрежных водах, где наблюдается высокая концентрация фитопланктона, длина волны зеленого цвета достигает наибольшей глубины в толще воды, и цвет воды кажется сине-зеленым или зеленым .

Сейсмические волны [ править ]

Энергия, с которой землетрясение влияет на местоположение, зависит от пройденного расстояния . Ослабление сигнала интенсивности колебаний грунта играет важную роль в оценке возможных сильных сотрясений земли. Сейсмическая волна теряет энергию , как она распространяется по земле (затухание). Это явление связано с разбросом сейсмической энергии с расстоянием. Есть два типа рассеиваемой энергии:

• геометрическая дисперсия, вызванная распределением сейсмической энергии на большие объемы
• рассеивание в виде тепла, также называемое внутренним затуханием или неупругим затуханием.

В пористых осадочных породах, насыщенных флюидом, таких как песчаники , собственное затухание сейсмических волн в первую очередь вызвано вызванным волнами потоком порового флюида относительно твердого каркаса.^[12]

Электромагнитный [ править ]

Затухание уменьшает интенсивность электромагнитного излучения из - за поглощения или рассеяния из фотонов . Затухание не включает уменьшение интенсивности из -за геометрического расширения по закону обратных квадратов . Следовательно, расчет полного изменения интенсивности включает как закон обратных квадратов, так и оценку ослабления на трассе.

Основными причинами ослабления в веществе являются фотоэлектрический эффект , комптоновское рассеяние и, для энергии фотонов выше 1,022 МэВ, образование пар .

Коаксиальные и общие радиочастотные кабели [ править ]

Затухание в радиочастотных кабелях определяется:

${\displaystyle {\text{Attenuation (dB/100m)}}=10\times \log _{10}\left({\frac {P_{1}\ (W)}{P_{2}\ (W)}}\right),}$

где - входная мощность в кабель длиной 100 м с номинальным значением его характеристического импеданса, а - выходная мощность на дальнем конце этого кабеля. ^[13]${\displaystyle P_{1}}$${\displaystyle P_{2}}$

Затухание в коаксиальном кабеле зависит от материалов и конструкции.

Рентгенография [ править ]

Луч рентгеновского излучения ослабляется, когда фотоны поглощаются, когда рентгеновский луч проходит через ткань. Взаимодействие с веществом варьируется между фотонами высокой энергии и фотонами низкой энергии. Фотоны, путешествующие с более высокой энергией, более способны проходить через образец ткани, поскольку у них меньше шансов на взаимодействие с веществом. В основном это происходит из-за фотоэлектрического эффекта, который утверждает, что «вероятность фотоэлектрического поглощения приблизительно пропорциональна (Z / E) ³ , где Z - атомный номер атома ткани, а E - энергия фотона. ^[14] В контексте из-за этого увеличение энергии фотона (E) приведет к быстрому уменьшению взаимодействия с веществом.

Оптика [ править ]

Затухание в волоконной оптике , также известное как потеря передачи, - это уменьшение интенсивности светового луча (или сигнала) по отношению к расстоянию, пройденному через среду передачи. Коэффициенты затухания в волоконной оптике обычно используют единицы дБ / км через среду из-за относительно высокого качества прозрачности современных оптических сред передачи. Среда обычно представляет собой стекловолокно из кварцевого стекла, которое ограничивает падающий луч света внутрь. Затухание - важный фактор, ограничивающий передачу цифрового сигнала на большие расстояния. Таким образом, большое количество исследований было направлено как на ограничение ослабления, так и на максимальное усиление оптического сигнала. Эмпирические исследования показали, что затухание в оптическом волокне вызывается в первую очередь как рассеянием,и абсорбция . ^[15]

Затухание в волоконной оптике можно количественно оценить с помощью следующего уравнения: ^[16]

${\displaystyle {\text{Attenuation (dB)}}=10\times \log _{10}\left({\frac {\text{Input intensity (W)}}{\text{Output intensity (W)}}}\right)}$

Рассеяние света [ править ]

Распространение света через сердцевину оптического волокна основано на полном внутреннем отражении световой волны. Шероховатые и неровные поверхности даже на молекулярном уровне стекла могут вызывать отражение световых лучей во многих случайных направлениях. Этот тип отражения называется « диффузным отражением », и он обычно характеризуется большим разнообразием углов отражения. Большинство объектов, которые можно увидеть невооруженным глазом, видны из-за диффузного отражения. Другой термин, обычно используемый для этого типа отражения, - « рассеяние света ». Рассеяние света от поверхностей объектов - наш основной механизм физического наблюдения. ^{[17] [18]} Рассеяние света от многих общих поверхностей можно смоделировать с помощьюламбертовский коэффициент отражения .

Рассеяние света зависит от длины волны рассеиваемого света. Таким образом, возникают ограничения на пространственные масштабы видимости, зависящие от частоты падающей световой волны и физического размера (или пространственного масштаба) центра рассеяния, который обычно имеет форму некоторой конкретной микроструктурной особенности. Например, поскольку видимый свет имеет масштаб длины волны порядка одного микрометра , центры рассеяния будут иметь размеры в аналогичном пространственном масштабе.

Таким образом, затухание возникает из-за некогерентного рассеяния света на внутренних поверхностях и границах раздела . В (поли) кристаллических материалах, таких как металлы и керамика, помимо пор, большинство внутренних поверхностей или границ раздела имеют форму границ зерен, которые разделяют крошечные области кристаллического порядка. Недавно было показано, что, когда размер рассеивающего центра (или границы зерен) уменьшается ниже размера длины волны рассеиваемого света, рассеяние больше не происходит в какой-либо значительной степени. Это явление привело к производству прозрачных керамических материалов .

Точно так же рассеяние света в стекловолокне оптического качества вызывается неоднородностями на молекулярном уровне (флуктуациями состава) в структуре стекла. Действительно, одна из новых школ мысли состоит в том, что стекло - это просто предельный случай поликристаллического твердого тела. В этих рамках «домены», проявляющие различную степень ближнего порядка, становятся строительными блоками как металлов, так и сплавов, а также стекла и керамики. Как между этими доменами, так и внутри них распределены микроструктурные дефекты, которые обеспечивают наиболее идеальные места для возникновения светорассеяния. Это же явление рассматривается как один из ограничивающих факторов прозрачности куполов ИК-ракет. ^[19]

Поглощение в УФ-видимом-ИК-диапазоне [ править ]

В дополнение к рассеянию света, ослабление или потеря сигнала также может происходить из-за избирательного поглощения определенных длин волн, подобно тому, как это отвечает за появление цвета. Основные соображения по материалам включают как электроны, так и молекулы, а именно:

• На электронном уровне это зависит от того, разнесены ли электронные орбитали (или «квантованы») таким образом, чтобы они могли поглощать квант света (или фотон) определенной длины волны или частоты в ультрафиолетовом (УФ) или видимом диапазонах. Вот что дает начало цвету.
• На атомном или молекулярном уровне это зависит от частот атомных или молекулярных колебаний или химических связей, от того, насколько плотно упакованы его атомы или молекулы, а также от того, обладают ли атомы или молекулы дальним порядком. Эти факторы будут определять способность материала передавать более длинные волны в инфракрасном (ИК), дальнем инфракрасном, радио- и микроволновом диапазонах.

Избирательное поглощение инфракрасного (ИК) света конкретным материалом происходит потому, что выбранная частота световой волны совпадает с частотой (или целым кратным частоте), с которой частицы этого материала вибрируют. Поскольку разные атомы и молекулы имеют разные собственные частоты колебаний, они избирательно поглощают разные частоты (или части спектра) инфракрасного (ИК) света.

Приложения [ править ]

В оптических волокнах затухание - это скорость, с которой световой сигнал уменьшается в интенсивности. По этой причине для волоконно-оптических кабелей на большие расстояния используется стекловолокно (которое имеет низкое затухание); пластиковое волокно имеет более высокое затухание и, следовательно, более короткий радиус действия. Также существуют оптические аттенюаторы, которые намеренно уменьшают сигнал в оптоволоконном кабеле.

Ослабление света также важно в физической океанографии . Этот же эффект является важным фактором в метеорологических радарах , поскольку капли дождя поглощают часть излучаемого луча, которая является более или менее значительной, в зависимости от используемой длины волны.

Из-за разрушительного воздействия фотонов высокой энергии необходимо знать, сколько энергии откладывается в ткани во время диагностических процедур с использованием такого излучения. Кроме того, гамма-излучение используется при лечении рака, когда важно знать, сколько энергии будет депонировано в здоровой и опухолевой ткани.

В компьютерной графике затухание определяет локальное или глобальное влияние источников света и силовых полей.

При компьютерной томографии затухание описывает плотность или темноту изображения.

Радио [ править ]

Затухание - важный фактор в современном мире беспроводной связи . Затухание ограничивает диапазон радиосигналов и зависит от материалов, через которые должен проходить сигнал (например, воздух, дерево, бетон, дождь). См. Статью о потере сигнала для получения дополнительной информации о потере сигнала при беспроводной связи.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• XAAMDI NIST: ослабление и поглощение рентгеновских лучей для материалов дозиметрической базы данных
• XCOM NIST: база данных сечений фотонов
• NIST FAST: Таблицы ослабления и рассеяния
• Подводная радиосвязь