Затухание - Attenuation

В физика, затухание или, в некоторых случаях, вымирание постепенная потеря поток интенсивность через средний. Например, темный очки ослаблять Солнечный свет, вести ослабляет Рентгеновские лучи, и воды и воздуха ослабить оба свет и звук при переменных уровнях затухания.

Средства защиты слуха помочь уменьшить акустический поток от попадания в уши. Это явление называется акустическое затухание и измеряется в децибелы (дБс).

В электротехника и телекоммуникации затухание влияет на распространение волн и сигналы в электрические схемы, в оптические волокна, и в воздухе. Электрические аттенюаторы и оптические аттенюаторы компоненты, обычно производимые в этой области.

Фон

Затухание электромагнитного излучения в стандартной атмосфере в зависимости от частоты.

Во многих случаях затухание экспоненциальная функция длины пути через среду. В химической спектроскопия, это известно как Закон Бера – Ламберта. В технике затухание обычно измеряется в единицах децибелы на единицу длины среды (дБ / см, дБ / км и т. д.) и представлен затуханием коэффициент рассматриваемого носителя.^[1] Затухание также происходит в землетрясения; когда сейсмические волны отойти подальше от гипоцентр, они становятся меньше по мере ослабления земля.

УЗИ

Одна из областей исследований, в которой ослабление играет важную роль, - это УЗИ физика. 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]

Затухание ультразвука измерение в неоднородный системы, такие как эмульсии или же коллоиды, дает информацию о Распределение частиц по размерам. На эту технику существует стандарт ISO.^[3]
Затухание ультразвука может использоваться для реология растяжения измерение. Есть акустические реометры которые используют Закон Стокса для измерения вязкость при растяжении и объемная вязкость.

Волновые уравнения, учитывающие затухание звука, можно записать в форме дробной производной, см. Статью акустическое затухание или например обзорный документ.^[4]

Коэффициент затухания

Коэффициенты затухания используются для количественной оценки различных сред в зависимости от того, насколько сильно уменьшается амплитуда передаваемого ультразвука в зависимости от частоты. Затухание коэффициент ( ${displaystyle alpha}$ ) может использоваться для определения полного затухания в дБ в среде по следующей формуле:

{displaystyle {ext {Attenuation}} = alpha left [{frac {ext {dB}} {{ext {MHz}} cdot {ext {cm}}}} ight] cdot ell [{ext {cm}}] cdot { ext {f}} [{ext {MHz}}]}

Затухание линейно зависит от длины среды и коэффициента затухания, а также - примерно - от частота падающего ультразвукового луча для биологической ткани (в то время как для более простых сред, таких как воздух, соотношение квадратичный ). 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:^[5]


Материал	${displaystyle alpha {ext {}} left ({frac {ext {dB}} {{ext {MHz}} cdot {ext {cm}}}} ight)}$
Воздуха, при 20 ° C^[6]	1.64
Кровь	0.2
Кость, корковый	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.^[7]Распространение ультразвука через однородный среда связана только с абсорбцией и может быть охарактеризована коэффициент поглощения Только. Распространение через неоднородный media требует учета рассеяния.^[8] 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

Коротковолновое излучение излучаемые Солнцем имеют длины волн в видимый спектр света в диапазоне 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 Закон 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 меньших глубинах, в то время как синие и фиолетовые волны достигают большей глубины. столб воды. Поскольку синие и фиолетовые длины волн поглощаются меньше всего по сравнению с другими длинами волн, воды открытого океана кажутся темно-синий к глазу.

У берега прибрежная вода содержит больше фитопланктон чем очень чистые воды среднего океана. Хлорофилл -а пигменты фитопланктона 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 встречаются высокие концентрации фитопланктона, длина волны зеленого цвета достигает наибольшей глубины в толще воды и цвет воды появляется цвет морской волны или же зеленый.

Сейсмические волны

Энергия, с которой землетрясение влияет на местоположение зависит от бега расстояние. Ослабление сигнала интенсивности колебаний грунта играет важную роль в оценке возможных сильных сотрясений земли. А сейсмическая волна проигрывает энергия поскольку он распространяется через земной шар (затухание). Этот явление привязан к разброс сейсмической энергии с расстоянием. Есть два типа рассеянный энергия:

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

Электромагнитный

Затухание снижает интенсивность электромагнитное излучение из-за поглощение или же рассеяние из фотоны. Затухание не включает снижение интенсивности из-за закон обратных квадратов геометрическое распространение. 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, а для энергии фотонов выше 1,022 МэВ парное производство.

Коаксиальные и общие радиочастотные кабели

Затухание в радиочастотных кабелях определяется:

{displaystyle {ext {Attenuation (dB / 100m)}} = 10 imes log _ {10} left ({frac {P_ {1} (W)} {P_ {2} (W)}} ight),}

куда ${displaystyle P_ {1}}$ - входная мощность в кабель длиной 100 м с номинальным значением характеристического импеданса, и ${displaystyle P_ {2}}$ - выходная мощность на дальнем конце этого кабеля.^[9]

Затухание в коаксиальном кабеле зависит от материалов и конструкции.

Рентгенография

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. Это в основном связано с фотоэлектрическим эффектом, который гласит, что «вероятность фотоэлектрического поглощения приблизительно пропорциональна (Z / E)³, где Z - атомный номер атома ткани, E - энергия фотона.^[10] В связи с этим увеличение энергии фотона (E) приведет к быстрому уменьшению взаимодействия с веществом.

Оптика

Затухание в волоконная оптика, также известное как потеря передачи, представляет собой уменьшение интенсивности светового луча (или сигнала) по сравнению с расстоянием, пройденным 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 затухания, так и на максимальное усиление оптического сигнала. Эмпирические исследования показали, что затухание в оптическом волокне в первую очередь вызвано обоими факторами. рассеяние и поглощение.^[11]

Затухание в волоконной оптике можно количественно оценить с помощью следующего уравнения:^[12]

{displaystyle {ext {Attenuation (dB)}} = 10 imes log _ {10} left ({frac {ext {Входная интенсивность (Вт)}} {ext {Выходная интенсивность (Вт)}}} ight)}

Рассеяние света

Зеркальное отражение

Диффузное отражение

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 "диффузное отражение ", 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.^[13]^[14]Рассеяние света от многих обычных поверхностей можно смоделировать с помощью ламбертовский коэффициент отражения.

Рассеяние света зависит от длина волны рассеянного света. Таким образом, возникают ограничения для пространственных масштабов видимости в зависимости 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 шкалу длин волн порядка одного микрометр центры рассеяния будут иметь размеры в аналогичном пространственном масштабе.

Таким образом, затухание возникает из-за некогерентное рассеяние света на внутреннем поверхности и интерфейсы. В (поли) кристаллических материалах, таких как металлы и керамика, помимо пор, большинство внутренних поверхностей или границ раздела имеют форму границы 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 прозрачные керамические материалы.

Точно так же рассеяние света в стекловолокне оптического качества вызвано неоднородностями молекулярного уровня (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.^[15]

УФ-видимое-ИК-поглощение

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») так, 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 ИК, 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

В оптические волокна, затухание - это скорость уменьшения интенсивности светового сигнала. 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 физическая океанография. Этот же эффект является важным соображением в метеорологический радар, 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 в лечение рака где важно знать, сколько энергии будет депонировано в здоровой и опухолевой ткани.

В Компьютерная графика затухание определяет локальное или глобальное влияние источников света и силовых полей.

В КТ, затухание описывает плотность или темноту изображения.

Радио

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

Смотрите также

внешняя ссылка

[Zagzebski-1] Основы ультразвуковой физики, Джеймс А. Загзебски, Mosby Inc., 1996.

[Bushong-2] Диагностическое УЗИ, Стюарт С. Бушонг и Бенджамин Р. Арчер, Mosby Inc., 1991.

[3] ISO 20998-1: 2006 «Измерение и определение характеристик частиц акустическими методами».

[Nasholm-4] а ^б С. П. Нэсхольм и С. Холм, "Об уравнении дробной упругой волны Зинера", Фракт. Расчет. Appl. Анальный. Vol. 16, № 1 (2013), с. 26–50, Дои:10.2478 / с13540-013--0003-1 Ссылка на электронную печать

[Culjat-5] Culjat, Martin O .; Гольденберг, Дэвид; Тевари, Приямвада; Сингх, Рахул С. (2010). «Обзор заменителей тканей для ультразвуковой визуализации». Ультразвук в медицине и биологии. 36 (6): 861–873. Дои:10.1016 / j.ultrasmedbio.2010.02.012. PMID 20510184. Архивировано из оригинал на 2013-04-16.

[6] ttp://www.ndt.net/article/ultragarsas/63-2008-no.1_03-jakevicius.pdf

[7] Борен, К.Ф. и Хаффман, Д.Р. "Поглощение и рассеяние света малыми частицами", Wiley, (1983), ISBN 0-471-29340-7

[8] Духин, А. и Гетц П.Дж. "Ультразвук для определения характеристик коллоидов", Elsevier, 2002

[9] Видеть http://www2.rfsworld.com/RFS_Edition4/pdfs/TechInfo_Edition4_639-672.pdf, п. 644

[10] «Рентгеновская физика: взаимодействие рентгеновских лучей с веществом, контраст рентгеновских лучей и доза - XRayPhysics». xrayphysics.com. Получено 2018-09-21.

[Vardeny-11] Телекоммуникации: импульс для волоконной оптики, З. Валлий Вардени, Nature 416, 489–491, 2002.

[12] «Волоконная оптика». Колледж Белла. Архивировано из оригинал 24 февраля 2006 г.

[z-13] Керкер, М. (1909). "Рассеяние света (Академик, Нью-Йорк)". Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)

[y-14] Мандельштам, Л. (1926). «Рассеяние света неоднородными средами». Ж. Русь. Физ-хим. Ova. 58: 381.

[15] Арчибальд, П.С. и Беннетт, H.E., "Рассеяние от инфракрасных ракетных куполов", Опт. Engr., Vol. 17, стр.647 (1978).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]