Затухание

В физике затухание затухание (в некоторых контекстах ) — это постепенная потеря интенсивности потока через среду . Например, темные очки ослабляют солнечный свет , свинец ослабляет рентгеновские лучи , а вода и воздух ослабляют как свет , так и звук с разной степенью ослабления.

Средства защиты органов слуха помогают уменьшить попадание акустического потока 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. Электрические аттенюаторы и оптические аттенюаторы обычно являются компонентами, производимыми в этой области.

Фон

Частотно-зависимое ослабление электромагнитного излучения в стандартной атмосфере.

Во многих случаях затухание является экспоненциальной функцией длины пути в среде. В оптике и 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 выражается коэффициентом затухания рассматриваемой среды. ^[1] Затухание происходит также при землетрясениях ; когда сейсмические волны удаляются дальше от гипоцентра , они становятся меньше, поскольку они ослабляются землей .

УЗИ

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

затухания ультразвука Измерение 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 . Существуют акустические реометры , которые используют закон Стокса для измерения вязкости при растяжении и объемной вязкости .

Волновые уравнения, учитывающие акустическое затухание, можно записать в форме дробной производной. ^[4]

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

Коэффициент затухания

Коэффициенты затухания используются для количественной оценки различных сред в зависимости от того, насколько сильно амплитуда передаваемого ультразвука уменьшается в зависимости от частоты. затухания Коэффициент ( $\alpha$ ) можно использовать для определения общего затухания в среде в дБ по следующей формуле:

{\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 наиболее часто используемыми средами являются биологические материалы и вода. Коэффициенты затухания обычных биологических материалов на частоте 1 МГц указаны ниже: ^[8]


Материал	$\alpha {\text{ }}\left[{\frac {\text{dB}}{{\text{MHz}}{\cdot }{\text{cm}}}}\right]$
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

Существует два основных пути потерь акустической энергии: поглощение и рассеяние . ^[10]Распространение ультразвука в однородных средах связано только с поглощением и может быть охарактеризовано только коэффициентом поглощения . Распространение в неоднородных средах требует учета рассеяния. ^[11]

Ослабление света в воде

Коротковолновое излучение Солнца имеет длину волны 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 среднего океана видимый свет поглощается наиболее сильно на самых длинных волнах. Таким образом, красные, оранжевые и желтые длины волн полностью поглощаются на небольших глубинах, а синие и фиолетовые длины волн достигают более глубоких слоев толщи воды . Поскольку синие и фиолетовые длины волн поглощаются меньше всего по сравнению с другими длинами волн, воды открытого океана кажутся темно-синими глазу .

У берега прибрежные воды содержат больше фитопланктона , чем очень прозрачные воды среднего океана. Хлорофилл -а-пигменты в составе фитопланктона поглощают свет, а сами растения рассеивают свет, делая прибрежные воды менее прозрачными, чем воды среднего океана. Хлорофилл-а наиболее сильно поглощает свет самых коротких волн (синего и фиолетового) видимого спектра. В прибрежных водах, где наблюдаются высокие концентрации фитопланктона, зеленая длина волны достигает самой глубины в толще воды, а цвет воды кажется сине-зеленым или зеленым .

Сейсмический

Энергия, с которой землетрясение воздействует на локацию, зависит от пройденного расстояния . Затухание сигнала интенсивности движения грунта играет важную роль в оценке возможных сильных сотрясений грунта. теряет Сейсмическая волна энергию при распространении через землю ( сейсмическое затухание ). Это явление связано с рассеиванием сейсмической энергии с расстоянием. Существует два типа рассеиваемой энергии:

геометрическая дисперсия, вызванная распространением сейсмической энергии в большие объемы
дисперсия в виде тепла, также называемая собственным затуханием или неупругим затуханием.

В насыщенных пористой жидкостью осадочных породах, таких как песчаники , собственное затухание сейсмических волн в первую очередь вызвано волновым течением поровой жидкости относительно твердого каркаса. ^[12]^[13]

Электромагнитный

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

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

Коаксиальные и общие радиочастотные кабели

Затухание в радиочастотных кабелях определяется:

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

где $P_{1}$ — входная мощность в кабеле длиной 100 м с номинальным значением его характеристического сопротивления, и $P_{2}$ — выходная мощность на дальнем конце этого кабеля. ^[14]

Затухание в коаксиальном кабеле зависит от материалов и конструкции.

Рентгенография

Рентгеновский луч ослабляется, когда фотоны поглощаются при прохождении рентгеновского луча через ткань. Взаимодействие с материей варьируется между фотонами высокой энергии и фотонами низкой энергии. Фотоны, движущиеся с более высокой энергией, имеют больше возможностей путешествовать через образец ткани, поскольку у них меньше шансов взаимодействовать с веществом. В основном это связано с фотоэлектрическим эффектом, который гласит, что «вероятность фотоэлектрического поглощения примерно пропорциональна (Z/E) ³, где Z — атомный номер атома ткани, а E — энергия фотона. ^[15] В связи с этим увеличение энергии фотонов (E) приведет к быстрому уменьшению взаимодействия с веществом.

Оптика

Затухание в оптоволокне, также известное как потери при передаче, представляет собой уменьшение интенсивности светового луча (или сигнала) по отношению к расстоянию, пройденному через передающую среду. Коэффициенты затухания в оптоволокне обычно используют единицы дБ/км в среде из-за относительно высокого качества прозрачности современной оптической передачи. Среда обычно представляет собой волокно из кварцевого стекла, которое ограничивает падающий световой луч внутрь. Затухание является важным фактором, ограничивающим передачу цифрового сигнала на большие расстояния. Таким образом, было проведено много исследований как по ограничению затухания, так и по максимальному усилению оптического сигнала.Эмпирические исследования показали, что затухание в оптическом волокне обусловлено в первую очередь как рассеянием, так и поглощением.

Затухание в оптоволокне можно определить количественно с помощью следующего уравнения:

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

Рассеяние света

Распространение света по сердцевине оптического волокна основано на полном внутреннем отражении световой волны. Грубые и неровные поверхности, даже на молекулярном уровне стекла, могут вызывать отражение лучей света во многих случайных направлениях. Этот тип отражения называется «диффузным отражением» и обычно характеризуется большим разнообразием углов отражения. Большинство объектов, видимых невооруженным глазом, видны благодаря диффузному отражению. Другой термин, обычно используемый для этого типа отражения, — «рассеяние света». Рассеяние света на поверхностях объектов — наш основной механизм физического наблюдения. ^[16]Рассеяние света от многих обычных поверхностей можно смоделировать с помощью коэффициента отражения.

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

Таким образом, затухание является результатом 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 зерна) уменьшается ниже размера длины волны рассеиваемого света, рассеяние больше не происходит в сколько-нибудь значительной степени. Это явление привело к производству прозрачных керамических материалов.

Аналогично, рассеяние света в стекловолокне оптического качества вызвано неоднородностями молекулярного уровня (флуктуациями состава) в структуре стекла. Действительно, одна из новых школ мысли утверждает, что стекло — это просто предельный случай поликристаллического твердого тела. В этих рамках «домены», демонстрирующие разную степень ближнего порядка, становятся строительными блоками как металлов и сплавов, так и стекол и керамики. Как между этими доменами, так и внутри них распределены микроструктурные дефекты, которые обеспечивают наиболее идеальные места для возникновения рассеяния света. Это же явление рассматривается как один из ограничивающих факторов прозрачности куполов ИК-ракет. ^[17]

УФ-Вид-ИК-поглощение

Помимо рассеяния света, затухание или потеря сигнала также могут происходить из-за избирательного поглощения определенных длин волн, аналогично тому, как происходит появление цвета. Основные материальные соображения включают как электроны, так и молекулы, а именно:

На электронном уровне это зависит от того, расположены ли электронные орбитали (или «квантованы») так, что они могут поглощать квант света (или фотон) определенной длины волны или частоты в ультрафиолетовом (УФ) или видимом диапазонах. Это то, что порождает цвет.
На атомном или молекулярном уровне это зависит от частот атомных или молекулярных колебаний или химических связей, от того, насколько плотно упакованы 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 соответствует частоте (или целому кратному частоте), с которой колеблются частицы этого материала. Поскольку разные атомы и молекулы имеют разные собственные частоты вибрации, они избирательно поглощают разные частоты (или части спектра) инфракрасного (ИК) света.

Приложения

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

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

Из-за повреждающего действия фотонов высокой энергии необходимо знать, сколько энергии выделяется в тканях во время диагностических процедур с использованием такого излучения. Кроме того, гамма-излучение используется при лечении рака , где важно знать, сколько энергии будет депонироваться в здоровой и опухолевой ткани.

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

В компьютерной томографии затухание описывает плотность или темноту изображения.

Радио

Затухание является важным фактором в современном мире беспроводной связи . Затухание ограничивает диапазон радиосигналов и зависит от материалов, через которые должен проходить сигнал (например, воздух, дерево, бетон, дождь). см. в статье о потерях на трассе Дополнительную информацию о потере сигнала в беспроводной связи .

См. также

Ссылки

^ Основы ультразвуковой физики, Джеймс А. Загзебски, Mosby Inc., 1996.
^ Ультразвуковая диагностика, Стюарт К. Бушонг и Бенджамин Р. Арчер, Mosby Inc., 1991.
^ ISO 20998-1:2006 «Измерение и определение характеристик частиц акустическими методами».
^ С. П. Нэсхольм и С. Холм, «О дробном уравнении упругой волны Зенера», Fract. Расчет Прил. Анальный. Том. 16, № 1 (2013), стр. 26–50, doi : 10.2478/s13540-013--0003-1 Ссылка на электронную распечатку
^ Стоукс, Г. Г. «О теориях внутреннего трения в движущихся жидкостях, а также о равновесии и движении упругих твердых тел», Труды Кембриджского философского общества , том 8, 22, стр. 287-342 (1845).
^ Г. Кирхгоф, «О влиянии теплопроводности в газе на движение звука», Ann. Физ. , 210: 177–193 (1868). Ссылка на бумагу
^ С. Бенджеллун и Дж. М. Гидаглиа, «О дисперсионном уравнении для сжимаемых уравнений Навье-Стокса», Ссылка на электронную распечатку архива. Ссылка на электронную распечатку Хэла.
^ Кульджат, Мартин О.; Гольденберг, Дэвид; Тевари, Приямвада; Сингх, Рахул С. (2010). «Обзор заменителей тканей для ультразвуковой визуализации» . Ультразвук в медицине и биологии . 36 (6): 861–873. doi : 10.1016/j.ultrasmedbio.2010.02.012 . ПМИД 20510184 . Архивировано из оригинала 16 апреля 2013 г.
^ Якявичюс, Л.; Демченко, А. (2008). «Зависимость затухания ультразвука от температуры воздуха в закрытых камерах» (PDF) . Ультрагарсас (УЗИ) . 63 (1): 18–22. ISSN 1392-2114 .
^ Борен, К.Ф. и Хаффман, Д.Р. «Поглощение и рассеяние света малыми частицами», Wiley, (1983), ISBN 0-471-29340-7
^ Духин А.С. и Гетц П.Дж. «Ультразвук для характеристики коллоидов», Elsevier, 2002.
^ Мюллер, Тобиас М.; Гуревич Борис; Лебедев, Максим (сентябрь 2010 г.). «Затухание и дисперсия сейсмических волн в результате волнового течения в пористых породах — обзор». Геофизика . 75 (5): 75А147–75А164. Бибкод : 2010Геоп...75А.147М . дои : 10.1190/1.3463417 . hdl : 20.500.11937/35921 .
^ Гуревич Борис; Карчионе, Хосе М. (2022). Затухание и дисперсия упругих волн в пористых горных породах: механизмы и модели . Общество геофизиков-разведчиков. дои : 10.1190/1.9781560803911 . ISBN 978-1-56080-390-4 . Проверено 26 февраля 2023 г.
^ «Техническая информация – Коаксиальные линии передачи» (PDF) . rfsworld.com . п. 644. Архивировано из оригинала (PDF) 12 июля 2018 г.
^ «Рентгеновская физика: взаимодействие рентгеновских лучей с веществом, контраст рентгеновских лучей и доза - XRayPhysics» . xrayфизика.com . Проверено 21 сентября 2018 г.
^ Мандельштам, Л.И. (1926). «Рассеяние света неоднородными средами». Ж. Расс. Физ-Хим. Ова . 58 : 381.
^ Арчибальд, П.С. и Беннетт, Х.Э., «Рассеяние от куполов инфракрасных ракет», Опт. англ., Том. 17, с.647 (1978)

Внешние ссылки

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

[Bushong-2] Ультразвуковая диагностика, Стюарт К. Бушонг и Бенджамин Р. Арчер, Mosby Inc., 1991.

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

[Nasholm-4] С. П. Нэсхольм и С. Холм, «О дробном уравнении упругой волны Зенера», Fract. Расчет Прил. Анальный. Том. 16, № 1 (2013), стр. 26–50, doi : 10.2478/s13540-013--0003-1 Ссылка на электронную распечатку

[5] Стоукс, Г. Г. «О теориях внутреннего трения в движущихся жидкостях, а также о равновесии и движении упругих твердых тел», Труды Кембриджского философского общества , том 8, 22, стр. 287-342 (1845).

[Kirchhoff-6] Г. Кирхгоф, «О влиянии теплопроводности в газе на движение звука», Ann. Физ. , 210: 177–193 (1868). Ссылка на бумагу

[Benjelloun-7] С. Бенджеллун и Дж. М. Гидаглиа, «О дисперсионном уравнении для сжимаемых уравнений Навье-Стокса», Ссылка на электронную распечатку архива. Ссылка на электронную распечатку Хэла.

[Culjat-8] Кульджат, Мартин О.; Гольденберг, Дэвид; Тевари, Приямвада; Сингх, Рахул С. (2010). «Обзор заменителей тканей для ультразвуковой визуализации» . Ультразвук в медицине и биологии . 36 (6): 861–873. doi : 10.1016/j.ultrasmedbio.2010.02.012 . ПМИД 20510184 . Архивировано из оригинала 16 апреля 2013 г.

[9] Якявичюс, Л.; Демченко, А. (2008). «Зависимость затухания ультразвука от температуры воздуха в закрытых камерах» (PDF) . Ультрагарсас (УЗИ) . 63 (1): 18–22. ISSN 1392-2114 .

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

[11] Духин А.С. и Гетц П.Дж. «Ультразвук для характеристики коллоидов», Elsevier, 2002.

[12] Мюллер, Тобиас М.; Гуревич Борис; Лебедев, Максим (сентябрь 2010 г.). «Затухание и дисперсия сейсмических волн в результате волнового течения в пористых породах — обзор». Геофизика . 75 (5): 75А147–75А164. Бибкод : 2010Геоп...75А.147М . дои : 10.1190/1.3463417 . hdl : 20.500.11937/35921 .

[13] Гуревич Борис; Карчионе, Хосе М. (2022). Затухание и дисперсия упругих волн в пористых горных породах: механизмы и модели . Общество геофизиков-разведчиков. дои : 10.1190/1.9781560803911 . ISBN 978-1-56080-390-4 . Проверено 26 февраля 2023 г.

[14] «Техническая информация – Коаксиальные линии передачи» (PDF) . rfsworld.com . п. 644. Архивировано из оригинала (PDF) 12 июля 2018 г.

[15] «Рентгеновская физика: взаимодействие рентгеновских лучей с веществом, контраст рентгеновских лучей и доза - XRayPhysics» . xrayфизика.com . Проверено 21 сентября 2018 г.

[y-16] Мандельштам, Л.И. (1926). «Рассеяние света неоднородными средами». Ж. Расс. Физ-Хим. Ова . 58 : 381.

[17] Арчибальд, П.С. и Беннетт, Х.Э., «Рассеяние от куполов инфракрасных ракет», Опт. англ., Том. 17, с.647 (1978)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

Базы данных авторитетного контроля
Международный	БЫСТРЫЙ
Национальный	Германия Израиль Соединенные Штаты