衰減
在物理學中,衰減(在某些情況下,滅絕)是通過培養基逐漸損失通量強度。例如,深色眼鏡會衰減陽光,鉛減弱X射線,水和空氣以可變的衰減速率減輕光線和聲音。
聽力保護器有助於減少聲流從耳朵流入耳朵的聲音。該現象稱為聲學衰減,以分貝(DBS)為單位進行測量。
在電氣工程和電信中,衰減會影響電路,光纖和空氣中電路中的波和信號的傳播。電衰減器和光衰減器是該領域通常製造的組件。
背景
在許多情況下,衰減是路徑長度通過介質的指數函數。在光學和化學光譜學中,這被稱為啤酒 - 拉姆伯特法。在工程中,衰減通常以每單位長度(dB/cm,db/km等)為單位的分貝單位測量,並由所討論的培養基的衰減係數表示。衰減也發生在地震中。當地震波遠離降壓器時,它們會隨著地面衰減而變小。
超音波
衰減起著重要作用的研究領域是超聲物理學。超聲波中的衰減是超聲樑的振幅減小,這是通過成像介質的距離的函數。對超聲檢查的衰減效果的核算很重要,因為降低的信號幅度會影響產生的圖像的質量。通過知道超聲梁經歷穿過介質的衰減,可以調整輸入信號振幅以補償所需成像深度下的任何能量損失。
考慮到聲學衰減的波動方程可以寫入分數衍生物形式。
在均質介質中,有助於聲音衰減的主要物理特性是粘度和導熱率。
衰減係數
根據頻率的函數,衰減係數用於量化不同介質的量化。使用以下公式:衰減係數()可用於確定介質中DB中的總衰減:
衰減線性取決於中等長度和衰減係數,以及(大致)生物組織的入射超聲樑的頻率(而對於更簡單的培養基,例如空氣,這種關係是二次的)。對於不同介質的衰減係數差異很大。但是,在生物醫學超聲成像中,生物材料和水是最常用的培養基。以1 MHz頻率為1 MHz的常見生物材料的衰減係數如下:
材料 | |
---|---|
空氣,在20°C | 1.64 |
血 | 0.2 |
骨,皮質 | 6.9 |
骨頭,小梁 | 9.94 |
腦 | 0.6 |
胸部 | 0.75 |
心臟 | 0.52 |
結締組織 | 1.57 |
牙本質 | 80 |
搪瓷 | 120 |
胖的 | 0.48 |
肝 | 0.5 |
骨髓 | 0.5 |
肌肉 | 1.09 |
肌腱 | 4.7 |
軟組織(平均) | 0.54 |
水 | 0.0022 |
聲學能量損失有兩種一般的方法:吸收和散射。通過均勻培養基的超聲傳播僅與吸收有關,並且只能以吸收係數為特徵。通過異質媒體傳播需要考慮散射。
水中的輕衰減
從太陽發出的短波輻射在可見光光譜中的波長范圍從360 nm(紫羅蘭色)到750 nm(紅色)。當太陽的輻射到達海面時,短波輻射會被水減弱,光強度隨水深度呈指數降低。深度的光強度可以使用Beer-Lambert Law計算。
在透明的海水中,可見光在最長的波長處最大。因此,紅色,橙色和黃色波長完全在較淺的深度下吸收,而藍色和紫羅蘭波長在水柱中更深。由於與其他波長相比,藍色和紫羅蘭色的波長最少,因此開放海洋的海水顯得深藍色。
在海岸附近,沿海水比非常清晰的海水中的浮游植物更多。葉綠素- 浮游植物中的顏料吸收光,植物本身會散佈光,使沿海水不如中海水清晰。葉綠素-a在可見光譜的最短波長(藍色和紫色)中吸收最大的光。在高濃度的浮游植物的沿海水域中,綠色波長到達水柱中最深的水,水的顏色顯得藍綠色或綠色。
地震
地震影響位置的能量取決於跑步距離。地面運動強度信號的衰減在評估可能的強塑性方面起著重要作用。地震浪潮在傳播地球時失去能量(地震衰減)。這種現象與距離的地震能的分散相關。耗散的能量有兩種類型:
- 地震能量分佈到更大的體積引起的幾何分散體
- 分散作為熱量,也稱為固有的衰減或厭氧衰減。
在多孔液體中 - 飽和的沉積岩,例如砂岩,地震波的內在衰減主要是由相對於實心框架的波誘導的孔流體流動引起的。
電磁
衰減會降低由於吸收或光子散射引起的電磁輻射的強度。衰減不包括由於逆方法律幾何擴散而引起的強度降低。因此,強度總變化的計算既涉及反方法律和路徑上的衰減的估計。
物質衰減的主要原因是光電效應,康普頓散射,對於1.022 MEV以上的光子能量,成對生產。
同軸和一般RF電纜
RF電纜的衰減由:
在100 m長的電纜中,輸入功率在哪裡終止具有其特徵阻抗的標稱值,並且是該電纜遠端的輸出功率。
同軸電纜中的衰減是材料和結構的函數。
射線照相
當X射線光束穿過組織時,當光子吸收時,X射線束會衰減。與物質的相互作用在高能光子和低能光子之間有所不同。以較高能量傳播的光子更有能力通過組織樣品傳播,因為它們與物質相互作用的機會較小。這主要是由於光電效應指出:“光電吸收的概率與(z/e) 3大致成正比,其中z是組織原子的原子數,而e是光子能量。因此,在此上面。光子能量(E)的增加將導致與物質相互作用的迅速減少。
光學
光纖中的衰減(也稱為傳輸損耗)是光束(或信號)相對於穿越傳輸介質的距離的降低。光纖中的衰減係數通常是由於現代光學傳輸的透明度相對較高,通常通過培養基使用DB/KM單位。介質通常是二氧化矽玻璃纖維,將入射光束限制在內部。衰減是限制數字信號在大距離內傳輸的重要因素。因此,許多研究都限制了衰減和最大化光學信號的擴增。實證研究表明,光纖中的衰減主要是由散射和吸收引起的。
光纖中的衰減可以使用以下等式進行量化:
光散射
通過光纖核心的光傳播是基於光波的總內部反射。即使在玻璃的分子水平上,粗糙和不規則的表面也會導致光線反映在許多隨機方向上。這種反射稱為“瀰漫反射”,通常以各種反射角度為特徵。由於瀰漫性反射,可以看到大多數可以從肉眼中看到的物體。此類反射通常使用的另一個術語是“光散射”。來自物體表面的光散射是我們物理觀察的主要機制。來自許多常見表面的光散射可以通過反射率建模。
光散射取決於光散射的波長。因此,會出現對可見性空間尺度的限制,這取決於入射燈波的頻率和散射中心的物理尺寸(或空間尺度)的頻率,這通常是某些特定的微觀結構特徵的形式。例如,由於可見光在一個千分尺的順序上具有波長尺度,因此散射中心的尺寸將在相似的空間尺度上具有尺寸。
因此,衰減是由於在內部表面和界面上光的不連貫散射而產生的。在(聚)結晶材料(例如金屬和陶瓷)中,除了毛孔外,大多數內部表面或界面都是晶界的形式,這些形式是分離晶體秩序的微小區域。最近已經顯示,當散射中心(或晶界)的尺寸降低到散射的光的波長以下時,散射不再在任何程度上發生。這種現象引起了透明陶瓷材料的產生。
同樣,光質量玻璃纖維中光的散射是由玻璃結構中的分子級不規則(成分波動)引起的。確實,一個新興的思想流派是,玻璃只是多晶固體的限制案例。在此框架內,“域”表現出各種程度的短距離順序成為金屬和合金的建築塊,以及眼鏡和陶瓷。這些域之間和內部分佈都是微結構缺陷,將為發生光散射的發生提供最理想的位置。同樣的現像被視為IR導彈圓頂透明度的限制因素之一。
UV-VIS-IR吸收
除了光散射外,由於特定波長的選擇性吸收,還可以發生衰減或信號損失,類似於負責顏色外觀的方式。主要材料考慮因素包括電子和分子,如下所示:
- 在電子水平上,這取決於電子軌道是否間隔(或“量化”),因此它們可以吸收紫外線(UV)中特定波長或頻率的量子光(或光子)或可見範圍。這就是引起顏色的原因。
- 在原子或分子水平上,它取決於原子或分子振動或化學鍵的頻率,其原子或分子的近距離包裝,以及原子或分子是否表現出遠距離順序。這些因素將決定紅外(IR),遠紅外,無線電和微波範圍內傳輸較長波長的材料的能力。
由於光波的選定頻率與該材料顆粒振動的頻率(或頻率的積分倍數)相匹配,因此出現特定材料的紅外(IR)光(IR)光的選擇性吸收。由於不同的原子和分子具有不同的恆星振動頻率,因此它們將選擇性地吸收紅外(IR)光的不同頻率(或部分光譜)。
申請
在光纖中,衰減是信號光強度降低的速率。因此,玻璃纖維(衰減較低)用於長距離光纖電纜。塑料纖維的衰減較高,因此範圍更短。也存在有意減少光纖電纜中信號的光學衰減器。
光的衰減在物理海洋學中也很重要。這種效果在天氣雷達中是一個重要的考慮因素,因為雨滴吸收了一部分發射光束,它或多或少是顯著的,具體取決於所使用的波長。
由於高能光子的破壞作用,有必要知道在涉及這種輻射的診斷處理過程中,在組織中沉積了多少能量。此外,伽馬輻射用於癌症治療中,其中重要的是要知道將多少能量沉積在健康和腫瘤組織中。
在計算機圖形學中,衰減定義了光源和力場的局部或全球影響。
在CT成像中,衰減描述了圖像的密度或黑暗。
收音機
衰減是現代無線電信世界中的重要考慮因素。衰減限制了無線電信號的範圍,並受信號必須通過的材料的影響(例如,空氣,木材,混凝土,雨)。有關路徑損失的文章,有關無線通信中信號損失的更多信息。