В физике ослабление (в некоторых контекстах затухание ) — 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 различной скоростью затухания.
Средства защиты органов слуха помогают уменьшить акустический поток , поступающий 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 , оптических волокнах и в воздухе. Электрические аттенюаторы и оптические аттенюаторы являются обычно производимыми компонентами в этой области.
Во многих случаях затухание является экспоненциальной функцией длины пути через среду. В оптике и химической спектроскопии это известно как закон Бера-Ламберта . В технике затухание обычно измеряется в единицах децибел на единицу длины среды (дБ/см, дБ/км и т. д.) и представлено коэффициентом затухания рассматриваемой среды. [1] Затухание также происходит при землетрясениях ; когда сейсмические волны удаляются от гипоцентра , они становятся меньше, поскольку затухают в земле .
Одной из областей исследований, в которой затухание играет важную роль, является физика ультразвука . Затухание в ультразвуке — это уменьшение амплитуды ультразвукового луча в зависимости от расстояния через среду визуализации. Учет эффектов затухания в ультразвуке важен, поскольку уменьшение амплитуды сигнала может повлиять на качество получаемого изображения. Зная затухание, которое испытывает ультразвуковой луч при прохождении через среду, можно отрегулировать амплитуду входного сигнала, чтобы компенсировать любую потерю энергии на желаемой глубине визуализации. [2]
Волновые уравнения, учитывающие акустическое затухание, можно записать в форме дробной производной. [4]
В однородных средах основными физическими свойствами, способствующими затуханию звука, являются вязкость [5] и теплопроводность. [6] [7]
Коэффициенты затухания используются для количественной оценки различных сред в зависимости от того, насколько сильно амплитуда передаваемого ультразвука уменьшается в зависимости от частоты. Коэффициент затухания ( ) может использоваться для определения общего затухания в дБ в среде с помощью следующей формулы:
Затухание линейно зависит от длины среды и коэффициента затухания, а также – приблизительно – 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 приведены ниже: [8]
Существует два основных способа потери акустической энергии: поглощение и рассеяние . [10] Распространение ультразвука через однородные среды связано только с поглощением и может быть охарактеризовано только коэффициентом поглощения . Распространение через неоднородные среды требует учета рассеяния. [11]
Коротковолновое излучение, испускаемое Солнцем, имеет длины волн в видимом спектре света, которые находятся в диапазоне от 360 нм (фиолетовый) до 750 нм (красный). Когда излучение Солнца 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 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 проникают глубже в толщу воды . Поскольку синие и фиолетовые волны поглощаются меньше всего по сравнению с другими длинами волн, воды открытого океана кажутся глазу темно-синими .
Вблизи берега прибрежная вода содержит 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 (синий и фиолетовый) видимого спектра. В прибрежных водах, где наблюдается высокая концентрация фитопланктона, зеленая длина волны достигает самой глубокой части водной толщи, и цвет воды кажется сине-зеленым или зеленым .
Энергия, с которой землетрясение воздействует на местоположение, зависит от пройденного расстояния . Затухание сигнала интенсивности движения грунта играет важную роль в оценке возможных сильных подземных толчков. Сейсмическая волна теряет энергию по мере распространения по земле ( сейсмическое затухание ). Это явление связано с дисперсией сейсмической энергии с расстоянием. Существует два типа рассеиваемой энергии:
В пористых флюидонасыщенных осадочных породах , таких как песчаники , внутреннее затухание сейсмических волн в первую очередь вызвано волновым потоком поровой жидкости относительно твердого каркаса. [12] [13]
Затухание уменьшает интенсивность электромагнитного излучения из-за поглощения или рассеивания фотонов . Затухание не включает уменьшение интенсивности из-за геометрического распространения по закону обратных квадратов . Поэтому расчет общего изменения интенсивности включает как закон обратных квадратов , так и оценку затухания по пути.
Основными причинами затухания в веществе являются фотоэлектрический эффект , комптоновское рассеяние и, для энергий фотонов выше 1,022 МэВ, рождение пар .
Затухание радиочастотных кабелей определяется:
где — входная мощность в кабеле длиной 100 м, нагруженном номинальным значением его характеристического сопротивления, а — выходная мощность на дальнем конце этого кабеля. [14]
Затухание в коаксиальном кабеле зависит от материалов и конструкции.
Рентгеновский луч ослабляется, когда фотоны поглощаются, когда рентгеновский луч проходит через ткань. Взаимодействие с веществом различается между фотонами высокой энергии и фотонами низкой энергии. Фотоны, движущиеся с более высокой энергией, более способны проходить через образец ткани, поскольку у них меньше шансов взаимодействовать 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, а E — энергия фотона». [15] В этом контексте увеличение энергии фотона (E) приведет к быстрому уменьшению взаимодействия с веществом.
Затухание в волоконной оптике, также известное как потеря передачи, представляет собой 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 современной оптической передачи. Среда обычно представляет собой волокно из кварцевого стекла, которое ограничивает падающий световой луч внутри. Затухание является важным фактором, ограничивающим передачу цифрового сигнала на большие расстояния. Таким образом, много исследований было направлено как на ограничение затухания, так и на максимизацию усиления оптического сигнала. Эмпирические исследования показали, что затухание в оптическом волокне вызвано в первую очередь как рассеянием, так и поглощением.
Затухание в волоконной оптике можно количественно оценить с помощью следующего уравнения:
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 обычно характеризуется широким спектром углов отражения. Большинство объектов, которые можно увидеть невооруженным глазом, видны благодаря диффузному отражению. Другой термин, обычно используемый для этого типа отражения, — «рассеивание света». Рассеивание света от поверхностей объектов является нашим основным механизмом физического наблюдения. [16] Рассеивание света от многих обычных поверхностей можно смоделировать с помощью отражательной способности.
Рассеивание 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) рассеивающего центра, который обычно имеет форму некоторой определенной микроструктурной особенности. Например, поскольку видимый свет имеет масштаб длины волны порядка одного микрометра, рассеивающие центры будут иметь размеры в аналогичном пространственном масштабе.
Таким образом, затухание является результатом некогерентного рассеяния света на внутренних поверхностях и интерфейсах. В (поли)кристаллических материалах, таких как металлы и керамика, в дополнение к порам, большинство внутренних поверхностей или интерфейсов 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.
Аналогично, рассеяние света в оптическом качественном стеклянном волокне вызвано молекулярными нарушениями (композиционными флуктуациями) в структуре стекла. Действительно, одна из новых школ мысли заключается в том, что стекло является просто предельным случаем поликристаллического твердого тела. В рамках этой структуры «домены», демонстрирующие различные степени ближнего порядка, становятся строительными блоками как металлов, так и сплавов, а также стекол и керамики. Распределенные как между, так и внутри этих доменов, микроструктурные дефекты обеспечат наиболее идеальные места для возникновения рассеяния света. Это же явление рассматривается как один из ограничивающих факторов прозрачности куполов ИК-ракет. [17]
Помимо рассеяния света, затухание или потеря сигнала могут также происходить из-за селективного поглощения определенных длин волн, аналогично тому, как это отвечает за появление цвета. Основные материальные соображения включают как электроны, так и молекулы следующим образом:
Избирательное поглощение инфракрасного (ИК) света определенным материалом происходит потому, что выбранная частота световой волны совпадает с частотой (или целым кратным частоты), на которой вибрируют частицы этого материала. Поскольку разные атомы и молекулы имеют разные собственные частоты колебаний, они будут избирательно поглощать разные частоты (или части спектра) инфракрасного (ИК) света.
В оптоволокне затухание — это скорость, с которой интенсивность светового сигнала уменьшается. По этой причине для оптоволоконных кабелей большой протяженности используется стеклянное волокно (имеющее низкое затухание); пластиковое волокно имеет более высокое затухание и, следовательно, меньшую дальность. 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 испускаемого луча, которая более или менее значительна, в зависимости от используемой длины волны.
Из-за разрушительного воздействия высокоэнергетических фотонов необходимо знать, сколько энергии откладывается в тканях во время диагностических процедур с использованием такого излучения. Кроме того, гамма-излучение используется при лечении рака , где важно знать, сколько энергии откладывается 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.
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). Подробнее о потере сигнала в беспроводной связи см. в статье о потерях на пути .
![{\displaystyle {\text{Затухание}}=\alpha \left[{\frac {\text{дБ}}{{\text{МГц}}{\cdot }{\text{см}}}}\right]\cdot \ell [{\text{см}}]\cdot {\text{f}}[{\text{МГц}}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d427c1475ac955eacf2048416a24c8f1e99dddb2)
