В физике затухание (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 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.
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 также происходит при землетрясениях ; когда сейсмические волны удаляются дальше от гипоцентра , они становятся меньше, поскольку они ослабляются землей .
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]
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 ( ) можно использовать для определения общего затухания в дБ в среде по следующей формуле:
Затухание линейно зависит от длины среды и коэффициента затухания, а также – приблизительно – от частоты падающего ультразвукового луча на биологическую ткань (в то время как для более простых сред, например воздуха, 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 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]
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 волны полностью поглощаются на небольших глубинах, тогда как синие и фиолетовые длины волн достигают более глубоких слоев воды . Поскольку синие и фиолетовые длины волн поглощаются меньше всего по сравнению с другими длинами волн, воды открытого океана кажутся глазу темно-синими .
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, что делает 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, длина волны зеленого цвета достигает самых глубоких слоев водной толщи, а цвет воды кажется сине-зеленым или зеленым .
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. Сейсмическая волна теряет энергию при распространении через землю ( сейсмическое затухание ). Это явление связано с рассеиванием сейсмической энергии с расстоянием. Существует два типа рассеиваемой энергии:
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]
Затухание уменьшает интенсивность электромагнитного излучения за счет поглощения или рассеяния фотонов . 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 .
Затухание в радиочастотных кабелях определяется:
где – входная мощность в кабеле длиной 100 м с 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 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 контексте при этом увеличение энергии фотонов (E) приведет к быстрому уменьшению взаимодействия с веществом.
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:
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.
Аналогичным образом, 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]
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:
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.
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.
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). Дополнительную информацию о потере сигнала в беспроводной связи см. в статье о потерях на трассе .
![{\displaystyle {\text{Attenuation}}=\alpha \left[{\frac {\text{dB}}{{\text{MHz}}{\cdot }{\text{cm}}}}\right] \cdot \ell [{\text{см}}]\cdot {\text{f}}[{\text{МГц}}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d427c1475ac955eacf2048416a24c8f1e99dddb2)
