Кіріспе

Физикада орта арқылы ағын қарқындылығының біртіндеп төмендеуі – физикадағы әлсіреу құбылысы. Физикада, әлсіреу (кейбір жағдайларда, сөну) – орта арқылы ағын қарқындылығының біртіндеп төмендеуі. Мысалы, қара көзілдір күн сәулесін, қорғасын рентген сәулесін әлсіретеді, ал су мен ауа жарық пен дыбысты әртүрлі жылдамдықпен әлсіретеді. Есітуді қорғау құралдары дыбыстық ағынның құлаққа өтуін азайтуға көмектеседі. Бұл құбылыс дыбыстық әлсіреу деп аталады және децибелмен (дБ) өлшенеді. Электртехника және телекоммуникация салаларында әлсіреу электр тізбектерінде, оптикалық талшықтарда және ауада толқындар мен сигналдардың таралуына әсер етеді. Электрлік және оптикалық әлсіретуіштер осы салада көп өндірілетін компоненттер болып табылады.

Өмірбаян

Көп жағдайда, әлсіреу орта арқылы өтетін жол ұзындығына экспоненциалдық тәуелділікте болады. Оптикада және химиялық спектроскопияда бұл Beer-Lambert заңы деп аталады. Инженерлік саласында әлсіреу әдетте ортаның бірлік ұзындығына шаққандағы децибелмен өлшенеді (dB/см, dB/км, т.б.) және сөз болатын ортаның әлсірету коэффициентімен белгіленеді. Әлсіреу жер сілкінісінде де кездеседі; сейсмикалық толқындар гипоцентрден алшақтаған сайын, жердің әлсіретуі салдарынан олардың амплитудасы төмендейді.

Ультрадыбыстық зерттеу

Аңшылудың маңызды рөл атқаратын зерттеу салаларының бірі – ультрадыбыс физикасы. Ультрадыбыстағы әлсіреу – бұл бейнелеу ортасы арқылы қашықтыққа байланысты ультрадыбыс сәулесінің амплитудасының төмендеуі. Ультрадыбыстағы әлсіреу эффектілерін ескергенің маңызы зор, себебі сигнал амплитудасының азаюы алынған бейне сапасына әсер етеді. Ультрадыбыс сәулесі орта арқылы өтетін кезде болатын әлсіреуді білу арқылы, қажетті бейнелеу тереңдігіндегі энергия жоғалуын толықтыру үшін кіріс сигналының амплитудасын реттеуге болады. Эмульсиялар немесе коллоидтар сияқты әртүрлі құрамы бар жүйелерде ультрадыбыстың әлсіреуін өлшеу бөлшектердің мөлшерінің таралуы туралы мәліметтер береді. Бұл техникаға ISO стандарты бар. Ультрадыбыстың әлсіреуі созу реологиясын өлшеу үшін қолданылуы мүмкін. Созу тұтқырлығы мен көлемдік тұтқырлықты өлшеу үшін Стокс заңы қолданылатын акустикалық реометрлер бар. Акустикалық әлсіреуді ескеретін толқын теңдеулерін бөлшектік туынды түрінде жазуға болады. Біртекті ортада дыбыстың әлсіреуіне ықпал ететін негізгі физикалық қасиеттер – тұтқырлық және жылу өткізгіштік.

Аңшаю коэффициенті

Атенуация коэффициенттері әртүрлі орталарды олардың берілетін ультрадыбыс амплитудасының жиілікке байланысты қаншалықты төмендейтініне қарай өлшеу үшін қолданылады. Атенуация коэффициентін ортадағы жалпы атенуацияны дБ-те анықтау үшін келесі формула арқылы пайдалануға болады:

Атенуация ортаның ұзындығына және атенуация коэффициентіне, сондай-ақ – шамамен – биологиялық тіндер үшін түскен ультрадыбыс сәулесінің жиілігіне сызықтық тәуелді (ал қарапайым орталар үшін, мысалы, ауа үшін бұл қатынас квадраттық). Атенуация коэффициенттері әртүрлі орталарда әртүрлі болады. Дегенмен, биомедициналық ультрадыбыстық бейнелеуде биологиялық материалдар мен су ең көп қолданылатын орталар болып табылады. 1 МГц жиілігіндегі кең таралған биологиялық материалдардың атенуация коэффициенттері төменде келтірілген:

+ Материал Ауа, 20 °C-та 1,64 Қан 0,2 Сүйек, қабықшасы 6,9 Сүйек, торы 9,94 Ми 0,6 Сүт безі 0,75 Жүрек 0,52 Дәнекер тіні 1,57 Дентин 80 Эмаль 120 Май 0,48 Бауыр 0,5 Сүйек миы 0,5 Бұлшық ет 1,09 Көктамыр 4,7 Жұмсақ тіндер (орташа) 0,54 Су 0,0022

Акустикалық энергияның жоғалуының екі негізгі жолы бар: сіңіру және шашырау. Біртекті орта арқылы ультрадыбыстың таралуы тек сіңірумен байланысты және оны сіңіру коэффициентімен сипаттауға болады. Гетерогенді орта арқылы таралу кезінде шашырауды ескеру қажет.

Судағы жарық шамалы

Күннен шығатын қысқа толқын сәулеленуінің көру спектріндегі толқын ұзындығы 360 нм (көк) пен 750 нм (қызыл) аралығында болады. Күн сәулесі теңіздің бетін шаққанда, қысқа толқын сәулесі сумен әлсіретеді, ал жарық интенсивтілігі су тереңдігіне қарай экспоненциалды түрде төмендейді. Тереңдіктегі жарық интенсивтілігін Бир-Ламберт заңы арқылы есептеуге болады. Ашық мұхит суларында көрінетін жарық ең ұзақ толқын ұзындығында күшті сіңіріледі. Осылайша, қызыл, қызғылт сары және сары түсті толқын ұзындығы судың аз тереңдікте толығымен сіңіріледі, ал көк және күлгін түсті толқын ұзындығы судың тереңдіктеріне жетеді. Көк және күлгін толқын ұзындығы басқа толқын ұзындықтарына қарағанда аз сіңірілетіндіктен, ашық мұхит сулары көзге терең көк болып көрінеді. Жағалауға жақын жердегі суларда фитопланктонның саны мұхиттың ортасындағы өте таза суларға қарағанда көп. Фитопланктонның хлорофилл пигменттері жарықты сіңіреді, ал өсімдіктер жарықты шашыратады, нәтижесінде жағалаудағы сулар мұхиттың ортасындағы суларға қарағанда аз айқын болады. Хлорофилл а көру спектрінің ең қысқа толқын ұзындықтарындағы (көк және күлгін) жарықты ең көп сіңіреді. Фитопланктонның жоғары концентрациясы бар жағалаулық суларда жасыл толқын ұзындығы су бағанасының ең тереңіне жетеді және судың түсі көк жасыл немесе жасыл болып көрінеді.

Электромагниттік

Атенвация фотондардың жұтылуы немесе шашырауы нәтижесінде электромагниттік сәулеленудің қарқындылығын азайтады. Атенвация кері квадрат заңына сәйкес геометриялық таралудан туындаған қарқындылықтың төмендеуін қамтымайды. Сондықтан, қарқындылықтың жалпы өзгерісін есептеу үшін кері квадрат заңы мен жол бойындағы атенвацияны бағалау қажет. Материядағы атенвацияның негізгі себептері – фотоэлектрлік эффект, комптон шашырауы және 1,022 МэВ-тан жоғары энергиялы фотондар үшін жұптардың пайда болуы.

Рентгенография

Рентген сәулесі тіндер арқылы өтетін кезде фотондар жұтылғанда әлсірейеді. Материямен өзара әрекеттесу жоғары энергиялы фотондар мен төмен энергиялы фотондар арасында әртүрлі болады. Жоғары энергиямен қозғалатын фотондар тінден өтуге жақсырақ мүмкіндік алады, себебі олардың материямен өзара әрекеттесу ықтималдығы төмен. Бұл негізінен фотоэлектрлік эффектіге байланысты, ол "фотоэлектрлік сіңіру ықтималдығы шамамен (Z/E)³ пропорционалды, мұнда Z – тіндердің атомдық нөмірі, ал E – фотон энергиясы" дейді. Осыған сәйкес, фотон энергиясының (E) артуы материямен өзара әрекеттесудің күрт төмендеуіне алып келеді.

Жарық шашырау

Жарықтың оптикалық талшықтың өзегі арқылы таралуы жарық толқынының толық ішкі шағылысына негізделген. Дөңгелек және тегіс емес беттер, тіпті шынының молекулалық деңгейінде, жарық сәулелерінің көптеген кездейсоқ бағыттарда шағылысуына әкелуі мүмкін. Бұл шағылысу түрі "диффузиялық шағылыс" деп аталады және әдетте кең ауқымды шағылысу бұрыштарымен сипатталады. Көптеген заттарды қалың көзбен көруге болатыны диффузиялық шағылысқа байланысты. Бұл шағылысу түрін білдіретін тағы бір термин – "жарық себу". Заттардың бетінен жарық себуі – біздің негізгі физикалық бақылау механизміміз. Көптеген жалпы беттерден жарық себуін шағылыстыру арқылы модельдеуге болады. Жарық себуі себілетін жарықтың толқын ұзындығына байланысты. Осылайша, көрінудің кеңістіктік өлшемдерінің шектері, жарық толқынының жиілігіне және себу орталығының физикалық өлшеміне (немесе кеңістіктік өлшеміне) байланысты туындайды, ол әдетте белгілі бір микроқұрылымдық ерекшелік түрінде болады. Мысалы, көзге көрінетін жарықтың толқын ұзындығы бір микрометр шамасында болғандықтан, себу орталықтарының өлшемдері ұқсас кеңістіктік өлшемде болады. Осылайша, әлсіреу ішкі беттер мен интерфейстердегі жарықтың когерентсіз себуінен туындайды. Металл және керамика сияқты (поли)кристаллдық материалдарда, тесіктерден басқа, ішкі беттердің немесе интерфейстердің көпшілігі кристалдық реттілікке ие ұсақ аймақтарды бөлетін дән шекаралары түрінде болады. Жақында себу орталығының (немесе дән шекарасының) мөлшері себілетін жарықтың толқын ұзындығынан төмен болғанда, себу маңызды деңгейде болмайтыны көрсетілді. Бұл құбылыс мөлдір керамикалық материалдарды өндіруге мүмкіндік берді. Сол сияқты, оптикалық сапалы шыны талшықтағы жарық себуі шыны құрылымындағы молекулалық деңгейдегі бұзылыстардан (құрамындағы ауытқулар) туындайды. Шындығында, жаңадан пайда болған бір ойлау мектебі шыныны поликристаллдық қатты дененің шекті жағдайы деп қарастырады. Бұл аяда, әртүрлі дәрежеде қысқа қашықтықтағы реттілікке ие "домендер" металдар мен қорытпалардың, сондай-ақ шыны мен керамиканың құрылыс блоктарына айналады. Осы домендердің арасында және ішінде жарық себуінің пайда болуына ең қолайлы орындарды ұсынатын микроқұрылымдық ақаулар таралады. Осы құбылыс ИК зымыран куполдарының мөлдірлігін шектейтін факторлардың бірі ретінде қарастырылады.

УФ-ВИ-ЖЖ сіңіруі

Жарық шашырауынан басқа, сигналдың әлсіреуі немесе жоғалуы белгілі бір толқын ұзындықтарының таңдамалы сіңірілуіне байланысты туындауы мүмкін, бұл түстің пайда болу механизміне ұқсас. Негізгі материалдық ескерулер электрондар мен молекулаларды қамтиды: Электрондық деңгейде, бұл электрондық орбитальдардың арақашықтығына (немесе "квантталған") байланысты, олар ультракүлгін (УК) немесе көрінетін диапазондағы белгілі бір толқын ұзындығы немесе жиілігі бар жарық квантын (немесе фотонды) сіңіре алады. Осыдан түс пайда болады. Атомдық немесе молекулалық деңгейде, бұл атомдық немесе молекулалық дірілдердің немесе химиялық байланыстардың жиілігіне, атомдар мен молекулалардың тығыздығына және атомдар мен молекулалардың ұзақ қашықтықтағы реттілігіне байланысты. Бұл факторлар материалдың инфрақызыл (ИК), алыс ИК, радио және микротолқын диапазондарындағы ұзын толқынды тарату қабілетін анықтайды. Белгілі бір материалдың инфрақызыл (ИК) сәулесін таңдап сіңіруі, жарық толқынының таңдалған жиілігінің сол материалдың бөлшектерінің діріл жиілігімен (немесе жиіліктің бүтін есесімен) сәйкес келуіне байланысты. Әр түрлі атомдар мен молекулалар әр түрлі табиғи діріл жиіліктеріне ие болғандықтан, олар инфрақызыл (ИК) жарықтың әртүрлі жиіліктерін (немесе спектрдің бөліктерін) таңдап сіңіреді.

Қолданбалар

Оптикалық талшықтарда әлсіреу – сигнал жарығының қарқындылығының төмендеу деңгейі. Осы себепті, шыны талшық (әлсіреуі төмен) ұзақ қашықтыққа арналған оптикалық талшық кабельдерінде қолданылады; пластик талшықтың әлсіреуі жоғарырақ, демек, қабылдау радиусы қысқа. Сондай-ақ, оптикалық талшық кабельдегі сигналды қасақана төмендетуге арналған оптикалық әлсіретушілер де бар. Жарықтың әлсіреуі физикалық мұхитты зерттеуде де маңызды. Бұл эффект ауа-райы радарында да маңызды роль атқарады, себебі жаңбыр тамшылары шығарылған сәуленің белгілі бір бөлігін сіңіреді, бұл мөлшері қолданылатын толқын ұзындығына байланысты. Жоғары энергиялы фотондардың зиянды әсерлеріне байланысты, мұндай сәулеленуді қолданатын диагностикалық емдеулер кезінде тіндерге қанша энергия жұмсалатынын білу қажет. Сонымен қатар, гамма сәулеленуі қатерлі ісіктерді емдеуде қолданылады, онда сау және ісікті тіндерге қанша энергия жұмсалатынын анықтау маңызды. Компьютерлік графикада әлсіреу жарық көздері мен күш өрістерінің жергілікті немесе глобалдық ықпалын анықтайды. Компьютерлік томографияда (КТ) әлсіреу – суреттің тығыздығын немесе қараңғылығын көрсетеді.

Радио

Аңсыздану – қазіргі сымсыз телекоммуникация әлемінде маңызды мәселе. Аңсыздану радиосигналдардың таралу қашықтығын шектейді және сигналдың қандай материалдардан өтуіне (мысалы, ауа, ағаш, бетон, жаңбыр) байланысты болады. Сымсыз байланыста сигналдың жоғалуы туралы толық ақпаратты «Жолдық жоғалу» мақаласынан қараңыз.