Введение

Постепенное уменьшение интенсивности потока при прохождении через среду – это ослабление в физике.

В физике ослабление (в некоторых контекстах – затухание) – это постепенная потеря интенсивности потока при прохождении через среду. Например, солнцезащитные очки ослабляют солнечный свет, свинец ослабляет рентгеновское излучение, а вода и воздух ослабляют как свет, так и звук с различной скоростью ослабления. Средства защиты слуха помогают уменьшить звуковой поток, достигающий ушей. Это явление называется акустическим ослаблением и измеряется в децибелах (дБ). В электротехнике и телекоммуникациях ослабление влияет на распространение волн и сигналов в электрических цепях, в оптических волокнах и в воздухе. Электрические и оптические аттенюаторы – широко используемые компоненты в этой области.

Предыстория

Во многих случаях ослабление является экспоненциальной функцией длины пути в среде. В оптике и химической спектроскопии это известно как закон Бира-Ламберта. В инженерии ослабление обычно измеряется в децибелах на единицу длины среды (дБ/см, дБ/км и т.д.) и характеризуется коэффициентом ослабления для данной среды. Ослабление также наблюдается при землетрясениях: по мере удаления сейсмических волн от гипоцентра их амплитуда уменьшается из-за ослабления в земной коре.

Ультразвук

Одной из областей исследований, в которой затухание играет важную роль, является ультразвуковая физика. Затухание в ультразвуке – это уменьшение амплитуды ультразвукового луча по мере прохождения через среду визуализации. Учет эффектов затухания в ультразвуке важен, поскольку снижение амплитуды сигнала может повлиять на качество получаемого изображения. Зная затухание, которое испытывает ультразвуковой луч при прохождении через среду, можно регулировать амплитуду входного сигнала для компенсации потерь энергии на желаемой глубине визуализации. Измерение ультразвукового затухания в гетерогенных системах, таких как эмульсии или коллоиды, позволяет получить информацию о распределении частиц по размерам. Для этой методики существует стандарт ISO. Ультразвуковое затухание может использоваться для измерения экстензионной реологии. Существуют акустические реометры, использующие закон Стокса для измерения экстензионной и объемной вязкости. Волновые уравнения, учитывающие акустическое затухание, могут быть записаны в форме дробной производной. В однородных средах основными физическими свойствами, влияющими на затухание звука, являются вязкость и теплопроводность.

Коэффициент ослабления

Коэффициенты ослабления используются для количественной оценки различных сред в зависимости от того, насколько сильно уменьшается амплитуда прошедшего ультразвука в зависимости от частоты. Коэффициент ослабления можно использовать для определения общего ослабления в дБ в среде, используя следующую формулу:

Ослабление линейно зависит от длины среды и коэффициента ослабления, а также – приблизительно – от частоты падающего ультразвукового луча для биологических тканей (в то время как для более простых сред, таких как воздух, зависимость является квадратичной). Коэффициенты ослабления значительно различаются для разных сред. Однако в биомедицинской ультразвуковой визуализации наиболее часто используются биологические материалы и вода. Коэффициенты ослабления распространенных биологических материалов при частоте 1 МГц приведены ниже:

+ Материал Воздух, при 20 °C 1,64 Кровь 0,2 Кость корковая 6,9 Кость трабекулярная 9,94 Мозг 0,6 Молочная железа 0,75 Сердечная мышца 0,52 Соединительная ткань 1,57 Дентин 80 Эмаль 120 Жировая ткань 0,48 Печень 0,5 Костный мозг 0,5 Мышечная ткань 1,09 Сухожилия 4,7 Мягкие ткани (в среднем) 0,54 Вода 0,0022

Существует два основных механизма потерь акустической энергии: поглощение и рассеяние. Распространение ультразвука через однородные среды связано только с поглощением и может быть охарактеризовано только коэффициентом поглощения. Распространение через неоднородные среды требует учета рассеяния.

Затухание света в воде

Коротковолновое излучение, испускаемое Солнцем, имеет длины волн в видимом спектре света, которые варьируются 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. Интенсивность света на глубине можно рассчитать, используя закон Бера-Ламберта. В чистых водах открытого океана видимый свет поглощается наиболее сильно на самых длинных длинах волн. Таким образом, красные, оранжевые и жёлтые длины волн полностью поглощаются на небольшой глубине, в то время как синие и фиолетовые длины волн проникают глубже в водную толщу. Поскольку синие и фиолетовые длины волн поглощаются в меньшей степени, чем другие, воды открытого океана кажутся глубоко-синими. Вблизи берега прибрежные воды содержат больше фитопланктона, чем очень чистые океанические воды. Пигмент хлорофилл а в фитопланктоне поглощает свет, а сами растения рассеивают свет, делая прибрежные воды менее прозрачными, чем океанические. Хлорофилл а наиболее сильно поглощает свет на коротких длинах волн (синий и фиолетовый) видимого спектра. В прибрежных водах с высокой концентрацией фитопланктона зелёная длина волны достигает наибольшей глубины в водной толще, и цвет воды выглядит сине-зелёным или зелёным.

Электромагнитные

Атенуация уменьшает интенсивность электромагнитного излучения в результате поглощения или рассеяния фотонов. Атенуация не включает в себя уменьшение интенсивности, обусловленное геометрическим распространением согласно закону обратных квадратов. Следовательно, вычисление общего изменения интенсивности требует учета как закона обратных квадратов, так и оценки атенуации на пути распространения. Основными причинами атенуации в веществе являются фотоэффект, комптоновское рассеяние и, при энергиях фотонов выше 1,022 МэВ, образование пар.

Рентгенография

Луч рентгеновского излучения ослабляется при прохождении через ткань, когда фотоны поглощаются. Взаимодействие с веществом различается для фотонов высокой и низкой энергии. Фотоны с более высокой энергией способны проходить сквозь образец ткани легче, поскольку вероятность их взаимодействия с веществом меньше. Это в основном обусловлено фотоэлектрическим эффектом, который утверждает, что "вероятность фотоэлектрического поглощения приблизительно пропорциональна (Z/E)³, где Z – атомный номер атома ткани, а E – энергия фотона. Следовательно, увеличение энергии фотона (E) приводит к резкому снижению взаимодействия с веществом.

Рассеивание света

Распространение света через сердцевину оптического волокна основано на полном внутреннем отражении световой волны. Шероховатые и неровные поверхности, даже на молекулярном уровне стекла, могут приводить к отражению световых лучей во многих случайных направлениях. Этот тип отражения называется "диффузным отражением" и обычно характеризуется широким диапазоном углов отражения. Большинство объектов, видимых невооруженным глазом, становятся видимыми благодаря диффузному отражению. Другой часто используемый термин для этого типа отражения – "рассеяние света". Рассеяние света от поверхностей объектов является нашим основным механизмом физического наблюдения. Рассеяние света от многих распространенных поверхностей можно смоделировать с помощью рефлектанса. Рассеяние света зависит от длины волны рассеиваемого света. Таким образом, возникают ограничения масштабов видимости, зависящие от частоты падающей световой волны и физических размеров (или пространственного масштаба) центра рассеяния, который обычно представляет собой определенную микроструктурную особенность. Например, поскольку длина волны видимого света составляет порядка одного микрометра, центры рассеяния будут иметь сопоставимые размеры. Следовательно, затухание возникает из-за 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 представлены границами зерен, разделяющими небольшие области кристаллического порядка. Недавно было показано, что когда размер центра рассеяния (или границы зерна) уменьшается до величины, меньшей длины волны рассеиваемого света, рассеяние перестает происходить в значительной степени. Это явление привело к созданию прозрачных керамических материалов. Аналогично, рассеяние света в оптическом волокне из качественного стекла вызвано неровностями на молекулярном уровне (флуктуациями состава) в структуре стекла. Действительно, одна из новых концепций заключается в том, что стекло – это просто предельный случай поликристаллического твердого тела. В рамках этой концепции "домены", демонстрирующие различные степени ближнего порядка, становятся строительными блоками как металлов и сплавов, так и стекла и керамики. Микроструктурные дефекты, распределенные как между, так и внутри этих доменов, обеспечивают наиболее благоприятные места для рассеяния света. То же явление рассматривается как один из факторов, ограничивающих прозрачность куполов ракет с инфракрасным наведением.

Поглощение УФ-ВИ-Ир

В дополнение к рассеянию света, затухание или потеря сигнала также могут возникать из-за селективного поглощения определенных длин волн, подобно механизму, ответственному за появление цвета. Основные характеристики материала, которые следует учитывать, включают в себя как электроны, так и молекулы, а именно:

На электронном уровне это зависит от того, расположены ли электронные орбитали (или "квантованы") таким образом, чтобы они могли поглотить квант света (или фотон) определенной длины волны или частоты в ультрафиолетовом (УФ) или видимом диапазонах. Именно это обуславливает цвет. На атомном или молекулярном уровне это зависит от частот атомных или молекулярных колебаний или химических связей, плотности упаковки атомов или молекул, а также от наличия или отсутствия дальнего порядка в расположении атомов или молекул. Эти факторы определяют способность материала пропускать более длинные волны в инфракрасном (ИК), дальнем ИК, радио- и микроволновом диапазонах. Селективное поглощение инфракрасного (ИК) излучения конкретным материалом происходит, когда частота световой волны совпадает с частотой (или целым кратным частоты), на которой колеблются частицы этого материала. Поскольку различные атомы и молекулы имеют различные собственные частоты колебаний, они будут селективно поглощать разные частоты (или участки спектра) инфракрасного (ИК) излучения.

Приложения

В оптических волокнах затухание – это скорость уменьшения интенсивности светового сигнала. По этой причине стекловолокно (обладающее низким затуханием) используется для волоконно-оптических кабелей большой протяженности; пластиковое волокно имеет более высокое затухание и, следовательно, меньшую дальность действия. Существуют также оптические аттенюаторы, которые преднамеренно уменьшают сигнал в волоконно-оптическом кабеле. Затухание света также важно в физической океанографии. Этот же эффект необходимо учитывать при использовании метеорологических радаров, поскольку капли дождя поглощают часть излучаемого луча, величина поглощения зависит от используемой длины волны. В связи с вредным воздействием фотонов высокой энергии необходимо знать, какая энергия поглощается тканями при диагностических процедурах с использованием такого излучения. Кроме того, гамма-излучение применяется при лечении рака, где важно определить количество энергии, поглощаемой здоровыми и пораженными тканями. В компьютерной графике затухание определяет локальное или глобальное влияние источников света и силовых полей. В компьютерной томографии затухание описывает плотность или степень затемнения изображения.

Радио

Ослабление сигнала – важный фактор, который следует учитывать в современном мире беспроводной телекоммуникации. Ослабление ограничивает дальность распространения радиосигналов и зависит от материалов, через которые сигнал проходит (например, воздух, дерево, бетон, дождь). Подробнее о потерях сигнала в беспроводной связи можно узнать в статье о затухании сигнала.