Slabljenje

U fizici, slabljenje (atenuacija) je postepeni gubitak intenziteta zvuka kroz medij za prijenos. Naprimjer, tamne naočale slabe sunčevu svjetlost, olovo slabi rendgenske zrake, a voda i zrak slabe i svjetlost i zvuk s promjenjivim brzinama slabljenja.

Štitnici za uši pomažu u smanjenju snage zvuka i akustičnog fluksa koji ulazi u uši. Ovaj fenomen se naziva slabljenje zvuka i mjeri se u decibelima (dB).

U elektrotehnici i telekomunikacijama, slabljenje utiče na širenje talasa i signal au električnim kolima, u optičkim vlaknima i u zraku. Električni atenuatori i optički atenuatori su često proizvedene komponente u ovoj oblasti.

Pozadina

Frekvencijski zavisno slabljenje elektromagnetnog zračenja u standardnoj atmosferi

U mnogim slučajevima, slabljenje je eksponencijalna funkcija dužine puta kroz medij. U optici i hemijskoj spektroskopiji, ovo je poznato kao Beer-Lambertov zakon. U inženjerstvu, slabljenje se obično mjeri u jedinicama decibelima po jedinici dužine medija (dB/cm, dB/km, itd.) i predstavljeno je koeficijentom slabljenja dotičnog medija U mnogim slučajevima, slabljenje je eksponencijalna funkcija dužine puta kroz medij. U optici i hemijskoj spektroskopiji ovo je poznato kao Beer-Lambertov zakon. U inženjerstvu, slabljenje se obično mjeri u jedinicama decibela po jedinici dužine medija (dB/cm, dB/km, itd.) i predstavljeno je koeficijentom slabljenja dotičnog medija. Slabljenje se također javlja kod zemljotresa; kada se seizmički talasi udaljavaju od hipocentra, oni postaju manji jer ih Zemlja slabi.

Ultrazvuk

Glavni članak: Akustično slabljenje

Jedno područje istraživanja u kojem slabljenje igra istaknutu ulogu je fizika ultrazvuka. Slabljenje ultrazvuka je smanjenje amplitude ultrazvučnog snopa kao funkcije udaljenosti kroz medij za snimanje. Uzimanje u obzir efekata slabljenja ultrazvuka je važno jer smanjena amplituda signala može uticati na kvalitet proizvedene slike. Poznavanjem slabljenja koje ultrazvučni snop doživljava putujući kroz medij, može se prilagoditi amplituda ulaznog signala kako bi se kompenzirao bilo kakav gubitak energije na željenoj dubini snimanja.

• • Mjerenje ultrazvučne atenuacije u heterogenim sistemima, poput emulzija ili koloida, daje informacije o raspodjeli veličine čestica. Postoji ISO standard za ovu tehniku.
• Ultrazvučno slabljenje se može koristiti za mjerenje ekstenzijske reologije. Postoje akustični reometri koji koriste Stokesov zakon za mjerenje ekstenzijske i volumenske viskoznosti.

Talasne jednačine koje uzimaju u obzir akustično slabljenje mogu se napisati u obliku frakcionog derivata. U homogenim medijima, glavna fizička svojstva koja doprinose slabljenju zvuka su viskoznost i toplotna provodljivost.

Koeficijent slabljenja

Glavni članak: Koeficijent slabljenja

Koeficijent slabljenja se koristi za kvantificiranje različitih medija prema tome koliko snažno se smanjuje amplituda prenesenog ultrazvuka kao funkcija frekvencije. Koeficijent slabljenja koeficijent ($\alpha$) može se koristiti za određivanje ukupnog slabljenja u dB u mediju korištenjem sljedeće formule:

${\text{Attenuation}}=\alpha \left[{\frac {\text{dB}}{{\text{MHz}}{\cdot }{\text{cm}}}}\right]\cdot \ell [{\text{cm}}]\cdot {\text{f}}[{\text{MHz}}]$

Slabljenje je linearno ovisno o dužini medija i koeficijentu slabljenja, kao i - približno - o frekvenciji upadnog ultrazvučnog snopa za biološko tkivo (dok je za jednostavnije medije, poput zraka, odnos kvadratni). Koeficijenti slabljenja uveliko variraju za različite medije. Međutim, u biomedicinskom ultrazvučnom snimanju, biološki materijali i voda su najčešće korišteni mediji. Koeficijenti slabljenja uobičajenih bioloških materijala na frekvenciji od 1 MHz navedeni su u nastavku:

Materijal	$\alpha {\text{ }}\left[{\frac {\text{dB}}{{\text{MHz}}{\cdot }{\text{cm}}}}\right]$
Zrak, na 20 °C	1,64
Krv	0,2
Kost, kortikalna	6,9
Kost, trabekulska	9,94
Mozak	0,6
Dojka	0,75
Srčani	0,52
Vezivno tkivo	1,57
Dentin	80
Cklina	120
Masnoća	0,48
Jetra	0,5
Koštana srž	0,5
Mišić	1,09
Tetiva	4,7
Mehko tkivo (prosjek)	0,54
Voda	0,0022

Postoje dva opča načina gubitka akustične energije: apsorpcija i rasijanje. Širenje ultrazvuka kroz homogene medije povezano je samo s apsorpcijom i može se okarakterizirati samo koeficijentom apsorpcije. Širenje kroz heterogene medije zahtijeva uzimanje u obzir raspršenja.

Slabljenje svjetlosti u vodi

Glavni članak: Elektromagnetna apsorpcija vode

Kratkotalasno zračenje koje emituje Sunce ima talasne dužine u vidljivom spektru svjetlosti koje se kreću od 360 nm (ljubičasta) do 750 nm (crvena). Kada Sunčevo zračenje dosegne površinu mora, kratkotalasno zračenje se slabi vodom, a intenzitet svjetlosti se eksponencijalno smanjuje s dubinom vode. Intenzitet svjetlosti na dubini može se izračunati pomoću Beer-Lambertovog zakona.

U čistim vodama srednjeg okeana, vidljiva svjetlost se najjače apsorbuje na najdužim talasnim dužinama. Dakle, crvene, narandžaste i žute talasne dužine se potpuno apsorbuju na manjim dubinama, dok plave i ljubičaste talasne dužine dosežu dublje u vodeni stub. Budući da se plave i ljubičaste talasne dužine apsorbuju najmanje u poređenju s drugim talasnim dužinama, vode otvorenog okeana oku izgledaju tamnoplave.

U blizini obale, priobalne vode sadrže više fitoplanktona nego vrlo bistre vode srednjeg okeana. Pigmenti hlorofila-a u fitoplanktonu apsorbiraju svjetlost, a same biljke raspršuju svjetlost, čineći priobalne vode manje bistrim od voda srednjeg okeana. Hlorofil-a najjače apsorbira svjetlost u najkraćim talasnim dužinama (plava i ljubičasta) vidljivog spektra. U priobalnim vodama gdje se javljaju visoke koncentracije fitoplanktona, zelena talasna dužina doseže najdublje u vodenom stupcu i boja vode se pojavljuje kao plavo-zelena ili proljetno zelena.

Seizmičko slabljenje

Energija kojom zemljotres utiče na lokaciju zavisi od udaljenosti koja se kreće. Slabljenje signala intenziteta pomicanja tla ima važnu ulogu u procjeni mogućeg jakog podrhtavanja tla. Seizmički talas gubi energiju dok se širi kroz Zemlju (seizmičko slabljenje). Ovaj fenomen je povezan sa disperzijom seizmičke energije sa udaljenošću. Postoje dvije vrste disipirane energije:

• geometrijska disperzija uzrokovana raspodjelom seizmičke energije na veće zapremine
• disperzija u obliku toplote, koja se naziva i unutrašnje slabljenje ili anelastično slabljenje.

U poroznim fluidima - zasićenim sedimentnim stijenama kao što su pješčari, unutrašnje slabljenje seizmičkih talasa prvenstveno je uzrokovano tokom fluida u porama u odnosu na čvrsti okvir izazvanim talasima.

Elektromagnetno

Slabljenje smanjuje intenzitet elektromagnetnog zračenja zbog apsorpcije ili rasijanja fotona. Slabljenje ne uključuje smanjenje intenziteta zbog geometrijskog širenja zakona inverznih kvadrata. Stoga, izračunavanje ukupne promjene intenziteta uključuje i zakon inverznih kvadrata i procjenu slabljenja duž puta. Primarni uzroci slabljenja u materiji su fotoelektrični efekat, Comptonovo raspršenje i, za energije fotona iznad 1,022 MeV, produkcija parova.

Koaksijalni i opći RF kablovi

Slabljenje RF kablova definirano je sa:

${\text{Attenuation (dB/100m)}}=10\times \log _{10}\left({\frac {P_{1}\ (W)}{P_{2}\ (W)}}\right),$

gdje $P_{1}$ je ulazna snaga u kabl dužine 100 m koji se završava nominalnom vrijednošću njegove karakteristične impedanse, a $P_{2}$ je izlazna snaga na drugom kraju ovog kabla.

Slabljenje u koaksijalnom kablu zavisi od materijala i konstrukcije.

Radiografija

Glavni članak: Radiografija

Snop rendgenskih zraka se slabi kada se fotoni apsorbuju kada rendgenski snop prolazi kroz tkivo. Interakcija s materijom varira između fotona visoke energije i fotona niske energije. Fotoni koji putuju većom energijom imaju veću sposobnost putovanja kroz uzorak tkiva jer imaju manje šanse za interakciju s materijom. To je uglavnom zbog fotoelektričnog efekta koji kaže da je "vjerovatnoća fotoelektrične apsorpcije približno proporcionalna (Z/E)³, gdje je Z atomski broj atoma tkiva, a E = energija fotona. U kontekstu ovoga, povećanje energije fotona (E) rezultirat će brzim smanjenjem interakcije s materijom.

U CT snimanju, slabljenje opisuje gustoću ili tamu slike.

Optika

Glavni članak: Prozirni materijali

Slabljenje u optičkim vlaknima, poznato i kao gubitak prijenosa, je smanjenje intenziteta svjetlosnog snopa (ili signala) u odnosu na udaljenost koja se prelazi kroz prijenosni medij. Koeficijenti slabljenja u optičkim vlaknima obično koriste jedinice dB/km kroz medij, zbog relativno visoke kvalitete transparentnosti modernog optičkog prijenosa. Medij je obično vlakno od silikatnog stakla koje ograničava upadni svjetlosni snop prema unutra. Slabljenje je važan faktor koji ograničava prijenos digitalnog signala na velike udaljenosti. Stoga je mnogo istraživanja uloženo u ograničavanje slabljenja i maksimiziranje pojačanja optičkog signala. Empirijska istraživanja su pokazala da je slabljenje u optičkim vlaknima uzrokovano prvenstveno i raspršivanjem i apsorpcijom. Slabljenje u optičkim vlaknima može se kvantificirati pomoću sljedeće jednačine:

${\text{Attenuation (dB)}}=10\times \log _{10}\left({\frac {\text{Input intensity (W)}}{\text{Output intensity (W)}}}\right)$

Raspršenje svjetlosti

Glavni članak: Raspršenje svjetlosti

Spekularna refleksija

Difuzna refleksija

Širenje svjetlosti kroz jezgro optičkog vlakna zasniva se na potpunoj unutrašnjoj refleksiji svjetlosnog talasa. Grube i nepravilne površine, čak i na molekulskom nivou stakla, mogu uzrokovati refleksiju svjetlosnih zraka u mnogim nasumičnim smjerovima. Ova vrsta refleksije naziva se "difuzna refleksija" i obično je karakterizira širok raspon uglova refleksije. Većina objekata koji se mogu vidjeti golim okom vidljivi su zbog difuzne refleksije. Drugi termin koji se često koristi za ovu vrstu refleksije je "raspršivanje svjetlosti". Raspršivanje svjetlosti s površina objekata je naš primarni mehanizam fizičkog posmatranja. Raspršenje svjetlosti sa mnogih uobičajenih površina može se modelirati refleksijom. Raspršenje svjetlosti zavisi od talasne dužine svjetlosti koja se raspršuje. Stoga se javljaju ograničenja prostornih skala vidljivosti, zavisno od frekvencije upadnog svjetlosnog talasa i fizičke dimenzije (ili prostorne skale) centra raspršenja, koja je obično u obliku neke specifične mikrostrukturne karakteristike. Naprimjer, budući da vidljiva svjetlost ima skalu talasne dužine reda veličine jednog mikrometra, centri raspršenja će imati dimenzije na sličnoj prostornoj skali.

Dakle, slabljenje je rezultat nekoherentnog raspršenja svjetlosti na unutrašnjim površinama i međupovršinama. U (poli)kristalnim materijalima kao što su metali i keramika, pored pora, većina unutrašnjih površina ili međupovršina je u obliku granica zrna koje odvajaju sićušne regije kristalnog reda. Nedavno je pokazano da, kada se veličina centra raspršenja (ili granice zrna) smanji ispod veličine talasne dužine svjetlosti koja se raspršuje, raspršenje se više ne događa u značajnoj mjeri. Ovaj fenomen je doveo do proizvodnje prozirnih keramičkih materijala.

Slično tome, raspršenje svjetlosti u optičkim staklenim vlaknima uzrokovano je nepravilnostima na molekularnom nivou (fluktuacijama sastava) u strukturi stakla. Zaista, jedna nova škola mišljenja je da je staklo jednostavno granični slučaj polikristalne čvrste materije. Unutar ovog okvira, "domeni" koji pokazuju različite stepene kratkog dometa postaju gradivni blokovi i metala i legura, kao i stakla i keramike. Raspoređene su i između i unutar ovih domena mikrostrukturni defekti koji će obezbijediti najidealnije lokacije za pojavu raspršenja svjetlosti. Isti ovaj fenomen se smatra jednim od ograničavajućih faktora u transparentnosti kupola IR projektila.

UV-Vis-IR apsorpcija

Pored raspršenja svjetlosti, slabljenje ili gubitak signala mogu se pojaviti i zbog selektivne apsorpcije specifičnih talasnih dužina, na način sličan onome koji je odgovoran za pojavu boje. Primarni materijalni aspekti uključuju i elektrone i molekule, kako slijedi:

• Na elektronskom nivou, zavisi od toga da li su elektronske orbitale raspoređene (ili "kvantizovane") tako da mogu apsorbovati kvant svjetlosti (ili fotona) određene talasne dužine ili frekvencije u ultraljubičastom (UV) ili vidljivom opsegu. To je ono što dovodi do boje.
• Na atomskom ili molekularnom nivou, zavisi od frekvencija atomskih ili molekularnih vibracija ili hemijskih veza, koliko su gusto pakovani atomi ili molekuli i da li atomi ili molekuli pokazuju red dugog dometa. Ovi faktori će odrediti kapacitet materijala da prenosi duže talasne dužine u infracrvenom (IR), dalekom IR, radio i mikrotalasnom opsegu.

Selektivna apsorpcija infracrvene (IR) svjetlosti od strane određenog materijala nastaje zato što odabrana frekvencija svjetlosnog talasa odgovara frekvenciji (ili integralnom višekratniku frekvencije) na kojoj čestice tog materijala vibriraju. Budući da različiti atomi i molekuli imaju različite prirodne frekvencije vibracija, oni će selektivno apsorbovati različite frekvencije (ili dijelove spektra) infracrvene (IR) svjetlosti.

Primjene

Kod optičkih vlakana, slabljenje je brzina kojom se smanjuje intenzitet svjetlosnog signala. Iz tog razloga, staklena vlakna (koja imaju nisko slabljenje) se koriste za optičke kablove na velike udaljenosti; plastična vlakna imaju veće slabljenje i, stoga, kraći domet. Postoje i optički atenuatori koji namjerno smanjuju signal u optičkom kablu.

Slabljenje svjetlosti je također važno u fizičkoj okeanografiji. Isti ovaj efekat je važno razmatranje u vremenskom radaru, jer kapi kiše apsorbuju dio emitiranog snopa koji je manje ili više značajan, ovisno o korištenoj talasnoj dužini. Zbog štetnih efekata visokoenergetskih fotona, neophodno je znati koliko se energije deponuje u tkivu tokom dijagnostičkih tretmana koji uključuju takvo zračenje. Osim toga, gama zračenje se koristi u liječenju raka gdje je važno znati koliko će se energije deponovati u zdravom i u tumorskom tkivu.

U računarskoj grafici slabljenje definira lokalni ili globalni utjecaj izvora svjetlosti i polja sile.

Radio

Glavni članak: Gubitak putanje

Slabljenje je važno razmatranje u modernom svijetu bežičnih telekomunikacija. Slabljenje ograničava domet radio signala i na njega utiču materijali kroz koje signal mora putovati (npr. zrak, drvo, beton, kiša). Pogledajte članak o gubitku putanje za više informacija o gubitku signala u bežičnoj komunikaciji.

Također pogledajte

• Vazdušna masa (astronomija)
• Astronomski filter
• Astronomsko posmatranje
• Atmosferska refrakcija
• Dužina slabljenja
• Atenuator (genetika)
• Poprečni presjek (fizika)
• Električna impedancija
• Sanacija okoliša za prirodno slabljenje
• Izumiranje (astronomija)
• ITU-R P.525
• Srednji slobodni put
• Gubitak puta
• Radarski horizont
• Dužina zračenja
• Blijeđenje zbog kiše
• Zalazak sunca#Boje
• Svjetlucanje
• Širenje talasa

Vanjski linkovi

• NIST's XAAMDI: X-Ray Attenuation and Absorption for Materials of Dosimetric Interest Database
• NIST's XCOM: Photon Cross Sections Database
• NIST's FAST: Attenuation and Scattering Tables
• Underwater Radio Communication