Коэффициент затухания в металле

Обновлено: 14.05.2024

Коэффициент затухания физическая величина, показывающая размер (величину) затухания на единицу длины пути, зависящий от структуры, параметров и свойств среды, длин и типов волн и др.

Коэффициент затухания колебаний

В реальности свободные колебания осуществляются в условиях, когда действуют силы сопротивления. Такие силы ведут к уменьшению амплитуды колебаний. Если амплитуда колебаний уменьшается с течением времени вследствие потери энергии, такие колебания называют затухающими.

Физическая величина, характеризующая скорость затухания колебаний называется коэффициентом затухания. Коэффициент затухания могут обозначать по-разному: и т.д. Если силу сопротивления (обобщенная сила трения) считают пропорциональной скорости движения тела:

где — обобщенный коэффициент трения, то коэффициент затухания принимают равным:

где — масса тела.

Дифференциальное уравнение колебаний при наличии затухания будет иметь вид:

— циклическая частота свободных колебаний системы при отсутствии трения.

Уравнение затухающих колебаний:

$x=Ae^{-\delta t}{\cos \left(\omega t+{\varphi }_0\right)\ }\left(4\right),$

где — частота затухающих колебаний, — амплитуда затухающих колебаний. — постоянная величина, которая зависит от выбора начала отсчета времени.

Коэффициент затухания можно определить как величину обратную времени ( ) за которое амплитуда уменьшается в e раз:

Затухающие электрические колебания

Любой электрический контур имеет активное сопротивление, поэтому энергия которая запасена в контуре с течение времени теряется на этом сопротивлении, так как происходит его нагрев.

Коэффициент затухания для электрического контура можно вычислить при помощи формулы:

где R — сопротивление, L- индуктивность контура.

Коэффициент затухания оптического волокна

При распространении света в оптической среде он ослабевает. Это явление носит название затухания среды (затухания оптического волокна). Этот вид затухания имеет зависимость от длины волны излучения, которое вводится в волокно. Затухание определено потерями на поглощение и рассеивание в оптическом волокне.

Коэффициентом затухания оптического волокна ( ) называют величину, которая является характеристикой уменьшения мощности оптического излучения при его прохождении по оптоволокну в отношении к длине волокна.

В общем виде коэффициент затухания равен:

$\alpha ={\alpha }_n+{\alpha }_p+{\alpha }_{np}+{\alpha }_k{+\alpha }_{ik}\left(7\right),$

где — коэффициент затухания, который вызван энергетическими потерями в результате поглощения света кварцем; — коэффициент поглощения, который обусловлен рассеянием Рэлея на неоднородностях веществ оптоволокна ( — показатель преломления сердцевины кабеля, — Постоянная Больцмана, — коэффициент сжимаемости кварца, — длина волны, — коэффициент рассеяния кварца). — коэффициент затухания, который вызван имеющимися в оптоволокне примесями. — коэффициент затухания, которые появляются как следствие деформации оптического волокна, возникающие при изготовлении кабеля. м для кварца) — коэффициент затухания, связанный с длиной волны оптического излучения и в результате поглощения в области инфракрасного излучения.

Потери на собственное поглощение в диапазоне рабочих частот оценивают при помощи формулы:

${\alpha }_n=8,69\cdot {10}^3\frac{\pi n_1tg\varphi }{\lambda }\left(8\right),$

где — тангенс угла диэлектрических потерь материала сердцевины оптоволокна ( )

Затухание оптического волокна следует учесть при расчете энерго бюджета.

Затухание линии оптоволокна ( ) при учете на соединениях рассчитывают, применяя формулу:

$\beta ={\beta }_sn_s+\alpha \cdot L+{\beta }_rn_r\left(9\right),$

, — величина потерь на сростке и величина потерь на разъеме. — число сростков, — количество разъемных соединений на оптоволоконной линии длины L. — километрический коэффициент затухания.

Общие километрические потери вычисляют, применяя формулу:

${\alpha }_{ob}=4,343\cdot {\alpha }_{pz}L\ \left(10\right),$

где — постоянная затухания волокна. Постоянная удельных километрических потерь:

Значения затуханий имеют отрицательные значения

Единицы измерения коэффициента затухания

Основной единицей измерения коэффициента затухания в системе СИ является:

дБ/м

Примеры решения задач

По закону Гука сила растяжения равна:

Приравняем правые части выражений (1.1) и (1.2), получим:

$mg=k\Delta x\ \to k=\frac{mg}{\Delta x}\left(1.3\right)$

Угловая частота собственных колебаний ( ) пружинного маятника в отсутствии затухания:

Период затухающих колебаний равен:

$T=\frac{2\pi }{\omega }=\frac{2\pi }{\sqrt{{\omega }^2_0-{\delta }^2}}=\frac{2\pi }{\sqrt{\frac{g}{\Delta x}-{\delta }^2}}\left(1.5\right)$

Задание	Затухание сигнала в оптоволокне делят на собственные потери и кабельные потери. Объясните физические основы процессов, происходящих при затухании сигнала рассматривая собственные потери кабеля.
Решение	К собственным потерям относят: затухание: поглощения, рассеяния, на примесях.

Затухание поглощения происходит в результате изменения поляризации молекул под воздействием электромагнитного поля световой волны. При увеличении частоты проявляется инерция молекул, затухание уменьшается, в результате коэффициент поглощения обратно пропорционален длине волны

Существенное значение имеет затухание рассеяния ( ). Причина рассеяния — столкновения фотонов с атомами оптоволокна и его неоднородными включениями. В результате таких столкновений идет неупругое рассеяние. Фотон при столкновении отражается, изменяя направление движения. Фотон высвечивается. Такое рассеяние Рэлея быстро убывает при увеличении длины волны:

Примеси в кабеле вызывают дополнительное затухание в точках резонанса. Максимальное затухание привносят ионы гидроксильной группы ( ). Они имеют два пика поглощения в рабочем диапазоне волн при и 1,4 мкм. При мкм затухание резко увеличивается.

Коэффициент затухания в металле

Доброго времени суток!
есть ли у кого методика по измерению коэффициента затухания в металле? очень было бы здорово с ссылками на нормативку, ну или хотя бы просто описание методики. Понимаю, вопрос провокационный, поэтому, пожалуйста, не надо писать: "Посмотри в литературе, там этого полно. тебе надо сделать образцы и измерить коэффициент. " и тому подобные советы в стиле капитана Очевидность. И так понятно, что нужны образцы разной толщины и дефектоскоп. Требуется рабочая методика (формула, расчеты и т.п.)

__________________
Все орфографические и синтаксические ошибки являются собственностью автора и перепечатки не подлежат!

Ну не знаю, есть ли в виде методики подобное. КЗ можно и на объекте контроля измерить, если вопрос чисто практический. Нужен прямой ПЭП и объект контроля с двумя плоскопараллельными поверхностями. Дальше по разнице между первым и вторым-третьим донным сигналом считается коэффициент затухания.
Считается по формуле (А1-А2)/(H1-H2), где А1 - амплитуда первого эхо-сигнала, А2 - амплитуда второго эхо-сигнала, Н1 и Н2 - путь, пройденный ультразвуком до первого и второго донного сигнала. Чтобы число получилось положительным, а не отрицательным, можно формулу преобразовать в (А1-А2)/(Н2-Н1). Амплитуда измеряется в дБ, путь - в миллиметрах. Разница будет в дБ/мм. Подсчёт грубый, но рабочий. Для решения практических (а не исследовательских) задач более чем достаточен.
Это всё не считая кучи заумных формул, которые выводили тоже не просто так. Но все они, как уже было замечено, написаны в больших толстых букварях по НК, которые может не всегда иметься возможность и время прочитать.

__________________
Чем больше узнаёшь про УЗК, тем меньше знаешь УЗК.
Царь прикажет - дураки найдутся.
Изображения из моих постов опубликованы под лицензией CC BY-SA 3.0

Чтобы рассматриваемые донные импульсы оказались в ближней зоне. Хотя в этом случае (для большинства ПЭПов общего назначения) толщина получится слишком маленькой для точного определения затухания.

USM35 XS, для эхо-синалов не учитывается собственно диаграмма направленности и потери при переотражении. И если второе можно уменьшить чистотой и параллельностью поверхностей, то первое нужно именно рассчитывать. Или же брать ПЭП с очень большим диаметром пластины.Чтобы рассматриваемые донные импульсы оказались в ближней зоне. Хотя в этом случае (для большинства ПЭПов общего назначения) толщина получится слишком маленькой для точного определения затухания.

Этот подсчёт и не претендует на 100% точность. Но он хорошо подходит для работы в полевых или околополевых условиях, где альтернативы попросту нет. Я рассматриваю проблему с точки зрения дефектоскописта, которому сказали "Иди вон туда и проверяй вон то. Вот тебе прибор, настроишься сам". Даже если найдётся в лаборатории образец из подходящего материала, на котором можно более-менее точно замерить КЗ, то как быть с объектом контроля, об акустических свойствах которого мы точно знаем, что они с СОПом могут и не совпасть? Выход один - делать измерение на ОК и не парить мозги себе. До того момента, пока не найдётся зануда-проверяющий и не начнёт петь дифирамбы "Вы не учли форму пластины", "А у вас непараллельность поверхностей 0.5 градуса" и т.п.

Могу посоветовать 2 способа. 1 - экспресс, на пальцах. 2 - с претензией на точность.
1 способ - прямым ПЭП на параллельных поверхностях получить 2 или более донных сигналов, посчитать разницу амплитуды (в дБ) между первым и вторым (третьим/четвёртым) донным сигналом А1-А2, посчитать разницу расстояний между этими же сигналами S2-S1, поделить первое на второе. Получится затухание в дБ/м (или дБ/мм).

2 способ - взять генератор сигналов, осциллограф (либо 2 одинаковых дефектоскопа), подключить к ним 2 ПЭП по раздельной схеме, один как передатчик, второй как приёмник. Сравнивать на осциллографе амплитуды посланных и принятых сигналов. Разницу амплитуд А1-А2 поделить на расстояние между приёмным и передающим ПЭП.

2 способ - взять генератор сигналов, осциллограф (либо 2 одинаковых дефектоскопа), подключить к ним 2 ПЭП по раздельной схеме

для продольной волны (желательно взять совмещенный, а не РС, ПЭП)
берем образец "ступенька", ловим донные:
коэфф. затухания=[N2-N1-20Lg(H2/h1)]/[2(H2-H1)] - это с учетом того, что часть энергии волны теряется за счет расхождения пучка
Можно конечно взять разницу между вторым и первым донным, тогда расхождение пучка 6 дБ, а в знаменателе 2H

для поперечной волны (наклонный ПЭП):
берем прямоугольную болванку, берем сигналы от нижнего угла (прямой луч) и верхнего угла (однократноотраженный луч)
[N2-N1-20Lg(H2/h1)]/[2H/cosA]

P.S. Если надо затухание в дБ/м, то значения высоты подставляем в метрах

У меня вопрос первоклассника:
Кто пишет А и S, а кто N и H. В вашем случае N это амплитуда? И одна "высота ступеньки" указана большой H, а одна маленькой h, это опечатка или я чего упускаю?
И можно чуть подробнее о формуле: в знаменателе двойная разница расстояния, а в числителе разница амплитуд минус потерю части энергии?

Меня учили, что если амплитуда (усиление или ослабление) в дБ, то обозначаем N, если в вольтах, метрах, паскалях, то U или А. (Например, в ГОСТ 14782 можно встретить обозначения N0 и Nx). Так как автору затухание надо было оценить в дБ/мм, то и апмлитуду берем в дБ.

По высоте у меня опечатка, обе буквы большие (можно обе маленькие), но опять же я привык, большая буква толщина сечения, маленькая буква - глубина залегания отражателя)

Для наклонного преобразователя важно учитывать не глубину залегания, а пройденный путь (путь по лучу). Кто-то его обозначает R, кто-то S
В любом случае это H/cosA, где А - угол ввода

Двойка рядом с H/cosA учитывает то, что для совмещенного ПЭП волна распространяется туда и обратно

Теперь про логарифм: в дальней зоне ослабление энергии волны в грубом приближении (не учитываем шероховатость поверхности, считаем поверхности плоскопараллельными и т.п.) определяется расхождением пучка и затуханием. Поэтому для измерения затухания необходимо измерить ослабление сигналов ( в образце толщиной более границы ближней зоны) и вычесть потери и-за расхождения пучка (для бесконечной плоскости ослабление обратно пропорционально расстоянию).

P.S. Если затухание определяем по образцу одной толщины (H), то пользуемся второй формулой
P.P.S. Если есть два одинаковых наклонных ПЭП, а длина образца достаточно большая, то можно брать сигналы не от углов, а, направив ПЭП навстречу друг другу и расположив на расстоянии 2H*TgA, измерить амплитуду первого донного сигнала, а на расстоянии 4H*TgA, измерить амплитуду второго донного сигнала. TgA - тангенс угла ввода

ГОСТ Р МЭК 60793-1-40-2012

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ. ЗАТУХАНИЕ

Optical fibres. Part 1-40. Measurement methods and test procedures. Attenuation

Дата введения 2013-07-01

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом "Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности (ОАО "ВНИИКП") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии международного стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 46 "Кабельные изделия"

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту МЭК 60793-1-40:2001* "Волокна оптические. Часть 1-40. Методы измерений и проведение испытаний. Затухание" (IEC 60793-1-40:2001 "Optical fibres - Part 1-40: Measurement methods and test procedures - Attenuation", IDT).

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Апрель 2020 г.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает единые требования к измерению затухания сигнала в оптическом волокне (далее - волокно), обеспечивая проверку соответствия волокон и кабелей целям коммерческого использования.

В настоящем стандарте приведены четыре метода для измерения затухания, один из которых предназначен для моделирования спектрального затухания:

- метод A: метод обрыва;

- метод B: метод вносимых потерь;

- метод C: метод обратного рассеяния;

- метод D: метод моделирования спектрального затухания.

Методы A, B и C применяют для измерения затухания всех типов следующих волокон:

- многомодовых волокон класса A;

- одномодовых волокон класса B.

Методом обратного рассеяния C также определяют распределение, вносимые потери и характеристики точечных дефектов.

В настоящее время метод D применяют только для волокон класса B.

Общая информация для всех трех методов измерений и для метода моделирования содержится в разделах 1-8, а информация, относящаяся к каждому индивидуальному методу, содержится в приложениях A, B, C и D соответственно.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты. Для датированных ссылок применяют только указанное издание ссылочного стандарта, для недатированных - последнее издание (включая все изменения):

IEC 60793-1-22, Optical fibres - Part 1-22: Measurement methods and test procedures - Length measurement (Волокна оптические. Часть 1-22. Методы измерений и проведение испытаний. Измерение длины)

IEC 60793-1-43, Optical fibres - Part 1-43: Measurement methods and test procedures - Numerical aperture (Волокна оптические. Часть 1-43. Методы измерений и проведение испытаний. Числовая апертура)

Заменен на IEC 60793-1-43:2015.

3 Определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

Примечание - Затухание - это степень уменьшения оптической мощности в волокне при определенной длине волны. Оно зависит от природы и длины волокна, а также от условий измерений.

Неуправляемые условия возбуждения обычно приводят к возникновению поглощающих мод более высокого порядка, что порождает переходные потери и приводит к затуханию, не пропорциональному длине волокна. Применение управляемого, стабильного возбуждения приводит к затуханию, которое пропорционально длине волокна. При условии стабильного возбуждения можно определить коэффициент затухания волокна и затухание линейно соединенных волокон.

3.1 затухание (attenuation): Затухание волокна при длине волны между двумя поперечными сечениями 1 и 2, разделенными расстоянием, определяемое как

где - затухание при длине волны , дБ;

- оптическая мощность, проходящая через поперечное сечение 1;

- оптическая мощность, проходящая через поперечное сечение 2.

3.2 коэффициент затухания (attenuation coefficient), затухание на единицу длины (attenuation per unit length): Для однородного волокна при условии стабильного возбуждения возможно определить затухание на единицу длины или коэффициент затухания в виде следующего соотношения, которое не зависит от выбранного отрезка волокна:

где - коэффициент затухания;

3.3 моделирование спектрального затухания (spectral attenuation modeling): Методика, позволяющая прогнозировать значения коэффициентов затухания для спектра длин волн, используя небольшое число (три-пять) непосредственно измеряемых дискретных значений.

3.4 точечные дефекты (point discontinuities): Временные или постоянные локальные колебания вверх и вниз непрерывного сигнала оптического рефлектометра во временной области (ОРВО) в направлении вверх и вниз.

Примечание - Природа колебаний может изменяться в зависимости от условий испытаний (например, длительности импульса, длины волны, направления сигнала ОРВО). Хотя точечный дефект может иметь длину

4 Требования к калибровке

В стадии рассмотрения.

5 Эталонный метод испытаний

Метод обрыва A является эталонным методом испытаний (ЭМИ) и должен использоваться при разрешении спорных вопросов.

6 Оборудование

В приложениях A, B, C и D приведены схематичные рисунки и другие требования для каждого из методов соответственно.

7 Отбор образцов

7.1 Длина образца

Образец должен представлять собой отрезок волокна известной длины на катушке или в составе кабеля, как указано в подробной спецификации на волокно/кабель.

7.2 Торцевая поверхность образца

Должна быть подготовлена плоская торцевая поверхность, перпендикулярная оси волокна, на входном и выходном концах каждого образца.

8 Порядок проведения испытаний

См. приложения A, B, C и D для методов A, B, C и D соответственно.

9 Расчеты

9.1 Методы A и B

В методах обрыва A и вносимых потерь B соответственно используют уравнения (1) и (2).

9.2 Метод C

См. приложение C.

9.3 Метод D

См. приложение D.

10 Результаты

10.1 Информация, получаемая при каждом измерении

Отчет по каждому измерению должен содержать следующую информацию:

- дата и наименование измерения;

- длина волны источника оптического излучения;

- спектральное затухание, дБ, или коэффициент затухания, дБ/км, в зависимости от длины волны или при определенной длине волны, как указано в подробной спецификации на волокно/кабель.

10.2 Информация, предоставляемая по требованию

По требованию предоставляется следующая информация:

- используемый метод измерений: А, В, С или D;

- тип используемого источника оптического излучения: центральная длина волны (длины волн) и ширина спектра (спектров);

- способ ввода излучения и используемые условия;

- описание всех основных элементов оборудования;

- для волокон класса B - размеры и число оборотов модового фильтра или смесителя мод;

- длительность импульса (импульсов), диапазон шкалы (шкал) и подробное описание операции усреднения сигнала;

Читайте также: