Atenuación

En física, atenuación (en algunos contextos, extinción) es la pérdida gradual de intensidad de flujo a través de un medio. Por ejemplo, los anteojos oscuros atenúan la luz solar, el plomo atenúa los rayos X y el agua y el aire atenúan tanto la luz como el sonido a tasas de atenuación variables.

Los protectores auditivos ayudan a reducir el flujo acústico que fluye hacia los oídos. Este fenómeno se denomina atenuación acústica y se mide en decibelios (dBs).

En ingeniería eléctrica y telecomunicaciones, la atenuación afecta la propagación de ondas y señales en circuitos eléctricos, en fibras ópticas y en el aire. Los atenuadores eléctricos y los atenuadores ópticos son componentes comúnmente fabricados en este campo.

Antecedentes

Atenuación dependiente de frecuencias de radiación electromagnética en atmósfera estándar.

En muchos casos, la atenuación es una función exponencial de la longitud del camino a través del medio. En óptica y espectroscopia química, esto se conoce como la ley de Beer-Lambert. En ingeniería, la atenuación suele medirse en unidades de decibeles por unidad de longitud del medio (dB/cm, dB/km, etc.) y se representa mediante el coeficiente de atenuación del medio en cuestión. La atenuación también ocurre en los terremotos; cuando las ondas sísmicas se alejan del hipocentro, se hacen más pequeñas a medida que son atenuadas por el suelo.

Ultrasonido

Un área de investigación en la que la atenuación juega un papel destacado es la física de ultrasonidos. La atenuación en ultrasonido es la reducción en la amplitud del haz de ultrasonido en función de la distancia a través del medio de formación de imágenes. Es importante tener en cuenta los efectos de atenuación en el ultrasonido porque una amplitud de señal reducida puede afectar la calidad de la imagen producida. Al conocer la atenuación que experimenta un haz de ultrasonido al viajar a través de un medio, se puede ajustar la amplitud de la señal de entrada para compensar cualquier pérdida de energía en la profundidad de imagen deseada.

• Atenuación por ultrasonido la medición en sistemas heterogéneos, como emulsiones o coloides, produce información sobre la distribución del tamaño de las partículas. Hay un estándar ISO en esta técnica.
• Atenuación por ultrasonido se puede utilizar para la medición de retología de extensión. Hay reómetros acústicos que emplean la ley de Stokes para medir la viscosidad extensiva y la viscosidad del volumen.

Las ecuaciones de onda que tienen en cuenta la atenuación acústica se pueden escribir en forma de derivada fraccionaria.

En medios homogéneos, las principales propiedades físicas que contribuyen a la atenuación del sonido son la viscosidad y la conductividad térmica.

Coeficiente de atenuación

Los coeficientes de atenuación se utilizan para cuantificar los diferentes medios según la intensidad de la amplitud de ultrasonido transmitida disminuye como función de frecuencia. El coeficiente de atenuación (α α {displaystyle alpha }) se puede utilizar para determinar la atenuación total en dB en el medio utilizando la siguiente fórmula:

Atenuación=α α [dBMHz⋅ ⋅ cm]⋅ ⋅ l l [cm]⋅ ⋅ f[MHz]{displaystyle {text{Atenuation}}=alpha left[{frac] {text{dB}{text{MHz}cdot {text{cm}}right]cdot ell [{text{cm}}]cdot {text{f} {text{MHz}}}} {f} {f}} {f}}}}} {f} {f}}} {f}}}}}} {f} {f}}}}}}}}}}}} {f}}}} {f}} {f}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}} {cdot {f}}} {f}}} {f}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}

La atenuación depende linealmente de la longitud media y el coeficiente de atenuación, así como, aproximadamente, de la frecuencia del haz de ultrasonido incidente para el tejido biológico (mientras que para medios más simples, como el aire, la relación es cuadrática). Los coeficientes de atenuación varían ampliamente para diferentes medios. Sin embargo, en la obtención de imágenes por ultrasonido biomédico, los materiales biológicos y el agua son los medios más utilizados. Los coeficientes de atenuación de materiales biológicos comunes a una frecuencia de 1 MHz se enumeran a continuación:

Material	α α ()dBMHz⋅ ⋅ cm){displaystyle alpha {text{}}left({frac {text{dB}{text{MHz}}cdot {text{cm}}}right)}
Aire, a 20 °C	1.64
Sangre	0.2
Hueso, cortical	6.9
Hueso, trabecular	9.94
Cerebro	0.6
Lactante	0,75
Cardiac	0,522
Tejido conjuntivo	1.57
Dentin	80
Esmalte	120
Gordo	0.48
Liver	0.5
Marrow	0.5
Musculo	1.09
Tendon	4.7
Tejido blando (promedio)	0,544
Agua	0,0022

Hay dos formas generales de pérdidas de energía acústica: absorción y dispersión. La propagación del ultrasonido a través de medios homogéneos está asociada solo con la absorción y puede caracterizarse solo con el coeficiente de absorción. La propagación a través de medios heterogéneos requiere tener en cuenta la dispersión.

Atenuación de la luz en el agua

La radiación de onda corta emitida por el Sol tiene longitudes de onda en el espectro de luz visible que van desde 360 nm (violeta) a 750 nm (rojo). Cuando la radiación del Sol llega a la superficie del mar, el agua atenúa la radiación de onda corta y la intensidad de la luz disminuye exponencialmente con la profundidad del agua. La intensidad de la luz en profundidad se puede calcular utilizando la Ley de Beer-Lambert.

En las aguas claras del medio del océano, la luz visible se absorbe con mayor fuerza en las longitudes de onda más largas. Por lo tanto, las longitudes de onda rojas, naranjas y amarillas se absorben por completo a menor profundidad, mientras que las longitudes de onda azules y violetas llegan más profundamente en la columna de agua. Debido a que las longitudes de onda azul y violeta se absorben menos en comparación con las otras longitudes de onda, las aguas del océano abierto se ven de un azul profundo a la vista.

Cerca de la costa, el agua costera contiene más fitoplancton que las aguas muy claras del medio del océano. Los pigmentos de clorofila-a en el fitoplancton absorben la luz, y las propias plantas la dispersan, lo que hace que las aguas costeras sean menos claras que las aguas del medio del océano. La clorofila-a absorbe la luz con más fuerza en las longitudes de onda más cortas (azul y violeta) del espectro visible. En las aguas costeras donde se producen altas concentraciones de fitoplancton, la longitud de onda verde llega a lo más profundo de la columna de agua y el color del agua aparece azul verdoso o verde.

Sísmica

La energía con la que un terremoto afecta un lugar depende de la distancia recorrida. La atenuación en la señal de la intensidad del movimiento del suelo juega un papel importante en la evaluación de posibles movimientos fuertes del suelo. Una onda sísmica pierde energía a medida que se propaga a través de la tierra (atenuación sísmica). Este fenómeno está ligado a la dispersión de la energía sísmica con la distancia. Hay dos tipos de energía disipada:

• dispersión geométrica causada por la distribución de la energía sísmica a mayores volúmenes
• dispersión como calor, también llamada atenuación intrínseca o atenuación anelástica.

En rocas sedimentarias saturadas de fluido poroso, como las areniscas, la atenuación intrínseca de las ondas sísmicas se debe principalmente al flujo inducido por las ondas del fluido del poro en relación con el marco sólido.

Electromagnética

La atenuación disminuye la intensidad de la radiación electromagnética debido a la absorción o dispersión de fotones. La atenuación no incluye la disminución de la intensidad debido a la dispersión geométrica de la ley del inverso del cuadrado. Por lo tanto, el cálculo del cambio total de intensidad involucra tanto la ley del inverso del cuadrado como una estimación de la atenuación sobre el camino.

Las principales causas de atenuación en la materia son el efecto fotoeléctrico, la dispersión Compton y, para energías de fotones superiores a 1,022 MeV, la producción de pares.

Cables coaxiales y RF en general

La atenuación de los cables de RF se define por:

Atenuación (dB/100m)=10× × log10⁡ ⁡ ()P1()W)P2()W)),{displaystyle {text{Attenuation (dB/100m)}}=10times log _{10}left({frac {_{1} (W)}{_{2} (W)}right),}}

Donde P1{displaystyle P_{1} es la potencia de entrada en un cable de 100 m de largo terminada con el valor nominal de su impedancia característica, y P2{displaystyle P_{2} es la potencia de salida en el extremo de este cable.

La atenuación en un cable coaxial es una función de los materiales y la construcción.

Radiografía

El haz de rayos X se atenúa cuando los fotones se absorben cuando el haz de rayos X atraviesa el tejido. La interacción con la materia varía entre fotones de alta energía y fotones de baja energía. Los fotones que viajan a mayor energía son más capaces de viajar a través de una muestra de tejido, ya que tienen menos posibilidades de interactuar con la materia. Esto se debe principalmente al efecto fotoeléctrico que establece que "la probabilidad de absorción fotoeléctrica es aproximadamente proporcional a (Z/E)³, donde Z es el número atómico del átomo del tejido y E es la energía del fotón. En este contexto, un aumento en la energía del fotón (E) resultará en una rápida disminución de la interacción con la materia.

Óptica

La atenuación en fibra óptica, también conocida como pérdida de transmisión, es la reducción de la intensidad del haz de luz (o señal) con respecto a la distancia recorrida a través de un medio de transmisión. Los coeficientes de atenuación en fibra óptica suelen utilizar unidades de dB/km a través del medio debido a la calidad de transparencia relativamente alta de la transmisión óptica moderna. El medio suele ser una fibra de vidrio de sílice que limita el haz de luz incidente al interior. La atenuación es un factor importante que limita la transmisión de una señal digital a través de grandes distancias. Por lo tanto, se ha investigado mucho tanto para limitar la atenuación como para maximizar la amplificación de la señal óptica. La investigación empírica ha demostrado que la atenuación en la fibra óptica es causada principalmente tanto por la dispersión como por la absorción.

La atenuación en fibra óptica se puede cuantificar mediante la siguiente ecuación:

Atenuación (dB)=10× × log10⁡ ⁡ ()Intensidad de entrada (W)Intensidad de producción (W)){displaystyle {text{Atenuation (dB)}}=10times log _{10}left({frac {text{Input intensity (W)}}{text{Output intensity (W)}}right)}}}}}}}} {right)}

Dispersión de luz

Reflexión especulativa

Reflexión difusa

La propagación de la luz a través del núcleo de una fibra óptica se basa en la reflexión interna total de la onda de luz. Las superficies ásperas e irregulares, incluso al nivel molecular del vidrio, pueden hacer que los rayos de luz se reflejen en muchas direcciones aleatorias. Este tipo de reflexión se conoce como "reflexión difusa" y normalmente se caracteriza por una amplia variedad de ángulos de reflexión. La mayoría de los objetos que se pueden ver a simple vista son visibles debido a la reflexión difusa. Otro término comúnmente utilizado para este tipo de reflexión es "dispersión de luz". La dispersión de la luz desde las superficies de los objetos es nuestro principal mecanismo de observación física. La dispersión de luz de muchas superficies comunes se puede modelar por reflectancia.

La dispersión de la luz depende de la longitud de onda de la luz que se dispersa. Por lo tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad, según la frecuencia de la onda de luz incidente y la dimensión física (o escala espacial) del centro de dispersión, que normalmente tiene la forma de alguna característica microestructural específica. Por ejemplo, dado que la luz visible tiene una escala de longitud de onda del orden de un micrómetro, los centros de dispersión tendrán dimensiones en una escala espacial similar.

Por lo tanto, la atenuación resulta de la dispersión incoherente de la luz en las superficies e interfaces internas. En materiales (poli)cristalinos como metales y cerámicas, además de los poros, la mayoría de las superficies internas o interfases tienen la forma de límites de grano que separan regiones diminutas de orden cristalino. Recientemente se ha demostrado que, cuando el tamaño del centro de dispersión (o límite de grano) se reduce por debajo del tamaño de la longitud de onda de la luz que se está dispersando, la dispersión ya no se produce de forma significativa. Este fenómeno ha dado lugar a la producción de materiales cerámicos transparentes.

Del mismo modo, la dispersión de la luz en la fibra de vidrio de calidad óptica es causada por irregularidades a nivel molecular (fluctuaciones de composición) en la estructura del vidrio. De hecho, una escuela de pensamiento emergente es que un vidrio es simplemente el caso límite de un sólido policristalino. Dentro de este marco, "dominios" exhibiendo varios grados de orden de corto alcance se convierten en los componentes básicos de metales y aleaciones, así como de vidrios y cerámicas. Distribuidos entre y dentro de estos dominios hay defectos microestructurales que proporcionarán las ubicaciones más ideales para que ocurra la dispersión de la luz. Este mismo fenómeno es visto como uno de los factores limitantes en la transparencia de las cúpulas de misiles IR.

Absorción UV-Vis-IR

Además de la dispersión de la luz, también puede producirse atenuación o pérdida de la señal debido a la absorción selectiva de longitudes de onda específicas, de manera similar a la responsable de la apariencia del color. Las consideraciones de materiales primarios incluyen tanto electrones como moléculas de la siguiente manera:

• A nivel electrónico, depende de si las órbitas electrones están espaciadas (o "cuantizadas") de tal manera que puedan absorber un cuántico de luz (o fotones) de una longitud de onda específica o frecuencia en los rangos ultravioleta (UV) o visibles. Esto es lo que da lugar al color.
• A nivel atómico o molecular, depende de las frecuencias de las vibraciones atómicas o moleculares o de los vínculos químicos, de cuán cerca se empaquetaron sus átomos o moléculas, y si los átomos o moléculas exhiben orden de largo alcance. Estos factores determinarán la capacidad del material que transmite longitudes de onda más largas en los rangos infrarrojos (IR), IR muy lejos, radio y microondas.

La absorción selectiva de luz infrarroja (IR) por parte de un material en particular ocurre porque la frecuencia seleccionada de la onda de luz coincide con la frecuencia (o un múltiplo integral de la frecuencia) a la que vibran las partículas de ese material. Dado que diferentes átomos y moléculas tienen diferentes frecuencias naturales de vibración, absorberán selectivamente diferentes frecuencias (o porciones del espectro) de luz infrarroja (IR).

Aplicaciones

En las fibras ópticas, la atenuación es la velocidad a la que la luz de la señal disminuye en intensidad. Por este motivo, la fibra de vidrio (que tiene una atenuación baja) se utiliza para cables de fibra óptica de larga distancia; la fibra plástica tiene una mayor atenuación y, por lo tanto, un rango más corto. También existen atenuadores ópticos que disminuyen la señal en un cable de fibra óptica de manera intencional.

La atenuación de la luz también es importante en la oceanografía física. Este mismo efecto es una consideración importante en los radares meteorológicos, ya que las gotas de lluvia absorben una parte del haz emitido que es más o menos significativa, según la longitud de onda utilizada.

Debido a los efectos dañinos de los fotones de alta energía, es necesario saber cuánta energía se deposita en el tejido durante los tratamientos de diagnóstico que involucran dicha radiación. Además, la radiación gamma se utiliza en tratamientos contra el cáncer donde es importante saber cuánta energía se depositará en el tejido sano y en el tumoral.

En los gráficos por computadora, la atenuación define la influencia local o global de las fuentes de luz y los campos de fuerza.

En las imágenes de TC, la atenuación describe la densidad u oscuridad de la imagen.

Radio

La atenuación es una consideración importante en el mundo moderno de las telecomunicaciones inalámbricas. La atenuación limita el alcance de las señales de radio y se ve afectada por los materiales a través de los cuales debe viajar una señal (p. ej., aire, madera, concreto, lluvia). Consulte el artículo sobre pérdida de ruta para obtener más información sobre la pérdida de señal en la comunicación inalámbrica.