En física , la atenuación (en algunos contextos, extinción ) es la pérdida gradual de la intensidad del flujo a través de un medio . Por ejemplo, las gafas oscuras 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 llega a los oídos. Este fenómeno se llama atenuación acústica y se mide en decibelios (dB).
En ingeniería eléctrica y telecomunicaciones , la atenuación afecta a 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.
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 ley de Beer-Lambert . En ingeniería, la atenuación suele medirse en unidades de decibelios por unidad de longitud del medio (dB/cm, dB/km, etc.) y se representa mediante el coeficiente de atenuación del medio en cuestión. [1] La atenuación también se produce en los terremotos ; Cuando las ondas sísmicas se alejan del hipocentro , se hacen más pequeñas a medida que son atenuadas por el suelo .
Un área de investigación en la que la atenuación desempeña un papel destacado es la física de ultrasonidos . La atenuación en ultrasonido es la reducción de la amplitud del haz de ultrasonido en función de la distancia a través del medio de imagen. 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 a la profundidad de imagen deseada. [2]
Las ecuaciones de onda que tienen en cuenta la atenuación acústica se pueden escribir en forma de derivada fraccionaria. [4]
En medios homogéneos, las principales propiedades físicas que contribuyen a la atenuación del sonido son la viscosidad [5] y la conductividad térmica. [6] [7]
Los coeficientes de atenuación se utilizan para cuantificar diferentes medios según la intensidad con la que disminuye la amplitud del ultrasonido transmitido en función de la frecuencia. El coeficiente de atenuación ( ) se puede utilizar para determinar la atenuación total en dB en el medio usando la siguiente fórmula:
La atenuación depende linealmente de la longitud del medio y del 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 ecografía biomédica, 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: [8]
Hay dos formas generales de pérdida de energía acústica: absorción y dispersión . [10] La propagación del ultrasonido a través de medios homogéneos está asociada únicamente con la absorción y puede caracterizarse únicamente con el coeficiente de absorción . La propagación a través de medios heterogéneos requiere tener en cuenta la dispersión. [11]
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) hasta 750 nm (rojo). Cuando la radiación del Sol llega a la superficie del mar, la radiación de onda corta es atenuada por el agua y la intensidad de la luz disminuye exponencialmente con la profundidad del agua. La intensidad de la luz en profundidad se puede calcular mediante la ley de Beer-Lambert .
En aguas claras del medio océano, la luz visible se absorbe con mayor intensidad en las longitudes de onda más largas. Así, las longitudes de onda roja, naranja y amarilla se absorben totalmente a profundidades menores, mientras que las longitudes de onda azul y violeta llegan a mayor profundidad 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 parecen de un azul profundo a la vista.
Cerca de la costa, las aguas costeras contienen más fitoplancton que las aguas muy claras del medio océano. La clorofila , un pigmento del fitoplancton, absorbe la luz y las propias plantas la dispersan, lo que hace que las aguas costeras sean menos claras que las del medio océano. La clorofila-a absorbe la luz con mayor fuerza en las longitudes de onda más cortas (azul y violeta) del espectro visible. En 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 .
La energía con la que un terremoto afecta un lugar depende de la distancia recorrida . La atenuación de la señal de intensidad del movimiento del suelo juega un papel importante en la evaluación de posibles temblores fuertes. 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 :
En rocas sedimentarias saturadas de fluidos porosos , como las areniscas , la atenuación intrínseca de las ondas sísmicas es causada principalmente por el flujo inducido por las olas del fluido de los poros en relación con la estructura sólida.[12] [13]
La atenuación disminuye la intensidad de la radiación electromagnética debido a la absorción o dispersión de fotones . La atenuación no incluye la disminución de intensidad debida a la dispersión geométrica de la ley del cuadrado inverso . Por lo tanto, el cálculo del cambio total de intensidad implica tanto la ley del cuadrado inverso como una estimación de la atenuación a lo largo del trayecto.
Las causas principales de la 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 .
La atenuación de los cables de RF está definida por:
donde es la potencia de entrada en un cable de 100 m de largo terminado con el valor nominal de su impedancia característica, y es la potencia de salida en el extremo más alejado de este cable. [14]
La atenuación en un cable coaxial es función de los materiales y la construcción.
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. [15] En contexto De esto, un aumento en la energía del fotón (E) resultará en una rápida disminución en la interacción con la materia.
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 relativamente alta de transparencia de la transmisión óptica moderna. El medio suele ser una fibra de vidrio de sílice que confina el haz de luz incidente hacia el interior. La atenuación es un factor importante que limita la transmisión de una señal digital a grandes distancias. Por lo tanto, se han realizado muchas investigaciones para limitar la atenuación y maximizar la amplificación de la señal óptica. La investigación empírica ha demostrado que la atenuación en la fibra óptica se debe principalmente tanto a la dispersión como a la absorción.
La atenuación en la fibra óptica se puede cuantificar mediante la siguiente ecuación:
La propagación de la luz a través del núcleo de una fibra óptica se basa en la reflexión interna total de la onda luminosa. Las superficies rugosas e irregulares, incluso a nivel molecular del vidrio, pueden hacer que los rayos de luz se reflejen en muchas direcciones aleatorias. Este tipo de reflexión se denomina "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 una reflexión difusa. Otro término comúnmente utilizado para este tipo de reflexión es "dispersión de luz". La luz que se dispersa desde las superficies de los objetos es nuestro principal mecanismo de observación física. [16] La dispersión de la luz de muchas superficies comunes se puede modelar mediante reflectancia.
La dispersión de la luz depende de la longitud de onda de la luz que se dispersa. Por tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad, dependiendo de la frecuencia de la onda de luz incidente y de 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 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 o interfaces internas tienen la forma de límites de grano que separan pequeñas regiones 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 dispersa, la dispersión ya no se produce en un grado significativo. Este fenómeno ha dado lugar a la producción de materiales cerámicos transparentes.
Asimismo, 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, los "dominios" que exhiben diversos grados de orden de corto alcance se convierten en los componentes básicos tanto de los metales como de las aleaciones, así como del vidrio y la cerámica. Distribuidos entre estos dominios y dentro de ellos se encuentran defectos microestructurales que proporcionarán las ubicaciones más ideales para que se produzca la dispersión de la luz. Este mismo fenómeno se considera uno de los factores limitantes en la transparencia de las cúpulas de los misiles IR. [17]
Además de la dispersión de la luz, también puede producirse atenuación o pérdida de señal debido a la absorción selectiva de longitudes de onda específicas, de forma similar a la responsable de la aparición del color. Las consideraciones de materiales primarios incluyen tanto electrones como moléculas de la siguiente manera:
La absorción selectiva de luz infrarroja (IR) por un material particular se produce 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).
En las fibras ópticas , la atenuación es la velocidad a la que la señal luminosa disminuye de intensidad. Por este motivo, la fibra de vidrio (que tiene una baja atenuación) se utiliza para cables de fibra óptica de larga distancia; La fibra plástica tiene una mayor atenuación y, por tanto, un alcance más corto. También existen atenuadores ópticos que disminuyen intencionadamente la señal en un cable de fibra óptica.
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, dependiendo de 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 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 imágenes por TC , la atenuación describe la densidad u oscuridad de la imagen.
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 (por ejemplo, aire, madera, concreto, lluvia). Consulte el artículo sobre pérdida de ruta para obtener más información sobre la pérdida de señal en la comunicación inalámbrica.
![{\displaystyle {\text{Atenuación}}=\alpha \left[{\frac {\text{dB}}{{\text{MHz}}{\cdot }{\text{cm}}}}\right] \cdot \ell [{\text{cm}}]\cdot {\text{f}}[{\text{MHz}}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d427c1475ac955eacf2048416a24c8f1e99dddb2)
