Atenuación

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 (${\displaystyle \alpha }$) se puede utilizar para determinar la atenuación total en dB en el medio utilizando la siguiente fórmula:

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

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 en el tejido biológico (mientras que en 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 los materiales biológicos comunes a una frecuencia de 1  MHz se enumeran a continuación: ^{[ 8 ]}

Existen dos formas generales de pérdida de energía acústica: absorción y dispersión . ^{[ 10 ]} La propagación del ultrasonido a través de medios homogéneos se asocia únicamente 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. ^{[ 11 ]}

La atenuación de los cables de RF se define por:

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

dónde${\displaystyle P_{1}}$es la potencia de entrada en un  cable de 100 m de longitud terminado con el valor nominal de su impedancia característica, y ${\displaystyle P_{2}}$es la potencia de salida en el extremo más alejado de este cable. ^{[ 14 ]}

La atenuación en un cable coaxial depende de los materiales y la construcción.

El haz de rayos X se atenúa cuando los fotones son absorbidos al pasar a través del tejido. La interacción con la materia varía entre fotones de alta y baja energía. Los fotones que viajan a mayor energía son más capaces de atravesar una muestra de tejido, ya que tienen menos probabilidades 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 este contexto, un aumento en la energía del fotón (E) dará como resultado una rápida disminución en la interacción con la materia.

En las imágenes de tomografía computarizada (TC) , la atenuación describe la densidad o la oscuridad de la imagen.

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 expresarse en dB/km a través del medio debido a la alta transparencia de la transmisión óptica moderna. El medio suele ser una fibra de vidrio de sílice que confina el haz de luz incidente en su interior. La atenuación es un factor importante que limita la transmisión de una señal digital a grandes distancias. Por ello, se ha investigado mucho sobre cómo limitar la atenuación y maximizar la amplificación de la señal óptica. La investigación empírica ha demostrado que la atenuación en fibra óptica se debe principalmente a la dispersión y la absorción.

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

${\displaystyle {\text{Atenuación (dB)}}=10\times \log _{10}\left({\frac {\text{Intensidad de entrada (W)}}{\text{Intensidad de salida (W)}}}\right)}$

Dispersión de la luz

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 provocar que los rayos de luz se reflejen en muchas direcciones aleatorias. Este tipo de reflexión se denomina «reflexión difusa» y se caracteriza típicamente 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 la luz». La dispersión de la luz en las superficies de los objetos es nuestro principal mecanismo de observación física. ^{[ 16 ]} La dispersión de la luz en muchas superficies comunes se puede modelar mediante la reflectancia.

La dispersión de la luz depende de la longitud de onda de la luz dispersada. Por lo tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad, que dependen de la frecuencia de la onda luminosa incidente y de la dimensión física (o escala espacial) del centro de dispersión, que generalmente se presenta en 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.

Así, la atenuación se produce por la dispersión incoherente de la luz en superficies e interfaces internas. En materiales (poli)cristalinos como metales y cerámicas, además de los poros, la mayoría de las superficies o interfaces internas se presentan en 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 de la longitud de onda de la luz dispersada, la dispersión deja de ser significativa. 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 se debe a irregularidades a nivel molecular (fluctuaciones composicionales) en la estructura del vidrio. De hecho, una corriente de pensamiento emergente sostiene que el 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 bloques de construcción tanto de metales y aleaciones como de vidrios y cerámicas. Entre estos dominios y dentro de ellos se encuentran defectos microestructurales que proporcionan las ubicaciones más idóneas para la dispersión de la luz. Este mismo fenómeno se considera uno de los factores limitantes en la transparencia de las cúpulas de misiles infrarrojos. ^{[ 17 ]}

En las fibras ópticas , la atenuación es la tasa a la que disminuye la intensidad de la señal luminosa. Por este motivo, la fibra de vidrio (que presenta una baja atenuación) se utiliza en cables de fibra óptica de larga distancia; la fibra plástica tiene una mayor atenuación y, por lo tanto, un alcance menor. También existen atenuadores ópticos que reducen intencionadamente la señal en un cable de fibra óptica.

La atenuación de la luz también es importante en oceanografía física . Este mismo efecto es un factor importante a considerar en el radar meteorológico , ya que las gotas de lluvia absorben una parte del haz emitido que resulta 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 diagnósticos que utilizan este tipo de radiación. Además, la radiación gamma se emplea en tratamientos contra el cáncer, donde es importante conocer la cantidad de energía que se depositará tanto en el tejido sano como en el tumoral.

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

La atenuación es un factor importante en el mundo actual de las telecomunicaciones inalámbricas . Limita el alcance de las señales de radio y se ve afectada por los materiales que atraviesa la señal (por ejemplo, aire, madera, hormigón, lluvia). Consulte el artículo sobre pérdida de trayectoria para obtener más información sobre la pérdida de señal en las comunicaciones inalámbricas.