Прохождение света сквозь аэрозольную среду

УДК 629.7.018

Т.А. Акименко, канд. техн. наук, доц.,

ПРОХОЖДЕНИЕ СВЕТА СКВОЗЬ АЭРОЗОЛЬНУЮ СРЕДУ

Рассматриваются закономерности прохождения оптического сигнала сквозь аэрозольную среду. Представлены индикатрисы рассеяния света при различных параметрах дифракции.

Ключевые слова: аэрозольная среда, атмосфера, индикатриса рассеяния, туман, дымка.

Работа современных оптико-электронных устройств (ОЭУ) проходит в условиях, когда на приёмное устройство излучение от наблюдаемого источника поступает ослабленным и видоизменённым за счёт влияния среды распространения. Учёт взаимодействия излучения и среды обуславливает выполнение важнейших требований к оптико-механическому узлу (ОМУ), таких, как заданная дальность видимости, помехозащищённость. Оптические свойства светорассеивающих веществ обусловлены взаимодействием электромагнитного излучения, обладающего определенной энергией, с частицами среды. Особенности этих свойств определяются природой частиц, их размерами, соотношением между длиной волны электромагнитного излучения и размерами частиц. В зависимости от свойств частиц и их размеров свет, проходя через среду, может поглощаться, отражаться или рассеиваться.

Средой распространения оптического сигнала, как правило, является атмосфера, ослабление излучения в которой происходят вследствие двух процессов:

- рассеяния (молекулярного и аэрозольного ослабления), представляющего собой изменение направленности излучения;

- поглощения газовыми компонентами, приводящего к преобразованию энергии излучения в другие виды.

Так как атмосфера представляет собой механическую смесь из газов, паров, капель жидкости и твердых частиц, в ней всегда в переменном количестве присутствуют пыль, дым, капли воды (кристаллики льда). Поэтому атмосфера является аэрозолем, состав которого непрерывно изменяется из-за перемешивания. Говоря об аэрозольном рассеянии в общем, имеют в виду аэрозольное ослабление, обусловленное не только рассеянием, но и поглощением излучения частицами аэрозоля.

Все типы атмосферных аэрозолей можно объединить в следующие основные классы: облака, туманы, дымки, морось и осадки - дождь или снег (рис. 1).

Рис.1. Классификация атмосферных аэрозолей

Для характеристики взаимодействия аэрозольных частиц с излучением необходимо математически смоделировать частицу как тело определённой геометрической формы, а затем решать задачу о дифракции электромагнитных волн на таких телах [1]. Результат такого взаимодействия зависит от структуры и формы частицы, от комплексного показателя преломления (КПП) вещества частицы

п = «1 + /«2,

от параметра дифракции частицы

2пг

В =

X

где г - характерный размер частицы (для шаровой частицы радиус); X - длина волны падающего излучения.

Мнимая часть КПП определяет в значительной степени поглощательные

свойства аэрозольных частиц (для воды п = 1.33 + /1 • 10-9).

С помощью сечений поглощения ор, рассеяния о5 и индикатрисы

рассеяния % (а) (угловой функции рассеяния, показывающей отношение энергии, рассеянной в данном направлении, к полной энергии рассеянной во все стороны) описывают взаимодействие излучения с отдельной частицей. Наиболее полно решена задача дифракции при рассеянии света однородным шаром, получившая название теории Ми [2,4]. Влияние аэрозольных частиц на перенос излучения наиболее значительно в видимой области спектра, в которой почти нет полос поглощения атмосферных газов и изменение излучения происходит за счет молекулярного рассеяния и аэрозольного ослабления.

При r << 0,1 мкм (т.е. r << 1) и D << 1 имеет место рэлеевское рассеяние (частный случай теории Ми). Индикатрису рассеяния описывают выражением

X

Различают случаи рассеяния на частице линейно поляризованного и естественного света. Индикатрисы рассеяния в обоих случаях симметричны и имеют вид «бабочки Рэлея». Согласно формуле (3) и рис. 2 молекулярное рассеяние не является изотропным. Оно больше в направлении вперёд и назад и меньше в боковых направлениях.

Рис. 2. Индикатрисы рассеяния естественного и линейно поляризованного света

При радиусе частиц r > 0,5...1 мкм и коэффициенте дифракции D >> 1 имеет место ослабление на крупных частицах. К таким можно отнести частицы тумана, наиболее вероятный радиус частиц которых 5.. .6 мкм, и частиц дымки с радиусами от 0,5 до 1 мкм. В видимой области спектра аэрозольное поглощение много меньше аэрозольного рассеяния (т.к. мнимые части КПП почти всех аэрозольных частиц близки к нулю). Индикатриса рассеяния таких частиц получается путём составления выражения вероятности взаимодействия излучения с частицей с последующим рассеянием и имеет следующий вид:

X

V J

где аs - общее сечение рассеяния, аg - дифракционное сечение рассеяния; аd - геометрическое сечение рассеяния.

Из приведённых ниже табличных данных (табл. 1,2) и рис. 3 следует, что направленность индикатрисы тем острее, чем больше параметр дифракции. Это объясняется тем, что при увеличении размера частицы дифрагированное излучение «сосредотачивается» в меньшем телесном угле вблизи первоначального направления распространения излучения.

Таблица 1

Зависимость коэффициента дифракции частиц тумана от длины волны

При г =5 мкм

X, мкм 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

^диф 78,5 62,8 52,333 44,857 39,25

При г =6 мкм

X, мкм 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

^диф 94,2 75,36 62,8 53,8286 47,1

Зависимость коэффициента дифракции частиц дымки от длины волны Таблица 2

При г = 0,5 мкм

X, мкм 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

^диф 7,85 6,28 5,2333 4,485714 3,92

При г =1 мкм

Л, мкм 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

^диф 15,7 12,56 10,46667 8,971429 7,85

При построении индикатрис рассеяния для дымки и тумана для различных длин волн форма их практически не изменяется, что свидетельствует о том, что свет разных длин волн рассеивается аэрозолем примерно одинаково. Этим фактом можно объяснить нейтральный свет аэрозольных образований.

Рис. 3. Индикатрисы рассеяния частиц тумана и дымки

85

Для расчёта интенсивности света (согласно теории Ми), прошедшего сквозь слой тумана (дымки) толщиной 2, можно воспользоваться формулой Страттона и Хоутона [3]

2

I = 10 • е"2ппг 2К,

где 10 - интенсивность света, вступающего в слой; I - интенсивность после про? ция

3

прохождения слоя; п - число частиц в 1 см (счетная концентрация); функ-

Здесь

Л 2 ¥

К = 2 2 2 Яе I

4п г па и=1

Л г Л\и паУ и

С1 = (-1)и

Па Фи

С2 = (-1)и

л, л\и п У и

П Фи (х)Уи (У) - ПаФи (х)Уи (У) 1 1

2

Уи (х) = — I 1(х), Фи (х) = — Н 1(х),

V ^ У

и+-

2

2

V ^ У

и+-

22 2пгпа 2пгщ

х =-—, У =

X X '

где па - комплексный показатель преломления внешней (относительно частицы) среды (для воздуха равен 1); п^ - комплексный показатель преломления вещества частицы (для воды равен 1,33); функции I 1(х) и

и +— 2

Н 1 (х) представляют собой Бесселевы функции и функции Ханкеля сои +— 2

ответственно.

Данные формулы позволяют рассчитать прозрачность аэрозольных слоёв для различных длин волн при заданной концентрации частиц и толщине слоя среды.

Список литературы

1. Васильева И. А. Основы спектральной диагностики газа с конденсированной дисперсной фазой // Успехи физических наук. Т.163. №8. 1993.

2. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М.: Сов. радио, 1970. 494 с.

3. Хвостиков И. А. Теория рассеяния света и её применение к вопросам прозрачности атмосферы и туманов // Успехи физических наук. Т.XXIV. Вып.2. 1940.

4. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. М.; Л.: Гостехиз-дат, 1951. 288 с.

T.A. Akimenko, O. Yu. Gorbunova

PASSAGE OF LIGHT THROUGH WEDNESDAY AEROSOL

The patterns of transmission of optical signal through an aerosol medium. Represented by the scattering of light at different parameters of diffraction is presented. Key words: aerosol environment, the atmosphere, the scattering, fog and haze.

Получено 16.09.11

УДК 621.9

С.В. Белогорлов, инженер,

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ КАНАВОЧНЫХ РЕЗЦОВ С СМП ШИРИНОЙ 0,5...0,8 ММ

Рассмотрены особенности эксплуатации твердосплавных канавочных резцов с шириной рабочей части 0,5...0,8 мм на примере инструментов фирм «СЕКО» и «Ис-кар».

Ключевые слова: обработка канавок, скорость резания, износостойкость.

В специализации российских инструментальных заводов отсутствуют канавочные резцы с шириной рабочей части менее 1 мм, которые необходимы для обработки целого ряда машиностроительных деталей, в особенности, мелкоразмерных. О востребованности таких инструментов свидетельствует тот факт, что их выпуск освоен целым рядом известных зарубежных производителей инструментов, таких как «Сандвик Коро-мант» (Швеция), «Искар» (Израиль), «СЕКО» (Швеция), «Мицубиси» (Япония), «Таегутек» (Ю.Корея), «ХОРН» (Германия), «Корлой» (Ю.Корея), «Кеннаметал» (США) и др. В связи с этим в отечественном машиностроении вынуждены использовать дорогостоящие инструменты зарубежного производства. Практическое отсутствие отечественного опыта в производстве и эксплуатации таких резцов затрудняет их эффективное применение, которое должно основываться на учете специфики процесса резания при узкой рабочей части инструмента. Так, узкая рабочая часть канавочных резцов прогревается быстрее, чем более широкая, что должно интенсифицировать его изнашивание. Поэтому для более узкого резца скорость резания должна быть уменьшена. Однако в технической литературе нет единого мнения по этому вопросу.

87