التوهين

في الفيزياء ، التوهين (في بعض السياقات، الانقراض ) هو الفقدان التدريجي لشدة التدفق عبر وسط ما . على سبيل المثال، تعمل النظارات الشمسية الداكنة على توهين ضوء الشمس ، ويعمل الرصاص على توهين الأشعة السينية ، ويعمل الماء والهواء على توهين الضوء والصوت بمعدلات توهين متغيرة.

تساعد واقيات السمع على تقليل تدفق الصوت إلى الأذنين. وتسمى هذه الظاهرة التوهين الصوتي ويتم قياسها بالديسيبل (dBs).

في الهندسة الكهربائية والاتصالات ، يؤثر التوهين على انتشار الموجات والإشارات في الدوائر الكهربائية والألياف الضوئية وفي الهواء. تُصنع عادةً المخففات الكهربائية والمخففات الضوئية في هذا المجال.

في كثير من الحالات، يكون التوهين دالة أسيّة لطول المسار عبر الوسط. في البصريات وفي التحليل الطيفي الكيميائي ، يُعرف هذا بقانون بير-لامبرت . في الهندسة، يقاس التوهين عادةً بوحدات ديسيبل لكل وحدة طول من الوسط (ديسيبل/سم، ديسيبل/كم، إلخ) ويمثله معامل التوهين للوسط المعني. ^[1] يحدث التوهين أيضًا في الزلازل ؛ عندما تتحرك الموجات الزلزالية بعيدًا عن مركز الزلزال ، فإنها تصبح أصغر حجمًا مع توهينها بواسطة الأرض .

أحد مجالات البحث التي يلعب فيها التوهين دورًا بارزًا هو فيزياء الموجات فوق الصوتية . التوهين في الموجات فوق الصوتية هو انخفاض سعة شعاع الموجات فوق الصوتية كدالة للمسافة عبر وسط التصوير. يعد مراعاة تأثيرات التوهين في الموجات فوق الصوتية أمرًا مهمًا لأن سعة الإشارة المنخفضة يمكن أن تؤثر على جودة الصورة الناتجة. من خلال معرفة التوهين الذي يتعرض له شعاع الموجات فوق الصوتية أثناء انتقاله عبر وسط، يمكن للمرء ضبط سعة إشارة الإدخال للتعويض عن أي فقدان للطاقة عند عمق التصوير المطلوب. ^[2]

• يؤدي قياس التوهين بالموجات فوق الصوتية في الأنظمة غير المتجانسة ، مثل المستحلبات أو الغرويات ، إلى الحصول على معلومات حول توزيع حجم الجسيمات . هناك معيار ISO لهذه التقنية. ^[3]
• يمكن استخدام التوهين بالموجات فوق الصوتية لقياس الروماتيزم الامتدادي . هناك أجهزة قياس الروماتيزم الصوتية التي تستخدم قانون ستوكس لقياس اللزوجة الامتدادية واللزوجة الحجمية .

يمكن كتابة معادلات الموجة التي تأخذ التوهين الصوتي في الاعتبار على شكل مشتق كسري. ^[4]

في الوسائط المتجانسة، الخصائص الفيزيائية الرئيسية التي تساهم في تخفيف الصوت هي اللزوجة ^[5] والتوصيل الحراري. ^{[6] [7]}

تُستخدم معاملات التوهين لقياس الوسائط المختلفة وفقًا لمدى قوة انخفاض سعة الموجات فوق الصوتية المنقولة كدالة للتردد. يمكن استخدام معامل التوهين ( ) لتحديد التوهين الكلي بالديسيبل في الوسيط باستخدام الصيغة التالية: ${\displaystyle \alpha }$

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

يعتمد التوهين خطيًا على طول الوسيط ومعامل التوهين، بالإضافة إلى تردد شعاع الموجات فوق الصوتية الساقط على الأنسجة البيولوجية تقريبًا (بينما بالنسبة للوسائط الأكثر بساطة، مثل الهواء، تكون العلاقة تربيعية ). تختلف معاملات التوهين على نطاق واسع بالنسبة للوسائط المختلفة. ومع ذلك، في التصوير بالموجات فوق الصوتية الطبية الحيوية، تعد المواد البيولوجية والماء أكثر الوسائط استخدامًا. فيما يلي معاملات التوهين للمواد البيولوجية الشائعة عند تردد 1 ميجا هرتز: ^[8]

مادة	${\displaystyle \alpha {\text{ }}\left[{\frac {\text{dB}}{{\text{MHz}}{\cdot }{\text{cm}}}}\right]}$
الهواء عند 20 درجة مئوية [9]	1.64
دم	0.2
العظام ، القشرية	6.9
عظم، عظم إسفنجي	9.94
مخ	0.6
صدر	0.75
قلبي	0.52
النسيج الضام	1.57
العاج	80
المينا	120
سمين	0.48
الكبد	0.5
النخاع	0.5
العضلات	1.09
وتر	4.7
الأنسجة الرخوة (متوسط)	0.54
ماء	0.0022

هناك طريقتان عامتان لفقدان الطاقة الصوتية: الامتصاص والتشتت . ^[10] يرتبط انتشار الموجات فوق الصوتية عبر الوسائط المتجانسة بالامتصاص فقط ويمكن وصفه بمعامل الامتصاص فقط. يتطلب الانتشار عبر الوسائط غير المتجانسة مراعاة التشتت. ^[11]

الإشعاع الموجي القصير المنبعث من الشمس له أطوال موجية في الطيف المرئي للضوء تتراوح من 360 نانومتر (البنفسجي) إلى 750 نانومتر (الأحمر). عندما يصل إشعاع الشمس إلى سطح البحر، يضعف الإشعاع الموجي القصير بفعل الماء، وتنخفض شدة الضوء بشكل كبير مع عمق الماء. يمكن حساب شدة الضوء في العمق باستخدام قانون بير لامبرت .

في مياه منتصف المحيط الصافية، يتم امتصاص الضوء المرئي بقوة عند أطول الأطوال الموجية. وبالتالي، يتم امتصاص الأطوال الموجية الحمراء والبرتقالية والصفراء بالكامل عند الأعماق الضحلة، بينما تصل الأطوال الموجية الزرقاء والبنفسجية إلى أعماق أعمق في عمود الماء . ولأن الأطوال الموجية الزرقاء والبنفسجية يتم امتصاصها بشكل أقل مقارنة بالأطوال الموجية الأخرى، فإن مياه المحيط المفتوح تبدو زرقاء عميقة للعين.

تحتوي المياه الساحلية بالقرب من الشاطئ على المزيد من العوالق النباتية مقارنة بمياه منتصف المحيط الصافية للغاية. تمتص أصباغ الكلوروفيل -أ الموجودة في العوالق النباتية الضوء، وتقوم النباتات نفسها بتشتيت الضوء، مما يجعل المياه الساحلية أقل وضوحًا من مياه منتصف المحيط. يمتص الكلوروفيل-أ الضوء بقوة أكبر في أقصر الأطوال الموجية (الأزرق والبنفسجي) من الطيف المرئي. في المياه الساحلية حيث توجد تركيزات عالية من العوالق النباتية، يصل الطول الموجي الأخضر إلى أعمق نقطة في عمود الماء ويبدو لون الماء أزرق -أخضر أو ​​أخضر .

تعتمد الطاقة التي يؤثر بها الزلزال على موقع ما على مسافة الجري . يلعب التوهين في إشارة شدة حركة الأرض دورًا مهمًا في تقييم الاهتزازات الأرضية القوية المحتملة. تفقد الموجة الزلزالية طاقتها أثناء انتشارها عبر الأرض ( التوهين الزلزالي ). ترتبط هذه الظاهرة بتشتت الطاقة الزلزالية مع المسافة. هناك نوعان من الطاقة المبددة :

• التشتت الهندسي الناتج عن توزيع الطاقة الزلزالية إلى أحجام أكبر
• التشتت على شكل حرارة، ويسمى أيضًا التوهين الجوهري أو التوهين غير المرن.

في الصخور الرسوبية المشبعة بالسوائل المسامية مثل الحجر الرملي ، يحدث التوهين الجوهري للموجات الزلزالية في المقام الأول بسبب التدفق الناتج عن الموجة للسائل المسامي بالنسبة للإطار الصلب. ^{[12] [13]}

يؤدي التوهين إلى تقليل شدة الإشعاع الكهرومغناطيسي بسبب امتصاص أو تشتت الفوتونات . لا يتضمن التوهين الانخفاض في الشدة بسبب الانتشار الهندسي لقانون التربيع العكسي . لذلك، فإن حساب التغير الإجمالي في الشدة ينطوي على كل من قانون التربيع العكسي وتقدير التوهين على طول المسار.

الأسباب الرئيسية للتوهين في المادة هي التأثير الكهروضوئي ، وتشتت كومبتون ، وبالنسبة لطاقات الفوتون التي تزيد عن 1.022 ميجا إلكترون فولت، إنتاج الأزواج .

يتم تعريف التوهين في كابلات التردد اللاسلكي من خلال:

${\displaystyle {\text{التوهين (ديسيبل/100 متر)}}=10\times \log _{10}\left({\frac {P_{1}\ (W)}{P_{2}\ (W)}}\right),}$

أين هي طاقة الإدخال في كابل بطول 100 متر منتهية بالقيمة الاسمية لمعاوقته المميزة، و هي طاقة الإخراج في الطرف البعيد من هذا الكابل. ^[14]${\displaystyle P_{1}}$${\displaystyle P_{2}}$

يعتبر التوهين في الكابل المحوري نتيجة للمواد والبناء.

هذا القسم يحتاج إلى التوسعة ، يمكنك المساعدة بإضافة المزيد إليه. ( مارس 2018 )

يضعف شعاع الأشعة السينية عندما يتم امتصاص الفوتونات عندما يمر شعاع الأشعة السينية عبر الأنسجة. يختلف التفاعل مع المادة بين الفوتونات عالية الطاقة والفوتونات منخفضة الطاقة. الفوتونات التي تنتقل عند طاقة أعلى قادرة على السفر عبر عينة الأنسجة لأن فرصها في التفاعل مع المادة أقل. ويرجع هذا بشكل أساسي إلى التأثير الكهروضوئي الذي ينص على أن "احتمال الامتصاص الكهروضوئي يتناسب تقريبًا مع (Z / E) ³ ، حيث Z هو العدد الذري لذرة الأنسجة و E هي طاقة الفوتون. ^[15] وفي سياق هذا، فإن زيادة طاقة الفوتون (E) ستؤدي إلى انخفاض سريع في التفاعل مع المادة.

التوهين في الألياف الضوئية، والمعروف أيضًا باسم فقدان الإرسال، هو الانخفاض في شدة شعاع الضوء (أو الإشارة) فيما يتعلق بالمسافة المقطوعة عبر وسيط الإرسال. تستخدم معاملات التوهين في الألياف الضوئية عادةً وحدات ديسيبل/كم عبر الوسيط بسبب الجودة العالية نسبيًا لشفافية النقل الضوئي الحديث. الوسيط هو عادةً ألياف من زجاج السيليكا التي تحصر شعاع الضوء الوارد في الداخل. التوهين هو عامل مهم يحد من انتقال الإشارة الرقمية عبر مسافات كبيرة. وبالتالي، تم إجراء الكثير من الأبحاث حول الحد من التوهين وتعظيم تضخيم الإشارة الضوئية. وقد أظهرت الأبحاث التجريبية أن التوهين في الألياف الضوئية ناتج في المقام الأول عن كل من التشتت والامتصاص.

يمكن قياس التوهين في الألياف الضوئية باستخدام المعادلة التالية:

${\displaystyle {\text{التوهين (ديسيبل)}}=10\times \log _{10}\left({\frac {\text{شدة الإدخال (وات)}}{\text{شدة الإخراج (وات)}}}\right)}$

يعتمد انتشار الضوء عبر قلب الألياف الضوئية على الانعكاس الداخلي الكلي لموجة الضوء. يمكن للأسطح الخشنة وغير المنتظمة، حتى على المستوى الجزيئي للزجاج، أن تتسبب في انعكاس أشعة الضوء في العديد من الاتجاهات العشوائية. يشار إلى هذا النوع من الانعكاس باسم "الانعكاس المنتشر"، ويتميز عادةً بمجموعة واسعة من زوايا الانعكاس. معظم الأشياء التي يمكن رؤيتها بالعين المجردة تكون مرئية بسبب الانعكاس المنتشر. مصطلح آخر يستخدم عادةً لهذا النوع من الانعكاس هو "تشتت الضوء". تشتت الضوء من أسطح الأشياء هو آليتنا الأساسية للملاحظة الفيزيائية. ^[16] يمكن نمذجة تشتت الضوء من العديد من الأسطح الشائعة من خلال الانعكاس.

يعتمد تشتت الضوء على طول موجة الضوء الذي يتم تشتته. وبالتالي، تنشأ حدود للمقاييس المكانية للرؤية، اعتمادًا على تردد موجة الضوء الواردة والبُعد المادي (أو المقياس المكاني) لمركز التشتت، والذي يكون عادةً في شكل بعض السمات البنيوية الدقيقة المحددة. على سبيل المثال، نظرًا لأن الضوء المرئي له مقياس طول موجي في حدود ميكرومتر واحد، فإن مراكز التشتت سيكون لها أبعاد على مقياس مكاني مماثل.

وعلى هذا فإن التوهين ينتج عن التشتت غير المتماسك للضوء عند الأسطح والواجهات الداخلية. وفي المواد (المتعددة) البلورات مثل المعادن والسيراميك، بالإضافة إلى المسام، تكون معظم الأسطح أو الواجهات الداخلية على شكل حدود حبيبية تفصل بين مناطق صغيرة من النظام البلوري. وقد تبين مؤخراً أنه عندما يتم تقليص حجم مركز التشتت (أو حدود الحبيبات) إلى ما دون حجم الطول الموجي للضوء الذي يتم تشتته، فإن التشتت لم يعد يحدث إلى حد كبير. وقد أدت هذه الظاهرة إلى إنتاج مواد سيراميكية شفافة.

وعلى نحو مماثل، فإن تشتت الضوء في الألياف الزجاجية ذات الجودة البصرية ينجم عن مخالفات على المستوى الجزيئي (تقلبات تركيبية) في بنية الزجاج. والواقع أن إحدى المدارس الفكرية الناشئة ترى أن الزجاج هو ببساطة الحالة المحددة للمادة الصلبة متعددة البلورات. وفي هذا الإطار، تصبح "المجالات" التي تظهر درجات مختلفة من النظام قصير المدى اللبنات الأساسية لكل من المعادن والسبائك، فضلاً عن الزجاج والسيراميك. وتنتشر بين هذه المجالات وداخلها عيوب بنيوية دقيقة من شأنها أن توفر المواقع الأكثر مثالية لحدوث تشتت الضوء. وتُعَد هذه الظاهرة نفسها أحد العوامل المحددة لشفافية قباب الصواريخ بالأشعة تحت الحمراء. ^[17]

بالإضافة إلى تشتت الضوء، يمكن أن يحدث أيضًا التوهين أو فقدان الإشارة بسبب الامتصاص الانتقائي لأطوال موجية محددة، بطريقة مماثلة لتلك المسؤولة عن ظهور اللون. تشمل الاعتبارات المادية الأساسية كلًا من الإلكترونات والجزيئات على النحو التالي:

• على المستوى الإلكتروني، يعتمد الأمر على ما إذا كانت المدارات الإلكترونية متباعدة (أو "مُكممة") بحيث يمكنها امتصاص كمية من الضوء (أو الفوتون) بطول موجي أو تردد محدد في نطاق الأشعة فوق البنفسجية (UV) أو النطاق المرئي. وهذا ما يؤدي إلى ظهور اللون.
• على المستوى الذري أو الجزيئي، يعتمد الأمر على ترددات الاهتزازات الذرية أو الجزيئية أو الروابط الكيميائية، ومدى تقارب ذراتها أو جزيئاتها، وما إذا كانت الذرات أو الجزيئات تظهر نظامًا طويل المدى أم لا. ستحدد هذه العوامل قدرة المادة على نقل أطوال موجية أطول في نطاقات الأشعة تحت الحمراء والأشعة تحت الحمراء البعيدة والراديو والميكروويف.

يحدث الامتصاص الانتقائي للضوء تحت الأحمر بواسطة مادة معينة لأن التردد المحدد للموجة الضوئية يطابق التردد (أو مضاعفًا صحيحًا للتردد) الذي تهتز عنده جزيئات تلك المادة. ونظرًا لأن الذرات والجزيئات المختلفة لها ترددات طبيعية مختلفة للاهتزاز، فإنها تمتص بشكل انتقائي ترددات مختلفة (أو أجزاء من الطيف) من الضوء تحت الأحمر.

في الألياف الضوئية ، التوهين هو المعدل الذي تقل به شدة ضوء الإشارة. ولهذا السبب، تُستخدم الألياف الزجاجية (التي تتميز بتوهن منخفض) في كابلات الألياف الضوئية طويلة المدى؛ أما الألياف البلاستيكية فتتميز بتوهن أعلى، وبالتالي، نطاق أقصر. كما توجد أيضًا مخففات ضوئية تعمل على تقليل الإشارة في كابل الألياف الضوئية عمدًا.

يعتبر تخفيف الضوء مهمًا أيضًا في علم المحيطات الفيزيائي . ويشكل نفس التأثير اعتبارًا مهمًا في رادار الطقس ، حيث تمتص قطرات المطر جزءًا من الشعاع المنبعث والذي يكون أكثر أو أقل أهمية، اعتمادًا على الطول الموجي المستخدم.

نظرًا للتأثيرات الضارة للفوتونات عالية الطاقة، فمن الضروري معرفة مقدار الطاقة المودعة في الأنسجة أثناء العلاجات التشخيصية التي تنطوي على مثل هذا الإشعاع. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام أشعة جاما في علاجات السرطان حيث من المهم معرفة مقدار الطاقة التي سيتم إيداعها في الأنسجة السليمة والأورام.

في رسومات الكمبيوتر، يحدد التوهين التأثير المحلي أو العالمي لمصادر الضوء وحقول القوة.

في التصوير المقطعي المحوسب ، يصف التوهين كثافة أو ظلمة الصورة.

يعتبر التوهين من الاعتبارات المهمة في عالم الاتصالات اللاسلكية الحديث . يحد التوهين من نطاق الإشارات اللاسلكية ويتأثر بالمواد التي يجب أن تنتقل من خلالها الإشارة (على سبيل المثال، الهواء، والخشب، والخرسانة، والمطر). راجع المقال حول فقدان المسار للحصول على مزيد من المعلومات حول فقدان الإشارة في الاتصالات اللاسلكية.

• قاعدة بيانات XAAMDI التابعة للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا: التوهين والامتصاص بالأشعة السينية للمواد ذات الأهمية في قياس الجرعات
• قاعدة بيانات المقاطع العرضية للفوتونات XCOM التابعة للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا
• جداول التوهين والتشتت من NIST: FAST
• الاتصالات اللاسلكية تحت الماء