Atenuación

En física , la atenuación (en algunos contextos, extinción ) es la pérdida gradual de la intensidad del 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 llega a los oídos. Este fenómeno se denomina atenuación acústica y se mide en decibeles (dB).

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 ópticos son componentes que se fabrican habitualmente en este campo.

En muchos casos, la atenuación es una función exponencial de la longitud del camino a través del medio. En óptica y en espectroscopia química , esto se conoce como la ley de Beer-Lambert . En ingeniería, la atenuación se mide generalmente 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 ocurre 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 juega un papel destacado es la física de ultrasonidos . La atenuación en ultrasonidos es la reducción de la amplitud del haz de ultrasonidos en función de la distancia a través del medio de obtención de imágenes. Es importante tener en cuenta los efectos de atenuación en ultrasonidos porque una amplitud de señal reducida puede afectar la calidad de la imagen producida. Al conocer la atenuación que experimenta un haz de ultrasonidos 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 obtención de imágenes deseada. ^[2]

• La medición de la atenuación ultrasónica en sistemas heterogéneos , como emulsiones o coloides , proporciona información sobre la distribución del tamaño de las partículas . Existe una norma ISO sobre esta técnica. ^[3]
• La atenuación por ultrasonidos se puede utilizar para la medición de la reología extensional . Existen reómetros acústicos que emplean la ley de Stokes para medir la viscosidad extensional y la viscosidad volumétrica .

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 utilizando la siguiente fórmula:${\estilo de visualización \alpha}$

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

La atenuación depende linealmente de la longitud del medio y del coeficiente de atenuación, así como, aproximadamente, de la frecuencia del haz de ultrasonidos 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 los materiales biológicos comunes a una frecuencia de 1 MHz se enumeran a continuación: ^[8]

Material	${\displaystyle \alpha {\text{ }}\left[{\frac {\text{dB}}{{\text{MHz}}{\cdot }{\text{cm}}}}\right]}$
Aire , a 20 °C [9]	1.64
Sangre	0,2
Hueso , cortical	6.9
Hueso trabecular	9,94
Cerebro	0.6
Mama	0,75
Cardíaco	0,52
Tejido conectivo	1.57
Dentina	80
Esmalte	120
Gordo	0,48
Hígado	0,5
Médula	0,5
Músculo	1.09
Tendón	4.7
Tejido blando (promedio)	0,54
Agua	0,0022

Existen dos formas generales de pérdidas de energía acústica: absorción y dispersión . ^[10] La propagación de ultrasonidos a través de medios homogéneos está asociada únicamente con la absorción y se puede caracterizar 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 visible de la luz que van desde los 360 nm (violeta) hasta los 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 utilizando la Ley de Beer-Lambert .

En las aguas claras de medio océano, la luz visible se absorbe con mayor intensidad en las longitudes de onda más largas. Por lo tanto, las longitudes de onda del rojo, naranja y amarillo se absorben totalmente en las profundidades más superficiales, mientras que las longitudes de onda del azul y violeta llegan a las profundidades más profundas de la columna de agua . Debido a que las longitudes de onda del azul y el violeta se absorben menos en comparación con las otras longitudes de onda, las aguas de alta mar parecen de un azul profundo a simple vista.

Cerca de la costa, las aguas costeras contienen más fitoplancton que las muy claras aguas 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 mayor intensidad en las longitudes de onda más cortas (azul y violeta) del espectro visible. En las aguas costeras donde hay altas concentraciones de fitoplancton, la longitud de onda verde alcanza las partes más profundas de la columna de agua y el color del agua parece azul verdoso o verde .

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

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

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 ondas del fluido poroso en relación con el marco sólido. ^{[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 la intensidad debido a la dispersión geométrica de la ley del cuadrado inverso . Por lo tanto, el cálculo del cambio total en la intensidad implica tanto la ley del cuadrado inverso como una estimación de la atenuación a lo largo de la trayectoria.

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 .

La atenuación de los cables RF se define por:

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

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

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

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El haz de rayos X se atenúa cuando los fotones se absorben cuando el haz de rayos X pasa a través del 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 este contexto, un aumento en la energía del fotón (E) dará como resultado una rápida disminución en la interacción con la materia.

La atenuación en la 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 la fibra óptica suelen utilizar unidades de dB/km a través del medio debido a la relativamente alta calidad de transparencia de la transmisión óptica moderna. El medio suele ser una fibra de vidrio de sílice que confina el haz de luz incidente en 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 a la dispersión y la absorción.

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

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

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 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 que se utiliza comúnmente para este tipo de reflexión es "dispersión de la luz". La dispersión de la luz de 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 la 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, dependiendo de 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.

Así, la atenuación resulta de la dispersión incoherente de la luz en las superficies internas y las interfases. En los materiales (poli)cristalinos, como los metales y las cerámicas, además de los poros, la mayoría de las superficies internas o interfases tienen 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 una medida significativa. Este fenómeno ha dado lugar a la producción de materiales cerámicos transparentes.

De la misma manera, 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 varios grados de orden de corto alcance se convierten en los bloques de construcción tanto de metales y aleaciones, como de vidrios y cerámicas. Distribuidos tanto entre como dentro de estos dominios hay defectos microestructurales que proporcionarán las ubicaciones más ideales para la ocurrencia de la dispersión de la luz. Este mismo fenómeno se considera uno de los factores limitantes en la transparencia de las cúpulas de 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 manera similar a la responsable de la aparición del color. Las consideraciones sobre los materiales primarios incluyen tanto a los electrones como a las moléculas, como se indica a continuación:

• A nivel electrónico, depende de si los orbitales de los electrones están espaciados (o "cuantificados") de tal manera que puedan absorber un cuanto de luz (o fotón) de una longitud de onda o frecuencia específica en los rangos ultravioleta (UV) o visible. Esto es lo que da origen al color.
• A nivel atómico o molecular, depende de las frecuencias de las vibraciones atómicas o moleculares o de los enlaces químicos, de lo juntos que estén sus átomos o moléculas y de si los átomos o moléculas presentan o no un orden de largo alcance. Estos factores determinarán la capacidad del material para transmitir longitudes de onda más largas en los rangos de infrarrojos (IR), infrarrojos lejanos, radio y microondas.

La absorción selectiva de luz infrarroja (IR) por un material en particular se produce porque la frecuencia seleccionada de la onda de luz coincide con la frecuencia (o un múltiplo entero de la frecuencia) a la que vibran las partículas de ese material. Dado que los 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 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 de plástico tiene una atenuación mayor y, por lo tanto, un alcance más corto. También existen atenuadores ópticos que disminuyen la señal en un cable de fibra óptica de forma intencionada.

La atenuación de la luz también es importante en la oceanografía física . Este mismo efecto es un factor importante en el radar meteorológico , 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 nocivos de los fotones de alta energía, es necesario saber cuánta energía se deposita en el tejido durante los tratamientos de diagnóstico que implican dicha radiación. Además, la radiación gamma se utiliza en los tratamientos contra el cáncer , donde es importante saber cuánta energía se depositará en el tejido sano y en el tumoral.

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

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

La atenuación es un factor 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 que debe atravesar una 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.

• Base de datos XAAMDI del NIST sobre atenuación y absorción de rayos X para materiales de interés dosimétrico
• Base de datos de secciones transversales de fotones XCOM del NIST
• FAST del NIST: Tablas de atenuación y dispersión
• Comunicación por radio submarina