減衰

物理学において、減衰（文脈によっては消滅）とは、媒体を通過する光束の強度が徐々に失われることです。たとえば、サングラスは太陽光を減衰させ、鉛はX線を減衰させ、水と空気は光と音の両方をさまざまな減衰率で減衰させます。

聴覚保護具は、耳に流入する音響流を減らすのに役立ちます。この現象は音響減衰と呼ばれ、デシベル(dB) で測定されます。

電気工学および電気通信の分野では、減衰は電気回路、光ファイバー、空気中の波や信号の伝播に影響を及ぼします。電気減衰器と光減衰器は、この分野で一般的に製造されるコンポーネントです。

多くの場合、減衰は媒体を通る経路長の指数関数です。光学および化学分光学では、これはランベルト・ベールの法則として知られています。工学では、減衰は通常、媒体の単位長さあたりのデシベル単位（dB/cm、dB/kmなど）で測定され、問題の媒体の減衰係数によって表されます。 ^[1]減衰は地震でも発生します。地震波が震源から遠ざかると、地面によって減衰して小さくなります。

減衰が重要な役割を果たす研究分野の一つは超音波物理学です。超音波の減衰とは、画像媒体を通過する距離に応じて超音波ビームの振幅が減少することです。信号振幅の減少は生成される画像の品質に影響を与える可能性があるため、超音波の減衰効果を考慮することが重要です。超音波ビームが媒体を通過する際に受ける減衰を知ることで、入力信号振幅を調整し、目的の画像深度でのエネルギー損失を補うことができます。^[2]

• エマルジョンやコロイドのような不均一系における超音波減衰測定は、粒子サイズ分布に関する情報をもたらす。この技術に関するISO規格がある。^[3]
• 超音波減衰は伸長レオロジー測定に使用できます。伸長粘度と体積粘度を測定するためにストークスの法則を使用する音響レオメータがあります。

音響減衰を考慮した波動方程式は分数微分形式で記述することができる。^[4]

均質媒体において、音の減衰に寄与する主な物理的特性は粘度^[5]と熱伝導率[6]である。^{[7 ]}

減衰係数は、送信された超音波の振幅が周波数の関数としてどの程度減少するかに基づいて、さまざまな媒体を定量化するために使用されます。減衰係数( ) は、次の式を使用して媒体内の dB 単位の総減衰を決定するために使用できます。${\displaystyle \alpha}$

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

減衰は媒質の長さと減衰係数、および生体組織に入射する超音波ビームの周波数（近似値）に比例します（空気などのより単純な媒質の場合、関係は2次式です）。減衰係数は媒質によって大きく異なります。しかし、生体医学的超音波画像診断では、生体物質と水が最も一般的に使用される媒質です。一般的な生体物質の1MHzの周波数での減衰係数を以下に示します。^[8]

音響エネルギーの損失には、吸収と散乱という2つの一般的な方法があります。^[10]均質媒体を 介した超音波の伝播は吸収のみと関連しており、吸収係数のみで特徴付けることができます。不均質媒体を介した伝播では散乱を考慮する必要があります。^[11]

太陽から放射される短波放射は、可視光線のスペクトル内で 360 nm (紫) から 750 nm (赤) までの波長を持ちます。太陽放射が海面に到達すると、短波放射は水によって減衰し、光の強度は水深とともに指数関数的に減少します。水深における光の強度は、ランベルト・ビールの法則を使用して計算できます。

透明な海洋中層水では、可視光は最も長い波長で最も強く吸収されます。したがって、赤、オレンジ、黄色の波長は浅い深さで完全に吸収されますが、青と紫の波長は水柱のより深いところまで到達します。青と紫の波長は他の波長に比べて吸収が最も少ないため、外洋の水は目には 深い青に見えます。

海岸近くの沿岸水には、非常に透明な海洋中央水よりも多くの植物プランクトンが含まれています。植物プランクトンのクロロフィルa 色素は光を吸収し、植物自体も光を散乱させるため、沿岸水は海洋中央水よりも透明度が低くなります。クロロフィル a は、可視スペクトルの最短波長 (青と紫) の光を最も強く吸収します。植物プランクトンが高濃度に発生する沿岸水では、緑の波長が水柱の最も深いところまで到達し、水の色は青緑または緑に見えます。

地震が場所に与える影響のエネルギーは、地震の伝播距離によって異なります。地震動の強度信号の減衰は、強い地震動の可能性を評価する上で重要な役割を果たします。地震波は、地球を伝播するにつれてエネルギーを失います(地震減衰)。この現象は、地震エネルギーが距離とともに分散することに関係しています。分散されるエネルギーには 2 種類あります。

• 地震エネルギーがより大きな体積に分散されることで生じる幾何学的分散
• 熱としての分散。固有減衰または非弾性減衰とも呼ばれます。

砂岩などの多孔質流体飽和堆積岩では、地震波の固有減衰は主に固体フレームに対する多孔質流体の波動誘起流動によって引き起こされます。 ^{[12] [13]}

減衰は、光子の吸収または散乱により電磁放射の強度を減少させます。減衰には、逆二乗則の幾何学的広がりによる強度の減少は含まれません。したがって、強度の総変化の計算には、逆二乗則と経路上の減衰の推定の両方が含まれます。

物質における減衰の主な原因は、光電効果、コンプトン散乱、そして光子エネルギーが 1.022 MeV を超える場合は対生成です。

RF ケーブルの減衰は次のように定義されます。

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

ここで、は特性インピーダンスの公称値で終端された100m長のケーブルへの入力電力であり、は ケーブルの遠端での出力電力である。^[14]${\displaystyle P_{1}}$${\displaystyle P_{2}}$

同軸ケーブルの減衰は、材質と構造によって決まります。

X線ビームが組織を通過する際に光子が吸収されると、X線ビームは減衰します。物質との相互作用は、高エネルギー光子と低エネルギー光子によって異なります。高エネルギーで移動する光子は、物質と相互作用する機会が少ないため、組織標本を通過する可能性が高くなります。これは主に光電効果によるもので、「光電吸収の確率は、(Z/E) ³にほぼ比例します。ここで、Zは組織原子の原子番号、Eは光子エネルギーです。^」[15]これに関連して、光子エネルギー(E)の増加は、物質との相互作用の急速な減少をもたらします。

光ファイバーの減衰は伝送損失とも呼ばれ、伝送媒体を通過する距離に応じて光線（または信号）の強度が減少することです。現代の光伝送は比較的透明性が高いため、光ファイバーの減衰係数は通常、媒体を通過する際に dB/km の単位を使用します。媒体は通常、入射光線を内部に閉じ込めるシリカガラスのファイバーです。減衰は、長距離にわたるデジタル信号の伝送を制限する重要な要因です。そのため、減衰を制限し、光信号の増幅を最大化するための研究が盛んに行われてきました。実験的研究により、光ファイバーの減衰は主に散乱と吸収の両方によって引き起こされることがわかっています。

光ファイバーの減衰は、次の式を使用して定量化できます。

${\displaystyle {\text{減衰量 (dB)}}=10\times \log _{10}\left({\frac {\text{入力強度 (W)}}{\text{出力強度 (W)}}}\right)}$

光ファイバーのコアを通る光の伝播は、光波の全反射に基づいています。ガラスの分子レベルでさえ、表面が粗く不規則な場合、光線はさまざまな方向に反射されます。このタイプの反射は「拡散反射」と呼ばれ、通常、反射角度が多岐にわたります。肉眼で見えるほとんどの物体は、拡散反射によって見えます。このタイプの反射によく使用される別の用語は「光散乱」です。物体の表面からの光散乱は、物理的観察の主なメカニズムです。^[16] 多くの一般的な表面からの光散乱は、反射率によってモデル化できます。

光の散乱は、散乱される光の波長に依存します。したがって、入射光波の周波数と散乱中心の物理的寸法 (または空間スケール) に応じて、可視性の空間スケールに限界が生じます。散乱中心は通常、特定の微細構造の特徴の形で現れます。たとえば、可視光の波長スケールは 1 マイクロメートルのオーダーであるため、散乱中心の寸法も同様の空間スケールになります。

このように、減衰は内部表面と界面での光の非干渉性散乱によって生じます。金属やセラミックなどの（多）結晶材料では、細孔に加えて、内部表面または界面のほとんどが結晶秩序の小さな領域を分離する粒界の形をしています。散乱中心（または粒界）のサイズが散乱される光の波長のサイズよりも小さくなると、散乱はほとんど発生しなくなることが最近明らかになりました。この現象により、透明なセラミック材料が製造されるようになりました。

同様に、光学品質のガラス繊維における光の散乱は、ガラス構造の分子レベルの不規則性（組成の変動）によって引き起こされます。実際、ガラスは多結晶固体の極限ケースにすぎないという考え方が出てきています。この枠組みでは、さまざまな程度の短距離秩序を示す「ドメイン」が、金属と合金、ガラスとセラミックの両方の構成要素になります。これらのドメイン間とドメイン内には、光の散乱が発生する最も理想的な場所となる微細構造の欠陥が分布しています。この同じ現象は、IRミサイルドームの透明性を制限する要因の1つと見なされています。^[17]

光の散乱に加えて、特定の波長の選択的吸収によっても、色の出現に関係するのと同様に、減衰または信号損失が発生することがあります。主な材料の考慮事項には、次のように電子と分子の両方が含まれます。

• 電子レベルでは、電子軌道が紫外線 (UV) または可視光線の範囲の特定の波長または周波数の光 (または光子) の量子を吸収できるように間隔が空けられている (または「量子化」されている) かどうかによって決まります。これが色を生み出すものです。
• 原子または分子レベルでは、原子または分子の振動または化学結合の周波数、原子または分子の密集度、原子または分子が長距離秩序を示すかどうかによって決まります。これらの要因によって、赤外線 (IR)、遠赤外線、無線、マイクロ波の範囲でより長い波長を透過する材料の能力が決まります。

特定の物質による赤外線 (IR) 光の選択的吸収は、選択された光波の周波数が、その物質の粒子が振動する周波数 (または周波数の整数倍) と一致するため発生します。原子や分子によって固有振動数が異なるため、赤外線 (IR) 光の異なる周波数 (またはスペクトルの一部) が選択的に吸収されます。

光ファイバーでは、減衰は信号光の強度が減少する割合です。このため、長距離光ファイバーケーブルには減衰の少ないガラスファイバーが使用され、プラスチックファイバーは減衰が大きいため、距離が短くなります。光ファイバーケーブル内の信号を意図的に減衰させる 光減衰器も存在します。

光の減衰は海洋物理学においても重要です。この同じ効果は気象レーダーでも重要な考慮事項であり、雨滴は使用される波長に応じて多かれ少なかれ放射ビームの一部を吸収します。

高エネルギー光子の有害な影響のため、そのような放射線を伴う診断治療中に組織に蓄積されるエネルギーの量を知ることが必要です。さらに、ガンマ線は癌治療に使用され、健康な組織と腫瘍組織に蓄積されるエネルギーの量を知ることが重要です。

コンピュータ グラフィックスでは、減衰は光源と力場のローカルまたはグローバルな影響を定義します。

CT 画像では、減衰は画像の密度または暗さを表します。

減衰は、現代の無線通信の世界では重要な考慮事項です。減衰は無線信号の範囲を制限し、信号が通過する物質 (空気、木材、コンクリート、雨など) の影響を受けます。無線通信における信号損失の詳細については、 パス損失に関する記事を参照してください。

• NIST の XAAMDI: 線量測定対象物質の X 線減衰および吸収データベース
• NIST の XCOM: 光子断面積データベース
• NIST の FAST: 減衰および散乱表
• 水中無線通信