ФОЗИ

	Условия про-			Среднее зву-	Пиковое зна-	Пик-фактор,	Область пиков,
			Расстояние, см	ковое давле-	чение мощно-
	изнесения речи					дБ	Гц
				ние, Па	сти, мВт
	Телефонная
	речь:
	- средняя		2,5	2	0,24	12	250…500
	- громкая		2,5	4	4	18	500…1000
	- тихая		2,5	1	0,025	8	250…500
	Обычный	раз-	100	0,05	0,5	10	250…500
	говор
	Оратор		100	0,1	2	12	250…500

Частотный диапазон и спектры

Акустический сигналы от каждого из первичных источников звука, используемых в системах вещания, связи, как правило имеют непрерывно изменяющиеся форму и спектры. Эти спектры могут быть дискретными, сплошными и смешанными; высокочастотными, низкочастотными.

Дискретные спектры – содержатся частоты (300-600-1200 Гц).

Дискретные спектры могут быть гармоническими, т.е. представлять спектр сложного тона, и тонарными, т. е. представляющими суммарный спектр ряда сложных тонов, различающихся по частоте. Сигнал с гармоническим

спектром

может

быть

представлен

в

виде

ряда

Фурье

следующим

образом:

exp i2 kt

ik 1t .

f t CK

T

CK exp

ω1

–

угловая частота

колебаний

первой

гармоники

CK cK exp i K . Ск – комплексная амплитуда.

f t C0

aK cos k t bK sin k t ,

В

вещественной

форме:

где

K 1

C

1

T 2 f t dt,

a

2

f t cos

2 kt

dt,

b

2

f t sin

2 kt

dt .

0

K

K

T

T

T

T

T

T 2

f t

cos

,

1

T

f t cos

Сигналы

с некратными

частотами:

C

t

a

lim

t dt ,

K

K

K

K

K

T T

K 1

0

b

lim

1

f t sin

t dt .

K

K

T T

Различают сигналы с почти периодическими и квазигармоническими спектрами. К первым относятся сигналы, состоящие из нескольких сложных тонов с некратными основными частотами. Ко вторым относятся спектры типа спектров амплитудной и частотной модуляции с несущей частотой, не кратной основной частоте модулирующего сигнала. Для сплошного спектра его плотность по амплитуде может быть найдена по следующей формуле:

			S f t exp i t dt
		1
	Сигнал можно описать: f t		S exp i t d .
		2

Для процессов, ограниченных во времени введены понятия текущего и мгновенного спектра.

t0

S МГН f t h t0 t exp i t dt , где h(t0-t) – весовая функция.

На практике часто приходится иметь дело с энергетическим спектром сигнала. Под ним понимается огибающая квадратичных зн-ний амплитуд частотных составляющих сигнала (для дискретных спектров) или плотность спектра квадрата амплитуд (для сплошных спектров).

Первичный речевой сигнал

Речь с физической точки зрения состоит из последовательностей звуков с паузами между ними или их группами. При нормальном темпе речи паузы появляются между отрывками фраз, так как при этом слова произносятся слитно. При замедленном темпе речи, при диктовке паузы могут делаться между словами и их частями. Один и тот же звук речи каждый человек произносит по разному. Каждому свойственна своя манера произнесения звуков, но при всем разнообразии их произнесения, звуки являются физической реализацией ограниченного

11

числа фонем. Фонема – то, что человек хочет произнести, а звук – то, что фактически произносит. В русском языке насчитывается 42 основных и 3 неопределенных фонемы. Звуки делятся на звонкие и глухие. Звонкие звуки образуются с участием голосовых связок, находящихся в напряженном состоянии. Импульсы потока воздуха, создаваемые голосовыми связками с достаточной степенью точности могут считаться периодическими. Соответствующий период повторения импульсов называется периодом основного тона. Обратная величина называется частотой основного тона. Если связки тонкие и сильно напряжены, то период получается коротким, а частота – высокой. Частота основного тона для всех голосов лежит в пределах: 70 – 450 Гц. При произнесении речи частота основного тона непрерывно изменяется в соответствии с ударением, подчеркиванием отдельных звуков и слов, а также при проявлении эмоций. Изменение частоты основного тона называется интонацией. У каждого человека совой диапазон изменения основного тона. Обычно бывает немногим более октавы. Интонация имеет большое значение для узнаваемости говорящего. Основной тон, интонация и тембр голоса служат для опознавания человека, причем достоверность опознавания выше, чем при отпечатках пальцев. Это свойство используют для создания аппаратуры, срабатывающей только для определенного голоса. Импульсы основного тона имеют пилообразную форму, и поэтому при их периодическом повторении получается дискретный спектр с большим числом гармоник (до 40) с частотами, кратными частотам основного тона. Огибающая спектра основного тона имеет спад в сторону высоких частот с крутизной около 6 дБ на октаву. Поэтому, например, для мужского голоса с частотой 3 кГц ниже уровня составляющих на 100 Гц примерно на 30 дБ.

При произнесении глухих звуков связки находятся в расслабленном состоянии и поток воздуха из легких свободно проходит в полость рта. Встречая на своем пути различные преграды, он образует завихрения, создающие шум со сплошным спектром. При артикуляции в речеобразующем тракте создаются резонансные полости, определенные для каждой фонемы. При произнесении звуков речи через речевой тракт проходит или тональный импульсный сигнал, или шумовой, или оба вместе.

Речевой тракт представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансов, создаваемых полостями рта, носа, носоглотки, т.е. с помощью артикуляционных органов речи. Вследствие этого равномерный, тональный или шумовой спектр превращается в спектр с рядом максимумов (формант) и минимумов (антиформант). Для каждой фонемы огибающая спектра имеет индивидуальную и вполне определенную форму. При произнесении речи спектр ее непрерывно изменяется и образуются формантные переходы. Речь человека: от 70 до 7000 Гц. Звонкие звуки речи, особенно гласные, имеют высокий уровень интенсивности. Глухие согласные – самый низкий уровень интенсивности. При произнесении речи громкость ее непрерывно изменяется. При произнесения взрывных звуков речи – особенно резко. Динамический диапазон уровней речи находится в пределах 35 – 45 дБ. Гласные звуки имеют длительность 0,15 сек. Согласные – 0,08 сек. Самый короткий звук (П) – 30 мсек. Звуки речи неодинаково информативны. Гласные звуки – малоинформативные, а глухие согласные – наиболее информативны. Разборчивость речи снижается при действии шумов в первую очередь из-за маскировки глухих звуков. Известно, что для передачи одного и того же сообщения по телеграфу и по обычным линиям связи требуется различная пропускная способность трактов. Для телеграфного сообщения достаточно не более 100 бит/сек (бод). А для речевого – 100000 бод. При полосе 7000 Гц и динамическом диапазоне 42 дБ требуется семизначный код. Образование звуков речи происходит путем передачи команд мускульным артикуляционным органом от речевого центра мозга. Общий поток сообщений от мозга составляет в ср. 100 бод. Вся остальная информация – сопутствующая. Речевой сигнал – модулированная несущая. Его спектр может быть описан: p(ω)=E(ω)∙F(ω), где E(ω) – спектр генераторной функции, F(ω) – фильтровая функция речевого тракта – модулирующая кривая. Эта модуляция – спектральная. При ней несущая имеет широкополосный спектр, а в результате модуляции изменяется соотношение между частотными составляющими, т.е. изменяется форма огибающей спектра. Почти вся информация о звуках речи заключена в спектральной огибающей речи и ее временном изменении. Установлено, что избыточность самого речевого сигнала превышает избыточность телеграфного сигнал с таким же сообщением. Речевой сигнал отличается от телеграфного тем, что в последнем нет информации об эмоциях, личности говорящего, а также исключается сопутствующая информация. Для передачи смысла речи достаточно передавать следующие сведения: о форме огибающей спектра речи, о ее временном изменении в темпе изменения звуков речи, а также изменение основного тона речи и переходов тон-шум.

Акустика в помещениях

Рассмотрим звуковые процессы в помещениях. Для помещений прямоугольной формы применяется волновая теория анализа характеристик. Но в инженерной практике пользуются более простыми методами расчета. Они основаны на статистической теории рассмотрения процессов отзвука. Согласно волновой теории собственные частоты помещения с длиной l, шириной b и высотой h определяется из выражения

f		r		c	k 2
	2
				2	l

m 2b

n 2

, где c – скорость звука в воздухе, k, m, n – целые числа. При включении

h

источника звука процесс затухания колебаний происходит на всех собственных частотах помещения и имеет вид Pm=Prm∙exp[-αr+γωrt], где αr – показатель затухания, определяемый из условия отражения волн на границах помещения для r-ной собственной частоты.

12

Средний коэффициент поглощения

При каждом отражении сигнала от поверхности происходит поглощение некоторой части энергии сигнала E. В зависимости от свойств некоторых частей отражающей поверхности относительная убыль энергии при каждом отдельном отражении будет различной. При достаточно большом числе отражений можно говорить о сред-

					i
нем значении коэффициента поглощения ср		1			E		. Если помещение состоит из i участков площадью Si с
			i		1	E

различными коэффициентами поглощения αi, то средний коэффициент поглощения находится по следующей формуле:

ср	1	S1	2	S2	i	Si	i	Si		A	, где А – общий коэффициент поглощения.
		S		S						S
						S		S

Звукопоглощающие материалы и конструкции

Коэффициентом поглощения материала α называют отношение поглощенной энергии звуковой волны к падающей на поверхность этого материала. Если размеры поверхности поглощающего материала велики по сравнению с длиной падающей звуковой волны и имеют большую толщину, то коэффициент поглощения α=1-αотр и

		c	413		2
	он равен 1			, где ρс – удельное акустическое сопротивление поглощение материала, а 413 –
		c	413

удельное акустическое сопротивление воздуха.

Коэффициент зависит от угла падения звуковой волны на звукопоглощающий материал. Различают нормальный коэффициент поглощения для угла падения 90˚ и диффузный – для различных углов падения. Кроме того, коэффициенты поглощения зависят от частоты звуковой волны. Одни материалы имеют большее поглощение на низких, другие – на средних, высоких частотах. Ряд материалов имеет немонотонную зависимость коэффициента поглощения от частоты. Все это позволяет подбирать общее поглощение в помещении оптимальной величины во всем необходимом диапазоне частот.

Все материалы по звукопоглощению делятся на пористые, резонирующие и перфорированные. Другая классификация – сплошные и пористые. Все сплошные материалы имеют акустическое сопротивление больше, чем у воздуха, а пористые в большинстве случаев меньше. Пористые материалы комбинируют всегда со сплошными, располагая сплошные позади пористых. При этом наименьшее поглощение у пористого материала получается при его расположении вплотную к стене из хорошо отражающего сплошного материала. Наибольшее поглощение у пористого материала получается при его расположении на расстоянии четверти длины волны от стены из хорошо отражающего сплошного материала. Несколько меньшая разница в поглощении при расстоянии 3/4 и 5/4 длины звуковой волны. При большом удалении от стены коэффициент поглощения остается постоянным.

Для поглощающего материала с размером, сравнимым с длиной звуковой волны, коэффициент поглощения зависит от соотношения между ними. Открытое окно имеет коэффициент поглощения больше 1, т.е. энергия звуковой волны, падающей рядом с окном уходит в него из-за дифракции. Коэффициент поглощения портьеры с небольшими размерами по сравнению с длиной звуковой волны больше, чем портьеры с большими размерами. Поэтому лучше иметь ряд узких портьер, чем одну широкую. Одна из распространенных конструкций пористых поглощающих материалов – облицовочная. Такие материалы изготавливают в виде плоских или рельефных плит, располагаемых или вплотную, или на небольшом расстоянии от сплошной толстой стены. Пирамиды или клинья устанавливают на небольшом расстоянии от стены основаниями вплотную друг к другу, обращенными острыми углами в помещение. Такие конструкции создают большее поглощение, чем плоские плиты. На рисунке приведены значения коэффициента поглощения пористых материалов от частоты: 1) известковая штукатурка по деревянной обрешетке; 2) ковер с ворсом на бетонном полу; 3) арбалит в плитах толщиной 2 см; 4) фиброакустик в плитах (3,5 см); 5) драпировка на стене; 6) драпировка на расстоянии 10 см от стены.

(РИСУНКИ)

Из рисунков видно, что пористые материалы дают преимущественное поглощение в области высоких частот и очень неэффективны в нижней части частотного диапазона. Другой распространенной конструкцией являются резонансные поглотители. Они делятся на 2 вида: мембранные и резонаторные. Мембранные представляют собой натянутый холст или тонкий фанерный лист, под которым располагаются хорошо демпфирующий материал с большой вязкостью, либо поролон, либо губчатая резина, строительный войлок. Щиты с натянутым холстом называют щитами Бекеши. Максимум поглощения получается на резонансных частотах. Для натянутого холста

силой F, f			k			F		, где ρ – плотность холста; l, b, t – длина, ширина, высота холста; k – резонансные часто-
	k
			2l			tb

ты (порядок).

Таким образом мембранные поглотители имеют лучшее поглощение на резонансных частотах. Коэффициент поглощения можно подсчитать, если знать вязкость материала, находящегося под холстом. Для фанерного листа с соотношением длина/ширина равным 2 резонансные частоты определяются из выражения: fk=3,45∙103∙t/l2, где l

13

– длина, t – толщина. Если лист расположен близко к твердой стене, то его упругость будет повышена и собственная частота также повысится. (РИСУНОК)

На рисунке приведены коэффициенты поглощения для фанерных щитов с заполнением промежутка демпфирующим материалом. 1) фанера толщиной 3 мм с воздушным промежутком; 2) то же самое, но края демпфированы стекловатой; 3) фанера толщиной 6 мм с воздушным промежутком, края демпфированы минеральной ватой; 4) оконное стекло.

Перфорированные резонаторные поглотители

Они представляют собой систему воздушных резонаторов, например резонаторов Гельмгольца, в устье кото-

рых расположен демпфирующий материал. Резонансная частота резонатора f			c		S	, где S – площадь се-
	0		2
					lV

чения горла резонатора, l – длина горла, V – объем полости резонатора. Наибольшее распространение получил перфорированный лист, расположенный на некотором расстоянии от твердой стены. Если перфорация распределена равномерно, то такой поглотитель будет иметь типичную резонансную кривую поглощения. Для равномер-

ного распределения отверстий: f 0	c				S		, где S – площадь сечения отверстия, lэ – эффективная толщи-
	2		l	Э	d 2 h

на листа lЭ 0,5 S (δ – обычная толщина листа), d – расстояние между отверстиями, h – расстояние от

стенки или потолка.

Коэффициент поглощения резонатора определяется активным акустическим сопротивлением демпфирующего материала, находящегося в горле резонатора. В кач-ве такого сопротивления обычно применяют металлическую сетку. Коэффициент поглощения зависит от числа и размеров ячеек такой сетки. Сетку располагают над листом с перфорациями.

Основные пути прохождения звука через перегородки: через поры, щели (воздушный перенос); по трубам отопления, газа, водопровода, через материалы стен в виде продольных колебаний тел (материальный перенос), а также передача колебаний посредством поперечных колебаний перегородки (мембранный перенос). Через перегородки звуковые колебания передаются всеми 3-мя способами. Для уменьшения переноса звука через перегородки необходимо их делать сложными, подбирая материал слоев перегородки с резко отличающимися акустическими сопротивлениями (бетон и поролон). Стены делают двойными с поглощением между ними. Для уменьшения мембранного переноса стены нужно делать массивными, что переносит резонансные частоты в область низких частот. Кроме того, перегородки можно устанавливать на виброизолирующие прокладки. При падении звуковой волны с интенсивностью Iпад за перегородкой интенсивность будет определяться звукопроводи-

мостью перегородки. Коэффициент звукопроводимости I ПР	I ПАД	PПР2	или Q =L -
		P 2	пер пад
		ПАД

Lпр=20∙lg(Pпад/Pпр). Коэффициент звукоизоляции перегородки с учетом только мембранного переноса может быть определен по формуле Qпер=12,5∙lg ρ +14.

Электромагнитные волны

На расстоянии, равном примерно длине волны э/м поле еще не разорвало своих связей с породившими его зарядами и токами. Это поле индукции. Электрические силы подчиняются закону Кулона. На расстоянии нескольких длин волн силы индукции практически исчезают и начинает главенствовать поле бегущей волны – поле излучения. Э/м поля, существующие в пустоте в отсутствии электрических зарядов, называются э/м волнами. Эти поля обязательно должны быть переменными.

Распространение э/м волн

В соответствии с законом э/м индукции, в контуре, охватывающем магнитное поле, возникает ЭДС индукции, которая возбуждает в контуре ток. Проводник не играет главной роли в этом явлении. Он лишь позволяет обнаружить явление. Истинная сущность явления э/м индукции состоит в том, что в пространстве, где происходит изменение магнитного поля возникает изменяемое во времени электрическое поле, которое Максвелл назвал током электрического смещения. В отличие от поля неподвижных зарядов, силовые линии изменяющегося э/м поля могут быть замкнутыми также как силовые линии магнитного поля. Между электрическим и магнитным полями связь осуществляется законами Максвелла. Переменное во времени электрическое поле в любой точке пространства создает переменное магнитное поле. Силовые линии магнитного поля охватывают силовые линии вызвавшего их переменного электрического поля. В каждой точке рассматриваемого пространства вектора напряженности Е и Н перпендикулярны друг другу. Направление силовых линий магнитного поля, возникающего при изменении электрического поля, показано на рисунке. (РИСУНОК)

14

Переменное во времени магнитное поле в любой точке пространства создает изменяющееся электрическое поле. Силовые линии электрического поля охватывают силовые линии вызвавшего его магнитного поля. Совокупность переменных электрического и магнитного полей называется э/м полем.

Важнейшая особенность э/м поля в том, что оно может распространяться в пространстве во все стороны от точки, в которой возникло первоначальное возмущение. Оно может существовать самостоятельно после того, как источник э/м излучения перестает действовать. Изменяющиеся электрическое и магнитное поля, переходя от точки к точке пространства распространяются в вакууме со скоростью света. Процесс распространения периодически изменяющегося э/м поля представляет собой волновой процесс – э/м волны. Э/м волны переносят энергию, которой обладает э/м поле. Направление перемещения э/м энергии может быть определено по правилу буравчика.

Излучение и прием э/м волн

Излучение э/м волн осуществляется с помощью открытого колебательного контура, подключенного к генератору ВЧ ЭДС. Интенсивность поля излучения может быть различной, в зависимости от формы открытого колебательного контура. В закрытом колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности и конденсатора, переменное магнитное поле сосредоточено в катушке, а переменное электрическое поле – в конденсаторе. (РИСУНКИ)

В открытом колебательном контуре обкладки конденсатора как бы сделаны из проводов, которые обладают не только емкостью, но и индуктивностью. Токи, текущие по параллельным проводам, расположены друг от друга на расстоянии L, много меньшем λ, не излучают. Это объясняется тем, что поля двух равных по величине, но противоположно направленных токов, взаимно компенсируют друг друга. Если провода раздвинуть на некоторый угол, то полной конденсации полей не будет. Вертикально расположенные провода принимают основное участие в распространении э/м волн. Устройство, предназначенное для излучения э/м волн, называют э/м антенной.

Для получения наибольшей мощности излучения антенна должна быть настроена в резонанс с частотой ЭДС генератора э/м колебаний. Длина резонансной антенны соизмерима с длиной э/м волны. Механизм излучения и распространения э/м волн объясняется рисунком 4.

(РИСУНОК)

Согласно теории Максвелла, при нарастании под действием ВЧ ЭДС нарастающего тока проводимости в антенне в определенном пространстве возникают переменные электрическое и магнитное поля. Переменной во времени электрическое поле является током смещения. Ток электрического смещения и ток проводимости составляют полный ток. Линии полного тока должны быть замкнутыми. Это означает, что линии тока проводимости в антенне должны быть замкнутыми линиями тока смещения через пространство. Магнитные силовые линии в плоскостях, перпендикулярных к основанию провода имеют вид концентрических окружностей. Через небольшой промежуток времени Δt, в некоторой точке 1 электрическое поле увеличится на Е, а магнитное – на

Н. Нарастающее в точке 1 электрическое поле Е1 (ток электрического смещения) возбудит в окружающем пространстве магнитное поле Н, направление силовых линий которого в плоскости, перпендикулярной вектору Е1,

должно быть выбрано по правилу Ленца. Согласно этому правилу изменению поля Е1 E1 0 должно препят-

t

ствовать поле Е2, индуцированное магнитным полем Н. Направление вектора Е2 должно быть противоположно направлению вектора Е1, но в точке 2 теперь наводится вектор Е2, примерно равный Е1. Таким образом, возмущение электрического поля из точки 1 перейдет в точку 2. Аналогично можно проследить за изменением магнитного поля. Таким образом, фронт э/м волны перемещается из точки 1 в точку 2. (РИСУНКИ)

Скорость перемещения э/м волны равна скорости света. При этом происходит непрерывные переход энергии электрического поля в данной точке пространства в энергию магнитного поля и обратно. В этом проявляется взаимосвязь электрического и магнитного полей при рассмотрении э/м волн. Э/м волны, излученные передающей антенной, встречая на своем пути металлические проводники, создают в них ЭДС той же частоты, что и частота э/м поля, создаваемая наведенной ЭДС. Расстояние, на которое перемещается фронт волны за время, равное одному периоду, называется длиной волны. Используя поверхность равных фаз, длину э/м волны можно определить также, как кратчайшее расстояние между двумя поверхностями равных фаз. В зависимости от формы поверхности равных фаз, волны различают: плоские, цилиндрические и сферические. Все перечисленные типы э/м волн являются поперечными волнами, так как векторы Е и Н осциллируют в них в направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Перенос волной э/м энергии в пространстве характеризуется вектором плотности потока э/м энергии. Направление вектора S совпадает с направлением распространения волны, а его величина численно равна количеству энергии, протекающей через единичную площадку за 1 времени, расположенную перпендикулярно распространению волны. Понятие этого вектора было введено Умовым. Формула для вектора S была получена на основании уравнения Пойнтингом. Поэтому вектор S называется вектором Умова-Пойнтинга. Среднее значение плотности потока энергии за период колебаний связано с напряжен-

ностью электрического поля следующим соотношением: S			Em2	.
	ср
			2z0

15

Распространение э/м волн в пространстве

Среда, в которой распространяются э/м волны, вызывает их поглощение, отражение, рассеивание, меняет характер поляризации, изменяет АХ и ЧХ передаваемых сигналов, влияет на точность определения координат разведываемых целей. Особенности распространения э/м волн тщательно учитываются при создании и эксплуатации технических средств и систем радиоэлектронной борьбы.

Э/м волны от источника ненаправленного излучения распространяются во все стороны радиально и с конечной скоростью. Векторы напряженности электрического Е и магнитного Н полей взаимно перпендикулярны, а также перпендикулярны вектору Р распространения э/м волны. (РИСУНОК)

Процесс изменения амплитуды векторов Е и Н в любой момент времени и в любой точке пространства имеет синусоидальный характер. Вертикальная плоскость S, в которой находятся вектор Р, называется плоскостью распространения волн. Поперечную ей плоскость Q, проходящую через точки пространства с одинаковой фазой напряженности электрического и магнитного поля э/м волны, и перпендикулярно направлению распространения волн, называют фронтом волны. В ряде случаев фронт волны может быть отклонен от вертикали на угол β, называемый углом скольжения фронта волны.

Важным показателем э/м поля является его поляризация, которая характеризует направление вектора электрического поля относительно плоскости распространения. Поляризация определяет закон изменения направления вектора напряженности электрического поля в данной точке за период колебаний. Плоскость, в которой находятся векторы Е и Р, называется плоскостью поляризации. Угол α между плоскостью поляризации и плоскостью. Распространения волн называется углом поляризации. (РИСУНОК)

Различают несколько видов поляризации э/м волны если вектор Е лежит в плоскости S, а вектор Н перпендикулярен ей, то независимо от того, есть наклон фронта волны, или его нет, принято считать поляризацию вертикальной. При этом плоскость поляризации совпадает с плоскостью распространения. Если вектор Н лежит в плоскости S, а вектор Е перпендикулярен этой плоскости, то поляризацию называют горизонтальной. В случае, когда вектор Е занимает произвольное положение, он может быть представлен в виде суммы двух составляющих. Вертикальная составляющая лежит в плоскости распространения, а горизонтальная составляющая перпендикулярна ей и параллельна Земле. На послед. рисунке представлен случай одновременного наклона фронта волны и поворота плоскости поляризации. Если вертикальная и горизонтальная составляющие вектора Е равны по амплитуде, отличаются по фазе на 90˚, то поляризация имеет круговой характер. Во всех других случаях поляризация результирующего вектора Е будет эллиптической. (РИСУНОК)

Э/м волны в зависимости от длины волны делятся на след. виды: 1) радиоволны (λ>10-4 м); 2) оптическое излучение (10-3≤λ≤10-9 м); 3) рентгеновское излучение (10-7≤λ≤10-12 м); 4) гамма-излучение (λ<10-10 м).

Основные сведения о линиях передачи и объемных резонаторах

ЛП предназначены для передачи э/м энергии от источника к потребителю (фидерные устройства), напряжение от генератора ВЧ энергии к передающей антенне или от приемной к приемнику. К фидерным устройствам предъявляют следующие основные требования: отсутствие излучения э/м энергии; передача с минимальными потерями; наличие режима бегущих волн; высокое пробивное напряжение; удобство эксплуатации. ЛП могут быть открытыми и закрытыми. Существует большое число конструкций фидерных линий. Выбор зависит от назначения, диапазона частот и передаваемой мощности. Простейшим типом открытых линий является симметричная двухпроводная линия. Она слабо излучает э/м волны при условии, что расстояние между проводами много меньше длины волны. Однако изменение расстояния между проводами ограничено передаваемой мощностью. Чем больше передаваемая мощность, тем выше напряжение между проводами. Максимально допустимое напряжение должно быть меньше пробивного. Выбор диаметра проводов зависит от требуемого волнового сопротивления, которое для линий такого вида 300–800 Ом. На работу открытых линий заметное влияние оказывают климатические условия. Большая влажность или обледенение вызывают увеличение потерь в несколько раз. В закрытых линиях э/м поле полностью изолировано от окружающей среды. Наибольшее распространение из закрытых ЛП получил коаксиальный кабель. В нем 1 провод, покрытый диэлектриком, помещен внутри другого, выполненного из гибкой металлической оплетки. Наибольшие потери имеют коаксиальные кабели, внутренний провод которых покрыт чешуйчатыми керамическими изоляторами или диэлектрическими шайбами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга. Внешний провод кабеля может быть заземлен. Длина э/м волны в коаксиальном кабеле, заполненном диэлектриком с параметрами ε и μ, определяется по формуле

K и не зависит от поперечных размеров кабеля. Волновое сопротивление стандартных кабелей от

35 до 150 Ом. С увеличением частоты в двухпроводных линиях возникают потери на излучение в изоляторах: в коаксиальном кабеле при этом резко увеличиваются потери в диэлектриках. На волнах 10-ти см. диапазона и короче потери так велик, что применение коаксиальных кабелей становится нецелесообразным. В см. и мм. диапазонах широко применяются волноводы. Это полые металлические трубы прямоугольного, круглого или П- образного сечения, а в оптическом диапазоне – диэлектрические волноводы.

Волновод можно представить в виде симметричной двухпроводной линии, сделанной из проводов в виде широких лент, которые крепятся на расстоянии друг от друга с помощью металлических изоляторов. Они представляют собой короткозамкнутые отрезки четвертьволновой линии, имеют бесконечно большое входное сопро-

16

тивление. Распространение радиоволн в волноводе возможно лишь при определенных соотношениях между длиной волны и геом. размерами волновода. (РИСУНОК)

Рассматривая картину распространения токов при переходе от двухпроводной линии к волноводу, можно установить, что в волноводе существуют продольные и поперечные токи. Токи, протекающие по проводам двухпроводной линии, называют продольными, а токи, протекающие по четвертьволновым короткозамкнутым отрезкам, называют поперечными. В волноводе по внутренним поверхностям вдоль широких стенок будут распространяться волны продольного тока, а поперек стенок установятся стоячие волны поперечного тока. Возбуждение э/м волн в волноводе осуществляется металлическим стержнем с длиной, равной ¼ длины волны, расположенном посередине широкой стенки волновода.

По волноводу заданных размеров могут распространяться только волны короче определенной длины волны λкрит=2a. Фазовая скорость волны в волноводе > скорости света в свободном пространстве

Vф с1 ПР 2 . Длиной волны в волноводе называют расстояние, проходимое волной вдоль оси волно-

вода с фазовой скоростью за время одного периода. Т. к. фазовая скорость в волноводе больше скорости света, то и длина волны в волноводе > длины волны в свободном пространстве. Фазовая скорость характеризует структуру волны, но не определяет скорость переноса энергии. Возрастание фазовой скорости в волноводе при уменьшении частоты колебаний не сопровождается увеличением скорости переноса/распространения энергии, переносимой э/м волной вдоль оси волновода. Наоборот, из-за многократных отражений от стенок скорость пе-

реноса энергии уменьшается и определяется по формуле u c1 ПР 2 . Умножая фазовую скорость на

скорость распространения энергии получим Vф∙U=с2. Если фазовая скорость уменьшается, то U будет увеличиваться. Скорость распространения энергии не может быть больше с, в то время фазовая скорость в волноводе, не заполненном какой-либо средой, не может быть < с.

Объемные резонаторы

Колебательные контура с сосредоточенными параметрами, а также в виде отрезков длинных линий используются в дм и более длинноволновых диапазонах. На волнах короче дм они имеют низкую добротность из-за значительных потерь энергии в проводах, изоляторах и на излучение. Колебательными системами, свободными от указанных недостатков в см и мм диапазонах волн являются закрытые объемные резонаторы. Они представляют собой часть пространства, ограниченного хорошо проводящей поверхностью. В полости объемного резонатора могут иметь место э/м колебания с резко выраженными резонансными свойствами. Они могут быть в виде прямоугольного параллелепипеда, цилиндра или тора. Объемные резонаторы в виде прямоугольного параллелепипеда представляют собой волновод прямоугольного сечения, ограниченный торцевыми стенками. Э/м поле в нем приобретает характер стоячих волн. Вся энергия, запасенная в резонаторе переходит сначала в энергию электрического поля, через ¼ периода в магнитную и т.д. Возбуждение колебаний или вывод э/м энергии осуществляется с помощью рамки и ли шнура.

Антенны

Устройства, предназначенные для излучения или приема э/м волн, называют антеннами. Антенны разделяют на передающие и приемные. Антенна обладает свойством обратимости, согласно которому одна и та же антенна может как излучать, так и принимать э/м волны. Основные параметры антенны в режиме излучения сохраняются и в режиме приема. Конструкция антенны зависит от диапазона волн, желаемой направленности излучения, величины излучаемой мощности и места установки.

Рассмотрим основные физические параметры антенны. Введение этих параметров позволяет сравнивать различные типы антенн.

Мощность и сопротивление излучения, КПД, диаграмма направленности антенны, коэф-т направленного действия, коэф-т усиления, действующая длина антенны.

Мощностью излучения называется среднее количество э/м энергии, излучаемое антенной в 1 времени. Полная мощность Р, потребляемая антенной от источника, складывается из мощности потерь и мощности излучения. Мощность потерь является следствием конечной проводимости проводников антенны, несовершенства диэлектриков: Р=Ра+Рп. В тех случаях, когда известна амплитуда токов на клеммах антенны, которую из состав-

ляющих мощности можно представить в виде:	RП I m2	P ,	RA I m2	p,	R I m2	P	P .
2		П	2		2		u

Сопротивление излучения антенны равно такому активному сопротивлению, на котором при токе, равном току на клеммах, рассеивается мощность, равная току излучения. Величина сопротивления излучения зависит от характера распространения тока вдоль провода антенны, от соотношения длины излучающего провода и длиной изучаемой э/м волны. Все полуволновые вибраторы имеют сопротивление излучения РΣ=73,1 Ом. Вибраторы с длиной в 1 волну имеют сопротивление 210 Ом. В общем случае сопротивление излучения антенны является комплексной величиной.

17

Антенна преобразует энергию источника э/м колебаний в энергию э/м волн. КПД этого преобразователя определяется Ри/Р. Таким образом КПД тем больше, чем больше сопротивление излучения по сравнению с сопротивлением волновых потерь. Величина КПД антенны для полуволнового вибратора равна 0,9.

Кол-во энергии, излучаемое антенной в 1 телесного угла, неодинаково. О направленности излучения антенны судят по ее диаграмме направленности (ДН). Различают ДН по полю и по мощности. ДН по полю называется графическое выражение зависимости напряженности электрического поля, которое создается в равноудаленных от антенны точках зоны, от направления излучения. В пространстве эту зависимость представить сложно, поэтому обычно строят сечение двумя взаимно ортогональными плоскостями. Линия пересечения совпадает с максимумом ДН. Одну из этих плоскостей совмещают с вектором Е и называют Е-плоскостью, а вторую плоскость совмещают с вектором Н и называют Н-плоскостью. След сечения ДН Е-плоскостью называют ДН в Е- плоскости, а след сечения ДН в Н-плоскости – ДН в Н-плоскости. Дальняя зона излучения антенны определяется условием, при котором расстояние от антенны до точки наблюдения, которая находится в дальней зоне, R>>22/λ, где  - наибольший размер излучающего раскрыва антенны. Если выполнено это условие, то можно считать, что все идущие от антенны к точке наблюдения радиолучи параллельны. Направление излучения определяется углами θ, φ в полярной системе координат. В сферической – r, θ, φ. (РИСУНОК)

ДН антенны изображают в прямоугольной или в полярной системе координат. ДН симметричного полуволнового вибратора в Е-плоскости (ХОZ) имеет вид, показанные на рис.2. На этой диаграмме величина напряженности электрического поля в точке М откладывается по радиус-вектору. В плоскости, перпендикулярной оси вибратора (XOY) напряженность поля во всех направлениях одинаков и максимальна. ДН в этой плоскости имеет вид окружности. Пространственная ДН имеет форму тора. Любая антенна имеет направление максимального излучение, называемое максимумом ДН. Обычно используются антенны с резко выраженными направленными свойствами. Это позволяет: 1) определять направление на объекты, отражающие э/м волны, что находит широкое применение в радиолокации и радионавигации; 2) увеличить дальность действия радиоэлектронных устройств за счет концентрации излучаемой энергии в узком секторе пространства; 3) обеспечить повышение скрытности работы радиоэлектронных систем; 4) уменьшить влияние умышленных помех.

Коэф-т направленного действия (КНД) антенны – числовая характеристика степени концентрации энергии в пространстве, обеспечиваемой антенной. КНД – число, показывающее, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной при условии, что они имеют одинаковые КПД. КНД – число, показывающее, во сколько раз мощность излучения антенны, приходящееся на 1 телесного угла в данном направлении, больше мощности излучения воображаемой ненаправленной антенны, также отнесенной к 1 телесного угла, при равенстве полных мощностей, излучаемых обеими антеннами.

 , P ,

P 4

где Р(θ,φ) – мощность излучения, приходящаяся на 1 телесного угла в направлении, определяемом углами θ и φ; РΣ – мощность излучения воображаемой ненаправленной антенной к 1 телесного угла.

Мощность излучения антенны на 1 телесного угла зависит от направления излучения и углов θ и φ. График изменения КНД в пространстве от углов θ и φ отличается от ДН по мощности постоянным множителем. Максимальная величина КНД достигает значения нескольких единиц у слабо направленных и десятки-сотни тысяч у антенн с узкой ДН (РЛС космической связи).

Две антенны, имеющие одинаковые ДН и, следовательно, КНД при равной подводимой мощности будут создавать в одинаково расположенных относительно антенны точках приема различные направления поля в зависимости от величины потерь энергии в антенне. Чтобы усилить влияние потерь энергии в антенне, вводят понятие коэф-та усиления. КУ равен произведению КПД на КНД, т.е. kус=ηА∙.

Для сравнения проволочных антенн различных типов вводят параметр действующая длина антенны (ДДА). Создаваемая элементарным отрезком антенны напряженность поля в точке приема, расположенной на направлении максимума ДН, определяется величиной тока в этом отрезке. Напряженность, которую создает вся антенна, определяется графически путем вычисления площади S1, ограниченной кривой распространения тока вдоль провода и осью провода. Эту площадь называют площадью тока. Антенны с одинаковой площадью тока создают одинаковые напряженности полей в равноудаленных точках приема, расположенных по максимуму ДН. Поэтому антенну длиной l можно заменить некоторой воображаемой антенной с той же площадью тока, но в которой ток одинаков по всей длине и равен току на клеммах реальной антенны. Такая воображаемая антенна будет иметь длину hд, которую и называют ДДА. Она всегда меньше реальной. Чем равномерней распределение тока по излучающему проводу, тем больше ДДА. Для наиболее распространенных антенн hд=λ/π.

Основные типы антенн

Проволочные антенны

Проволочная – отрезок прямолинейного провода. В зависимости от способа возбуждения и характера распределения ВЧ тока вдоль провода проволочные антенны подразделяют на симметричные и несимметричные вибраторы. Симметричный вибратор можно представить в виде длиной линии, разомкнутой на конце, провода которой развернуты на 180˚. Токи в симметрично расположенных относительно клемм точках обеих половин виб-

18

ратора оказываются равными и направленными в одну сторону вдоль оси. Распределение тока и напряжения симметрично относительно клемм. Максимальное изменение возникает при резонансе, когда длина волны собственных колебаний вибратора совпадает с длиной волны токов питающих линий. При включении источника в вибраторе устанавливаются стоячие волны тока и напряжения, причем при резонансе вдоль его длины прикладывается половина стоячей волны тока и напряжения. Таким образом, длина волны λ0 собственных колебаний симметричного вибратора равна 2l, где l – геометрическая длина вибратора. В рассматриваемом случае длина симметричного вибратора вдвое короче λ0, поэтому его называют полуволновым вибратором. Обычно антенны располагаются вблизи хорошо проводящей поверхности. В случае, когда одна из клемм подключена к поверхности распределения тока вдоль провода несимметрично относительно точки => несимметричная антенна. Резонансная длина волны λ0 собственных колебаний заземленного вибратора в 4 раза больше l, поэтому заземленную антенну называют четвертьволновым вибратором. Сопротивление излучения четвертьволнового несимметричного вибратора равно ½ сопротивления излучения полуволнового вибратора. КНД несимметричного вибратора в 2 раза больше КНД симметричного в свободном пространстве. Действующая длина четвертьволнового несимметричность вибратора hд=λ/π. Для увеличения действующей высоты несимметричной антенны к ее верхнему концу присоединяют горизонтальные провода или сетки. Выполняя роль емкостной нагрузки для антенны, они выравнивают распределение тока вдоль провода и увеличивают ДДА. Такие антенны и их модификации находят широкое применение в связи на КВ, УКВ и дм диапазонах волн.

Рупорные антенны

Открытый конец прямоугольного или кругового волновода представляет собой наиболее простую антенну с плоским излучающим раскрывом. Э/м волны, излучаемые через свободный конец волновода в открытое пространство, испытывают заметное отражение из-за скачкообразного изменения фазовой скорости распределения волн при выходе.

Кроме того, размеры поперечного сечения волновода малы по сравнению с длиной волны, поэтому ДН такого излучателя невелика. Недостатки могут быть частично устранены, если поперечное сечение излучающего конца расширить. В результате можно получить или секторальный, или пирамидальный, или конический рупор. По мере увеличения поперечных размеров излучающего раскрыва при заданной высоте рупора, КНД рупора вначале увеличится, достигнет максимального значения и далее уменьшится. Рупор, имеющий максимальный КНД, называется оптимальным. Ширина ДН по уровню половинной мощности оптимального пирамидального

рупора может быть определена по формуле: 2			56	, 2	78
		0,5E	bp	0,5H	a p
2Θ0,5Е, 2Θ0,5Н – ширина диаграммы направленности				соответственно в Е и Н плоскостях. КНД
 0,4 0,6 4 S	2	.

Рупор используется в качестве слабонаправленных антенн и значительно чаще в качестве зеркальных и линзовых антенн. Достоинством рупорных антенн является простота, небольшие размеры, малые потери.

Зеркальные антенны

ДН формируется за счет отраженных э/м волн, излучаемых облучателями, отраженных от металлических поверхностей той или иной формы. Наиболее часто зеркало выполняется в виде параболоида вращения. Облучатель антенны устанавливается в фокусе параболоида и излучает сферическую волны. Свойства параболоида: падающую на него сферическую волну преобразует в плоскую. Лучи, падающие от облучателя, отражаются от зеркала и далее распространяются параллельно главной отражающей оси зеркала. Таким образом, параболический отражатель дает возможность получения узкого пучка лучей или радиоволн с плоским фронтом. (РИСУНОК)

Однако в реальных условиях происходит частичное огибание радиоволнами краев зеркала (дифракции). В силу этого лучи в пучке не строго параллельны друг другу, а несколько расходятся, образуя пучок конической формы. Расходящийся пучок лучей соответствует главному лепестку антенны. Кроме главного лепестка имеется несколько боковых лепестков. Чем больше диаметр d и чем меньше λ, тем уже ДН. Ширина основного лепестка ДН по уровню половинной мощности определяется по формуле 2Θ=65λ/d. Антенны с параболическими зеркалами применяются в самолетных РЛС обнаружения целей и в других случаях. В см диапазоне ширина ДН этих антенн по уровню половинной мощности составляет единицы градусов. КНД параболических антенн определят-

ся по формуле =(0.5…0.8)∙4πS/λ2.

В самолетных РЛС антенны должны иметь ДН узкую в горизонтальной плоскости и достаточно широкую в вертикальной. Мощность, отраженная от некоторого участка поверхности, сигнала на входе приемной антенны не должна зависеть от расстояния между самолетом и этим участком. Эта задача решается антенной с ДН специальной формы. Они обеспечивают распределение плотности энергии в вертикальной плоскости по закону cosec2Θ. В качестве отражателя в них используют параболоид вращения, верхняя часть которого заменена козырьком. Козырек создает значительное переизлучение в направлениях, наклоненных под большими углами к сои параболоида, рассеивая волны над самолетом. В качества излучателя самолетных антенн используются рупоры, полуволновые вибраторы и щелевые излучатели. При выносе излучателя из фокуса параболоида макси-

19

мум основного лепестка ДН отклоняется от главной оси. Это можно использовать для управления ДН. См. диапазон волн обеспечивает высокую направленность излучения.

Рамочные антенны

Они применяются в виде витка провода прямоугольной или круглой формы. Рамочные антенны используются на волнах, длины которых много больше ее собственной. Поэтому токи в противолежащих сторонах рамки имеют противоположное направление. (РИСУНОК)

Основы радиолокации

Радиолокация – область радиоэлектроники, решающая задачи рационального наблюдения объекта, т.е. изменение координат и параметров движения, а также выявления некоторых физических и структурных свойств путем использования отраженных или переизлученных объектами радиоволн, либо путем использования собственного радиоизлучения объектов. Устройство радиолокационного наблюдения называется РЛС. Сами же объекты радиолокационного наблюдения именуются целями.

При использовании отраженных радиоволн радиолокационными целями являются любые неоднородности электрических параметров среды: диэлектрическая магнитная проницаемость, проводимость.

Летательные аппараты, гидрометеообразования, речные и морские суда, строения, автомобили – цели. Источником радиолокационной информации являются радиолокационные сигналы. В зависимости от способа его получения различают несколько видов радиолокационных наблюдений:

1) РЛ с пассивным ответом.

Излучаемые РЛС колебания (зондирующий сигнал) отражается от цели и попадает в приемник РЛС в виде отраженного сигнала (эхо-сигнал). Такой вид РЛ называют РЛ с пассивным ответом. Требование к цели – отличие ее отражающих свойств от отражающих свойств среды.

2) РЛ с активным ответом.

Активные РЛ характеризуются тем, что активный сигнал не является отраженным, а является переизлученным с помощью специального ответчика – ретранслятора. При этом заметно повышается дальность. Применяется в авиации для определения госпринадлежности самолетов. В ответный сигнал можно ввести много дополнительной информации.

3) Пассивная РЛ.

Пассивная РЛ основана на приеме собственного излучения целей. Военное применение: обнаружение искусственных объектов. Разновидность – наблюдение за грозами.

Общая характеристика радиолокационного канала

Система РЛС – цель может рассматриваться как РЛ-канал наподобие радиоканалов связи. Основными частями РЛС являются передатчик, приемник, антенное устройство, оконечное устройство. Передающие и приемные антенны расположены близко друг к другу, а РЛС с импульсной модуляцией имеет одну антенну. Она снабжена специальным переключателем для перехода из режима передачи в режим приема и обратно. Передатчик РЛС вырабатывает СВЧ колебания, которые модулируются по амплитуде, частоте, фазе сложным образом. Эти колебания создаются в антенном устройстве и образуют зондирующий сигнал. Наибольшее распространение находит зондирующий сигнал в виде последовательности равноотстоящих друг от друга по времени коротких радиоимпульсов. Наряду с простыми может применяться видоизмененная импульсная частотная модуляция. Другим видом зондирующего сигнала является непрерывный сигнал. После того, как э/м волна, падающая на цель, вызывает в ее теле вынужденные колебания электрических зарядов, цель, подобно антенне, создает свое э/м поле. Это поле представляет собой вторичную (отраженную) э/м волну. Она создает в РЛС сигнал, который является носителем информации о целях. Амплитуда сигнала в определенной степени характеризует размеры и отражающие свойства цели. Время запаздывания отраженного сигнала относительно начала излучения зондирующего сигнала используется для измерения дальности. Частота колебаний отраженного сигнала несет информацию о радиальной скорости цели.

Поляризационные параметры отраженной волны также могут быть использованы для оценки свойств цели (соотношение между размерами, форма цели). Направление прихода отраженной волны содержит информацию об угловых координатах цели. Приемники РЛС необходимы для выделения полезного сигнала из помех. Выходное устройство приемника служит для представления радиолокационной информации в удобной потребителю форме. Если РЛ информация используется далее в ЭВМ, то она преобразуется в цифровую форму.

Важной составной частью являются помехи. Внутренние шумы вызывают подавление полезного сигнала, а также появления ложного сигнала. Помехи вносят ошибки в измеряемые координаты. В качестве помех можно рассматривать флуктуацию скорости и направления распространения радиоволн в атмосфере. Источник помех – флуктуация центра отражения движущейся цели относительно траектории движения. Это приводит к случайным пропаданиям отраженных сигналов. Источники мешающих радиоизлучений образуют активные помехи. В условиях большой насыщенности радиосредствами заметное влияние могут оказывать активные взаимные помехи.

Главные этапы РЛ наблюдения: обнаружение, измерение, разрешение, распознавание. Обнаружение – процесс принятия решения о наличии цели с допустимой возможностью ошибки. Измерение позволяет оценит ко-

20