книги из ГПНТБ / Римский-Корсаков А.В. Электро-акустика

и ы м

с д в и г о м

ф а з

э л е м е н т о в .

Р а с п о л а г а я п

элементов

на окружности, в вершинах правильного /г-угольника,

и

вводя

в

электрических

цепях элементов

фазовые

сдвиги

(рис.

4.8):

срд

=

=—ife/?sin8g ,

Qq = 2nq/n,

q = 0, 1,...,

(« — 1),

мы

как

бы

переносим

все элементы на диаметр окружности, соответствующий

q = 0.

Если

т а к а я антенна

принимает плоскую

волну,

направление

распростра ­

нения

которой

л е ж и т в

плоскости

антенны,

а ее

фронт

п а р а л л е л е н

диаметру q = 0, то

все

н а п р я ж е н и я , снимаемые

с

элементов,

ока­

жутся синфазными после прохождения цепей, создающих

ф а з о в ы е

сдвиги <pf/. Т а к и м образом, в направлении, перпендикулярном

диа­

метру ? = 0, в

плоскости антенны

будет максимум

характеристики

направленности. Д л я характеристики направленности в

этой

плос­

кости

получим:

q=n— 1

ф ( в ' ) =

п - 1

У

cos 2kR

sin2 - і - 0 ' sin

(2nq/n)

(4.37)

тегрированием излучения бесконечно

м а л ы х участков

линии базы .

Д л я

непрерывной синфазной

прямолинейной базы получим:

Ф

(0) =

2sin {-j

kl

sin

0 j

(kh

sin в ) -

1 .

(4.38)

Д л я

круговой

непрерывной

базы

с дополнительными

сдвигами

ф а з

kR s'mQ

относительно

д и а м е т р а 6 = 0

получим:

ф

(0) = / 0 [kR (1 +

cos 2©)].

(4.39)

Вводя

сдвиги

фаз по закону }zRs'm(Q—0о)

вместо &^sini0, получим

возможность

направить

максимум

чувствительности

антенны

под

ж е л а е м ы м углом 0О

к направлению

0 = 0.

Антенна бегущей волны

П р я м о л и н е й н а я

распределенная

антенна, ф а з ы

возбуждения

элементов

которой изменяются пропорционально расстоянию этих

элементов

от одного из концов базы, называется антенной

бегущей

волны. Если

ф а з а колебаний

элемента

антенны,

находящегося на

расстоянии х

от

одного

из

ее

концов,

составляет

k&x, т а к

что

объ­

емная скорость

элемента

dx

антенны

dv

= umexp{—ikax}dx,

то

сум-

м и руя по длине антенны д а в л е н и я

dp = iaр0й?у(4я£>)_Іехр{

+ і ^ л Х

Xcos6 } в дальней зоне

(рис. 4.9),

получим:

р = ісор0

V0 (4я Dj~x

(sin а)/а,

( 4 - 4 0 >

а = KL ( c o s 0 — с 0 / а ) / 2 .

(4.41)

Здесь

k&=a/a,

а — ф а з о в а я

скорость волны возбуждения

антенны,

VQ = vmL — полная объемная

скорость, которую

с о з д а в а л а

бы ан­

тенна

при синфазном возбуждении

по всей длине L , Ах cos 8 — опе-

.режение по фазе волны, иду-

^ - у

щей на

бесконечно

удаленную

/ '

\

точку

в направлении

9.

\в

М а к с и м у м характеристики

/ '

\

направленности

соответствует

d!)-pmsxp{-ih4^

. '

і

У Г Л У

в і = а г с cos (со/а),

если

~+"

'

а^Со.

Пр и а / с 0 = 1

м а к с и м у м

чувствительности

антенны сов­

п а д а е т

с

направлением

базы,

п р и

а > с 0

в о з б у ж д е н и е

прак ­

п

л п v ~

тически становится

с и н ф а з н ы м

и м а к с и м у м п е р е м е щ а е т с я к

Рлс. 4.9. К определению направленности

J

г

антенны бегущей волны

направлени ю

перпендикуляра

к линии базы . В ряде случаев

антенна бегущей волны, б л а г о д а р я тому,

что она

вытянута

в на ­

тивном отношении удобней

антенны, база которой перпендикуляр ­

на направлению м а к с и м у м а

чувствительности.

А н т е н на из направленных элементов

Пусть многоэлементная антенна состоит из элементов, имею­

щих характеристику направленности Фо(ср, Э), которые расположе ­

ны так, что направления их осевой

чувствительности (Ф =0, 8 = 0)

совпадают . Пр и вычислении характеристики направленности

такой

антенны, суммируя давления от ее элементов, коэффициент

нап­

равленности Ф 0

м о ж н о вынести за з н а к суммы

и суммировать

дав ­

ления ка к бы

от ненаправленных

элементов.

Следовательно, ре­

Ф = Ф 0 Ф Н ,

(4.42)

где Ф н — - характеристика многоэлементной антенны

той ж е

конфи­

гурации, но из ненаправленных элементов.

Оптимизация характеристики направленности антенны

Требования к характеристике

направленности

электроакусти ­

ческого а п п а р а т а могут быть различными, в зависимости

от его

назначения . Д л я воспроизведения

речи и музыки,

как правило,

изменной

характеристике

направленности .

Д л я

аппаратов, рабо ­

т а ю щ и х

в устройствах пеленгования или

акустической связи,

мо­

ж е т потребоваться либо

большой коэффициент

концентрации

при

максимумы

боковых

лепестков

у б ы в а ю т

приблизительно к а к

(2q+l)-\

где

q — номер лепестка,

при этом

с увеличением длины

антенны число

боковых

лепестков

растет.

иным п а р а м е т р а м . В конечном итоге они сводятся

к

подбору

не­

которого

неравномерного

распределения

объемных

скоростей

по элементам антен­

ны, о с л а б л я ю щ е г о

боковые

лепестки

и

позволяющего приблизить форму глав ­

ного лепестка к требуемой

оптимальной.

Например, составив

линейную антенну

из

Ряс.

4.10.

Компенсация

боко­

Рис. 4.Ы. К расчету направленности

вых лепестков сложением дей­

линейной распределенной антенны

ствия

двух

линейных

много-

вых лепестках о к а ж у т с я о б р а т н ы м и

по отношению « первой. В сум­

ме две такие

антенны

д а д у т характеристику направленности с ос­

л а б л е н н ы м и

боковыми

лепестками

(рис. 4.10).

Д л я создания

антенны

с главным лепестком

заданной

ширины

можно предложить следующее. Возьмем на отрезке

прямой

—Ц2^.х^.£/2

функцию f(x) = x, —as^x^a,

и f(x)=0

в

области

L/2^\x\>a

(рис. 4.11).

Р а з л о ж и м

f(x)

в ряд Фурье

по синусам, та к что

со

/ (л-) = £

Ад sin (2я qxIL).

(4.43)

(7=1

Величина

F(x)=x~lf(x)

= 1

при

— a ^ . t ^ a

и

F(x)

= 0 при

|.v| > а

будет соответствовать «идеальной» антенне с

постоян­

ной чувствительностью

в

пределах

— а ^ . х ^ а

и без боковых

ле­

пестков. И з

(4.43)

видно,

что

F

(х) =

(Ь/2я)

V

qA„ (sin 2 я qx\L)

(2я qx/L)~l .

(4.44)

(7=1

Н о

(sin 2 я gx/L) ( 2 n g x / L ) - 1

будет характеристикой

направлен ­

ности

линейной

антенны,

если

положить

2 я x/L— (AD/2) sin 0:

Ф (в) =

F

AD sin в j IF (0) =

CD

2

(J

ф4, s i

n ( - ^ - ^ D s i n ; e ^

AD sin в

<И,

(7=1

(4.45)

И з

(4.45)

следует,

что

д л я

получения

«идеальной»

характери ­

стики

F(x)

нужно н а л о ж и т ь друг на друга бесконечное число

ли­

нейных антенн с относительными чувствительностями qAq

и

дли­

нами Dq. При этом необходимо, чтобы kD-^2n,

та к ка к только в

этом случае

х меняется монотонно с 0 в

пределах

— я / 2 ^ і б ^ я / 2 .

Вопрос о том, каковы

будут остаточные

лепестки

характеристики

направленности

из-за

того, что на

практике приходится

оборвать

ного

исследования .

Р у п о р н ая антенна

Рупорную антенну используют д л я

согласования собственно­

го сопротивления излучателя, малого по

сравнению с длиной

вол­

ны,

с волновым сопротивлением

среды.

Она представляет

собой

р а с ш и р я ю щ у ю с я по определенному закону трубу, в узком

конце

которой (в горле) помещается

п о д в и ж н а я механическая система

противления излучения поршневой

д и а ф р а г м ы ,

установленной

в

горле

рупора,

следующую зависимость:

/'и + і А'„ =

p0 c0 S0 [ (1 — сок/со2

J1 / 2 +

і сок/со]

,

(4.46)

где

тц = СоВ/2;

р — показатель

расширения

сечения

рупора,

кото­

рое

с

расстоянием г

от горла

рупора меняется

по

закону S(z)

=

= S0 e.\p{pz}.

wK

носит название

критической частоты

рупора,

т а к к а к

ниже

Однако у ж е начиная

с

со~2,Зсок ,

г и

составляет

более,

чем

0.9

от

пре­

дельного

значения

poCoS0.

Таким

образом,

активное

сопротивление

рупора

'М0Ж.НО

считать

постоянным

в широком диапазоне частот со>шц.

При

этом

ХЦ сравнительно

быстро

убывает и при со>2,Зсо„ при ориен­

тировочных расчетах им часто пре­

небрегают.

Приведенные ВеЛіИЧІ-ШІЬІ Гц

и

Л'„

получены

д л я

бесконечного

рупора

в

предположении,

что

плоская

вол­

на

распространяется

в

нем

в

сторо­

ну

2 > 0 ,

т. е. в

сторону

расширения

сечения.

Реально

приходится

иметь

дело

с

рупором

конечной

длины,

у

вы ­

ходного

отверстия

которого

(устья)

происходят

о т р а ж е н и я

волн,

нару­

шающие

плавный

ход

ги

и

ха

при

изменении частоты так, что в этих

характеристиках

могут

наблюдать ­

ся резонансные максимумы и 'ми­

нимумы . Экспериментальные иссле­

дования показывают, что в том слу­

чае,

когда

диаметр

устья

рупора

и/и>к

' приблизительно

равен

-Х-к/л, {Хк

=

= 2ясо/сок )

д л я со>2,Зсок

о т р а ж е н и я

іРлс. 4Л2.

Рупорная

амтенна:

от

устья

оказываются

м а л ы м и

и

в

расчет

м о ж н о

принимать

значення

а — зависимость

сечения

рупо­

ра от расстояния вдоль

оси

г;

ги

и Л'ш приведенные

в ы ш е .

антен­

б — характеристика

направлен­

Направленность

рупорной

ности

рупорной

антенны

ны

с

таким

диаметром

устья

в

до-

(сплошная

крлвая

—

прибли­

вол ын о

широких

пределах

(от

4со! ;

жение

эллипсом,

точки—ре­

зультат измерений); в — зави­

до 24сок ) 'Практически

остается

по­

симость

эксцентриситета

эллип­

стоянной

и

ее

можно

представить

соидальной

приближенной

ха-

в виде

эллипса

с

эксцентриситетом

р аістеристлкд

и апр авлен ноети

от отношения частоты

излуче­

е = 0 , 9

(рис. 4.12):

ния к критической частоте ру­

ф (в) =

(1 — <?2) cos © [1 — е 2

cos2 в]"-1 .

пора

чания,

незаметности искажений звуков, переданных

а п п а р а т а м и ,

по сравнению с натуральным звучанием

при непосредственном слу­

шании.

Специальные

измерения

показывают,

что различные

музыкаль ­

ные инструменты

излучают

звуки в широком диапазоне частот от

15 до

15 000 Гц. Некоторые

звуки, например, звон ключей или ши­

пящие

звуки речи, содержат д а ж е ультразвуковые частоты в об­

ни, которые измеряются

приборами с

постоянной

времени

около

2 мс, при передаче оркестровой

музыки

могут

достигать величины

115—120 д Б . Д л я иллюстрации

приведем д а н н ы е измерений

квази­

м а к с и м а л ь н ы х уровней источников, полученные с

помощью

при­

бора, интегрирующего за время 0,25 с.

Н а

расстоянии 6

м спереди

от источника

к в а з и м а к с и м а л ь н ы е

уровни звуковых давлений, дБ , следующие:

медные

тарелки

L12

хор

107

большой

барабан . .

.

. 1 1 2

речь

мужская

79

орган

113

речь женская

76

рояль

97

оркестр

107

Ш у м ы аудитории

(в концертном з а л е и в жилой

комнате) по­

мерения, проводившиеся

в Ф Р Г , привели

к следующим

динамиче ­

ским д и а п а з о н а м , д Б :

танцевальная музыка . . .

. 30

большой

симфонический

оркестр

63

салонный оркестр

46

драматическая речь .

. . .

60

вещательной

передачи (работы

Н . Л . Б е з л а д н о в а ) , показали,' что

наибольшие

уровни встречаются

на частотах 200—1500 Гц (рис.

4.13). Отсюда вытекает, что составляющие передаваемого

звука,

л е ж а щ и е в

области

очень низких и очень высоких

частот,

меньше

влияют на

качество

передачи, чем составляющие

средних

частот.

-Специальные опыты по прослу-

/А^-з^-йдб

ш и ї в а н и ю

музьыси большой

' '

Г. С. Гензеля, И. Е. Горона), позволили установить

диапазоны час­

тот, которые

д о л ж н а

передавать р а д и о в е щ а т е л ь н а я

а п п а р а т у р а в

зависимости от класса ее качества:

— высший класс

—

30—15 000 Гц — ограничение

частотного

д и а п а з о н а практически

незаметно;

— первый

класс

— 50—10 000 Гц — 30% экспертов

г-амечают

ограничение

д и а п а з о н а ;

— второй

класс

— 100—6000 Гц — 75% экспертов

замечает

ограничение

д и а п а з о н а ;

— третий

класс — 200—4000 Гц — более 90 % экспертов

заме ­

чает ограничение

диапазона .

Ухо не очень

чувствительно к неравномерности

передачи

уров­

кажений т а к ж е

подробно изучалась и

на

основании упомянутых

выше последних

работ, проводившихся

в

С С С Р , установлены до­

Т А Б Л И Ц А

4.1

Класс качества

Коэффициент гармоник kr. ?о, на частоте. Гц

тракта

60

100

200

400

1000

5000

7500

Высший

4

2

1

1

1

2

6

Первый

5

3

1 ,6

1,5

1,5

3

—

Второй

— '

6

4

3

3

—

—

Третий

—

—

6

6

6

—

—

К а к видно,

коэффициент гармоник

нормируется

только

до ча­

что только

самая

низкая

с о с т а в л я ю щ а я нелинейных

искажений —

вторая гармоника

частот

7500 Гц еще л е ж и т на границе

пере­

д а в а е м о г о

диапазона частот в аппаратуре высшего

класса .

С по­

рые устройства

тракта

могут

вызывать

заметные искажения не

только

при

больших уровнях

сигнала,

близких

к

номинальному,

но и при слабых сигналах . Поэтому

при контрольных

измерениях

на частоте 1000 Гц следует убедиться,

что коэффициент

гармоник

не превосходит

у к а з а н н ы е в табл . 4.1

величины

при сигнале,

име­

ющем

уровень на 20 д Б ниже, чем номинальный .

Н а

качество

воспроизведения музыки

и речи

сильно

влияет на­

личие посторонних шумов, прослушивающихся во время

передачи.

Источником

их может

быть и электроакустическая

аппаратура —

микрофоны

и

з в у к о з а п и с ы в а ю щ а я

аппаратура .

Приведем

ре­

зультаты исследования

слышимости

шумов при передаче

звуковых

программ . В табл . 4.2 д а н ы в децибелах

значения

уровня

помехи,

л е ж а щ е й на

пороге заметности, относительно

номинального

уров­

ня сигнала.

Эти

данные

показывают, что требования к входным

цепям и

микрофонам трактов передачи музыки и речи весьма

жестки .

Слушатель,

находящийся

непосредственно

в концертном

или

на

отдельные

источники звука (музыкальные инструменты

оркест­

ра,

актеров,

певцов)

благодаря

бинауральному

слуху. При слу-

Т А Б Л И Ц А

4.2

Уровень помехи при характере шума

Тональные составляющие фоны пере­

Класс качества тракта

менного тока питающей сети

равномерный по

спектру («белый»)

на частотах

на частотах

шум

50—100 Гц

150—200 н 600 Гц

Высший

—75

—80

—80

Первый

—70

—80

—75

Второй

- 6 0

—80

—70

Третий

—50

- 8 0

—70

шании той ж е программы, воспринимаемой одним

микрофоном или

д а ж е группой

микрофонов, при передаче сигнала

по одному

кана ­

нескольким

раздельным к а н а л а м

от нескольких

микрофонов, рас ­

ставленных

вдоль

эстрады

(оркестра, сцены),

была р е а л и з о в а н а

Флетчером

в С Ш А

в 1937

г. К а к

оказалось, с

помощью трех- и

таких

систем

и требования к ним в настоящее время

исследуются.

4.5.

Л Е Н Т О Ч Н Ы Е Э Л Е К Т Р О Д И Н А М И Ч Е С К И Е

М И К Р О Ф О Н Ы

Микрофоны с косинусоидальной

характеристикой

направленности

Схематическое и з о б р а ж е н и е этого

микрофона

дано на рис.

4.14а.

Л е г к а я

гофрированная алюминиевая ленточка

натянута в

з а з о р е

м е ж д у полюсными наконечниками сильного постоянного маг-

сторон. Если, как показано на

рисунке, плоская

звуковая

волна

падает на микрофон нормально

(по направлению

стрелки

а), т о

5 - 3

! ;

129

дении волн

под углом

9 0 ° к

нормали

(вдоль стрелки б),

очевидно,

амплитуды

и ф а з ы с

обеих

сторон ленточки

будут

одинаковы .

В первом случае ленточка будет двигаться и на

ее концах появит­

ся

э л е к т р о д в и ж у щ а я

сила,

а во втором

она

будет

неподвижна .

К а к

видно,

такой микрофон

обладает

направленностью .

Так как

микрофон

д е л а ю т небольшим,

т а к

что почти

во всем

ной

волны, то

волна огибает микрофон, практически не

изменяясь

по

амплитуде

и

лишь з а п а з д ы в а я

по

фазе .

З а п о з д а н и е

по

фазе

пропорционально

толщине

полюсного

б а ш м а к а и зависит от

угла

падения волны. Пусть АА'

и ВВ'—

передняя

и з а д н я я

плоскости

ки и отсчитывать фазу волны от плоскости СС, проходящей через

середину

ленточки, то запоздание волны, подходящей к плоско­

сти

ВВ',

составит —(corfcos8)/2с 0 , а опережение волны, подходя­

щей

к АА',

составит + (tod cos 6)/2с 0 .

ных

б а ш м а к о в .

Так

как

в основной части д и а п а з о н а

рабочих

ча­

стот

М < с 1 , то

д л я

Ф(Э)

м о ж н о принять значение из

(4.326).

Ч у в ­

сопротивления

излучения и коэффициента концентрации д л я

малой

колеблющейся

сферической антенны

и формул (4.26) и

(4.23):

EUp=SkD~\/r~Q,

где

Q — коэффициент

концентрации, в данном слу­

чае равный трем, S

и D — поверхность и диаметр некоторой

колеб­

деление 5 и D

затруднительно . Обычно считают, что SD УQ

соот­

ветствует произведению п л о щ а д и ленточки Sn

на ширину

полюс­

ных б а ш м а к о в

d, т а к что в направлении перпендикуляра

к

ленточ­

ке EnpttStfkd,

и тогда д л я любого н а п р а в л е н и я

падения

волны си­

ла, д е й с т в у ю щ а я

на ленточку,

F (в) = ЕПрр

cos 0 = pSn kd cos 0.

(4.47)

шись

общей

ф-лой

(3.63). Д л я

этого

положим, что сторона

2 —

электрическая сторона

микрофона,

а

1

— механическая .

Тогда

Vr+-i

— Т о к

в сопротивлении нагрузки

(zB),

подключенной

к

з а ж и ­

мам

микрофона .

Эту нагрузку

м о ж н о

считать активной

( 2

Н = ^ Н ) -

f j - ^ p ^ ) — с и л а ,

действующая

на

механическую систему

микрофо ­

на, в ы р а ж а ю щ а я с я

ф-лой (4.47),

Мг

— коэффициент

преобразова ­

ния, который д л я рассматриваемого электродинамического

микро­

фона

равен

В.1; В —

магнитная

индукция

м е ж д у полюсными

нако­

нечниками;

/ — длина

ленточки;

гг^у*-

электрическое

сопротивле-