Материалы по ФОЗИ / Вопросы №2,3

Экзаменационный билет №5

2

Динамический диапазон речи и акустические уровни

В процессе передачи речевой информации уровень акустического сигнала непрерывно изменяется. Диапазон изменения может быть довольно широким. Зависимость уровней сигнала от времени называется уровнеграммой.

С определенной степенью точности можно считать, что уровень сигнала изменяется по случайному закону, поэтому его можно характеризовать интегральным распределением и средними значениями для этого распределения.

Разность между квазимаксимальным и квазиминимальным уровнями называется динамическим диапазоном речевого сигнала. Т.о., находят динамические диапазоны для ряда первичных акустических сигналов, включая речевой.

Уровни

В акустике и электросвязи за уровень какого-либо параметра принимают величину, пропорциональную логарифму относительного значения этого параметра:

– для энергетических параметров

– для линейных параметров

- условное значение параметра, соответствующее выбранному нулевому относительному значению уровня.

Изменение энергетического параметра в 2 раза соответствует изменению уровня на 3дБ. Изменение линейного в 2 раза – на 6 дБ. Если даны 2 уровня и надо найти суммарный уровень, то находят разность между уровнями и к большему уровню добавляют поправку.

Акустические уровни

За условное нормированное значение интенсивности звука принята интенсивность, равная:

I₀ = 10^-12 Вт/м²

Абсолютный уровень интенсивности в дБ:

Уровень по звуковому давлению в дБ для воздуха определяется по величине, соответствующей нулевому значению уровня интенсивности:

Уровень по плотности энергии в дБ для воздуха принято определять относительно плотности, соответствующей уровню интенсивности для скорости звука, равной 333 м/с:

где = 3*10^-15 Дж/м³

3

Радиоволновой диапазон электромагнитных волн. Физический смысл уравнений Максвелла.

Радиоволновой диапазон электромагнитных волн.

В радиодиапазоне наблюдается более сложная картина, чем при отражении света. Отражательная возможность поверхности в этом диапазоне определяется, кроме указанных для света:

1) электропроводностью

2) конфигурацией относительно направления падающей волны

Большая часть суши отражает электромагнитную волну в радиодиапазоне диффузно (т.е. по разным направлениям); водная поверхность отражает зеркально.

Радиолокационное изображение объектов сложной формы формируется совокупностью отдельных пятен различной яркости, соответствующих блестящим точкам объекта, отражающего сигнал в направлении РЛС.

Блестящие точки на экране локатора создают элементы поверхности объектов, расположенные перпендикулярно направлению облучения, а также элементы конструкции, которые после переотражения радиоволн внутри конструкции возвращают их к радиолокатору.

Конкретный вид радиолокационного изображения зависит от положения объекта относительно направления облучения. При изменении ориентации объекта меняется количество и взаимное расположение блестящих точек.

Отражательная способность объектов в радиодиапазоне характеризуется эффективной площадью рассеяния (ЭПР). Она соответствует площади плоской хорошо проводящей металлической поверхности, перпендикулярной направлению облучения и помещенной в место нахождения объекта, создающей у приемной антенны РЛС такую же площадь потока мощности, как и реальный объект.

ЭПР, например, легкового автомобиля 1-2 м², грузового автомобиля 2-10 м², человека 0,5-1 м².

Физический смысл уравнений Максвелла.

В 1864 г. Максвелл закончил работу «Динамическая теория поля». В этой работе Максвелл привел уравнения, которые в последствие были названы его именем. Для электромагнетизма эти уравнения имеют такое же значение, как законы Ньютона для механики. Их можно назвать фундаментом физики.

Эти 4 уравнения описывают любые электрические и электромагнитные явления, работу электромоторов, электрогенераторов, радио, телевидения, телефонов, работу линий передач, трансформаторов, ЭВМ и т.д.

Рассмотрим физический смысл этих 4 уравнений: силовые линии электрического поля электромагнитной волны замкнуты, как и силовые линии магнитного поля.

Одно из уравнений гласит, что электрическое поле образуется зарядами и его силовые линии начинаются и заканчиваются на зарядах.

Другое уравнение описывает магнитные силовые линии – это кольцеобразные замкнутые линии.

Третье уравнение представляет собой общий случай закона электромагнитной индукции Фарадей: любое изменение магнитного поля генерирует в соответствии с этим уравнением вихревое электрическое поле.

Четвертое уравнение. До Максвелла была известно часть этого уравнения, которая годилась для постоянных токов – это закон Ампера, утверждающий, что текущие по проводам электрические заряды (т.е. постоянный ток) создают определяемое уравнением Ампера магнитное поле.

Связав с помощью уравнений открытые до него законы, Максвелл увидел, что система несовершенна. Чтобы система имела решение, Максвелл добавил в четвертое уравнение одно слагаемое, а именно к току движущихся зарядов (ток проводимости) добавил воображаемый им ток смещения. Так он назвал изменяющееся во времени электрическое поле.

Ток смещения подобно электрическому току зарядов порождает магнитное поле. Т.об. Максвелл ввел в уравнение Ампера слагаемое, которое убывает. Это волновое слагаемое – часть поля, которое угасает гараздо медленнее обратного квадрата расстояния.

На расстоянии, равном примерно длине волны существует поле индукции. Здесь действуют электрические силы, подчиняющиеся закону Кулона. Лишь на расстоянии нескольких длин волн силы индукции практически исчезают и начинает действовать поле бегущей волны, которое называется полем излучения.

Электромагнитное поле может существовать при отсутствии каких-либо зарядов. Оно существует в пустоте в отсутствие электрических зарядов, в вакууме.

Электромагнитная волна – это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Эти поля обязательно являются переменными.

Векторная форма представления уравнений Максвелла:

1)

2)

Силовые линии магнитного поля замкнуты:

3)

Переменное электрическое поле порождает в пространстве переменное магнитное поле.

4)

Силовые линии электрического поля электромагнитной волны замкнутые.

Экзаменационный билет №8

2

Основные свойства слуха. Восприятие по частоте.

Для правильного проектирования и эксплуатации систем связи, записи и воспроизведении звука, необходимо знать свойства слуха человека. Орган слуха человека является своеобразным приемником звука, резко отличающимся от приемников звука, создаваемых человеком. Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора с дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам. Все эти операции осуществляются во внутреннем ухе, в так называемой улитке.

В улитке находится основная мембрана, которая состоит из большого числа волокон, слабо связанных между собой. Вдоль основной мембраны расположены нервные окончания, каждое из которых возбуждается от прикосновения с ним волокон основной мембраны (этих окончаний > 2000), посылая в слуховой центр мозга электрические импульсы. Эти импульсы подвергаются сложному анализу, в результате которого человек определяет передаваемое сообщение.

Каждая из волокон основной мембраны резонирует на вполне определенной для него частоте. Сложный звук, состоящий из ряда частотных составляющих, вызывает колебания соответствующих волокон соответственно частотным составляющим.

Создана модель реальной слуховой улитки – электрическая цепь, состоящая из последовательных индуктивностей, соответствующих соколеблющейся массе лимфы в ухе. Ток в параллельных звеньях в цепи соответствует скорости колебаний волокон. Разрешающаяся способность слухового анализатора такова, что полоса пропускания резонатора слухового анализатора составляет для моноурального слушания (одним ухом) - 50 Гц на частоте 300 Гц, 60 Гц на 1000 Гц, 150 Гц на 3000 Гц. Эти полосы пропускания – критические полоски звука.

Критическими полосками пользуются при расчете разборчивости речи, при расчете громкости шума. В диапазоне 20-20000 Гц человек запоминает только несколько сотен градаций частоты, причем число этих градаций уменьшается с уменьшением интенсивности звука и в среднем составляет 150.

Человек может различить изменение частоты на 0,3% на средних частотах при условии сопоставления двух тонов, непосредственно следующих друг за другом. При медленном изменении частоты тона по синусоидальному закону слух обнаруживает эти изменения, когда девиация частоты составляет около 2% от ширины частотной группы.

Построены зависимости минимально ощущаемой девиации тона dF от частоты модуляции для разных частот тонов.

Субъективную меру частоты колебания звука называют высотой звука. Высота тона на низких и средних частотах до 1000 Гц для чистого тона почти пропорциональна его частоте, а на высоких частотах зависимость близка к логарифмической.

Условились высоту тона с частотой 1000 Гц и уровнем ощущения 40 дБ считать равной 10 барк = 1000 мел.

Для звука, состоящего из ряда составляющих, его высота связана с частотами и интенсивностями составляющих сложным образом. Для частоты часто применяют логарифмический масштаб. За единицу принимают октаву и ее доли.

Октава – частотный диапазон, для которого отношение крайних частот равно 2. Октавы делят на ½ и 1/3.

3

Излучение электромагнитных волн совокупностью когерентных источников: условие пространственной синфазности излучения.

Рассматриваемое поле, создаваемое источником света, представляет собой газ излучающих атомов.

Атом, находящийся в точке посылает в точку наблюдения монохроматическую волну, которую можно описать следующим образом:

где φ_j – начальная фаза

A_j – амплитуда волны

S – возмущение

k=2π/λ – волновое число

ω – круговая частота

r - r_j – расстояние

Полное поле, создаваемой всеми атомами источника, будет равно сумме волн:

где N – число излучающих атомов источника.

Пусть атомы сначала излучают независимо. Разность фаз φ_j и φ_j’, относящуюся к атомам j и j’, принимают произвольного значения. В этом случае интерференция волн S_j и S_j’ отсутствует. Без дальнейших вычислений ясно, что на больших расстояниях, значительно превосходящих линейные размеры излучающего объема, свойства излучения изотропны. Что касается меньших расстояний, то здесь яркость излучений будет неравномерной и неизотропной, но изменения будут довольно плавными. Это соответствует свойствам некогерентного источника света.

Рассмотрим случай полной когерентности волн, излучаемых различными атомами. Результат интерференции N волн существенно зависит от взаимного положения излучающих атомов и того конкретного закона, которому подчиняются фазы φ_j. Рассмотрим случай, когда источники имеют форму параллелепипеда с длинами ребер a, b, L. Параллелепипед расположен самой длинной стороной вдоль оси Z.

Светящиеся атомы заполняют этот объем равномерно. Амплитуды волн, т.е. коэф-ты А_j – одинаковы.

Пусть расстояние между соседними атомами значительно меньше длины волны. Поэтому суммирование по j можно заменить интегрированием по объему источника.

Предположим, что все атомы, находящиеся в плоскости, перпендикулярной оси OZ, испускают волны с одинаковыми фазами φ(r’). Эти фазы φ(r’) зависят только от z’, а от х’ и y’ не зависят. При выполнении всех перечисленных условий поле, создаваемое атомами в какой-либо плоскости z’=const подобно полю в случае дифракции монохроматической волны, падающей параллельно от Oz на экран с прямоугольным отверстием.

Роль вторичных волн Френеля в дифракционной задаче играют реальные волны, испускаемые атомами, которые расположены в пределах этого отверстия. Суммарная волна в точке наблюдения будет равна:

где ,

N – количество атомов и в излучающем объеме.

Множители перед интегралом представляют собой амплитуду суммарной волны, испущенной всеми атомами источника. Интеграл выражает суммирование волн, идущих от всех таких слоев, находящихся в пределах источника.

Зависимость амплитуды от углов x/r и y/r определяется дифракционными множителями .

По аналогии с дифракционными явлениями Фраумгофера следует, что если бы фаза φ(z’) сохраняла постоянное значение не в плоскости z’=const, а в другой плоскости, перпендикулярной, например, оси x или y, то излучение источника было бы сконцентрировано в соответствующем направлении.

Т.об. когерентность волн, испускаемых различными атомами обусловливает острую направленность излучения источника в целом. Суммирование волн, приходящих в точку наблюдения от всех поперечных сечений светящегося объема выражено интегралом по z. Результат этого суммирования определяется соотношением между фазами φ(z’) и k∙z’.

Фаза k∙z’ отражает расстояние между точкой наблюдения и положением светящегося атома. Если φ(z’) не зависит от z’, то волны, приходящие в точку наблюдения от слоев источника, которые отстают друг от друга на расстояние половины длины волны, будут гасить друг друга. В этом случае максимальное значение интеграла оказывается равным λ/π и причем оно достигается только тогда, когда на длине источника L укладывается нечетное число полуволн.

Интеграл приобретает максимальное значение, если волны, излучаемые различными сечениями источника, приходят в точку наблюдения с одинаковыми фазами, т.е. должно выполняться:

φ(z’) + kz’ = φ₀ (*)

где φ₀ постоянная величина

Условие (*) называется условием пространственной синфазности. При выполнении (*) интеграл пропорционален всей длине источника L. Тогда можно записать:

Т.об. амплитуда поля излучаемого источником в целом равна сумме амплитуд волн, исходящих от всех атомов.

Итак, если излучение атомов, составляющих макроскопический источник света, когерентно, и выполняется условие (*), то излучение источника в целом сосредоточено в малом дифракционном угле, и амплитуда вблизи пучка в N раз больше амплитуды волны, испускаемой отдельным атомом. Отмеченная особенность характерна для лазеров.

Возникает вопрос: существует ли способ, с помощью которого можно добиться предполагаемой выше синфазности излучения атомов, находящихся на макроскопическом расстоянии друг от друга и в чем он состоит?

Из условия (*) видно, что фазы φ_j волн S_j должны изменяться в зависимости от положения излучающего атома по такому же закону, по которому изменяется фаза в световой волне. Это означает, что агентом, фазирующим излучения атомов, должна быть световая волна.

Для микроскопического описания спектральных свойств светового излучения Эйнштейн ввел представление о вынужденном испускании, одно из основных свойств которого состоит в том, что волны, испускаемые атомами в этом процессе, имеют такую же частоту и такую же фазу, что и действующая на атом волна.

Благодаря указанному свойству, фазировка излучения удаленных атомов обеспечивается вынужденным испусканием.

Волны, испускаемые атомами в разных точках пространства, будут синфазно складываться в точке наблюдения, если разность начальных фаз этих волн компенсируется соответствующей разностью хода вторичных волн S_j. Вторичные волны S возникают в результате вынужденного испускания под влиянием внешней световой волны. Значение фазы этой волны в точках z₁ и z₂ отличаются на величину k(z₁ – z₂), где k – волновое число, и вторичные волны оказываются сдвинутыми по начальной фазе относительно друг друга на ту же величину, взятую с обратным знаком, в результате чего обеспечивается синфазное сложение в точке наблюдения.

Экзаменационный билет №9

2

Основные свойства слуха. Нелинейные свойства слуха. Восприятие по амплитуде.

Для правильного проектирования и эксплуатации систем связи, записи и воспроизведении звука, необходимо знать свойства слуха человека. Орган слуха человека является своеобразным приемником звука, резко отличающихся от приемников звука, создаваемых человеком. Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора с дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам. Все эти операции осуществляются во внутреннем ухе, в так называемой улитке.

В улитке находится основная мембрана, которая состоит из большого числа волокон, слабо связанных между собой. Вдоль основной мембраны расположены нервные окончания, каждая из которых возбуждается от прикосновения к ним волокон основной мембраны (этих окончаний > 2000), посылая в слуховой центр мозга электрические импульсы. Эти импульсы подвергаются сложному анализу, в результате которого человек определяет передаваемое сообщение.

Нелинейные свойства слуха

Под воздействием звука, имеющего одну частотную составляющую (чистый тон) с уровнем 100 дБ человек слышит тон 2-й гармоники с уровнем 80 дБ, а также слышит тон 3-й гармоники с уровнем 74 дБ и т.д. В этом проявляется нелинейное свойство слуха.

При слушании двух чистых тонов, с частотами, не попадающими в одну и ту же критическую полоску слуха, человек часто слышит тон разностной частоты с достаточно высоким уровнем ощущения и с меньшим уровнем ощущений слышит тон суммарной частоты.

При воздействии на слух сложного звука, состоящего из тонов с некратными составляющими, получается засорение спектра многочисленными комбинационными частотами. Эти частотные составляющие являются продуктами нелинейности в звуковом тракте.

Восприятие по амплитуде

Если волокно основной мембраны при своих колебаниях не достигает до ближайшего к нему нервного окончания, то человек такой звук не слышит. При увеличении амплитуды колебаний волокна оно касается нервного окончания и происходит раздражение. Нервное окончание начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга и звук будет услышан.

Этот скачкообразный переход из неслышимого состояния в слышимое называется порогом слышимости. Порог слышимости зависит от частоты.

На рисунке приведены зависимости порогов слышимости, причем по y отложены уровни интенсивности звука (уровни звукового давления), по х – частоты.

Кривая 1 - частотная зависимость уровня порога слышимости для биноурального слушания, когда давление создается множеством источников звука в горизонтальной плоскости вокруг головы человека

Кривая 2 - биноуральное слушание, когда источник звука перед слушателем (фронтальный порог)

Кривая 3 - Моноуральное слушание

Часто приходится иметь дело с различными зависимостями порога слышимости от частоты. Кривая 3 дает порог слышимости для уровней звука, измеренных около ушной раковины при слушании через телефон. Пороги слышимости имеют значительный разброс в зависимости от возрастных категорий.

3

Звукопоглощающие материалы и конструкции. Резонансные поглотители (виды)

Одной из распространенных конструкций звукопоглощающих материалов и конструкций являются резонансные поглотители. Они делятся на 2 вида: мембранные и резонаторные.

Мембранные поглотители

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 с силой F холста резонансные частоты определяются следующим образом:

где ρ – плотность холста

l, b, t – длина, ширина, высота холста

k – порядок резонансной частоты

Коэффициент поглощения можно подсчитать, если знать вязкость материала, находящегося под холстом. Для фанерного листа с соотношением l/b, равным 2, резонансные частоты определяются из выражения:

f_k = 3,45 ∙ 10³ ∙ ( t / l² )

где l – длина

t – толщина листа

Если лист расположен близко к твердой стене, то его упругость будет повышена и собственная частота также повысится.

Перфорированные резонаторные поглотители

Они представляют собой систему воздушных резонаторов, например резонаторов Гельмгольца, в устье которых расположен демпфирующий материал.

Резонансная частота резонатора определяется по формуле:

где S – площадь сечения горла резонатора

l – длина горла

V – объем полости резонатора

Наибольшее распространение получил перфорированный лист, расположенный на некотором расстоянии от твердой стены. Такая конструкция может рассматриваться как ряд резонаторов. Если перфорация распределена на поверхности листа равномерно, то такой поглотитель будет иметь типичную резонансную кривую поглощения, а если – неравномерно, то можно получить равномерную кривую поглощения.

Коэффициент поглощения резонатора определяется активным акустическим сопротивлением демпфирующего материала, находящегося в горле резонатора.

Основные пути прохождения звука через перегородки следующие:

1. через поры и щели (воздушный перенос)

2. по трубам отопления, газа, водопровода, через материалы стен в виде продольных колебаний тел (материальный перенос)

3. передача колебаний посредством поперечных колебаний перегородки (мембранный перенос).

Для уменьшения переноса звука через перегородки необходимо их делать сложными, подбирая материал слоев перегородки с резко отличающимися акустическими сопротивлениями (бетон и поролон). Для уменьшения мембранного переноса стены нужно делать массивными. Для уменьшения шума, создаваемого вибрациями, устанавливают перегородки на вибрирующие прокладки.

Экзаменационный билет №11

2

Эффект маскировки, уровень громкости, громкость сложных звуков.

Громкость и уровень громкости

Условились за уровень громкости любого звука принимать уровень в дБ равногромкого с ним тона частотой 1 кГц. За единицу уровня громкости принята единица фон. Чтобы определить уровень громкости нужно взять чистый тон 1 кГц и изменять его уровень интенсивности до тех пор, пока его громкость не будет на слух одинаковой с громкостью определяемого звука. При этом искомая величина громкости этого звука в фонах будет численно равна уровню интенсивности эталонного звука.

Эффект маскировки

В условиях шума и помех порог слышимости для приема слабого звука возрастает. Это повышение порога слышимости называется маскировкой.

Величина маскировки определяется величиной повышения порога слышимости для принимаемого звукового сигнала:

M = L_псш - L_пст

При повышении порога слышимости соответственно изменяется и уровень ощущения. Уровень ощущения в условиях шума равен:

где - интенсивность звука порога слышимости в условиях шума.

Уровень ощущения звукового сигнала изменяется при изменении уровня шумовых помех, даже при неизменном уровне сигнала источника. Низкочастотные тона сильнее маскируют высокочастотные, чем наоборот. При разности частот около нескольких 10-ков Гц величина маскировки начинает уменьшаться из-за биений и при равенстве частот она имеет минимум. Такие же минимумы наблюдаются и на частотах, кратных частоте маскирующего тона. Это вызывает появление биений между маскирующим тоном и его субъективными гармониками.

Громкость сложных звуков

Если тональные или шумовые составляющие попадают в одну и туже частотную группу, то их суммирование происходит по интенсивности. Громкость такого сложного звука определяется суммарной интенсивностью. Если составляющие сложного звука расположены по частоте близко друг к другу и наблюдается взаимная маскировка между ними, то громкость такого сложного звука будет меньше суммы громкостей всех составляющих. Для тона уровень громкости и уровень интенсивности совпадают друг с другом. Уровень громкости белого шума получается выше уровня его интенсивности на 7-10 фон.

3

Эффект экранирования электромагнитных волн.

Экранируют не только отдельные узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры, помещая их в металлические кожухи, экранирование применяют и для радиосистем и для радиосредств, создавая для этого специальные здания и сооружения. В полевых и полигонных условиях для экранирования используют проводящие сетки и накидки.

Экранирующий эффект состоит в уменьшении мощности излучения за пределами экрана и характеризуется коэффициентом экранирования.

Наиболее нагляден для анализа эффект экранирования волн с плоским фронтом. Процессы, происходящие при взаимодействии плоской волны с протяженным экраном, проиллюстрируем на рисунке.

Падающая на протяженный экран плоская волна частично преломляется и распространяется внутри материала экрана, а частично отражается в экранируемое пространство. Волна внутри материала экрана достигает его верхней поверхности и на границе раздела сред частично отражается и частично поглощается.

Т.об. во внешнем по отношению к экранируемому пространстве распространяется волна с параметрами Е₅ , Н₅ , ослабленная. В результате во внешнее пространство попадает лишь та часть энергии, которая остается после двух актов отражения на границах раздела и после поглощения энергии в материале экрана.

Коэффициент экранирования определяется по следующей формуле:

Кэ = (Е₁×Н₁)/(Е₅×Н₅)

(Е₂×Н₂)/(Е₁×Н₁) – коэффициент отражения

Коэффициент экранирования представляет собой произведение коэффициентов ослабления за счет отражения на внешней и внутренней поверхностях экрана и коэффициентов затухания волны в материале экрана.

Точность расчета К_Э такова, что учет тех составляющих мощности выходного излучения, которые образуются после многократных отражений волн от границ раздела, не имеет смысла.

Затухание при поглощении определяется следующим образом:

где l – толщина экрана [мм]

f – частота колебаний [МГц]

ε, μ – соответственно по отношению к меди проводимость и магнитная проницаемость материала экрана.

Затухание при отражении определяется отношением волнового сопротивления среды до экрана к поверхностному сопротивлению экрана:

где Z_W – волновое сопротивление среды распространения до экрана

Z_S – волновое сопротивление материала экрана

Затухание за счет отражения тем больше, а эффект экранирования проявляется тем лучше, чем меньше поверхностное сопротивление материала экрана. Самые хорошие экраны из меди и серебра.

Если экран расположен в дальней зоне источника излучения, то волновое сопротивление пространства до экрана определяется следующим образом:

Z_W = 120π + 377 [Ом]

Если экран расположен в ближней зоне Френеля, то сопротивление будет определяться тем, какое поле возбуждается источником в экранируемом пространстве. Если это поле электрическое и Z_W > 120π , то экранирующие свойства высоко-проводящих материалов лучше, чем у плохих проводников (медь экранирует лучше, чем железо). В этом случае коэффициент отражения связан с электрическим полем:

где r – расстояние от источника до экрана

Если напротив – магнитное поле низко-импедансное и экранирование за счет отражения будет хуже, особенно на высоких частотах. На частотах до нескольких десятков кГц с успехом применяются магнитные экраны с μ >> 1.

Хорошее качество экранирования требует высокой однородности экранов, т.е. постоянство их проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемости.

При надлежащем выборе параметров сплошной металлический непрерывный экран подавляет излучения любой частоты на 100дБ. Непрерывность экрана разрушается стыками сопрягаемых деталей и элементов конструкции, а именно паяными и сварными швами, отверстиями для ввода и вывода кабелей. Все эти конструктивные и технологические неоднородности нарушают качество экранирования и более того, работают как антенны.

Экзаменационный билет №15

2

Модуляция и демодуляция сигналов

Непрерывное изменение параметров сигнала в соответствии со значениями первичного информационного сигнала называется модуляцией. Первичным является сигнал от источника информации.

Если изменяются значения амплитуды аналогового сигнала, то модуляция называется амплитудной (АМ); если меняется значение частоты, то – частотной (ЧМ); если изменяется фаза, то – фазовой (ФМ).

ЧМ и ФМ мало различаются, т.к. частота – это первая производная фазы по времени.

При модуляции дискретных сигналов в качестве модулируемых применяются следующие параметры: длительность импульса либо частота повторений импульса.

С целью уплотнения информации на носителе и экономии тем самым энергии носителя применяют сложные виды модуляции с использованием различных параметров сигналов. Модулируемое колебание называется несущим.

В соответствие с формулой Фурье изменение формы сигнала при модуляции приводит к изменению спектра модулированного сигнала (спектр – это набор частотных составляющих). Чем выше максимальная частота спектра модулирующего сигнала, тем шире спектр модулированного сигнала.

Количественная мера увеличения ширины спектра этого сигнала зависит от вида модуляции и ширины спектра первичного сигнала, т.е. модулирующего сигнала.

Ширина модулированного синусоидального сигнала составляет:

для АМ ΔF_AM = 2F_CM

для ЧМ ΔF_ЧМ >> F_CM

для ФМ ΔF_ФМ ≈ ΔF_ЧМ

F_CM – максимальная частота спектра модулирующего сигнала.

Для радиовещания ширина спектра ЧМ сигнала составляет 100-150 кГц. Учитывая, что максимальная частота для амплитудно-модулированного сигнала составляет 7 кГц, ЧМ сигналы не применяют в длинноволновом и средневолновом диапазонах. ЧМ вещание ведется в УКВ диапазоне.

Т.к. действие помех проявляется прежде всего в изменении амплитуды сигнала, то ЧМ сигналы обладают существенно большой помехоустойчивостью, чем АМ сигналы. Это свойство ЧМ сигналов обеспечивает высокое качество передачи сигналов в УКВ диапазоне.

Спектры ФМ и ЧМ сигналов мало отличаются по ширине.

Выделение информационного сигнала из модулированного электрического сигнала производится путем обратных преобразований, т.е. демодуляцией его в детекторе приемника.

При модуляции выделенный и усиленный сигнал, наведенный электромагнитной волной в антенне, преобразуется таким образом, что сигнал на выходе детектора соответствует модулирующему сигналу передатчика.

Модулирующий сигнал – это первичный информационный сигнал.

Промодулированный сигнал – это высокочастотный сигнал, обладающий информацией.

Демодуляция, как любая процедура преобразования, обеспечивается путем сравнения текущего сигнала с эталонным. Способы выполнения этой процедуры для разных видов демодуляции существенно отличаются.

При демодуляции АМ сигнала в качестве эталонной амплитуды используется усредненная амплитуда несущего колебания.

При демодуляции ЧМ сигналов в качестве эталона используется частота настройки контура детектора.

При демодуляции ФМ сигналов используется в качестве опорного сигнала фаза опорного колебания.

Из-за влияния помех модулирующие при передачи и демодулированные при приеме сигналы будут отличаться. В общем случае любые преобразования сигнала с воздействием на его информационные параметры изменяют записанную в нем информацию в большей или меньшей степени. Степень изменения зависит от соотношения полезного сигнала к помехе на входе демодулятора. Чем больше сигнал помех, тем хуже качество приема и наоборот.

При достаточно большом превышении мощности носителя над мощностью помех искажение информации незначительное на столько, что количество и качество информации практически не меняется.

Помехоустойчивость дискретных сигналов выше, чем аналоговых, т.к. искажения дискретных сигналов возникают в тех случаях, когда изменение параметра сигнала превышает половины величины интервала между соседними значениями параметра. Если изменения параметров помехами составляет меньше половины этого интервала, то при приеме сигнала (искаженного) можно восстановить исходное значение параметра.

Для повышения достоверности передачи информации наряду с увеличением энергии носителя информации используют другие методы защиты дискретной информации от помех, и прежде всего, это так называемое помехоустойчивое кодирование.

При помехоустойчивом кодировании каждому элементу дискретной информации (буква, цифра, …) ставится в соответствие кодовая комбинация, содержащая дополнительные избыточные двоичные символы. Эти символы позволяют обнаруживать искажения и исправлять их в зависимости от избыточности кода. Недостаток: уменьшается скорость передачи информации.

3

Распространение электромагнитных волн. Основные понятия: поляризация, плоскость и угол поляризации, виды поляризации.

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. Поэтому 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 S распространения э/м волны.

При повороте Е в Н по ближайшему пути направление S совпадает с направлением буравчика.

Процесс изменения амплитуды векторов Е и Н в любой момент времени и в любой точке пространства имеет синусоидальный характер.

Вертикальная плоскость, в которой находится вектор S, 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 напряженности 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.

Различают несколько видов поляризации э/м волны в зависимости от ориентации векторов Е и Н.

Если вектор Е лежит в плоскости распространения, 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 распространения, 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 следующем рисунке представлен случай одновременного наклона фронта волны и поворота плоскости поляризации.

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)

Экзаменационный билет №17

2

Электромагнитные волны в видимом диапазоне

Наибольшее количество информации добывается при визуально-оптическом наблюдении объектов в видимом диапазоне электромагнитных волн.

Основные признаки объектов в видимом диапазоне света:

1. фотометрические и геометрические характеристики объектов (форма, размеры, цвет, структура, детали поверхности и др.)

2. взаимное расположение элементов сложного объекта

3. расположение защищаемого объекта относительно других объектов.

Отражательные свойства объектов (все объекты мы видим в отраженном свете) описываются спектральным и интегральным коэффициентами, а также индикатрисой отражения.

Индикатриса отражения характеризует распределение силы отраженного света в пространстве. Интегральный коэффициент отражения определяется в результате усреднения спектральных коэффициентов отражения в рассматриваемом диапазоне длин волн.

В зависимости от характера поверхности объекта различают:

1) зеркальное (направленное) отражение

2) рассеянное отражение

3) смешанное отражение

Граница между видами отражения условна и определяется отношением величин неровностей поверхности и длины падающей волны.

Если (h/λ) < 1, то поверхность считается гладкой; если (h/λ) > 2, то поверхность считается шероховатой с диффузным отражением.

Поверхность считается гладкой и отражение от нее зеркальное, если отношение среднеквадратического значения высоты неровности к длине волны меньше единицы.

Шероховатая поверхность в инфракрасном диапазоне выглядит как гладкая, т.к. длина волны инфракрасного излучения больше, чем длина волны видимого света.

Диффузное отражение присуще мелкоструктурным элементам (песок, свежее выпавший снег и т.д.).

Яркость объекта, определяемая не только коэффициентами отражения, но и яркостью внешнего освещения, поэтому относится к косвенным признакам.

3

Коэффициенты отражения Френеля

Отражение и преломление плоской э/м волны при ее падении на плоскую границу двух сред определяется коэффициентами Френеля.

Коэффициент отражения для горизонтальной поляризованной волны (называют также волной с перпендикулярной поляризацией) равен коэффициенту отражения Френеля для горизонтальной поляризации:

где θ₁ – угол падения

- относительная диэлектрическая проницаемость

Для вертикально поляризованной волны, волны с параллельной поляризацией, коэффициент отражения находится по следующей формуле:

При нормальном падении коэффициенты и совпадают:

Иногда коэффициент отражения определяют как отношение напряженностей магнитного поля Н₁/Н₀.

(двойная стрелка – волна с горизонтальной поляризацией).

Зависимость коэффициента Френеля от угла падения проиллюстрируем на рисунке.

Из рисунка видно, что для горизонтальной поляризации = – 1, а φ_Г = 180°:

Что касается вертикальной поляризации, то здесь коэффициент Френеля изменяется от 0° до 180°. Для реальных сред коэффициент Френеля для вертикально поляризованных волн достигает минимума вблизи угла Брюстера (≈ 73°).

Первичная падающая электромагнитная волна наводит на поверхности цели токи проводимости, если цель – проводник, или наводит токи смещения, если цель – диэлектрик. Эти токи являются источниками вторичного излучения в различных направлениях, т.е. происходит рассеяние волн. Рассеивается часть приходящей энергии, остальная переходит в тепло.

Особенный интерес представляет отражение в сторону радиолокационных станций, т.е. в обратном направлении. Для тел пространственной формы (шар, металлический лист, антенна) возможен электрический расчет поля вторичного излучения.