Специальные радиоизмерения

Содержание:

1. Введение……………………………………………………………………….2
2. Общие сведения об измерениях и измерительных приборах ……………..5
3. Единицы акустических измерений………………………………………….7
4. Характеристики акустических сигналов и шумов………………………...10
5. Измерительные генераторы, излучатели и приемники звуковых   колебаний  …………………………………………………………….17
6. Индикаторы и регистрирующие приборы…………………………………24
7. Специальная измерительная апаратура……………………………………25
8. Список использованной литературы……………………………………….30

Введение               

                    Измерения, связанные с акустикой, проводились  еще в античные времена. Об этом свидетельствуют  акустические свойства некоторых античных храмов  и форумов. Однако в те времена измерения носили качественный характер, обычно их выполнял строитель сооружения, добиваясь методом проб и ошибок улучшения звучания.                   

Первые измерения количественного  характера в области акустики проводились при определении  скорости  распространения звука. Так, в 1636 г. скорость звука определялась Марсенном следующим образом: исследовалось распространение звука выстрела, а отчет времени производился по числу ударов пульса.                   

Скорость распространения  звука в воде была измерена на Женевском озере в 1826 г. В качестве источника звука использовался колокол, а прием осуществлялся с помощью опущенной в воду трубы, конец которой был закрыт тонкой мембраной. Время прохождения звука в воде определялось по световой вспышке, сопровождающей удар колокола, и регистрировалось секундомером.                    

В середине XΙX века крупнейшими  физиками мира – Геймгольцем,

Рэлеем, Лебедевым на основе предыдущих работ Эйлера, Бернулли, Фурье, Пуассона была создана теория акустики, основные положения которой  проверялись экспериментально. Измерение колебательной скорости частиц, звукового давления в  XΙX  веке проводились для отдельных частных случаев, легко поддающихся расчету. Тщательно продумывалась методика измерений, позволяющая простейшими средствами получать надежные количественные результаты.                   

На основе экспериментальных  исследований американский ученый

Сэбин в конце  XΙX века установил соотношение между временем реверберации в помещениях, их размерами  и поглощением поверхностей . Сэбин  проводил измерения при помощи секундомера,  на слух  определяя после включения источника время спада интенсивности в миллион раз. Насколько удачно была выбрана методика проведения исследований свидетельствует то, что числовые коэффициенты, найденные Сэбином, остаются справедливыми и в наше время.                    

В конце  XΙX века было предложено несколько методов измерения интенсивности звука – радиометрический, манометрический, метод диска Рэлея. Действие диска Рэлея основано на том, что  при обтекании диска частицами колеблющейся среды возникают силы, стремящиеся повернуть его поперек направления движения звуковых волн.         

Ряд ученых ( В. Кениг, И.Г. Русаков, Л.Б. Ланганс и др. ) в последующие  годы провели исследования, уточняющие  пределы применимости метода диска Рэлея и расчетные формулы его модификации. Несмотря на некоторые конструктивные неудобства и сложности, звукомерный диск и в наше время используется в метрологической практике. В метрологии большое значение имеет своеобразный консерватизм : новые методы несут новые, пока неизвестные погрешности, а старые методы, даже если они громоздки и неудобны, но хорошо исследованы. Соответствие же результатов измерений одних и тех же величин разными методами позволяет выявить  систематические погрешности, неизбежно присущие любому методу.                   

Революция в акустических измерениях, произошедшая в 20-30-е  годы XX столетия, вызвана бурным развитием радиотехники и электроники. Подавляющее большинство акустических измерений начиная с этого времени осуществляется электроакустическими методами : акустический процесс преобразуется в аналогичный электрический процесс, в котором изменения напряжения точно соответствуют изменениям звукового давления (или колебательной скорости и т.д.), а между этими величинами существует однозначная количественная связь. Это осуществляется при строго линейном режиме работы всех элементов измерительного тракта – электроакустических преобразователей. усилителей. фильтров и т.д.                   

Развитие электронной  техники, создание стабильных генераторов  электрических колебаний, радиоизмерительных приборов и методов электрических измерений позволили совершенно перестроить технику акустических измерений. Стало возможным определять частоту колебаний с очень высокой степенью точности. Это подняло на новую ступень большое число резонансных методов измерения (определение скорости звука, поглощения, динамических модулей материалов). Появилась аппаратура для дистанционных, телеметрических  измерений от источника звука. Были созданы измерительные электроакустические преобразователи – стабильные устойчивые приемники и излучатели звука: конденсаторный микрофон Вента, измерительные излучатели Рейса и Келлога. На основе оптического метода записи звука начало действовать звуковое кино. Получило развитие магнитная запись звука, сначала на проволоку, затем на феррамагнитную ленту. Регистрация звука производилась с помощью шлейфных осциллографов и быстродействующих самописцев уровней, а визуальное наблюдение временных процессов – на экранах осциллографов.                   

Успехи радиотехники и  электроники повлияли на развитие методов  анализа акустических процессов. Можно  констатировать, что значительная часть  современных методов акустических измерений (резонансные, мостовые, компенсационные  методы, методы стоячей волны) была известна еще до второй мировой войны. Период второй мировой войны во всех странах послужит толчком к развитию направленной экспериментальной акустики. Особенно это сказалось на развитии импульсной техники для гидроакустических исследований, на создании устройств военной техники а также в экспериментальных исследованиях по снижению шумности судовых механизмов и машин.          

Послевоенный период развития акустических измерений характеризуется  рядом особенностей. Главная из них  – выход экспериментальной техники  за пределы научных учреждений. Электроакустика  настолько широко вошла в промышленность, быт населения, что необходимость  проведения разнообразных акустических измерений возросла во много раз. Все заводы - изготовители многообразных устройств, включающих электроакустические элементы (телефоны, радиоприемники, телевизоры,  приемо-передающие устройства), вынуждены осуществлять акустические измерения для оценки свойств своей продукции. Очень широко применяется электроакустика на судах – в эхолотах, эхолокаторах, навигационных устройствах;  на военных кораблях используется соответствующая гидроакустическая техника.  Забота о здоровье человека поставила вопрос о нормализации шума на производстве, в судовых и других помещениях. Во всех этих случаях необходим акустический контроль, т.е. измерение тех или иных акустических характеристик помещений.         

Массовый характер использования  акустических устройств потребовал разработки методов автоматизации  акустических измерений, основанных на последних достижениях электронной  и электронно-вычислительной техники, получения и переработки экспериментальной  информации, развития методов акустической телеметрии. Так как акустические процессы в реальных условиях зависят  от большого числа факторов, находящихся  в непрерывном изменении, то результаты отдельных измерений заметно  различаются между собой. Предполагая  измеряемый процесс стационарным и  стабильным, чего нет при достаточно малых выборках, различие в получаемых результатах часто приписывают качеству измерения. Для получения устойчивых достоверных данных развиваются вероятностные методы измерений и их оценки. Получение кривых распределения вероятности, дисперсии, плотности вероятности, иначе говоря, анализ характера распределения амплитуд  измеряемых сигналов производится с помощью разнообразных автоматических устройств, в большинстве своем основанных на использовании цифровой вычислительной техники и компьютерных методов обработки результатов открывает широкие возможности для постановки ряда измерений. В первую очередь это касается обработки и анализа информации, полученной при многоканальных измерениях процессов распространения звука по сложным  строительным и судовым конструкциям. Развиваются исследования в области сверхвысоких переменных давлений (при взрывах, ракетных пусках и т.д.) в условиях высоких температур и больших статических давлений. Среди новых направлений в акустических измерениях  необходимо отметить попытки расширения форм представления измерений, например, путем построения трехмерных диаграмм зависимости : частоты, температуры, коэффициента потерь или времени, частоты, силы звука.          

Повышается качество электроакустических  преобразователей – излучателей и приемников звука в различных средах. Высокая чувствительность, малые размеры, равномерность частотных и угловых характеристик – таковы отличительные особенности современных микрофонов, гидрофонов, виброприемников, образцовых источников звука. Погрешность, выносимая этими элементами в измерения на современном уровне, как правило, меньше других видов погрешностей, присущих тем, или иным видам акустических измерений.                     

Математические методы оценки вероятностных процессов в настоящее  время бурно развиваются в  связи с потребностями радиофизики, радиоастрономии, радиолокации и т.д. Здесь велики заслуги советских специалистов А.Я. Хинчина, В.И. Бунимовича, М.С. Рытова, Б.Р. Левина и др.

Общие сведения об измерениях и измерительных приборах                       

Измерением называется сравнение измеряемой величины с ее значением, принятым за единицу. Например, измерить напряжение – значит определить, какому числу единиц напряжения (вольт) равно измеряемое

напряжение.

Различают прямые и косвенные измерения. При прямом измерении значение измеряемой величины определяется непосредственно опытным путем с помощью измерительного прибора. Например, величина тока может быть измерена непосредственно с помощью амперметра. При косвенном измерении значение измеряемой величины получается в результате вычислений, проводимых над другими величинами, которые в свою очередь находятся прямыми измерениями. Например, мощность постоянного тока можно вычислить как произведение измеряемых прямым путем напряжения и величины тока. Хотя мощность переменного тока измеряется напрямую ваттметром.

Точность измерительного прибора характеризуется его  погрешностью, т.е. степенью приближения  его показаний к действующему значению измеряемой величины. Различают абсолютную, относительную и приведенную

погрешности.

Абсолютной  погрешностью прибора называется разность между его показателем и действительным значением измеряемой величины. Например, для прибора, измеряемого величину тока

,                                                           

где   - абсолютная погрешность;  - показания прибора;   - действительное значение величины тока.         

В зависимости от имеющего место соотношения между показанием прибора и действительным значением  измеряемой величины абсолютная погрешность может оказаться или положительной или отрицательной. В некоторых случаях один и тот же прибор может иметь на одних участках шкалы положительную, а на других – отрицательную абсолютную погрешность. Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, называется поправкой. Очевидно, поправка – это величина, которую необходимо прибавить к показанию прибора, чтобы получить значение получаемой величины.          

Относительной погрешностью называется процентное отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины. Т.к. при использовании измерительных приборов знак погрешности заранее не известен, то положительные и отрицательные погрешности считаются равновероятными и при указании относительной погрешности проставляют оба знака (а иногда знак ± опускается).  

В частности, при измерении  величины тока относительная погрешность выражается формулой:             

.                                         

Например, если показания  миллиамперметра 24 мА, а действительное значение величины тока 25 мА, то относительная  погрешность:

. 

Приведенной погрешностью называется процентное отношение абсолютной погрешности к наибольшему значению измеряемой величины  по шкале прибора. 

В частности, при измерении  величины тока приведенная погрешность равна:                                      

,                                      (1.3)

где   – наибольшее значение измеряемой величины тока.            

Гарантируемая точность измерительного прибора определяется его классом точности, который численно равен величине максимальной приведенной погрешности, определяемой в нормальных условиях, выраженной в процентах. Нормальные условия: температура окружающего воздуха  20 ± 5°С;  атмосферное давление 760 ± 30 мм рт. ст.; относительная влажность 60 ± 15 %; нормальное положение прибора. Промышленностью выпускаются электро- и радиоизмерительные приборы классов точности: 0,05;  0,1;  0,2;  0,5;  1,0;  1,5;  2,5;  4,0;  6,0 и 10,0. 

Допустимая относительная  погрешность измерений возрастает с изменением измеряемой величины. При малых измеряемых величинах, соответствующих началу шкалы прибора, относительная погрешность весьма значительна. Поэтому при ответственных измерениях необходимо выбирать прибор (или предел многопредельного прибора) так, чтобы значение измеряемой величины соответствовал правой половине его шкалы. В противном случае  относительная погрешность измерений может оказаться недопустимо большой даже при использовании прибора высокого класса точности.           

Например: Определим погрешности при измерении тока 150, 50 и 10 мкА микроамперметром класса 2,5 со шкалой на максимальный ток 200 мкА.            

Допустимая максимальная абсолютная погрешность этого прибора  при измерении токов любой  величины одинакова и может быть найдена с помощью формулы (1.3), из которой следует, что: