Специальные радиоизмерения

а – модулирующий сигнал; б – амплитудная модуляция; в  – частотная модуляция;

г – фазовая модуляция. 

 

 

          Если в качестве высокочастотных  используются гармонические колебания, то в зависимости от модулируемого параметра различают амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую   (ФМ) модуляции. Если модулируемыми колебаниями является последовательность импульсов с высокочастотным заполнением, то модуляцию называют амплитудно-импульсной (АИМ), время-импульсной (ВИМ), частотно-импульсной   (ЧИМ), широтно-импульсной (ШИМ) или кодо-импульсной (КИМ). Эти виды модуляции чаще всего используют в акустике.

При амплитудной модуляции  частота  модулируемого сигнала 

  не изменяется  и остается равной  , начальная фаза   задается моментом начала модуляции, а амплитуда   изменяется в соответствии с законом x(t) изменения  величины модулирующего сигнала. Сигнал, модулированный по амплитуде, можно записать в виде:

,                        

где  - коэффициент (глубина) амплитудной модуляции;  -наибольшее изменение амплитуды модулируемого сигнала.

Амплитуда модулируемого  сигнала при частотной модуляции  остается постоянной, а частота изменяется в соответствии с законом модулирующего  сигнала:

,                           

где   – девиация  (наиболшее изменение ) частоты.           

Если модулирующий и модулируемый сигналы являются гармоническими, причем   , то ЧМ-сигнал запишется в виде:

,                             

где   – индекс частотной модуляции.      

При фазовой модуляции (рис.1.11г) остаются постоянными амплитуда    и частота  , а фаза колебаний   изменяется в соответствии с законом изменения  модулирующего сигнала:

,                                

где   – индекс фазовой модуляции, т. е. наибольшее изменение фазы модулированного колебания.

Если модулирующий сигнал – гармонический, то

.                                

Импульсный  режим. Импульсный режим работы улучшает качество акустических исследований путем использования кратковременных сигналов, обладающих достаточной длительностью, чтобы характеризовать частоту сигнала, и вместе с тем позволяющих разделить во времени полезные сигналы и сигналы помехи.

     

. Временная (а) и спектральная (б) характеристики периодического

импульсного сигнала.

Распространено применение импульсного периодически повторяющегося сигнала с огибающей прямоугольной  формы . В первом приближении этот сигнал можно рассматривать как отрезок синусоиды:

   при  0 < t < 

    при Δ t ≤ t ≤ 0,                                          

где  –длительность импульса.

Спектр периодически повторяющихся  импульсов является дискретным, причем частотные составляющие отделены друг от друга на величину Ω, равную частоте следования. Для относительно малых частот следования спектр получается близким к сплошному. Ширина спектра периодического импульсного сигнала Δf с прямоугольной огибающей определяется приближенным выражением

.                                                            

 

 

          Спектр импульсного периодического сигнала с огибающей колокольной  формы тоже является дискретным и  имеет колокольную форму, занимая  меньшую полосу спектра, чем предыдущий сигнал:

.                                                             

Длительность импульса колокольной  формы определяется промежутком  времени на уровне 0,707 максимального  значения.          

Определение шума. Шумом называют любое вредное явление, в противоположность полезному явлению – сигналу, содержащему необходимую информацию. Шум, определенный таким образом, может иметь как непрерывный, так и дискретный спектр (фоновый шум, шум винта и т. п.). Спектр сигнала также может быть как дискретным, так и сплошным  (например, шум, излучаемый кораблем).

В зависимости от условий  задачи одно и то же явление может  рассматриваться или как шум, или как сигнал. Так, например, звуки, излучаемые машинами и винтами подводной лодки, являются вредными шумами для установленных на ней приемников, и полезным сигналом для охотника за подводными лодками. Приведенное выше определение одинаково применимо как для акустических, так и для электрических и радиотехнических явлений.         

Белый шум. Стационарный случайный сигнал, распределение амплитуд которого в течение большого произвольно выбранного промежутка времени Т подчиняется нормальному закону с плотностью вероятности  :

  ,                                                

где x – среднее значение сигнала за выбранный промежуток времени; σ – среднее  квадратичное отклонение, равное:

.                                                 

 

 

 

. Временная (а), спектральная (б) и корреляционная (в) характеристики  шумового сигнала типа белого шума.

1 – с прямоугольной  огибающей спектра; 2 – с огибающей  спектра колокольной

формы. 

 

Спектр белого шума имеет  характер сплошного, непрерывного и  безграничного по частоте. Практически  используются сигналы с ограниченным частотным спектром. Распространен шумовой сигнал, обладающий частотным спектром с прямоугольной огибающей и огибающей колокольной формы.

Нормированная корреляционная функция полосы белого шума с прямоугольной огибающей спектра имеет вид:

,                                                 

где   - ширина полосы спектра сигнала;   - средняя частота спектра

сигнала.

Интервал корреляции (величина задержки, более которой огибающая  нормированной корреляционной функции не превышает 0,1) для сигнала этого вида равен:

 

Нормированная корреляционная функция полосы белого шума с огибающей спектра колокольной формы подчиняется экспоненциальному закону спада: 

 

.                                                  

 

 

          Интервал корреляции этого сигнала  равен:

 .                                                              

Видно, что полоса шума с  колокольной огибающей спектра  обеспечивает существенно меньший  интервал корреляции чем такая же полоса шума с прямоугольной огибающей. Это позволяет обеспечивать высокое  соотношение сигнал/помеха при измерениях в помещениях ограниченного объема, где помехой является сигнал того же типа, что и измеряемый, поэтому разрешение сигналов может быть сделано лишь на основе их корреляционных временных

связей.

 

 

Временная (а) и спектральная (б) характеристики частотно –

модулированного сигнала 

 

Самостоятельное значение имеет  разновидность гармонического сигнала  – частотно-модулированный сигнал, иногда называемый воющим тоном. Временная функция этого сигнала  (рис. 1.14) равна:

,                                      

где Ω – модулирующаячастота;  - индекc модуляции;   - глубина модуляции.

Спектральный состав частотно-модулированного  сигнала характерен широким спектром частот, расположенных по обе стороны от несущей  (равной полусумме крайних частот). При этом границы спектра шире, чем крайние частоты модуляции, особенно при малых индексах модуляции. Физически это объясняется тем, что процесс непрерывного изменения частот обуславливает появление дополнительных частотных составляющих. При больших индексах модуляции спектр частотно-модулированного сигнала сосредоточен в области   шириной   .

Нормированная корреляционная функция частотно – модулированного  сигнала имеет вид:

                    ,                                                    

где   - коэффициент автокорреляции шумового сигнала с прямоугольной огибающей спектра, ширина полосы которого равна Ω:

.                                                                       

Частотно-модулированный сигнал обладает несколько худшими свойствами, чем шумовой сигнал (только при  большом индексе модуляции приближается к нему, а широкая полоса, характеризующая большой индекс, не всегда удобна), однако имеет преимущество на прктике, так как позвляет осуществлять автоматизацию измерений.          

Отношение сигнал – шум. Рассмотрим задачу связи приемника и передатчика через среду, в которой происходит распространение звука. К той же схеме можно отнести и задачу активного обнаружения, состоящую в том, что на пути распространения звука находится отражающая цель. Связь будет обеспечена, если некоторая функция – сигнал  , несущая информацию и посылаемая в пространство в виде звуковой волны, будет получена на выходе из приемника.  Однако в процессе различных операций: излучения, распространения в среде, приема эта функция искажается наложением на нее различных помех, сумма которых составляет шум  .          

Таким образом, на выходе приемника  будет получена уже не функция    в ее первоначальном виде, а сумма   , из которой нужно выделить информацию, содержащуюся в посылке            

Это, очевидно, достигается  только в том случае, если отношение  сигнал – шум будет достаточно велико. Обычно рассматривают не отношение  мгновенных значений  ,  а отношение  средних значений, выраженных в виде электрической мощности или интенсивности звука; именно это отношение называют отношением сигнал – шум. Часто это отношение выражают в децибелах

.                                                 

 

 

Измерительные генераторы, излучатели и приемники звуковых   колебаний

 

 

          Генераторы  электрических колебаний. Электроакустические излучатели звука требуют для возбуждения подачи на них электрических колебаний соответствующей частоты. В измерительной практике для этой цели часто используют генераторы синусоидальных сигналов общего назначения. Частота колебаний, создаваемых этими генераторами, не стабилизирована, точность градуировки шкал по частоте и напряжению относительно не велика, но зато они обеспечивают диапазон рабочих частот не более 10 октав и имеет регулировку выходного напряжения. Мощность генераторов этого типа составляет не более 3÷5 Вт. Выходное сопротивление может быть достаточно малым, что позволяет с помощью генератора возбуждать преобразователи различных типов.          

Кроме указанных, выпускаются  измерительные генераторы, предназначенные для акустических исследований, они предусматривают работу в различных режимах, возможность автоматизации процесса измерений. Генераторы  снабжены внутренним модулятором по частоте, причем глубина модуляции и ее частота регулируются в широких пределах. Режим частотно-модулируемого сигнала – воющего тока полезен при измерениях в помещениях, где применение чисто синусоидального сигнала недопустимо из-за образования стоячих волн. Измерительные генераторы также обеспечивают на выходе наряду с синусоидальным сигналом узкополосной и широкополосной случайный шум, а также так называемый розовый шум (спадающий по частоте на 3 дБ/октаву).          

Значительная часть генераторов  имеет устройства для сжатия динамического диапазона до 80 дБ. Эти устройства обеспечивают стабилизацию выходного напряжения генератора при изменении частоты и нагрузки, а также позволяют автоматизировать ряд измерительных процедур. Генераторы снабжены электроприводом для изменения частоты генератора и цепями дистанционного управления, что увеличивает их возможности в акустических измерениях.             

Для получения звуковых импульсов  к генераторам непрерывных колебаний  (задающим несущую частоту) обычно добавляют модуляторы, которые обеспечивают частоту повторения, длительность и форму огибающего                 импульса.           

Измерительные излучатели звуковых колебаний.  Излучатели, используемые при акустических измерениях, должны отвечать специальным требованиям, поэтому не все излучатели звука, получившие широкое распространение в различных областях техники, могут быть успешно применены при измерениях. Требования к измерительным излучателям  в основном следующие: высокая стабильность параметров во времени при различных внешних условиях  (давление, температура, влажность и т.д.), широкий диапазон рабочих частот, слабая изрезанность характеристики направленности. Мощность измерительных излучателей звука сравнительно невелика, так как измерения производятся в лабораторных или стендовых условиях на небольших расстояниях при малом уровне мешающих сигналов.

Конструкции излучателей  звука определяются характером той  среды, в которой они работают. Поэтому типовые излучатели предназначены  для газовых, жидких и твердых  сред.     

В воздушной  (газовой) среде наиболее распространено использование в качестве измерительного источника звука электродинамического громкоговорителя прямого излучения.          

Неравномерность частотных  характеристик громкоговорителей  велика. Осуществление измерений  с такими источниками звука в  широкой полосе частот затруднительно. Однако если использовать узкие частотные диапазоны для возбуждения излучателей и принять меры по устранению гармоник, обуславливаемых нелинейностью, можно получать хорошие результаты.