Безэховая камера ( безэховое означает «неотражающий» или «без эха») — это помещение, предназначенное для подавления отражений или эха звуковых или электромагнитных волн . Они также часто изолированы от энергии, поступающей из их окружения. Эта комбинация означает, что человек или детектор слышит исключительно прямые звуки (без отраженных звуков), фактически имитируя пребывание на улице в свободном поле.
Безэховые камеры — термин, придуманный американским экспертом по акустике Лео Беранеком , первоначально использовался исключительно для обозначения акустических безэховых камер. Недавно этот термин был распространен на другие радиочастотные (РЧ) и гидроакустические безэховые камеры, которые устраняют отражение и внешний шум, вызванный электромагнитными волнами.
Безэховые камеры варьируются от небольших отсеков размером с бытовую микроволновую печь до таких больших, как авиационные ангары . Размер камеры зависит от размеров тестируемых объектов и диапазонов частот.
Требование к тому, что впоследствии было названо безэховой камерой, возникло для того, чтобы обеспечить возможность тестирования громкоговорителей, генерирующих настолько интенсивные уровни звука, что их нельзя было протестировать на открытом воздухе в жилых помещениях. [1]
Безэховые камеры обычно используются в акустике для проведения экспериментов в номинально условиях « свободного поля », где свободное поле означает отсутствие отраженных сигналов. Вся звуковая энергия будет уходить от источника, почти не отражаясь назад. Обычные эксперименты с безэховой камерой включают измерение передаточной функции громкоговорителя или направленности шумового излучения промышленного оборудования. В целом внутри безэховой камеры может быть очень тихо, с типичным уровнем шума в диапазоне 10–20 дБА . В 2005 году лучшая безэховая камера имела уровень -9,4 дБА. [2] В 2015 году безэховая камера в кампусе Microsoft побила мировой рекорд с показателем -20,6 дБА. [3] Человеческое ухо обычно может улавливать звуки выше 0 дБА, поэтому человек в такой камере будет воспринимать окружающую среду как лишенную звука. Как ни странно, некоторым людям может не нравиться такая тишина, и они могут дезориентироваться. [2]
Механизм, с помощью которого безэховые камеры минимизируют отражение звуковых волн, падающих на их стенки, заключается в следующем: на прилагаемом рисунке падающая звуковая волна I вот-вот столкнется со стенкой безэховой камеры. Эта стенка состоит из ряда клиньев W высотой H. После удара падающая волна I отражается в виде серии волн R, которые, в свою очередь, «отскакивают вверх и вниз» в зазоре воздуха A (ограниченном пунктирные линии) между клиньями W. Такое подпрыгивание может привести (по крайней мере временно) к образованию стоячей волны в A. Во время этого процесса акустическая энергия волн R рассеивается за счет молекулярной вязкости воздуха, особенно вблизи угла C. [4] Кроме того, при использовании вспененных материалов для изготовления клиньев во время взаимодействия волны со стенкой возникает другой механизм диссипации. [5] В результате заметно уменьшается составляющая отраженных волн R по направлению I, выходящая из зазоров A (и идущая обратно к источнику звука), обозначаемая R'. Несмотря на то, что это объяснение является двумерным, оно репрезентативно и применимо к реальным трехмерным клиновидным структурам, используемым в безэховых камерах. [6]
Полностью безэховые камеры предназначены для поглощения энергии во всех направлениях. Для этого все поверхности, включая пол, нужно покрыть клиньями правильной формы. Сетчатая решетка обычно устанавливается над полом, чтобы обеспечить поверхность для ходьбы и размещения оборудования. Этот сетчатый пол обычно размещается на том же уровне, что и остальная часть здания, то есть сама камера располагается ниже уровня пола. Этот сетчатый пол демпфируется и плавает на абсорбирующих буферах, чтобы изолировать его от внешней вибрации или электромагнитных сигналов.
Напротив, полубезэховые или полубезэховые камеры имеют сплошной пол, который действует как рабочая поверхность для поддержки тяжелых предметов, таких как автомобили, стиральные машины или промышленное оборудование, которые не могут поддерживаться сетчатой решеткой в полностью безэховом режиме. камера. Студии звукозаписи часто полубезэховые.
Различие между «полубезэховым» и «полубезэховым» неясно. В некоторых случаях они являются синонимами или используется только один термин. [7] Другие варианты использования различают одно из них как имеющее идеально отражающий пол (создание условий свободного поля с единственной отражающей поверхностью), а другое как просто плоский необработанный пол. [8] [9] Тем не менее, другие области применения различают их по размеру и характеристикам: один из них, вероятно, представляет собой существующее помещение, модернизированное с акустической обработкой, а другой - специально построенное помещение, которое, вероятно, больше по размеру и имеет лучшие безэховые характеристики. [10]
Внутренний вид радиочастотной ( РЧ) безэховой камеры иногда похож на внешний вид акустической безэховой камеры; однако внутренние поверхности радиочастотной безэховой камеры покрыты поглощающим излучение материалом (RAM) вместо акустически поглощающего материала. Радиочастотные безэховые камеры используются для тестирования антенн и радаров, и они обычно используются для размещения антенн для выполнения измерений диаграмм направленности антенн и электромагнитных помех .
Ожидаемые характеристики (усиление, эффективность, характеристики диаграммы направленности и т. д.) представляют собой основные проблемы при разработке автономных или встроенных антенн . Конструкции становятся все более сложными: одно устройство объединяет в себе множество технологий, таких как сотовая связь , Wi-Fi , Bluetooth , LTE , MIMO , RFID и GPS .
RAM спроектирован и имеет такую форму, чтобы максимально эффективно поглощать падающее радиочастотное излучение (также известное как неионизирующее излучение ) с максимально возможного количества направлений падения. Чем эффективнее ОЗУ, тем ниже результирующий уровень отраженного ВЧ-излучения. Многие измерения электромагнитной совместимости (ЭМС) и диаграмм направленности антенн требуют, чтобы паразитные сигналы, возникающие в испытательной установке, включая отражения, были незначительными, чтобы избежать риска возникновения ошибок измерения и неоднозначности.
Волны более высоких частот имеют более короткие длины волн и более высокую энергию, в то время как волны более низких частот имеют более длинные волны и более низкую энергию в соответствии с соотношением, где лямбда представляет собой длину волны, v — фазовая скорость волны, а — частота. Чтобы экранировать определенную длину волны, конус должен быть соответствующего размера, чтобы поглощать эту длину волны. Качество работы радиочастотной безэховой камеры определяется ее самой низкой тестовой частотой работы, при которой измеренные отражения от внутренних поверхностей будут наиболее значительными по сравнению с более высокими частотами. Пирамидальная RAM имеет наибольшую поглощающую способность, когда падающая волна перпендикулярна внутренней поверхности камеры и высота пирамиды примерно равна , где – длина волны в свободном пространстве . Соответственно, увеличение высоты пирамиды оперативной памяти при том же ( квадратном ) базовом размере повышает эффективность камеры на низких частотах, но приводит к увеличению стоимости и уменьшению беспрепятственного рабочего объема, доступного внутри камеры определенного размера.
Радиочастотная безэховая камера обычно встраивается в экранированное помещение, построенное по принципу клетки Фарадея . Это связано с тем, что для большинства радиочастотных испытаний, для которых требуется безэховая камера для минимизации отражений от внутренних поверхностей, также требуются свойства экранированного помещения для ослабления нежелательных сигналов, проникающих внутрь и вызывающих помехи для испытуемого оборудования, а также предотвращения утечки в результате испытаний, проникающих наружу. Пирамидальный поглотитель RAM также может быть построен с помощью аддитивного производства, что позволяет исследовать внутренние структуры для улучшения эффектов поглощения. [11]
На более низких излучаемых частотах для измерения в дальней зоне может потребоваться большая и дорогая камера. Иногда, например, при измерении поперечного сечения радара, можно уменьшить масштаб испытуемого объекта и уменьшить размер камеры при условии, что длина волны испытательной частоты уменьшается прямо пропорционально за счет испытаний на более высокой частоте. [ нужна цитата ]
Безэховые радиочастотные камеры обычно проектируются с учетом электрических требований одного или нескольких аккредитованных стандартов . Например, авиационная промышленность может тестировать оборудование для самолетов в соответствии со спецификациями компании или военными спецификациями, такими как MIL-STD 461 E. После сборки во время ввода в эксплуатацию проводятся приемочные испытания , чтобы убедиться, что стандарты действительно соблюдаются. При их наличии будет выдано соответствующее свидетельство. Камеру необходимо будет периодически проверять повторно.
Конфигурации испытательного и вспомогательного оборудования, которые будут использоваться в безэховых камерах, должны подвергаться как можно меньшему количеству металлических (проводящих) поверхностей, поскольку они могут вызвать нежелательные отражения. Часто это достигается за счет использования непроводящих пластиковых или деревянных конструкций для поддержки испытуемого оборудования. Там, где металлические поверхности неизбежны, после установки они могут быть покрыты кусочками оперативной памяти, чтобы минимизировать такое отражение, насколько это возможно.
Может потребоваться тщательная оценка того, следует ли размещать испытательное оборудование (в отличие от испытуемого оборудования) внутри или снаружи камеры. Обычно большая часть оборудования располагается в отдельной экранированной комнате, прикрепленной к основной испытательной камере, чтобы защитить ее как от внешних помех, так и от излучения внутри камеры. Кабели сетевого питания и тестового сигнала в испытательной камере требуют высококачественной фильтрации .
В качестве сигнальных кабелей иногда используются оптоволоконные кабели, поскольку они невосприимчивы к обычным радиочастотным помехам, а также вызывают небольшое отражение внутри камеры.
С радиочастотными безэховыми камерами связаны следующие риски для здоровья и безопасности :
Персоналу обычно не разрешается находиться внутри камеры во время измерения, поскольку это не только может вызвать нежелательные отражения от человеческого тела , но также может представлять радиационную опасность для соответствующего персонала, если испытания проводятся при высоких радиочастотных мощностях. Такие риски связаны с радиочастотным или неионизирующим излучением, а не с ионизирующим излучением более высокой энергии .
Поскольку ОЗУ хорошо поглощает радиочастотное излучение, падающее излучение будет выделять тепло внутри ОЗУ. Если его не удастся должным образом рассеять, существует риск возникновения горячих точек и повышения температуры оперативной памяти до точки возгорания . Это может быть риском, если передающая антенна случайно окажется слишком близко к ОЗУ. Даже при весьма скромных уровнях мощности передачи антенны с высоким коэффициентом усиления могут достаточно сконцентрировать мощность, чтобы создать поток высокой мощности вблизи их апертур . Хотя недавно изготовленные ОЗУ обычно обрабатываются антипиренами для снижения таких рисков, их трудно устранить. Правила техники безопасности обычно требуют установки системы газового пожаротушения, включая детекторы дыма .
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )