Реферат: Применение звуковых волн

Содержание:

1. Введение………………………………………………….

2. Звуковые волны…………………………………………..

2.1. Акустика……………………………….. …..

2.2. Звукообработка …………………………….

2.3. Радиолокации……………………………….

4. Заключение……………………………………………….

5. Библиография…………………….

Мир, окружающий нас, можно назвать миром звуков. Звучат вокруг нас голоса людей и музыка, шум ветра и щебет птиц, рокот моторов и шелест листвы. С помощью речи люди общаются, с помощью слуха получают информацию об окружающем мире. Не меньшее значение звук имеет для животных. С точки зрения физики, звук - это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твёрдом теле и т.п.Способность человека воспринимать упругие колебания, слушать их отразились в названии учения о звуке - акустика (от греческого akustikos - слуховой, слышимый). Вообще человеческое ухо слышит звук только тогда, когда на слуховой аппарат уха действуют механические колебания с частотой не ниже 16 Гц но не выше 20 000 Гц. Колебания же с более низкими или с более высокими частотами для человеческого уха неслышимы.

Вопросы, которыми занимается акустика, очень разнообразны. Некоторые из них связаны со свойствами и особенностями нашего слуха.

Предметом физиологической акустики и является сам орган слуха, его устройство и действие.Архитектурная акустика изучает распространение звука в помещениях, влияние на звук размеров и формы помещений, свойств материалов, покрывающих стены и потолки, и т.д. При этом опять имеется в виду слуховое восприятие звука.Музыкальная акустика исследует музыкальные инструменты и условия их наилучшего звучания.Физическая акустика занимается изучением самих звуковых колебаний, а за последнее время охватила и колебания, лежащие за пределами слышимости (ультраакустика). Она широко использует разнообразные методы для превращения механических колебаний в электрические и обратно (электроакустика). Применительно к звуковым колебаниям в число задач физической акустики входит и выяснение физических явлений, обусловливающих те или иные качества звука, различаемые на слух.

2. Звуковые волны

Понятие «звук» самым тесным образом связано с понятием «волна». Что же переносится в пространстве при распространении волны? Оказывается, в пространстве переносится некоторое возмущение. Брошенный в воду камень вызывает всплеск поверхности воды, и это возмущение передается от одной точки водоема к другой в виде колебаний. Таким образом, волна – это процесс перемещения в пространстве изменения состояния.

Звуковая волна (звуковые колебания) – это передающиеся в пространстве механические колебания молекул вещества (например, воздуха). В результате каких-либо возмущений (например, колебаний диффузора громкоговорителя или гитарной струны), возникает перепад давления в этом месте, так как воздух в процессе движения сжимается, в результате чего возникает избыточное давление, толкающее окружающие слои воздуха. Эти слои сжимаются, что в свою очередь снова создает избыточное давление, влияющее на соседние слои воздуха. Так по цепочке происходит передача первоначального возмущения в пространстве из одной точки в другую. Тело, создающее возмущение (колебания) воздуха, называют источником звука.

Звуковые колебания, а также вообще все колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой (интенсивностью), частотой и фазой. Скорость распространения колебаний зависит от среды, в которой колебания распространяются. На эту скорость влияют такие факторы, как упругость среды, ее плотность и температура. Так, например, чем выше температура среды, тем выше в ней скорость звука. В нормальных (при нормальной температуре и давлении) условиях скорость звука в воздухе составляет приблизительно 330 м/с. Таким образом, время, через которое слушатель начинает воспринимать звуковые колебания, зависит от удаленности слушателя от источника звука.

Звуковым волнам присущи различные явления, связанные с распространением волн в пространстве. Перечислим наиболее важные из них.

Интерференция – усиление колебаний звука в одних точках пространства и ослабление колебаний в других точках в результате наложения двух или нескольких звуковых волн. В результате наложения двух волн, звук то усиливается, то ослабевает, что воспринимается на слух как биения. Этот эффект называется интерференцией во времени. Эффект возникновения биений используется при настройке двух музыкальных тонов в унисон (например, при настройке гитары): настройку производят до тех пор, пока биения перестают ощущаться.

Звуковые волны, при их падении на границу раздела с другой средой, могут отразиться от границы раздела, пройти в другую среду, изменить направление движения – преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией), поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.

Энергия звуковой волны в процессе ее распространения поглощается средой. Этот эффект называют поглощением звуковых волн. Важно отметить, что степень поглощения звуковой энергии зависит как от свойств среды (температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем выше частота звуковых колебаний, тем большее рассеяние претерпевает на своем пути звуковая волна.

Следует упомянуть также явление волнового движения в замкнутом объеме, суть которого состоит в отражении звуковых волн от стенок некоторого закрытого пространства. Отражения звуковых колебаний могут сильно влиять на конечное восприятие звука – изменять его окраску, насыщенность, глубину. Так, звук идущий от источника, расположенного в закрытом помещении, многократно ударяясь и отражаясь от стен помещения, воспринимается слушателем как реверберация (от лат. «reverbero» – «отбрасываю»). Эффект реверберации широко используется в звукообработке с целью придания звучанию специфических свойств.

Способность огибать препятствия – свойство звуковых волн, называемое в науке дифракцией. Степень огибания зависит от соотношения между длиной звуковой волны (ее частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия или отверстия. Если размер препятствия оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна отражается от него. Если же размеры препятствия оказываются сопоставимыми с длиной волны или оказываются меньше ее, то звуковая волна дифрагирует .

Еще один эффект, связанный с волновым движением – эффект резонанса. Звуковая волна, распространяясь в пространстве, может переносить энергию колебаний другому телу (резонатору), которое, поглощая эту энергию, начинает колебаться, и само становится источником звука. Так исходная звуковая волна усиливается, и звук становится громче. В случае появления резонанса, энергия звуковой волны расходуется на «раскачивание» резонатора и сказывается на длительности звучания .

Можно упомянуть и эффект Допплера – заключается в том, что длина волны изменяется соответственно изменению скорости движения слушателя относительно источника волны. Чем быстрее слушатель приближается к источнику волны, тем регистрируемая им длина волны становится меньше и наоборот.

Все эти явления учитываются и широко используются акустике, звукообработке и радиолокации.

Акустика

Акустика (от греч. akustikós — слуховой, слушающийся), в узком смысле слова — учение о звуке, т. е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твёрдых телах, слышимых человеческим ухом (частоты таких колебаний находятся в диапазоне 16 гц—20 кгц); в широком смысле — область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот (условно от 0 гц) до предельно высоких частот 10¹² —10¹³ гц, их взаимодействия с веществом и применения этих колебаний (волн).

Исторический очерк. А. — одна из самых древних областей знания, зародившаяся из потребности дать объяснение явлениям слуха и речи и в особенности музыкальным звукам и инструментам. Ещё древнегреческий математик и философ Пифагор (6 в. до н. э.) обнаружил связь между высотой тона и длиной струны или трубы; Аристотель (4 в. до н. э.) понимал, что звучащее тело вызывает сжатия и разрежения воздуха, и объяснял эхо отражением звука от препятствий.

Период средневековья мало что дал развитию А.; её прогресс становится заметным, начиная с эпохи Возрождения. Итальянский учёный Леонардо да Винчи (15—16 вв.) исследовал отражение звука, сформулировал принцип независимости распространения звуковых волн от разных источников.

Историю развития А., как физической науки, можно разбить на 3 периода. Первый период — от начала 17 в. до начала 18 в. — характеризуется исследованиями системы музыкальных тонов, их источников (струны, трубы), скорости распространения звука. Г. Галилей обнаружил, что звучащее тело испытывает колебания и что высота звука зависит от частоты этих колебаний, а интенсивность звука — от их амплитуды. Французский учёный М. Мерсенн, следуя Галилею, уже мог определить число колебаний звучащей струны; он впервые измерил скорость звука в воздухе. Р. Гук (Англия) устанавливает на опыте пропорциональность между деформацией тела и связанным с ней напряжением — основной закон теории упругости и А., а Х. Гюйгенс (Голландия) — важный принцип волнового движения, названный его именем (см. Волны).

Второй период охватывает два века — от создания основ механики И. Ньютоном (конец 17 в.) и до начала 20 в. В этот период А. развивается как раздел механики. Создаётся общая теория механических колебаний, излучения и распространения звуковых (упругих) волн в среде, разрабатываются методы измерения характеристик звука (звукового давления в среде, импульса, энергии и потока энергии звуковых волн, скорости распространения звука). Диапазон звуковых волн расширяется и охватывает как область инфразвука (до 16 гц), так и ультразвука (свыше 20 кгц). Выясняется физическая сущность тембра звука (его "окраски").

С работ Ньютона начинается расцвет классической физики. Механика, гидродинамика и теория упругости, теория волн, акустика и оптика развиваются в тесной связи друг с другом. Члены Петербургской Академии наук Л. Эйлер и Д. Бернулли и французские учёные Ж. Д'Аламбер и Ж. Лагранж разрабатывают теорию колебаний струн, стержней и пластинок, объясняют происхождение обертонов. Немецкий учёный Э. Хладни (конец 18 — начало 19 вв.) экспериментально исследует формы звуковых колебаний, совершаемых различными звучащими телами — мембранами, пластинами, колоколами. Т. Юнг (Англия) и О. Френель (Франция) развивают представления Гюйгенса о распространении волн, создают теорию интерференции и дифракции волн. Х. Доплер (Австрия) устанавливает закон изменения частоты волны при движении источника звука относительно наблюдателя. Огромное значение не только для А., но и для физики в целом имело создание методов разложения сложного колебательного процесса на простые составляющие — анализа колебаний — и синтеза сложных колебаний из простых. Математический метод разложения периодически повторяющихся процессов на простые гармонические составляющие был найден французским учёным Ж. Фурье. Экспериментально анализ звука — разложение его в спектр гармонических колебаний с помощью набора резонаторов — и синтез сложного звука из простых составляющих осуществил немецкий учёный Г. Гельмгольц. Подбором камертонов с резонаторами Гельмгольцу удалось искусственно воспроизвести различные гласные. Он исследовал состав музыкальных звуков, объяснил тембр звука характерным для него набором добавочных тонов (гармоник). На основе своей теории резонаторов Гельмгольц дал первую физическую теорию уха как слухового аппарата. Его исследования заложили основу физиологической акустики и музыкальной акустики. Весь этот этап развития А. подытожен английским физиком Рэлеем (Дж. Стретт) в его классическом труде "Теория звука".

На рубеже 19 и 20 вв. важные работы по А. были выполнены русским физиком Н. А. Умовым, который ввёл понятие плотности потока энергии для упругих волн. Американский учёный У. Сэбин заложил основы архитектурной акустики. Русский физик П. Н. Лебедев (вместе с Н. П. Неклепаевым) выделил из резкого звука электрической искры ультразвуковые волны с частотами до нескольких сот кгц и исследовал их поглощение в воздухе.

К началу 20 в. интерес к А. ослабевает; А. считают теоретически и экспериментально завершенной областью науки, в которой остались нерешенными лишь задачи частного характера.

Третий, современный период в истории А., начинающийся в 20-х гг. 20 в., связан, прежде всего, с развитием электроакустики и созданием радиотехники и радиовещания. Перед А. встал новый круг проблем — преобразование звуковых сигналов в электромагнитные и обратно, их усиление и неискажённое воспроизведение. В то же время радиотехника и электроакустика открыли невиданные ранее возможности развития А. Электроакустика появилась ещё в последней четверти 19 в. В 1876 был изобретён телефон (Белл, США), в 1877 — фонограф (Эдисон, США). В 1901 была разработана магнитная запись звука, примененная затем в магнитофоне и звуковом кино. В начале 20 в. электромеханические преобразователи звука были применены в громкоговорителях, а в 20-х гг. стали основой всей современной акустической аппаратуры.

Электронная лампа дала возможность усиления чрезвычайно слабых акустических сигналов, преобразованных в электрические. Были разработаны методы радиоакустических измерений, анализа и воспроизведения звука. Эти новые возможности революционизировали А., превратив её из считавшейся завершенной области механики в самостоятельный раздел современной физики и техники.

Развитие А. в 1-й половине 20 в. получило мощный импульс в связи с запросами военной техники. Задача определения положения и скорости самолёта (звуковая локация в воздухе), подводной лодки (гидролокация), определение места, времени и характера взрыва, глушение шумов самолёта — все эти проблемы требовали более глубокого изучения механизма образования и поглощения звука, распространения звуковых (в частности, ультразвуковых) волн в сложных условиях. Проблемы генерации звука стали предметом обширных исследований и в связи с развитием общей теории колебаний, охватывающей воедино механические, электрические и электромеханические колебательные процессы. В 20-х и 30-х гг. много работ было посвящено теории автоколебаний — самоподдерживающихся колебаний системы, связанной с постоянным источником энергии; большой вклад в разработку этой теории внесла советская школа физиков, возглавлявшаяся Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Особый интерес вызвал вопрос о распространении звуковых волн большой интенсивности (например, взрывных волн); работы русских физиков А. А. Эйхенвальда и Н. Н. Андреева в этой области внесли значительный вклад в нелинейную акустику, предметом исследования которой являются мощные звуковые поля. М. Лайтхилл (Англия, 1952) дал общую теорию аэродинамической генерации звука, изучающую возникновение звука в движущейся среде за счёт неустойчивости потока газа. Н. Н. Андреев и И. Г. Русаков (1934), Д. И. Блохинцев (1947) разработали основы акустики движущихся сред.

Первые успехи в гидроакустике были достигнуты французским физиком П. Ланжевеном (1916), применившим ультразвуковые волны для измерения глубины моря и обнаружения подводных лодок. Явление сверхдальнего распространения звука взрыва в море в подводных звуковых каналах было открыто независимо американскими учёными (М. Ивингом и Д. Ворцелем, 1944) и советскими учёными (Л. М. Бреховских, Л. Д. Розенбергом, 1946). Проблемам звукопоглощения и звукорассеяния, которые приобрели особую актуальность в связи с развитием архитектурной и строительной акустики, были посвящены исследования С. Н. Ржевкина, Г. Д. Малюжинца и В. В. Фурдуева. Большое внимание было уделено изучению акустических шумов и методам их устранения.

Изучение влияния структуры среды на распространение звука в свою очередь создало возможность применения звуковых волн для зондирования среды, в частности атмосферы; это привело к развитию атмосферной акустики.

В последние два десятилетия чрезвычайно большое значение приобрели исследования ультразвука, особенно высоких частот и больших интенсивностей, ставшего средством изучения структуры и свойств вещества. Ещё в 20-х гг. советский учёный С. Я. Соколов применил ультразвук для дефектоскопии металлов. В Германии Х. О. Кнезер (1933) обнаружил явление сильного поглощения и дисперсии ультразвука в многоатомных газах. Позднее дисперсия и аномальное поглощение ультразвука были обнаружены также и в жидкостях. Общая теория этих явлений, т. н. релаксационная теория, была дана Л. И. Мандельштамом и М. А. Леонтовичем (1937). Ультразвуковые колебания высокой частоты вызывают также перестройку структуры жидкостей, диссоциацию молекул и многие другие эффекты. На стыке А. и оптики Мандельштам (1918, 1926) и Л. Бриллюэн (Франция, 1922) создали теорию рассеяния света на ультразвуковых волнах в жидкостях и твёрдых телах (см. Мандельштама — Бриллюэна явление). Это явление оказалось важным для изучения молекулярной структуры вещества.

Круг вопросов, связанных с влиянием молекулярной структуры вещества на распространение ультразвука, называют молекулярной акустикой, которая изучает поглощение и дисперсию ультразвука, в многоатомных газах, жидкостях и твёрдых телах. Ультразвук оказался не только средством исследования, но и мощным орудием воздействия на вещество.

Важное значение приобрели исследования гиперзвука (частоты 1 Ггц и выше). Интенсивно исследуются взаимодействия гиперзвуковых волн с электронами в металлах и полупроводниках.

Глубокие преобразования произошли и в старых разделах А. В середине 20 в. начинается быстрое развитие психофизиологической акустики, вызванное необходимостью разработки методов неискажённой передачи и воспроизведения множества звуковых сигналов — речи и музыки — по ограниченному числу каналов связи. Эти вопросы А. входят в круг проблем общей теории информации и связи (см. Информации теория. Кибернетика). Исследовались механизмы образования различных звуков речи, характер их звукового спектра, основные показатели качества речи, воспринимаемой на слух. Созданы приборы видимой речи, дающие видимые изображения различных звуков (см. также Звукового поля визуализация). Разрабатываются методы кодирования речи (сжатой передачи её основных элементов) и её расшифровки (синтеза), развернулись исследования механизмов слухового восприятия, ощущения громкости, определения направления прихода звука (венгерский учёный Д. Бекеши). В этой области А. сомкнулась с физиологией органов чувств и биофизикой.

Таким образом, современная А. по своему содержанию и значению далеко перешагнула те границы, в которых она развивалась до 20 в.

Основные разделы А. Современную А. подразделяют на общую, прикладную и психофизиологическую.

Общая А. занимается теоретическим и экспериментальным изучением закономерностей излучения, распространения и приёма упругих колебаний и волн в различных средах и системах; условно её можно разделить на теорию звука, физическую А. и нелинейную А. Теория звука пользуется общими методами, разработанными в теории колебаний и волн. Для колебаний и волн малой амплитуды принимается принцип независимости колебаний и волн (суперпозиции принцип), на основе которого определяют звуковое поле в разных областях пространства и его изменение во времени.

На распространение, генерацию и приём упругих волн оказывает влияние огромное число факторов, связанных со свойствами и состоянием среды. Рассмотрением этого занимается физическая А. К её задачам относятся, в частности, изучение зависимости скорости и поглощения упругих волн от температуры и вязкости среды и др. факторов.

К важным вопросам физической А. относятся также взаимодействие элементарных звуковых волн (фононов) с электронами и фотонами. Эти взаимодействия становятся особенно существенными на очень высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах при низких температурах. В области таких частот и температур начинают проявляться квантовые эффекты. Этот раздел физики А. иногда называют квантовой А. Нелинейная А. изучает интенсивные звуковые процессы, когда принцип суперпозиции не выполняется и звуковая волна при распространении изменяет свойства среды. Этот раздел А., очень сложный в теоретическом отношении, быстро развивается (как и теория нелинейных волновых процессов в оптике и электродинамике).

Прикладная А. — чрезвычайно обширная область, к которой относится прежде всего электроакустика. Сюда же относятся акустические измерения — измерения величин звукового давления, интенсивности звука, спектра частот звукового сигнала и т. д. Архитектурная и строительная А. занимается задачами получения хорошей слышимости речи и музыки в закрытых помещениях и снижением уровней шума, а также разработкой звукоизолирующих и звукопоглощающих материалов. Прикладная А. изучает также шумы и вибрации и разрабатывает способы борьбы с ними. Изучением распространения звука в океане и возникающими при этом явлениями: рефракцией звука, реверберацией при отражении звукового сигнала от поверхности моря и его дна, рассеянием звука на неоднородностях и т. д. занимаются гидроакустика и гидролокация.

Атмосферная А. исследует особенности распространения звука в атмосфере, обусловленные неоднородностью её структуры, и является частью метеорологии. Геоакустика изучает применения звука в инженерной геофизике и геологии.

Огромное прикладное значение как в технике физического эксперимента, так и в промышленности, на транспорте, в медицине и др. имеют ультразвук и гиперзвук. Например, в измерительной технике — ультразвуковые линии задержки, измерение сжимаемости жидкостей, модулей упругости твёрдых тел и т. д.; в промышленном контроле — дефектоскопия металлов и сплавов, контроль протекания химических реакций и т. д.; технологические применения — ультразвуковое сверление, очистка и обработка поверхностей, коагуляция аэрозолей и др.

Психофизиологическая А. занимается изучением звукоизлучающих и звукопринимающих органов человека и животных, проблемами речеобразования, передачи и восприятия речи. Результаты используются в электроакустике, архитектурной А., системах передачи речи, теории информации и связи, в музыке, медицине, биофизике и т. п. К её разделам относятся: речь, слух, психологическая А., биологическая А.

Вопросами А. в СССР занимаются: в Москве — Акустический институт АН СССР, Научно-исследовательский институт строительной физики, Научно-исследовательский кинофотоинститут, институт звукозаписи; в Ленинграде — институт радиоприёма и акустики; ряд отраслевых институтов, а также большое число лабораторий и кафедр в университетах и вузах страны.

2.3. Радиолокации

Радиолокация (от радио... и лат. locatio — размещение, расположение), область науки и техники, предметом которой является наблюдение радиотехническими методами (радиолокационное наблюдение) различных объектов (целей) — их обнаружение, распознавание, измерение их координат (определение местоположения) и производных координат и определение др. характеристик. Под Р. понимают также сам процесс радиолокационного наблюдения (локации) объектов. При наличии нескольких объектов Р. должна обеспечивать требуемое их разрешение (раздельное наблюдение). Задачи Р. решаются при помощи отдельных радиолокационных станций (РЛС) и сложных радиолокационных систем. С Р. тесно связана радионавигация; часто их методы и аппаратура практически не различаются. Р. — одно из важнейших направлений современной радиоэлектроники.

Для радиолокационного наблюдения используют: эхо-сигналы, образующиеся в результате отражения радиоволн от объекта, облученного РЛС (т. н. Р. с зондирующим излучением); сигналы РЛС, переизлучаемые ретранслирующим устройством, находящимся на объекте, местоположение которого определяется (Р. с активным ответом); собственное радиоизлучение объекта — излучение радиоустройств, находящихся на объекте, или тепловое излучение самого объекта, определяющееся его температурой (пассивная радиолокация).

В Р. измеряют расстояние до объекта (дальнометрия, или дистанциометрия), направление прихода сигналов (пеленгация), радиальную и угловую скорости движения объекта и т.д. Радиолокационное наблюдение объектов позволяет также выявлять их многие характерные особенности, например определять параметры ледового покрова водной поверхности, влагосодержание атмосферы, размеры и конфигурацию объекта и т.п. Данные измерений могут быть дискретными (вырабатываемыми через определённые интервалы времени) или непрерывными. Объекты могут быть одиночными или множественными либо представлять собой сплошные образования. Возможно сложное (комбинированное) наблюдение, например радиолокационный обзор пространства в некотором секторе, позволяющий производить поиск и обнаружение новых объектов в этом секторе и одновременно непрерывно получать текущие координаты уже обнаруженных объектов.

В основе наиболее распространённого вида Р. — Р. с зондирующим излучением — лежит явление отражения радиоволн. Простейшей характеристикой отражающих свойств объекта (в направлении на приёмную антенну РЛС при заданном направлении поля зондирующего излучения) является т. н. эффективная площадь рассеяния (ЭПР) объекта s, позволяющая определить плотность потока мощности поля у приёмной антенны РЛС П₂ через плотность потока мощности излучения у объекта H₁ по формуле

П₁ s = П₂ ×4pR² ,

где R — расстояние от объекта до РЛС. По характеру отражения или излучения радиоволн радиолокационные объекты принято разделять прежде всего на сосредоточенные (под которыми понимают одиночные объекты с размерами, малыми по сравнению с размерами объёма, разрешаемого РЛС) и распределённые. Распределённые объекты, в свою очередь, могут быть поверхностными (например, земная поверхность с пашней, кустарником, снегом и т.д., поверхность моря или Луны и т.д.) и объёмными (например, всевозможные неоднородности в атмосфере — облака, дождь, снег, искусственные дипольные помехи и т.д.). Гладкие поверхности, у которых размеры неровностей составляют незначительную долю от длины облучающей волны (например, спокойная водная поверхность, бетонное полотно и т.д.), отражают зеркально, т. е. при отражении наблюдаются определённые фазовые соотношения между облучающей волной и отражённой. При неровностях, соизмеримых с длиной облучающей волны или больших её, имеет место диффузное отражение волн, т. е. сложение волн со случайными фазами, отражённых от разных элементов поверхности. В общем случае реальные поверхности создают отражённые волны, содержащие как зеркальную, так и диффузную компоненту. Сопоставляя размеры одиночного объекта не только с объёмом, разрешаемым РЛС, но и с длиной волны, излучаемой ею, различают 3 случая: размеры объекта во много раз больше длины волны (т. н. оптическое рассеяние — поверхностное и краевое), размеры объекта и длина волны близки друг к другу (резонансное рассеяние), длина волны намного превосходит размеры объекта (рэлеевское рассеяние) (см. также Отражение света, Рассеяние света). Эти случаи различаются не только по интенсивности отражения, но и по характеру зависимости отражённого сигнала от длины волны и поляризации зондирующего сигнала. Особый практический интерес представляет случай большой величины отношения размеров объекта к длине волны, поскольку в Р. наибольшее применение имеют волны сантиметрового (СМ) диапазона, в котором у большинства объектов (самолёты, корабли, ракеты, космические аппараты) размеры поверхностей и краев во много раз превосходят длину волны. Для такого (оптического) рассеяния характерны независимость ЭПР от поляризации зондирующего сигнала и возможность разделить большой объект на отдельные, практически самостоятельные части. Как и в оптике, здесь большую роль играют "блестящие точки" (явление интенсивного отражения волн от выпуклых частей объекта), а также зеркально отражающие гладкие участки поверхности. Расчёт поверхностного рассеяния волн основан на применении оптических методов (преимущественно на использовании принципа Гюйгенса — Кирхгофа, согласно которому отражённое поле находится суммированием полей отдельных участков "освещенной" поверхности). При резонансном рассеянии величина ЭПР резко зависит от длины волны и имеет максимум (это явление используют для создания эффективных помех работе РЛС посредством сбрасывания с самолётов металлизированных лент длиной, равной половине длины волны). В области рэлеевского рассеяния ЭПР объекта обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны, прямо пропорциональна квадрату объёма объекта и не зависит от его формы. Такая зависимость объясняет выгоды применения в Р. сравнительно коротких волн (например, волн СМ диапазона) для обнаружения мелких объектов (например, снарядов, капель дождя и пр.).

Появление и развитие радиолокации. Явление отражения радиоволн наблюдал ещё Г. Герц в 1886—89. Влияние корабля, пересекающего трассу радиоволн, на силу сигнала зарегистрировал А. С. Попов в 1897. Впервые идея обнаружения корабля по отражённым от него радиоволнам была четко сформулирована в авторской заявке немецкого инженера К. Хюльсмайера (1904), содержавшей также подробное описание устройства для её реализации.

Интерференцию незатухающих радиоволн, приходящих к приёмнику по двум путям — от передатчика и, после отражения, от движущегося судна, — впервые наблюдали американский инженер А. Тейлор и Л. Юнг в 1922, а интерференцию при отражении радиоволн от самолёта — американский инженер Б. Тревор и П. Картер в 1932. В 1924 английский учёный Э. Эплтон провёл измерения высоты слоя Кеннелли — Хевисайда (слой Е ионосферы) путём наблюдения чередующихся усилений и ослаблений сигнала, вызванных варьированием частоты колебаний в передатчике, приводящим (как и при движении отражающего объекта) к изменению разности фаз между колебаниями, пришедшими по двум путям. В 1925 английские учёные Г. Брейт и М. Тьюв опубликовали результаты своей работы по определению высоты слоя Кеннелли — Хевисайда измерением времени запаздывания импульсного сигнала, отражённого от слоя, относительно сигнала, пришедшего вдоль поверхности Земли.

В СССР работы по Р. были развёрнуты с 1933 по инициативе М. М. Лобанова, под руководством Ю. К. Коровина и П. К. Ощепкова. Первые практически использовавшиеся РЛС, действие которых было основано на появлении биений при пересечении самолётом линии передатчик — приёмник, разработаны под руководством Д. С. Стогова в 1938. Импульсный метод Р. разработан в 1937 в Ленинградском физико-техническом институте под руководством Ю. Б. Кобзарева.

Последующее развитие Р., её внедрение в различные виды вооружения и народное хозяйство связаны с освоением диапазона СВЧ, совершенствованием методов Р., внедрением вычислительной техники и использованием достижений смежных наук. Особое значение имела разработка радиолокационных измерительных устройств для зенитной и корабельной артиллерии. Появление и применение (почти одновременно с Р.) противорадиолокационных средств — пассивных и активных помех, защитных покрытий и пр. (см. Радиоэлектронное противодействие), вызвали необходимость разработки специальных противопомеховых методов и устройств. Радиолокационными методами решаются разнообразные задачи народного хозяйства, связанные с навигацией (см. Навигация, Навигация воздушная), метеорологией (см. Радиолокация в метеорологии),аэрофотосъёмкой (см. Аэрометоды),разведкой полезных ископаемых и др.

Появление (в 50—60-х гг.) ракетной и космической техники усложнило и расширило задачи Р. Создание ракет и космических летательных аппаратов (КЛА) потребовало точного измерения траектории и параметров их движения с целью управления ими, прогнозирования траектории точной посадки КЛА на Землю и др. планеты, точной географической привязки количественных результатов научных измерений, данных метеорологической обстановки, фотоснимков и т.п. к координатам КЛА, измерения взаимного положения КЛА. Одно из достижений Р. — решение задачи поиска и сближения двух КЛА, включая их автоматическую стыковку. Для ряда космических применений Р. характерна тесная связь радиолокационных систем с системами передачи информации (в области радиотелеметрии, космического телевидения и радиосвязи) и передачи команд, а также с вычислительными устройствами автоматического комплекса управления КЛА. Часто эти системы имеют общий канал связи (общие антенны, цепи передающих и приёмных устройств), а в ряде случаев работают с общим сигналом.

Важная область применения Р. — планетная радиолокация, позволившая путём приёма радиосигналов, отражённых от планет, с большой точностью измерить расстояние до них и тем самым снизить погрешность в определении основной астрономической единицы,уточнить параметры орбит планет, определить (по расширению спектра отражённого радиосигнала) период вращения планет (в частности, Венеры) и осуществить радиолокационное наблюдение рельефа поверхности планет. В СССР Р. Венеры, Меркурия, Марса и Юпитера выполнил в 1961—63 коллектив учёных во главе с В. А. Котельниковым. См. также Радиолокационная астрономия.

При создании систем противоракетной обороны (ПРО) Р. должна решать сложные задачи, связанные с уничтожением ракет противника, в том числе с обнаружением и сопровождением ракет и наведением на них противоракет.

Основные принципы и методы радиолокации. Среди многочисленных принципов и методов Р. следует выделить наиболее важные, связанные с дальностью действия РЛС, измерением дальности, пеленгацией, защитой от пассивных помех (метод селекции движущихся целей), разрешением (метод бокового обзора).

Дальность действия РЛС, использующих отражённые сигналы (в отсутствии пассивных помех), при расположении передатчика и приёмника в одном месте определяется согласно основному уравнению Р.:

где R — дальность действия; Р — средняя мощность зондирующих сигналов; Т — время, в течение которого должно быть произведено обнаружение объекта или определение его местоположения; S_э — эффективная площадь приёмной антенны; Q — телесный угол, внутри которого ведётся наблюдение; Е_п — энергия отражённого сигнала, которая необходима для обнаружения объекта с заданной достоверностью или определения его местоположения с заданной точностью; L — коэффициент потерь, обусловленных отличием реальной системы от идеальной.

Модификации этого уравнения связаны со специфическими условиями применения РЛС. Так, в наземных РЛС обнаружения воздушных целей, ожидаемых на некоторой высоте, для рационального использования мощности, излучаемой антенной, выбирают антенны с такой диаграммой направленности, чтобы во всём рабочем секторе обеспечивалось постоянство принимаемых сигналов независимо от дальности. Уравнения дальности действия РЛС, использующих ретранслированные (радиолокационным маяком) сигналы, составляются раздельно для 2 одинаковых расстояний: РЛС — маяк и маяк — РЛС; для каждого из них в зависимость дальности от энергетического потенциала радиоканала (от мощности передатчика и чувствительности приёмника) входит R² а не R⁴ .

Дальность радиолокационного наблюдения в диапазоне СВЧ ограничивается кривизной земной поверхности и равна (в км)

где h₁ и h₂ — высоты расположения объекта и РЛС над поверхностью Земли (в км). Дальность действия значительно возрастает в диапазоне декаметровых (коротких) волн — благодаря их распространению с последовательными отражениями от ионосферы (в среднем на высоте 300 км)и от поверхности Земли (см. Распространение радиоволн).

Открытие сов. учёным Н. И. Кабановым в 1947 явления дальнего рассеянного отражения от Земли декаметровых волн с их возвратом после отражения от ионосферы к источнику излучения привело к появлению принципиальной возможности создания т. н. ионосферной, или загоризонтной, Р. Загоризонтная Р. может осуществляться в основном по двум схемам: "на просвет" — с большим разнесением передатчика и приёмника и наблюдением объектов, находящихся между ними, и с возвратно-наклонным зондированием — с приёмом сигналов, приходящих обратно к месту излучения (рис. 1).

Измерение дальности по отражённым сигналам обычно производится двумя способами. В основу первого (т. н. импульсного) способа положено излучение импульса и измерение времени запаздывания отражённого (или ретранслированного) объектом импульса относительно излученного. Измерение облегчается, если отражённый сигнал не налагается на зондирующий, т. е. объект находится на достаточном удалении от РЛС. В простейшем случае (рис. 2) для реализации этого способа применяются импульсный передатчик, приёмник (обычно супергетеродинного типа), задающий генератор-синхронизатор для запуска передатчика и задания шкалы времени, индикатор осциллографического типа, по шкале которого можно отсчитывать дальность. Модификациями этой схемы являются многошкальные схемы, построенные по принципу нониуса, и следящие схемы — автодальномеры.

В основу второго способа положено наблюдение интерференции двух непрерывных волн, связанных с зондирующим излучением и отражением от объекта (или ретрансляцией). При реализации этого способа с зондирующими колебаниями, частота которых модулирована по линейному закону, в смеситель приёмного устройства (рис. 3, а, б) поступают колебания передатчика и сигнала, в результате чего имеют место биения между ними с частотой, пропорциональной измеряемой дальности. После детектирования, усиления и ограничения сигналы поступают на частотомер — счётчик частоты биений, шкала которого может быть проградуирована непосредственно в единицах дальности.

Радиальная скорость объекта, как правило, определяется с высокой точностью измерением частоты Доплера (см. Доплера эффект). При этом получение высокой разрешающей способности по скорости и высокой точности её измерения связано с применением сигналов большой длительности. Однако получение высокой разрешающей способности по дальности и высокой точности её измерения связано с применением широкополосных сигналов. Поэтому в Р. целесообразно применять сложные широкополосные сигналы с большой базой (с большим произведением ширины полосы спектра сигнала на его длительность). В случае простых сигналов (например, одиночных монохроматичных импульсов) расширение спектра сигнала с целью получения лучшего разрешения по дальности сопровождалось бы ухудшением разрешения по скорости.

Пеленгация объектов может осуществляться при наблюдении из одного пункта и при разнесённом приёме. В устройствах, расположенных в одном пункте, широкое применение получил метод пеленгации путём сравнения амплитуд сигналов — амплитудный метод, позволяющий получить высокую точность в сочетании с автоматическим слежением за целью по направлению и высоким отношением сигнал/шум. В простейшем случае достаточно сравнить амплитуды сигналов от объекта в двух положениях диаграммы направленности антенны (рис. 4), чтобы по знаку и величине разности этих сигналов (т. н. сигналу ошибки) судить о величине и знаке отклонения направления на объект от равносигнального (в котором сигнал ошибки равен нулю). После усиления сигнал ошибки подаётся в следящую систему, которая поворачивает антенну вслед за перемещением объекта ("следит" за равносигнальным направлением).

Существуют 2 варианта этого метода. В первом (более простом) необходим только один приёмный канал связи с одной антенной. Путём механической или электронной коммутации соответствующих цепей получают два положения диаграммы направленности антенны и вырабатывают сигнал ошибки, который управляет следящей системой. Образование сравниваемых сигналов реализуется последовательно (во времени). Во втором, называемым моноимпульсным методом (см. Моноимпульсная радиолокация), существуют 2 отдельных приёмных канала связи с 2 антеннами и образование 1-го и 2-го сигналов происходит одновременно. Моноимпульсный метод свободен от ошибок, вызываемых флуктуациями сигналов (неизбежными в первом варианте).

В РЛС СМ диапазона волн первый вариант пеленгации реализуется при коническом сканировании, т. е. при вращении радиолуча, отклоненного относительно оси зеркала антенны (равносигнального направления). Синхронно с вращением луча вырабатываются 2 ортогональных напряжения, используемых для коммутации (на выходе тракта сигнала) фазовых детекторов с целью выделения сигнала ошибки. Во втором варианте одновременно существуют 4 радиолуча и 2 сигнала ошибки (от каждой из ортогональных пар лучей).

Кроме метода сравнения, также применяется амплитудный метод анализа огибающей принимаемых сигналов, позволяющий получить примерно такую же точность пеленгации при одновременном обзоре узким лучом сектора, в котором может находиться несколько целей.

Методы разнесённого приёма позволяют достигнуть высокой точности пеленгации путём измерения разности времени прихода сигналов. В зависимости от вида принимаемых сигналов такое измерение может производиться импульсным, корреляционным и фазовым способами.

Большое развитие в Р. получил фазовый способ пеленгации, основанный на измерении разности фаз высокочастотных колебаний, принимаемых антеннами, разнесёнными на определённое расстояние, называемое базой. Его достоинство — высокая точность, достигаемая главным образом необходимым увеличением базы. Метод свободен от погрешностей, вызываемых флуктуациями сигнала, общего (по амплитуде) для каналов фазовой системы. При преобразовании радиочастоты в промежуточную (более низкую) частоту в супергетеродинном радиоприёмнике разность фаз сохраняется неизменной, и её измерение с точностью ~ 1° не представляет технических трудностей. При реализации этого метода важно сохранять идентичность и стабильность фазовых характеристик отдельных приёмных каналов, пропускающих колебания, разность фаз которых измеряется, а также поддерживать постоянство частоты принимаемых волн и базы (или осуществлять специальный контроль за их изменением).

Фазовый метод весьма удобен и для точного измерения угловой скорости излучающего объекта. Применяя увеличенную базу, можно во много раз повысить чувствительность системы к изменению угловых координат, получая измеримые разности фаз колебаний при ничтожных угловых перемещениях объекта. Сложность измерения этими системами угловых координат и их производных обусловлена многоканальностью их структуры, жёсткими требованиями к фазовым характеристикам каналов, необходимостью использовать для автоматизации обработки данных ЦВМ с высокой производительностью.

Развитие фазовых методов измерения угловых координат и их производных в Р. было использовано в радиоастрономии, где получили применение интерферометры со сверхдлинной базой (порядка нескольких тысяч км);с их помощью достигают углового разрешения порядка тысячной доли угловой секунды.

Большое значение в Р. имеет метод селекции движущихся целей — обнаружения отражённых целями сигналов, маскируемых радиоволнами, отражёнными от местных предметов — зданий, холмов, леса (при наблюдении низколетящих самолётов и снарядов или объектов, движущихся по земле), либо от волнующегося моря (при наблюдении перископов подводных лодок), либо от "облака" пассивных дипольных помех (при наблюдении воздушных объектов) и т.д. При этом методе, называемом также когерентно-импульсным, фаза излученных радиоволн запоминается с тем, чтобы при приёме сигнала, отражённого от объекта, по мере движения объекта можно было фиксировать изменение разности фаз между принятым и посланным сигналами; для неподвижного или малоподвижного фона помех изменения разности фаз в соседних периодах повторений импульсов близки к нулю, и при помощи устройств компенсации можно эти сигналы подавить, пропустив на выход РЛС только сигналы от движущихся объектов. Известны 2 способа реализации такого метода: с передатчиком (например, на клистроне, рис. 5), фаза колебаний в котором может управляться, и с передатчиком (например, на магнетроне, рис. 6), фаза колебаний которого от посылки к посылке импульсного сигнала случайна. В последнем случае фаза СВЧ колебаний магнетрона запоминается путём принудительного фазирования когерентного гетеродина приёмника при каждой посылке зондирующего сигнала.

Методы оптимальной обработки сигналов (в т. н. когерентных РЛС) позволили получать высокую угловую разрешающую способность у РЛС, движущихся относительно объектов (в т. ч. даже если размеры антенны сравнительно невелики, т. е. при широком радиолуче). Так, для картографирования местности был разработан метод бокового обзора с синтезированным раскрывом антенны. В РЛС, использующих этот метод, антенна, вытянутая вдоль пути летательного аппарата (ЛА), принимает от каждой элементарной площадки местности сигналы, различающиеся временем запаздывания (в связи с перемещением ЛА) и частотой Доплера. Т. к. при оптимальной обработке сигналы запоминаются и суммируются с соответствующими фазовыми сдвигами, то можно получить эффект синфазного сложения сигналов, подобно тому как это происходило бы при неподвижной синфазной антенне с эквивалентным размером D вдоль линии пути, определяемым перемещением Л А за время когерентного накопления сигнала Т:

D = uT,

где u — скорость перемещения ЛА. Вследствие эффекта Доплера изменение частоты колебаний Df для элементов поверхности, разнесённых на ширину радиолуча q =lld (где l — длина волны, d — диаметр или сторона раскрыва антенны), равно

Следовательно, после оптимальной обработки сигнала длительность сжатого импульса t будет равна

что соответствует предельно достижимой продольной разрешающей способности вдоль линии пути, равной d =tu (или ¹ /₂ d, если та же бортовая антенна используется не только для приёма, но и для облучения и обеспечивает т. о. удвоение фазовых сдвигов отражённых колебаний).

Лит.: Теоретические основы радиолокации, под ред. В. Е. Дулевича, М., 1964; Современная радиолокация, пер. с англ., М., 1969; Теоретические основы радиолокации, под ред. Я. Д. Ширмана, М., 1970; Вопросы статистической теории радиолокации, под ред. Г. П. Тартаковского, т. 1—2, М., 1973—74.

Обработка звука бывает разноплановой и зависит от целей, которые вы преследуете. Это может быть подавление шумов, наложение звуковых фильтров, добавление реверберации или дилея, выведение на передний план определённых частот и т.п. Об этом мы и поговорим…

Наиболее необходимой и практически повсеместно используемой процедурой является подавление шумов. Шумы могут быть как внешними, случайно записанными на микрофон фоновыми звуками в помещении с плохой звукоизоляцией, так и внутрисистемными, возникшими вследствие плохого экранирования шнуров и прочего звукозаписывающего оборудования. Шумы имеют свои частоты, диапазон которых сравнительно узок. Это позволяет подавлять их путём простой эквализации, то есть – убирать частоты, на которых больше всего шума и меньше всего нужных звуков. Запись, на которой шумы занимают сравнительно небольшой диапазон, не соприкасающийся с диапазоном других звуков, считается чистой. Запись, на которой шумы звучат почти на всех частотах, считается грязной, так как их практически невозможно подавить без ущерба для нужных звуков.

Подавление шума с помощью плагина Noise Reduction в редакторе Sound Forge

Реверберация считается вторым по востребованности шагом в обработке звука. Реверберация – это постепенное затухание звука, например, в большом помещении с хорошей акустикой. При небольшой продолжительности она добавляет вокалу или сольным инструментам глубину и выразительность звучания, поэтому её используют довольно часто. В отличие от простого эха, которое просто повторяет звук несколько раз, при этом, затихая, реверберация прогрессивно меняет соотношение частот повторяемого звука, что может создавать самые разнообразные эффекты.

После реверберации по популярности, пожалуй, стоят дилей-эффекты. Или попросту задержки звука. Это может быть как обычное эхо любой частоты затухания, так и более изысканные дилеи. Особенно дилей может понадобиться при обработке моно-звука и превращении его в псевдостерео. Для этого производится совсем незначительная задержка звука в одном из каналов. При этом одному каналу желательно добавить немного «сухости» (средних частот). Тогда бывший моно-звук начинает звучать в разных каналах и чуть-чуть по-разному, что и создаёт эффект стерео.

Если прибавить немного высоких и средних частот и совсем не использовать реверберации и дилея, то создаётся популярный в последнее время «эффект присутствия», как будто вокалист поёт прямо в вашей комнате.

Фильтры – это эквализационные схемы, которые накладываются на записанный звук. Фильтры бывают статические и динамические. Статические фильтры просто убирают некоторые частоты трека, добавляя другие, а динамические постоянно меняют соотношение частот по определённой круговой схеме, из-за чего звук кажется «плавающим».

Forever, 21.02.2008

5. Заключение:

Человек живет в океане звука, он обменивается информацией с помощью звука, воспринимает ее от окружающих его людей. Поэтому знать основные характеристики звука, его подвиды и их использование просто необходимо. Использование звуковых и ультра звуковых волн находит все большее применение в жизни человека. Их используют в медицине и технике, на их использовании основаны многие приборы, особенно для исследования морей и океанов. Где из – за сильного поглощения радиоволн звуковые и ультра звуковые колебания есть единственным способ передачи информации.

Как было сказано выше человек живет в океане звука и нам также не нужно забывать и о чистоте этого океана. Сильные шумы опасны для здоровья человека и могут привести к сильным головным болям, расстройству координации движения. Поэтому нужно с уважением относится к столь сложному и интересному явлению, каким есть звук.

6. Библиография:

1. Дущенко В. П., Кучерук И. М. «Общая физика.» –М.: «Высшая школа»,2005 – 430 с.

2. Исакович М. А., «Общая акустика.» – М.: «Наука»,2006 – 495с.

3. Кухлинг Х., «Справочник по физике»: Пер. с нем. – М.: «Мир»,2006 – 520 с.

4. Лепендин Л. Ф., «Акустика.» – М.: «Высшая школа»,2007. – 448 с.

Яворский Б. М., Детлаф А. А., «Справочник по физике.» – М.: «Наука», 2008. – 846 с.