Собираем все вместе. Акустический анализ

Разнообразный характер и широкий спектр конфигураций устройств, которые составляют звуковые и звуковые системы усиления, впечатляет. Разработчик звуковой системы может быть призван спроектировать систему такую же простую, как музыкальная система для пейджингового фона для торговой площадки. В качестве альтернативы, это требование также может быть спроектировано в рамках системы, учитывающей потребности многоцелевой арены, имеющей вместимость, большую, чем население небольшого города. Компетентный дизайнер относился бы и к тому и к другому с одинаковой степенью профессионализма.

Ответственный дизайнер, помимо разработки дизайна, который выполняет необходимые акустические цели, должен также адаптировать проект в соответствии с возможностями и уровнем подготовки персонала, который будет призван работать и поддерживать данную систему. Автора учили в молодости, что хороший охотник должен всегда подбирать калибр оружия в соответствии с поиском добычи. Никто не преследует буйвола с пневматической винтовкой и не охотится на белок с 155-мм гаубицами. Чрезмерно сложные системы могут заставить и заставляют впадать в смятение, если у действующего персонала недостаточно опыта. Недостаточно разработанные системы часто не соответствуют требуемым акустическим и операционным целям. Дизайн системы для данного места и цели, в отличие от решения некоторых математических уравнений, не уникален.

Акустический анализ. Дизайн системы всегда начинается с акустического анализа занимаемого пространства. Многие из предыдущих глав были посвящены различным аспектам акустики, которые, в конечном счете, определяют определение характеристик громкоговорителей и систем громкоговорителей, необходимых для обеспечения звука, имеющего достаточный охват, разборчивость и уровень. Как только требуемые характеристики громкоговорителей находятся под рукой, можно найти спецификации производителей, чтобы определить конкретные громкоговорители, которые могут использоваться в системе. Акустический анализ также определяет тип или типы необходимых громкоговорителей, в частности, задается ли это требование для одного массива источников, или массива, дополненного спутниковыми массивами, или распределенного набора громкоговорителей и т. д. После того, как будет решена схема системы громкоговорителей, становится возможным определить требования к усилителю мощности. Очевидно, что в построении дизайна мы движемся в направлении от громкоговорителей к входу системы. Вместо продолжения общей дискуссии будет более информативным поработать с некоторыми альтернативными проектами для конкретного акустического пространства, используя при этом весь спектр аудио технологий, который доступен в настоящее время.

25.2. Альтернативные решения для заданного пространства.

Пространство, которое мы рассмотрим - это большой реверберирующий молельный дом, имеющий план посадки в форме вентилятора. Для обеспечения разборчивости речи в этом пространстве при одновременном сохранении исходной идентичности необходимо использовать центральный источник, поддерживаемый источниками спутников с задержкой по времени. На рисунке 25-1 показан вид сверху на пространство.

Рис. 25-1. Вид сверху посадочных мест, иллюстрирующий размещение громкоговорителей.

Каждый громкоговоритель поднимается определенным образом над зонами отдыха и наклоняется вниз. Зона покрытия каждого громкоговорителя примерно одинаковая. Это достигается путем размещения спутниковых громкоговорителей на двух круговых дугах, центрированных на центральном источнике, и увеличения плотности громкоговорителя, пропорциональной квадрату радиуса дуги. В этом случае требуется только две дуги, требующие двух шагов задержки сигнала. Сами громкоговорители представляют собой трехполосные устройства полного диапазона, и при первоначальной обработке считаются подходящими пассивными кроссоверными сетями. Каждому громкоговорителю выделяется 200 Вт. Одиночная диаграмма линии для первоначальной обработки представлена ​​на рисунке 25-2.

Рисунок 25-2. Одиночная линейная диаграмма для базовой обработки.

Базовая обработка, по сути, полностью аналоговая, единственным исключением являются два шага задержки сигнала. Даже задержка сигнала имеет аналоговый вход и два аналоговых выхода. Для простоты, настройки ослабления (аттенюации) или настройки чувствительности напряжения не отображаются. Достаточно одного эквалайзера, так как все громкоговорители одинаковы и установлены аналогично. Эквалайзер может быть активным или пассивным, с каскадом усиления макияжа (gain makeup stage). Все схемы сбалансированы по входу и выходу, за исключением усилителей мощности. Усилители мощности имеют сбалансированные входы и несбалансированные выходы. Слева направо усилители мощности составляют 200 Вт, 400 Вт и 800 Вт. Один из вариантов этого основного подхода заслуживает внимания - это наличие индивидуальных усилителей мощности для каждого громкоговорителя. Это изменение появляется на рисунке 25-3.

Рисунок 25-3. Вариант основной обработки.

В варианте на рис. 25-3 все усилители мощности одинаковы и введена некоторая избыточность. Если для источника громкоговорителя предусмотрен запасной усилитель, система может хромать, когда усилитель мощности выходит из строя. Как в базовом подключении, так и в варианте, система может выдержать отказ эквалайзера. Выделенные эквалайзеры снабжены байпасными переключателями и должны работать как устройства с единичным коэффициентом усиления. Обход неисправного эквалайзера приведет к изменению качества звука, но не к изменению уровня звука.

Основная обработка, а также ее вариант, использующий цифровую задержку сигнала, стали возможны в начале 1970-х годов, поскольку цифровые задержки сигнала до этого времени были недоступны. До этого времени задержку сигнала необходимо было выполнять с помощью аналоговых методов, которые являются грубыми по сравнению с современными методами. Короткие задержки выполнялись за счет того, что громкоговоритель приводил в движение плоскую волновую трубку, которая снабжалась микрофонами, расположенными на соответствующих расстояниях вдоль трубки. Более длительные задержки могут быть достигнуты с помощью модифицированных магнитофонов, оснащенных одной записывающей головкой и несколькими физически разнесенными головками воспроизведения. Плоские волновые трубки должны были быть физически более длинными, чем интервал максимального интервала задержки, чтобы обеспечить неотражающее окончание и должны были быть изолированы на длинных чердаках или в других подобных местах. Магнитофонам приходилось использовать непрерывные высокоскоростные ленточные петли, которые без предупреждения могли быть подвержены обрыву. «Добрые старые времена» в определенных отношениях, не всегда были хорошими.

25.2.1. Более современная обработка.

Более современное рассмотрение обсуждаемого выше акустического пространства в большей степени зависит от схем цифровой обработки сигналов. После этого изменения трехполосных громкоговорителей будут пересекаться с активной, а не с пассивной функцией кроссовера, предшествующей усилению мощности. Одиночная линейная диаграмма для этого подхода показана на рисунке 25-4.

Рисунок 25-4. Обработка с использованием цифровой обработки сигналов.

При обработке на рис. 25-4 микшер может быть аналоговым или цифровым микшером с аналоговыми выходами или цифровыми выходами с возможностью подключения AES/EBU. Эта обработка представляет системы управления громкоговорителями или LMS. Эти устройства при первом вводе отображали только сбалансированные аналоговые входы и выходы. Они впоследствии эволюционировали до такой степени, что теперь доступны как аналоговые, так и цифровые входы и выходы. Цифровые входы и выходы соответствуют стандарту AES / EBU. Вся внутренняя обработка выполняется процессором DSP. LMS может включать в себя следующие функции:

1. 1/3 октавный эквалайзер.

2. Параметрический эквалайзер.

3. Задержка сигнала.

4. Выбор типа и порядка кроссовера.

5. Компрессор / ограничитель.

Устройства обычно имеют четыре аналоговых/цифровых входа с четырьмя или восемью аналоговыми/цифровыми выходами. Настройка может выполняться с помощью элементов управления на передней панели с помощью экрана дисплея или через последовательный интерфейс, такой как RS/EIA 232, на компьютере, поставляемый с соответствующим программным обеспечением. Компьютер, в свою очередь, может быть частью более крупной сети. Использование этих устройств с цифровым микшером, кроме возможности прямой цифровой связи, особенно желательно по ряду причин. Несмотря на то, что в заявленном примере основное внимание уделяется основной системе "дома", в домах поклонения также есть много вспомогательных систем. Как правило, существуют отдельные системы прослушивания для хора и для слабо «слышащих». Кроме того, микшер должен предоставлять отдельные аудио потоки для радиовещания, телевизионного вещания и записи. Цифровые микшеры имеют возможность хранить несколько различных предустановленных сцен, которые могут быть вызваны в соответствии с требованиями конкретной представленной программы. Цифровые микшеры в дополнение к обычным аналоговым входам также принимают прямые цифровые входы, такие как AES / EBU, SPDIF и MIDI.

Вариант обработки, описанный выше, заменяет обычный аналоговый вход, аналоговый выход усилителей мощности, с усилителями, которые принимают цифровой вход. Эти усилители основаны на обычных классах D или аналогичных усилителях, которые были модифицированы для преобразования импульсно-кодовых модулированных сигналов в импульсно-модулированные сигналы, требуемые усилителями, которые имеют функцию переключения на выходном каскаде. При использовании таких усилителей требуемое цифро-аналоговое преобразование происходит в фильтре низких частот после коммутации выходного каскада. На данный момент аналоговые сигналы существуют только на входных и выходных преобразователях системы со всей необходимой обработкой сигнала, выполненной в цифровом домене.

25.2.2. Виртуальный звуковой процессор.

Процессор LMS хорошо адаптирован для многих установок, но имеет ограничения. Для крупных установок требуется много аппаратных ящиков (hardware boxes), а список функций, выполняемых отдельным блоком, не всегда соответствует требованиям многих систем.

Корпорация Peavey Electronics рассмотрела эти недостатки в 1993 году благодаря внедрению системы MediaMatrix®. Эта система разработана на основе программного обеспечения, интегрированного дизайна звуковой системы, управления и аппаратной платформы. Аппаратная платформа использует модульный компьютерный мейнфрейм с множеством поддерживающих дисковых накопителей, системной платы контроллера и нескольких плат цифровой обработки сигналов. Система оснащена графическим пользовательским интерфейсом, снабженным библиотекой нескольких сотен аудио устройств. Объем этой библиотеки таков, что пользователь может создавать практически любую мыслимую аудиосистему. Пользователь просто выбирает необходимые устройства из библиотеки и «прокладывает» их на отображаемую компьютером поверхность дисплея и управления.

Аналоговые сигналы принимаются или передаются во внешний мир через поддерживающие аппаратные аналоговые выходы. Аналогичным образом, цифровые сигналы принимаются или передаются во внешний мир через поддерживающие аппаратные блоки CobraNet®. Сетевая связь в реальном времени и управление цифровыми аудио сигналами осуществляется через 10 / 100Base T Ethernet, а также аппаратный интерфейс CobraNet®.

Чтобы создать полную систему, пользователю требуется только источник оригинального аудио сигнала или источники в аналоговой или цифровой форме, а также необходимые усилители мощности и динамики.

Система MediaMatrix® стала первым жизнеспособным процессором виртуальной звуковой системы. Эта система также показывает внутреннюю диагностику и возможность расширения до почти любого требуемого размера. Ее можно использовать в нашем примере простой системы, как показано на рисунке 25-5, но что более важно, она также может использоваться для удовлетворения всех потребностей в аудиосистеме гигантской международной системы аэропортов, а также любых систем между ними.

Следуя Peavey, теперь другие производители предлагают свои версии виртуальных звуковых процессоров.

Хотя в настоящее время это не является обычным явлением, но в недалеком будущем аналого-цифровое преобразование будет происходить в системных микрофонах, причем эти сигналы передаются непосредственно системному микшеру или процессору виртуальной системы с помощью оптических кабелей, что делает систему иммунной как для гула, так и для радиочастотного вмешательства.

25.3. Соединения устройств.

Теперь мы рассмотрим соединение устройств, требуемое в различных методах обработки системы молельного дома, о которых говорилось выше. В ходе этого мы будем определять методы проводки, технологии подключения и стандарты связи, которые будут предметом подробного последующего обсуждения. Для микрофонов обычно требуется экранированная схема витой пары. В стационарных установках это обычно представляет собой короткий гибкий кабель, прикрепленный к микрофону с помощью женского разъема XLR-3. Этот кабель, в свою очередь, оканчивается соединительным разъемом XLR-3, который вставляется в стенную или напольную розетку, снабженную гнездом XLR-3. Сам микрофонный кабель должен быть очень гибким и без трибоэлектрических эффектов. Обычно это достигается за счет использования плетеного сетчатого экрана над изолированной витой парой, при этом комбинация покрывается тканой тканью. Эта структура, в свою очередь, покрыта резиновой или неопреновой изолирующей рубашкой. Из первого приемного гнезда микрофонный контур продолжается в канале до второго гнезда, установленного вблизи места расположения микшера. Проводка внутри этого кабеля обычно представляет собой изолированную витую пару, покрытую алюминиевой фольгой и дренажной проволокой. Эта покрытая фольгой пара, в свою очередь, заключена в оболочку изолирующей рубашкой. Второе гнездо оснащено мужским разъемом XLR-3. Короткий кабель, аналогичный кабелю, подключенному к микрофону, завершает схему на входе микшерного пульта. Необходимо обратить внимание на методы заземления, используемые в этой схеме.

При первоначальной обработке на рис. 25-2 и ее варианте на рис. 25-3 все сигналы в соединительных звеньях являются аналоговыми. Все схемы сбалансированы, за исключением того, что связано с проводкой громкоговорителя. Проводка громкоговорителя может быть или не быть сбалансированной в зависимости от деталей конструкции выхода усилителя. Выходной разъем аналогового микшера представляет собой мужской XLR-3, в то время как входной разъем к эквалайзеру может быть женским XLR-3, винтовыми клеммами на барьерной полоске или входами клеммной колодки типа "Euro". Выход эквалайзера может иметь такое же разнесение разъемов, только XLR-3 могут быть мужскими, а не женскими. Этот массив возможностей подключения, вероятно, повторяется в блоке сигнальной задержки. Усилители мощности будут иметь аналогичный выбор входных соединений, в то время как возможности выходного соединения могут быть связующими стойками, винтовыми клеммами на барьерной полосе, или разъемами громкоговорителей Neutrik. Сбалансированные цепи, связывающие соединения, более чем вероятно, будут использовать витую пару с фольгой из того же типа, что и в микрофонном кабелепроводе. Основное соображение в проводке громкоговорителей - общее сопротивление провода по сравнению с импедансом, создаваемым нагрузкой громкоговорителя. Это верно по двум причинам. Во-первых, когда усилитель напрямую управляет громкоговорителем, ток в цепи, I, является общим для сопротивления проводки, R_w, и импеданса громкоговорителя, Z_l. В этом случае на любой конкретной частоте можно записать следующие средние отношения мощности:

где, P_t - полная средняя мощность, φ - угол импеданса громкоговорителя.

Реальная часть импеданса громкоговорителя определяется:

Тогда доля полной средней мощности, которая подается на громкоговоритель, равна:

Уравнение 25-3 ясно указывает, что для обеспечения большей мощности громкоговорителя сопротивление проводки должно быть небольшим по сравнению с реальной частью импеданса громкоговорителя. Таким образом, для длинного прогона проволоки требуется проволока большого диаметра для поддержания достаточно малого сопротивления проводки. Во многих случаях, особенно при работе с большими мощностями, вместо использования провода большого диаметра, более экономично использовать повышающий трансформатор на выходе усилителя и понижающий трансформатор в месте расположения громкоговорителей. В таких случаях сопротивление проводки сравнивается с преобразованной реальной частью импеданса громкоговорителя, которая в настоящее время в n² раза больше, чем раньше, n - отношение числа витков первичной обмотки трансформатора к числу витков вторичной обмотки понижающего трансформатора. Значения общего напряжения, используемые в таком применении, составляют 70,7 V, 100 V и 200 V. Экранированный кабель для проводки громкоговорителей не требуется, и на самом деле нежелателен. Однако проводка громкоговорителей высокого напряжения должна содержаться в кабелепроводе, чтобы соответствовать требованиям электрического кода. Во-вторых, громкоговорители сконструированы с допущением, что сопротивление приводного источника незначительно по сравнению с номинальным импедансом громкоговорителя. Современные сопротивления источника усилителя мощности, безусловно, соответствуют этому требованию, но сопротивление источника, наблюдаемое громкоговорителем, соответствует сопротивлению усилителя, плюс проводка громкоговорителя. Большое значение сопротивления источника, как это видит громкоговоритель, будет пагубно сказываться как на отклике устойчивого состояния громкоговорителя, так и, в частности, на его переходном отклике. По этой причине, прямое подключение усилителя мощности и громкоговорителя требует проводку с низким сопротивлением. Проводка с более высоким сопротивлением допустима в системах с высоким напряжением, так как громкоговоритель видит сопротивление, равное сопротивлению проводки, деленному на n².

Системные обработки на рис. 25-4 и 25-5 требуют подключения цифровых сигналов. Для этих соединений требуются специальные кабельные протоколы и протоколы связи. Передаваемые цифровые сигналы требуют значительно большей пропускной способности (полосы пропускания), чем это требуется для аналоговых аудио сигналов. Одним из следствий этого увеличения требований к пропускной способности является то, что длительные межсоединения должны рассматриваться как линии передачи. Линия передачи для правильной работы должна иметь четко определенный характеристический или волновой импеданс и должна быть надлежащим образом завершена, чтобы предотвратить отражения. Следующие страницы посвящены требованиям заземления и экранирования соединений аналогового аудио сигнала и подробному обсуждению стандартов связи, протоколов и структур кабелей, необходимых для передачи цифрового аудио сигнала.

25.4. Типы схем аналогового межсоединения.

Существуют в основном два типа аналогового соединения или схемы связи. Схема связи обозначается как сбалансированная или несбалансированная. Схема связи в профессиональных аудиосистемах должна быть сбалансирована с очень небольшими исключениями. Одним из таких исключений является мощностная схема громкоговорителей, которая может быть сбалансированной или несбалансированной. Другое исключение возникает, когда должны быть приняты меры для принятия сигналов от несбалансированных источников музыкальных инструментов, а также для потребительской или непрофессиональной аудиоаппаратуры, такой как проигрыватели компакт-дисков и т. д.

25.4.1. Сбалансированные схемы.

Сбалансированная схема в ее простейшей форме состоит из двух проводников, симметричных относительно земли. Симметрия относительно земли требует, что измеренный импеданс между каждым проводником и землей должен приводить к тому же значению импеданса. Одним из следствий этого требования является то, что напряжение сигнала, измеренное между проводником и землей, будет иметь амплитуду, равную половине амплитуды общего напряжения сигнала, измеренную между проводниками. Кроме того, полярности двух линейных напряжений относительно земли противоположны. Эта ситуация изображена на рис. 25-6.

Рисунок 25-6. Базовая балансная схема.

На рис. 25-6 v_s представляет собой генератор напряжения сигнала, зависящего от времени, имеющего собственный внутренний импеданс или импеданс источника, а Z_l представляет собой завершающий импеданс нагрузки для сбалансированной схемы. Виртуальные импедансы Z_g представляют собой индивидуальные импедансы между линией и землей, измеренные с напряжением сигнала, равным нулю, и с импедансом источника и завершающим импедансом нагрузки на месте. Соединение земли в середине двух Z_g заставляет эту точку всегда находиться в потенциале земли. Напряжение между верхним проводником и землей будет v / 2, а напряжение между нижним проводником и землей будет -v / 2. То есть два напряжения равны по величине, но противоположны по полярности.

Одним из основных атрибутов сбалансированной схемы является ее способность отклонять синфазные напряжения (common mode voltages). Слово "отклонение, rejection", используемое здесь, означает, что синфазные напряжения не будут вызывать ток в импедансе нагрузки Z_l. Напряжение общей моды - это то, где при отсутствии напряжения сигнала vs, как верхний проводник, так и нижний проводник будут отображать одинаковые напряжения, измеренные относительно земли. Такие напряжения прибавляют к нулю при суммировании по всему контуру цепи и, следовательно, не создают ток в завершающем импедансе. Есть случаи, когда в схему преднамеренно вводится напряжение общей моды. Одним из таких случаев является обеспечение напряжения поляризации для конденсаторных микрофонов (фантомное питание). Читатель отсылается рис. 17-27 и 17-28 главы 17 "Микрофоны", раздел 17.8 для примеров схем и обсуждения этого применения.

25.4.2. Сбалансированные схемы и восприимчивость к EMI.

Даже если исключить схемы мощностного подключения громкоговорителей, аналоговые схемы соединения аудио сигналов призваны обрабатывать огромный диапазон уровней напряжения. Только микрофонные сигналы имеют нормальные уровни рабочего напряжения, которые варьируются от -80 dBV до -20 dBV. Так называемые источники линейного уровня могут иметь нормальные значения от -20 dbV до + 4 dBV, в то время как уровни выходного сигнала микшера могут достигать +20 dBV или более. Электрические шумы любого типа, возникающие в микрофонных цепях, являются особенно трудными из-за большой степени усиления напряжения, применяемого к таким схемам.

Схемы соединения, которые обычно работают на более высоких уровнях, также должны быть защищены от электрического шума. Во всем программном материале есть спокойные времена и паузы. Можно поразиться, как громкость гула 100 mV, 60 Гц, измеренная на выходе басового усилителя, может звучать так, как будто воспроизводится через эффективную систему громкоговорителей в тихом зале. Даже несмотря на то, что сбалансированные схемы по своей сути отклоняют сигналы синфазного режима, введенные ли преднамеренно или, введенные при определенных условиях, в результате электромагнитных помех (EMI), в целом, такие схемы невосприимчивы к EMI.

В качестве примера предположим, что физическая геометрия схемы связывания аналогична чертежам на рисунке 25-6. В этом случае есть два длинных параллельных проводника, изолированных друг от друга, так что между проводниками существует небольшое, но конечное расстояние, при этом весь контур образует удлиненный тонкий замкнутый контур. Предположим далее, что поблизости есть кабельная проводка переменного тока, содержащая свободно разделенные силовые проводники, причем кабельная проводка проложена примерно в том же направлении, что и схема соединения. Там будет около 60 Гц переменного магнитного поля вблизи линии связи. Любой чередующийся магнитный поток, который проникает в область, определяемую внутренней частью цепи связи, будет индуцировать ЭДС в цепи связи, которая подчиняется закону Ленца. Эта индуцированная ЭДС будет приводить к циркулирующему току в цепи связи, который попытается противодействовать внешнему изменению потока, который привел к его возникновению. Несчастливым результатом является то, что индуцированное напряжение не является синфазным напряжением, а имеет тот же характер, что и желаемое напряжение сигнала. Напряженное напряжение будет сочетаться с сигнальным напряжением, при этом комбинация двух появляется на нагрузке Z_l. Линия электропередачи также является близким источником других компонентов шума. Форма сигнала 60 Гц не является чистой синусоидой, и поэтому всегда будут присутствовать более высокие частотные гармоники, такие как 120, 180, 240 Гц и т. д.

Кремниевые выпрямители или аналогичные устройства, используемые в регуляторах освещения и диммерах, вводят на линии электропередач периодические затухающие радиочастотные колебания, которые также могут индуцировать шумовые сигналы в примере нашей схемы связи.

В наше время наше звуковое оборудование постоянно купается в море электромагнитного излучения. В дополнение к обычным коммерческим передачам AM, FM и ТВ мы теперь имеем сотовые телефоны, радиостанции связи, беспроводные микрофоны и множество других электронных устройств, все из которых являются источниками электромагнитных волн, которые могут привести к электромагнитным помехам. В этом случае должны быть полезными несколько слов о природе электромагнитных волн.

25.4.3. Краткое описание электромагнитных волн.

Волна любого типа представляет собой физическое возмущение, распространяющееся с характерной скоростью, так что возмущение является функцией, как положения, так и времени. В случае звуковых волн в воздухе возмущение представляет собой изменение акустического давления и скорости частиц, происходящих вдоль направления распространения, и, следовательно, называется продольной волной. Акустическое давление называется скалярной величиной, так как оно не имеет никакого направления. Скорость частицы представляет собой векторную величину, имеющую как величину, так и направление. Скорость частицы колеблется взад и вперед вдоль направления распространения волны.

Звуковые волны, конечно, переносят акустическую энергию. В отличие от звуковых волн в воздухе, электромагнитные волны являются поперечными. Возмущение включает в себя две векторные величины, находящиеся под прямым углом друг к другу в пространстве, причем пара, в свою очередь, находится под прямым углом к ​​направлению распространения возмущения. Одна из этих векторных величин называется напряженностью электрического поля или E, а другая называется напряженностью магнитного поля или B. Если бы волна существовала в воздухе или в вакууме и состояла из одной частотной составляющей, то и E, и B подвергались синусоидальным колебаниям в фазе вдоль их соответствующих направлений. Третья векторная величина, называемая вектором Пойнтинга или S, может быть вычислена из E и B. Вектор S всегда указывает направление распространения и, следовательно, всегда перпендикулярен, как E, так и B. Физическая значимость S - это интенсивность волны или энергия на единицу площади за единицу времени, которая переносится волной. Электромагнитные волны могут свободно распространяться в пространстве и в воздухе, где единственной потерей является нормальное сферическое распространение с расстоянием. Величина скорости волны в воздухе почти такая же, как в вакууме, для которой значение очень близко к 3 × 10⁸ м/сек.

Электромагнитные волны могут также направляться проводниками, такими как на линии передачи или внутри полых проводящих труб, которые на самом деле называются волноводами. Скорости распространения для управляемых волн обычно составляют от 60% до 70% от величины скорости распространения в свободном пространстве. В управляемых условиях сферическое распространение отсутствует, но существует затухание из-за тепловых потерь в проводниках. Электромагнитные волны могут также распространяться через другие материальные среды как изоляционные, так и проводящие. Скорость распространения в изоляторах обычно составляет 80% от значения свободного пространства, а волны обычно немного ослаблены. Скорость распространения внутри хороших проводников, таких как медь, резко снижается по сравнению с условиями свободного пространства.

Например, на частоте 10⁶ Гц электромагнитная волна, распространяющаяся внутри медной плиты, будет иметь скорость распространения около 400 м/секунду. Это немного больше, чем скорость звука в воздухе! Кроме того, электромагнитная волна, распространяющаяся внутри хорошего проводника, быстро ослабляется, как мы скоро обнаружим. Обычное волновое соотношение между частотой, длиной волны и скоростью распространения (λf = c) также применимо к электромагнитным волнам, если используется соответствующая скорость для рассматриваемых условий или среды.

В отличие от звуковых волн в воздухе электромагнитные волны могут быть линейно поляризованы. Ось поляризации - ось электрического поля. На рисунке 25-7 показана взаимосвязь между векторами полей для четырех разных обстоятельств.

Рисунок 25-7. Случаи, иллюстрирующие взаимосвязь между векторами полей для разных поляризаций и направлениями распространения.

В каждом случае на рис. 25-7 векторы полей образуют взаимно перпендикулярный набор. В A и B поляризация вертикальная, E осциллирует вдоль вертикальной оси, а B - в горизонтальной плоскости. В A волна движется вправо вдоль горизонтали, а в B - влево вдоль горизонтали. В C и D поляризация горизонтальна, а E осциллирует вдоль горизонтальной оси, а B - вдоль вертикальной оси. В C волна движется влево вдоль горизонтали, а в D волна движется вправо вдоль горизонтали.

Когда электромагнитная волна встречает граничную поверхность или изменение среды, то часть волны отражается, а другая часть передается на поверхность или в новую среду. Детали этого процесса зависят от ряда факторов. Этими факторами являются угол падения на поверхности, поляризация волны, толщина второй среды и электрические и магнитные свойства отражающей поверхности или среды. Особое значение имеет то, является ли отражающий материал электрическим проводником или электрическим изолятором. Высокопроводящие материалы, которые достаточно толстые, отражают большую часть падающей электромагнитной энергии, особенно когда направление распространения падающей волны перпендикулярно поверхности. Небольшая часть волны, не отраженная проводником, передаваемой частью, ослабляется, когда она все глубже и глубже проникает внутрь проводника. Затухание напряженности поля, как электрической, так и магнитной, по мере прохождения проходящей волны в проводящий материал задается формулой:

где, A - безразмерный коэффициент затухания, x - глубина проникновения в m, e - основание натурального логарифма, δ - глубина скина.

Глубина скина, δ, представляет собой проникновение в проводящий материал, при котором коэффициент затухания становится e^-1 или 0,368. Для всех практических целей поля полностью ослаблены, пройдя расстояние до десяти глубин скина внутри проводника. Для хорошего проводника, такого как медь, глубина скина определяется:

где, f - частота в Гц, μ - магнитная проницаемость в H/m, σ - электропроводность в siemen/m.

Частотная зависимость глубины скин-слоя, когда проводящий материал представляет собой медь, показана на рис. 25-8.

Рисунок 25-8. Глубина скина, как функция частоты для меди.

В таблице 25-1 представлена ​​таблица значений глубины скин-слоя для меди на нескольких выбранных частотах.

Таблица 25-1. Значения глубины скина.

25.4.4. Экранирование.

Рассмотрим задачу полного экранирования схемы рис. 25-6 от вредного влияния электромагнитных волн. Это может быть достигнуто путем герметизации всей цепи в коробке из меди или другого хорошего металлического проводника. Если стенки короба имеют толщину до 10 глубин скина для рассматриваемого проводящего материала на всех частотах, которые могут быть встречены, тогда произойдут две вещи. Во-первых, большая часть электромагнитной энергии, падающей извне, будет отражена на внешних поверхностях коробки. Во-вторых, слабая передаваемая энергия остаточной волны будет полностью поглощаться в виде тепла в стенках коробки до того, как произойдет проникновение полной толщины стенки. Единственной волновой энергией внутри коробки будет только сигнал, который управляется проводниками, составляющими сбалансированную цепь. Прочтение уравнения 25-5, рис. 25-8 и таблицы 25-1 показывает, что при 60 Гц для медного экрана толщина стенки должна превышать примерно 10 раз по 8 мм, 80 мм или около 3 дюймов. Это действительно было бы дорогостоящим и непрактичным решением.

Цель, конечно, состоит в том, чтобы сделать симметричную схему нечувствительной к воздействию внешних полей, которые могут генерировать петлю в отличие от синфазных напряжений в сбалансированной цепи. Вместо формирования схемы из пары параллельных проводников, имеющих небольшое, но конечное расстояние между ними, схема должна быть сформирована из плотной витой пары проводников, как показано на рисунке 25-9.

Рисунок 25-9. Витая пара подвергается воздействию изменяющегося во времени магнитного поля.

Этот рисунок, а также следующее обсуждение, впервые представлены ​​в главе 17 «Микрофоны» и здесь повторяются для удобства. На рисунке 25-9 представьте, что витая пара проводников реплицируется как вправо, так и влево, чтобы сформировать расширенный контур, содержащий много витков с небольшим, но равномерным расстоянием между витками. Представьте себе также, что в непосредственной близости магнитное поле мгновенно направляется на фигуру, как указано X, и что напряженность поля со временем возрастает.

Изучите два замкнутых пути, как показано кружками. Согласно закону Ленца, индуцированное напряжение, действующее в петлях, имеет смысл, обозначенный стрелками. Теперь посмотрите на белый проводник в левом верхнем углу, индуцированное напряжение в этой части проводника действует в направлении стрелки, прилегающей к нему. Сравните это с индуцированным напряжением в белом проводнике в нижнем правом углу, в котором индуцированное напряжение действует в противоположном направлении.

Тот же анализ, примененный к двум аналогичным сегментам черного проводника, дает одинаковые результаты. В области транспонирования напряжение не индуцируется, так как стрелки в смежных кругах направлены противоположно. На практике магнитное поле чередуется, но по мере того, как оно меняет свое направление роста, индукция в петлях также меняет направление, а сетевое напряжение, индуцированное в транспонированных проводниках, остается на нуле. Полное отключение напряжения петли произойдет, если сущес