ШУМ

ШУМ

       

беспорядочные колебания разл. физ. природы, отличающиеся сложностью временной и спектр. структуры. Под акустич. Ш. понимают разного рода нежелат. помехи восприятию речи, музыки и т. д. Источниками акустич. слышимого и неслышимого Ш. могут быть любые колебания в тв., жидких и газообразных средах; осн. источники — разл. двигатели и механизмы.

Ш. играет существ. роль и во мн. областях науки и техники: оптике, радиотехнике, радиолокации, радиоастрономии, теории информации, вычислит. технике, медицине и др. Радиоэлектронные Ш.— случайные колебания токов и напряжений в радиоэлектронных устройствах, возникающие в результате неравномерной эмиссии эл-нов в электровакуумных приборах (напр., дробовой шум), неравномерности процессов генерации и рекомбинации носителей тока в ПП приборах, теплового движения носителей тока в проводниках (тепловой шум, (см. ФЛУКТУАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ), теплового излучения Земли и земной атмосферы, а также планет, Солнца, межзвёздной среды и т. д. (шумы космоса). Ш. ограничивает чувствительность радиоприёмной аппаратуры.

Ш., независимо от физ. природы, отличается от периодич. колебаний случайным изменением мгновенных значений величин, характеризующих данный процесс.

Часто Ш. представляет собой смесь случайных и периодич. колебаний. Для описания Ш. и их источников применяют разл. матем. модели в соответствии с их временной, спектр. и пространств. структурой. Для количеств. оценки Ш. пользуются усреднёнными параметрами, определяемыми на основании статистич. законов, учитывающих структуру Ш. в источнике и св-ва среды, в к-рой он распространяется. Ш. подразделяются на статистически стационарные и нестационарные. Стационарный Ш. характеризуется постоянством ср. параметров: интенсивности (мощности), распределения интенсивности по спектру (спектр. плотность), автокорреляционной функции (среднее по времени от произведения мгновенных значений двух Ш., сдвинутых друг относительно друга на время задержки). Практически наблюдаемый Ш., возникающий в результате действия мн. отд. независимых источников (напр., Ш. толпы людей, моря, производств. станков, Ш. на выходе радиоприёмника и др.), явл. квазистационарным. Ш. с медленно меняющимися параметрами или длящийся короткие промежутки времени (меньше, чем время усреднения в измерит. устройствах) явл. нестационарным. К таким Ш. относят, напр., уличный шум проходящего транспорта, отд. стуки в производств. условиях, модулированный Ш. в радиоустройствах.

Исследование акустич. Ш. преследует разнообразные цели: изучение источников Ш. для уменьшения их вредного воздействия на человека и на разл. системы; изыскание способов и средств наилучшего (оптимального) обнаружения, приёма и измерения параметров слабых сигналов в присутствии Ш.; повышение точности измерений в аналоговых и цифровых устройствах обработки информации и др. Для измерения хар-к Ш. применяются шумомеры, частотные анализаторы, коррелометры и др.

В ряде случаев Ш. используются как источник информации. Напр., в военно-мор. технике по Ш., создаваемому на ходу подводными лодками и надводными кораблями, их обнаруживают и пеленгуют; в радиоастрономии по Ш. в определ. диапазонах частот исследуют радиоизлучение звёзд и др. косм. образований. Шумоподобные сигналы применяются в радио- и акустич. технике для разл. измерений. В речи встречаются согласные, к-рые по своим свойствам явл. шумовыми.

Качеств. особенности ощущения при восприятии акустич. Ш. органами слуха и организмом в целом зависят от его интенсивности (см. ГРОМКОСТЬ ЗВУКА) и спектр. состава. Для предотвращения вредного действия акустич. Ш. на организм человека предпринимают ряд организац., техн. и медицинских мер, устраняют или ослабляют причины, порождающие Ш. на месте его образования, предотвращают его распространение от источников Ш. и др. Кроме вредного воздействия Ш. на человека, известно благотворное, успокаивающее влияние на него акустич. Ш., напр. Ш. мор. прибоя, Ш. леса.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ШУМ

- беспорядочные колебания (флуктуации )разл. физ. природы, отличающиеся сложной временной и спектральной структурой. В радиоэлектронике под Ш. принято понимать любые нежелательные возмущения, как правило, аддитивно накладывающиеся на полезный сигнал и искажающие его передачу, приём или индикацию. В зависимости от физ. природы Ш. подразделяются на акустические и электрические.

Акустический шум. Источником акустич. Ш. могут быть любые нежелательные механич. колебания в твёрдых, жидких и газообразных средах. Различают механич. Ш., вызываемый вибрацией, соударениями твёрдых тел (Ш. станков, машин и т. п.); аэро- или гидродинамич. Ш., возникающий в турбулентных потоках газов или жидкостей в результате флуктуации давления (напр., Ш. в струе реактивного двигателя); термодинамич. Ш., обусловленный флуктуациями плотности газа (напр., в процессе горения), а также резким повышением давления (напр., при взрыве, электрич. разряде); кавитац. Ш., связанный с захлопыванием газовых полостей и пузырьков в жидкостях ( кавитаций). Акустич. Ш. (напр., авиац. и ракетных двигателей) - источник НЧ-помех в работе радиоэлектронных устройств и одна из причин нарушения их работоспособности. В ряде случаев акустич. Ш. служит источником информации, т. е. выполняет роль сигнала. Так, по Ш. подводных лодок и надводных судов осуществляют их пеленгацию; шумопо-добные сигналы используются в радиоэлектронике для разл. измерений.

Электрический шум. К электрич. Ш. относятся нежелательные возмущения токов, напряжений или напряжённо-стей эл.-магн. полей в радиоэлектронных устройствах. Различают Ш. регулярные (т. е. детерминированные, предсказуемые) и флуктуационные (случайные, непредсказуемые). Примеры регулярных Ш.- фон перем. тока цепей питания радиоэлектронных устройств; посторонние по отношению к рассматриваемому устройству ВЧ-помехи. Примеры флуктуац. Ш.- электрич. Ш., обусловленные неравномерной эмиссией электронов в эл.-вакуумных приборах (дробовой Ш.), неравномерностью процессов генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводниковых приборах, тепловым движением носителей заряда в проводниках (тепловой Ш.), тепловым излучением Земли, земной атмосферы, Солнца и т. д.

По положению источника Ш. относительно рассматриваемого устройства электрич. Ш. подразделяются на внешние и внутренние (собственные). По происхождению Ш. подразделяются на естественные и технические. Естеств'. Ш. обусловлены дискретным строением вещества и статис-тич. характером протекающих в нём явлений. К таким явлениям относятся тепловые движения носителей заряда, процессы рекомбинации, ионизации, прохождение частиц через потенц. барьер и т. п. Примеры естеств. Ш.: собственные тепловые флуктуации тока в проводниках; тепловые флуктуации внеш. эл.-магн. излучения, поступающего в антенну радиоприёмного устройства; дробовой Ш. в электровакуумных приборах (ЭВП). В силу статистич. характера процессов, порождающих естеств. Ш., такие Ш. принципиально неустранимы. Техн. Ш.- следствие кон-структивно-технол. несовершенства радиоэлектронных устройств. К таким Ш. относятся, напр., Ш. токорас-пределения в ЭВП, фон перем. тока цепей питания, Ш. вторичной электронной эмиссии, контактные, вибрац. Ш. Вредное влияние техн. Ш. на качество работы устройства может быть устранено или значительно ослаблено конструктивными и технол. приёмами.

Наиб, важное значение в радиоэлектронике имеют собств. флуктуац. Ш., определяющие шумовую температуру или шума коэффициент активных и пассивных четырёхполюсников. При наличии таких Ш. разл. физ. величины (ток, разность потенциалов и др.) являются случайными процессами, т. е. такими ф-циями времени x(t), значения к-рых при каждом ? случайны (непредсказуемы). Неслучайная составляющая процесса x(t )получается статистич. усреднением x(t )по множеству возможных х при Разность наз. флуктуацией величины x(t) или, если -полезный сигнал, флуктуацион-ным Ш. Важнейшей энергетич. характеристикой флуктуац. Ш., необходимой при их теоретич. и эксперим. описании, является спектральная плотность III., к-рая вводится след. образом. Пусть -случайная ф-ция частоты w, связанная с преобразованием Фурье

- ф-ция, комплексно сопряжённая . Тогда спектральная плотность флуктуациина частоте w может быть определена из равенства где -дельта-функция Дирака; горизонтальная черта над произведением слева означает усреднение по множеству значений

К наиб. распространённым разновидностям естеств. электрич. Ш. в радиоэлектронных устройствах относятся тепловой, дробовой и фликкерный Ш. Тепловой Ш. в электрич. цепях обусловлен хаотическим тепловым движением носителей заряда (электронов проводимости) в ме-таллич. проводниках. Тепловой III. приводит к флуктуации напряжения U на зажимах проводника (двухполюсника). Эти флуктуации представляют собой стационарный случайный процесс, подчиняющийся Гаусса распределению. Спектральная плотность напряжения теплового Ш. связана с импедансом двухполюсника и его темп-рой T след, соотношением (Найквиста формула):
где k- постоянная Больцмана, Re - обозначение вещественной части комплексного импеданса двухполюсника (т. е. его активного сопротивления). Хотя тепловой UI. возникает только в элементах, обладающих активным сопротивлением, наличие реактивных элементов в двухполюснике может изменить спектр флуктуации. Ф-лу Найквиста можно применять к системам с распределёнными параметрами, если такую систему представить эквивалентной квазистационарной цепью. Так, при расчёте собственных тепловых Ш. в антенне (без учёта потерь) в ф-ле Найквиста под понимают сопротивление излучения, а под T -его эфф. темп-ру. На практике вообще широко используется представление любого шумящего двухполюсника в виде эквивалентного резистора с соответствующей ему шумовой эдс и шумовой темп-рой или мощностью Ш.

Дробовой Ш.- специфич. и наиб. важный вид внутр. естеств. III. в электронных приборах. В ЭВП он возникает на поверхности катода вследствие статистич. характера эмиссии электронов и дискретности их заряда. Спектральная плотность тока катода дробового Ш. при работе ЭВП в режиме насыщения определяется соотношением (Шоттки формула) , где е -заряд электрона, I _о - постоянная составляющая тока. Спектр дробовых Ш. флуктуации анодного тока, обусловленных дробовым Ш. тока катода, равномерен до весьма высоких значений частот (на к-рых становится существенной конечность времени пролёта электрона от катода к аноду). В силу теплового разброса скоростей эмитируемых электронов дробовой Ш. всегда сопровождается флуктуациями не только тока, но и др. характеристик электронного потока. Электрич. Ш., родственные дробовому Ш. в ЭВП, наблюдаются и в полупроводниковых приборах. В последних различают III., вызванные дрейфом носителей заряда, и Ш., вызванные диффузией носителей заряда.

Фликкерный Ш. в ЭВП связан с неравномерным изменением эмиссионной способности отд. участков поверхности катода вследствие неравномерного изменения активности эмитирующего слоя (мерцания эффект), в полупроводниковых приборах - с процессами генерации

и рекомбинации носителей заряда в приповерхностных и приконтактных областях полупроводника или в оксидном слое на его поверхности, происходящими на т. н. медленных центрах рекомбинации. Фликкерный Ш. относится к НЧ-шумам; спектральная плотность тока фликкер-ного Ш. пропорциональна ,где коэф. (определяются экспериментально). Причины фликкерных Ш. весьма сложны и разнообразны; их общая теория ещё не разработана (1990).

Лит.: Давенпорт В. Б.. Рут В. Л., Введение в теорию случайных сигналов и шумов, пер. с англ., M., 1960; Харкевич А. А., Борьба с помехами, 2 изд., M., 1965; Шумы в электронных приборах, пер. с англ., M.-Jl., 1964; Ван дер Зил А.. Шум, пер. с англ., M., 1973; Суходоев И. В.. Шумы электрических цепей. (Расчет), M., 1976; Введение в статистическую радиофизику, ч. 1-Рытов С. M., Случайные процессы. M., 1976; Робинсон Ф. H. X.. Шумы и флуктуации в электронных схемах и цепях, пер. с англ., M., 1980; Букингем M.. Шумы в электронных приборах и системах, пер. с англ., M., 1986. В. В. Сапрынскнй.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.