Безэховая камера

Акустическая безэховая камера

Акустическая безэховая камера, общий объём — 2000 м³, полезный объём — 1000 м³. Университет Дрездена, Германия

Безэ́ховая ка́мера (БЭК) — помещение, в котором не возникает эхо. Безэховые камеры бывают:

• акустические — в них не возникает отражения звука от стен
• радиочастотные — не возникает отражения радиоволн от стен

Обычно такие камеры конструируют так, чтобы они ещё и изолировали камеру от внешних сигналов (акустических или радиочастотных). Всё это позволяет производить измерения сигнала, пришедшего непосредственно от источника, исключив отражения от стен и шум извне, сформировав таким образом нахождение источника в свободном пространстве.

Стены, потолок и пол таких камер покрыты материалом, поглощающим соответствующие волны.

Акустические безэховые камеры

Безэховые камеры обычно используются в акустике для имитации неограниченного пространства, в котором ушедшие от источника звуковые волны никогда не возвращаются обратно. В таких камерах проводят измерение (построение) диаграмм направленности излучения (или чувствительности) громкоговорителей (или микрофонов); изучают распределение шумов от промышленных изделий^[1].

Иногда в таких камерах проводят запись или прослушивание музыкальных произведений.

Поглотители звука

Используются пористые и волокнистые материалы (пенопласты, поропласты, войлок и т. п.).

В СССР меломаны иногда строили такие камеры, оклеивая стены комнаты рельефными поддонами (упаковкой для яиц), изготовленными из толстого рыхлого картона.

Радиочастотные безэховые камеры

Пирамидальные поглотители радиоволн

Внутреннее устройство радиочастотной камеры подобно акустической камере, однако для покрытия поверхностей вместо поглотителей звука используется радиопоглощающий материал (РПМ).

Радиочастотные камеры используются для построения диаграмм направленности излучения антенн, изучения электромагнитной совместимости и построения диаграмм ЭПР^[2]. Измерения могут проводиться на полноразмерных объектах, включая самолёты, либо на уменьшенных моделях (с соответствующим уменьшение длины волны излучения радара).

Радиочастотные безэховые камеры, использующие пирамидальные поглотители радиоволн из пористого материала, отчасти обладают свойствами акустических безэховых камер.

Покрытия для поглощения радиоволн (Радиопоглощающее покрытие (РПП))

Эти покрытия изготавливаются из РПМ и должны поглощать как можно больше радиоволн, приходящих со всех возможных направлений. Иначе, например, при измерениях электромагнитной совместимости и построении диаграмм направленности антенн возникнут ложные (отражённые) сигналы, неоднозначности в их интерпретации и в конечном итоге, ошибки.

Один из наиболее эффективных типов покрытия камер — решётки из пирамидо-образных кусков поглотителя. Ячейки в решётке могут временно извлекаться для размещения оборудования.

Чтобы быть эффективным поглотителем, РПМ не должен быть ни хорошим проводником, ни хорошим электрическим изолятором. Материал должен быть чем-то промежуточным так, чтобы радиоволны проникали в его толщу и затухали там. Типичная пирамида — поглотитель состоит из вспененного резиноподобного материала, содержащего точно подобранную смесь порошков графита и железа (на жаргоне радиоинженеров — «болото»).

Другой тип РПП — плоские ферритовые плитки, покрывающие все внутренние поверхности камеры. Этот поглотитель занимает меньше места, чем пирамидальные поглотители и его можно укладывать на хорошо проводящие поверхности. В общем, он более дёшев, легче монтируется и более долговечен, чем пирамиды, однако менее эффективен на низких частотах. Он применяется для измерений в микроволновом диапазоне.

Зависимость эффективности от частоты

Эффективность камеры определяется минимальной частотой излучения, при которой отражение от стенок начинает значительно превосходить отражение высокочастотных волн. Пирамидальные поглотители наиболее эффективны, когда нормально к плоскости их оснований на них падает излучение с длиной волны $\lambda$, а высота пирамид приблизительно равна $\lambda/4$. Соответственно, увеличение высот пирамид увеличивает эффективность камеры, но удорожает её и уменьшает внутренний рабочий объём.

Экранированное помещение

Радиочастотные безэховые камеры обычно размещают в помещениях, изолированных от внешних воздействий по схеме клетки Фарадея. Тот же самый экран предотвращает утечку радиоволн из камеры наружу.

Размер камер и работа с ними

При реальных испытаниях обычно требуется дополнительное помещение для размещения измерительного оборудования.

Размер самой камеры зависит от типа требуемых измерений. Например, критерий различия ближнего и дальнего поля излучателя устанавливает минимальное расстояние между антеннами передатчика и приёмника. В соответствии с этим и учитывая, что требуется пространство для размещения поглотителей излучения, расчётный размер камеры может оказаться очень большим. Для большинства фирм расходы по созданию большой безэховой камеры чересчур высоки, если только эта камера не используется постоянно. (Приходится прибегать к испытаниям на уменьшенных моделях).

Безэховые камеры должны удовлетворять соответствующим стандартам и должны сертифицироваться для проведения измерений.

Использование

Испытываемое и вспомогательное оборудование, размещённое в безэховой камере, должно содержать как можно меньше металлических (электропроводящих) поверхностей, которые могут вызвать нежелательные отражения радиоволн. Так, в качестве подставок для размещения оборудования часто используют пластмассовые или деревянные (без гвоздей) конструкции. Если от металлических поверхностей совсем избавиться невозможно, они покрываются РПМ для уменьшения отражения.

Требуется тщательная подготовка к проведению измерений, в частности, грамотное размещение измеряемого и измерительного оборудования.

Части тестируемого оборудования, нечувствительные к радиоволнам, могут быть расположены вне камеры. Это уменьшит количество оборудования в камере (которое может вызвать нежелательные отражения), однако потребует провода большого количества кабелей через оболочки камеры и установки большого числа фильтров. Ненужные кабели и плохие фильтры могут пропускать электромагнитные помехи внутрь камеры. Удовлетворительным компромиссом является размещение силового и терминального оборудования (human interface) (например, управляющих компьютеров) снаружи камеры, а чувствительного оборудования — внутри.

Для связи оборудования внутри и вне камеры особенно удобны световоды, не проводящие электрического тока и не отражающие радиоволны.

Целесообразно устанавливать электрические фильтры на кабелях питания для предотвращения проникновения радиоволн через границу камеры (извне или изнутри) или даже использовать автономное питание (аккумуляторы), размещённые в камере.

Техника безопасности

Опасными являются:

• люди:
  • воздействие на людей в камере,
  • воздействие людей в камере на результаты измерений,
• мощное электромагнитное излучение,
• повышенная пожароопасность.

Персонал обычно не должен находиться в камере во время измерений: человеческое тело может создать нежелательные отражения, а сам человек подвергнуться опасному воздействию радиоволн (как котлета в СВЧ-печи).

Из-за неисправности изоляции камеры электромагнитное излучение может выйти за её пределы и создать помехи работе множеству радиоэлектронных устройств, не имеющих никакого отношения к измерениям.

Так как РПМ эффективно поглощает радиоволны, на РПМ выделяется много энергии, превращающейся в тепло и покрытие может нагреться до температуры возгорания. Это представляет особую опасность при испытаниях радаров. Даже современные маломощные излучатели могут создавать остронаправленные потоки энергии (радиоволн), которые могут вызвать локальный перегрев поглотителя.

Требования пожаробезопасности требуют установки систем газового огнетушения, включающих дымовые извещатели. Газовое огнетушение позволяет избежать худших повреждений камеры, которые могут возникнуть при применении других огнегасителей. Обычно используется углекислый газ. Система пожаротушения, управляемая дымовыми извещателями, дополнительно автоматически отключает электропитание всех устройств, установленных в камере.

Примеры параметров

Стационарные БЭК имеют уровень безэховости^[3] до −40 дБ в диапазоне частот от 1 ГГц до 40 ГГц. Экранирование от внешних воздействий обеспечивает затухание электромагнитной энергии 60-120 дБ в диапазоне частот от 10 КГц до 100 ГГц.

Ссылки

• Pictures and description of an acoustic anechoic chamber (англ.)
• Anechoic Chambers, Past and Present (англ.) (pdf)

Примечания

1. ↑ Измерение шумов большого вентилятора («компрессора низкого давления») (англ.) (2 фото)
2. ↑ Эффективная Площадь Рассеяния (самолёта, ракеты, дипольного отражателя и т. п.)
3. ↑ Российский производитель радиочастотных БЭК.