Шум. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Шум

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 функциями 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 функция частоты w, связанная с

преобразованием Фурье

- функция, 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 напряжениятеплового Ш. связана с импедансом

двухполюсника и его температурой 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. температуру. На практике вообще широко используется представление любого шумящего двухполюсника в виде эквивалентного резистора с соответствующей ему шумовой эдс и шумовой температурой 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).

Литература по

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.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира