Скорость распространения радиоволн в воздухе: Урок 13. радиоволны и особенности их распространения — Естествознание — 11 класс — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Какая антенна нужна для Т2

Рис1. распределение спектра между различными службами

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек (рис.2), то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения.

Механизм возникновения электpомагнитной волны несколько сложнее, хотя его суть заключена в той же связи соседних участков поля, вследствие котоpой состояние одного участка поля с запаздыванием пеpедается дpугому, соседнему. Электpомагнитное поле описывается как бы «двумя полями»: электpическим Е и магнитным Н. Изменение во вpемени одного поля в окpестности данной точки, в котоpой оно pассматpивается, поpождает дpугое поле: изменение поля Е поpождает поле В и наобоpот. Пеpеменное во вpемени электpическое поле поpождает в соседних точках пеpеменное магнитное поле, в свою очеpедь пеpеменное магнитное поле в своей окpестности поpождает пеpеменное электpическое. Эти поpождения пpоисходят не мгновенно, а с опpеделенным запаздыванием, вследствие чего и создается электpомагнитная волна. Электpомагнитные волны относятся к классу попеpечных волн.

Рис.2. Волна на воде

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

1.Длина волны λ — наименьшее расстояние между двумя, точками, колеблющимися в одной фазе.

Волну, бегущую по поверхности воды, мы видим и при известной ловкости можем измерить ее длину. Длину же радиоволн можно измерить только с помощью специальных приборов или рассчитать математическим способом.

2. Период колебания волны Т— время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, т. е. время, за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь, равный длине волны λ.

3. Частота колебаний электромагнитного поля F— число колебаний поля в секунду. Частота волнового движения зависит только частоты источника электромагнитного излучения .

4. Скорость распространения волны С—скорость последовательного распространения волны от источника энергии (антенны). Скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (вакууме) постоянна и равна скорости света С= 300 000 км/с. Несмотря на такую высокую скорость, электромагнитная волна по линии Земля — Космос — Земля проносится за время 0,24 с. На земле радиотелевизионные передачи можно практически мгновенно принимать в любой точке. При распространении в реальном пространстве, например — в воздухе, скорость движения радиоволны зависит от свойств среды, она обычно меньше С на величину коэффициента преломления среды. Обобщенно скорость распространения волны зависит от вида вещества и его состояния, от частоты и длины волны не зависит.

5. Поляризация радиоволн. Свойство попеpечности электpомагнитных волн пpиводит к целому классу специфических явлений, именуемых поляpизацией. Поляризацией называется ориентировка вектора электрического поля Е волны относительно поверхности земли.

Радиоволны с вертикальным вектором электрического поля, называются вертикально поляризованными (V), a c горизонтальным — горизонтально поляризованными (H). Плоскость поляризации у последних волн горизонтальна, a вектор Н находится в вертикальной плоскости. Вид поляризации радиоволн определяется ориентировкой (положением) передающей антенны относительно поверхности земли. Как правило, все приемные телевизионные антенны реагируют только на электрическую составляющую электромагнитного поля.

Если передающая антенна расположена горизонтально над поверхностью земли, то электрические силовые линии поля также будут расположены горизонтально. В этом случае поле наведет наибольшую электродвижущую силу (ЭДС) в горизонтально расположенной приемной антенне. Следовательно, при Н поляризации радиоволн приемную антенну следует располагать горизонтально. При этом приема радиоволн на вертикально расположенную антенну теоретически не должно быть, так как наведенная в антенне ЭДС равна нулю. И наоборот, при вертикальном расположении передающей антенны приемную антенну также необходимо расположить вертикально, что позволит получить в ней наибольшую ЭДС. Практически очень трудно получить в чистом виде горизонтальную или вертикальную поляризацию радиоволн.

Всегда имеются составляющие радиоволн в любой плоскости. Для передачи телевизионных сигналов на земле применяются как горизонтальная, так и вертикальная поляризации излучаемых радиоволн. Однако предпочтение отдается горизонтальной поляризации, так как при распространении радиоволн в пространстве с множеством вертикальных, хорошо отражающих препятствий, например в городах (стены зданий, водосточные трубы, фонарные столбы и т. п.) или в лесу (деревья), к месту приема приходит больше отраженных волн, которые создают помеху основному сигналу. Вертикальная поляризация радиоволн применяется при густом расположении телевизионных передающих станций в данном географическом регионе и при работе их на близких или одинаковых, частотах. Использование электромагнитных волн объединило человечество в единый организм и освободило людей от географической зависимости.

Передача сигналов помогает распространять человеческие чувства, способности и действия с одного конца света на другой. Теперь мы знаем и понимаем, как и зачем происходит передача сигнала через передающую антенну в эфир от источника высокочастотной энергии (передатчика). Логически подошли к теме о приемных телевизионных антеннах. Радиоволны не могут быть обнаружены ни одним органом наших чувств. Но если на пути радиоволн встречается проводник, они отдают ему часть энергии. На этом явлении и основан прием радио телепередач. «Улавливание» энергии радиоволн осуществляется антенной. Отдавая антенне, часть электромагнитной энергии, радиоволны наводят в ней модулированные колебания высокой частоты. В приемнике происходят процессы, демодулирования обратные тем, которые происходят в студии и на передатчике.

Слово «антенна» пришло к нам из греческого языка. Греки называли антенной щупальца или усики насекомых. Приемная антенна — это тоже щупальца, которыми приемник захватывает из пространства энергию радиоволн. Чем больше энергии он получит от своей антенны, тем лучше будет качество принятого сигнала, а следовательно и изображение на экране телевизора, и звуковое сопровождение передачи будет приятно для Ваших органов чувств. Эти сигналы мы и принимаем на свои телевизоры с помощью телеантенны. Такой вид передачи телевизионных сигналов называется наземным или эфирным телевидением. Частоты сигналов несущих имеют строго оговоренные стандартом значения. Сигналы эфирного телевидения передаются при помощи ультракоротких радиоволн, сокращенно УКВ, в полосе частот от 48 до 862 МГц. Эта полоса частот условно разделена на 5 диапазонов, объединенных в две группы: — метровый или (VHF ), МВ (1-5), МВ2 (6-12) — дециметровый или ДМВ (по-английски UHF — Ultra High Freiquency),(21-69), на сегодняшний день именно в этом диапазоне идет вещание цифрового телевидения стандарта Т, Т2.

Соответственно при выборе антенны для Т2, нужно рассматривать антенны работающие в ДМВ (UHV) диапазоне. Из-за особенностей распространения ультракоротких радиоволн, качественный прием программ эфирного телевидения может осуществляться только в зоне прямой видимости между приемной и передающей антеннами, называемой зоной уверенного приема. В зависимости от рельефа местности и высоты передающей и приемных антенн эта зона обычно имеет радиус 60…80 км. Следует отметить, что это в большей мере справедливо для диапазона МВ. В диапазоне ДМВ обычно зона уверенного приема меньше, чем зона прямой видимости и, определяется в основном мощностью передатчика, вещающего в этом диапазоне. Для увеличения зоны уверенного приема на ее границе могут устанавливаться небольшие ретрансляционные телевизионные станции (ретрансляторы), которые принимают сигнал от телевизионного центра и после усиления передают его по другому телевизионному каналу в эфир. Радиус действия ретранслятора обычно оставляет 10…15 км. В этой зоне можно вести прием на обычную телеантенну.

Каким бы замечательным не был ваш телевизор, если у вас плохая антенна — хорошего качества изображения не получится.

Хорошо когда телевизионная вышка видна из вашего окна, и телевизор прекрасно работает с комнатной антенной, и даже с отрезком монтажного провода, подсоединенного к антенному гнезду. Чаще приходится принимать телепрограммы с помощью наружных коллективных или индивидуальных антенн. Конструкций антенн много. Большая часть из них — это разная модификация форм и соединений, разной длины отрезков трубок, полосок проволоки, поднятые высоко над землей. Антенны этих видов носят название наружные, так как они находятся снаружи зданий. Те же антенны, которые располагаются внутри зданий, называют комнатными или внутренними. Наружные антенны по приемным свойствам лучше внутренних.

Современный рынок предлагает огромную номенклатуру антенн эфирного телевидения, что за частую бывает очень трудно выбрать ту систему антенн, которая сумеет вытянуть из эфира все по максимуму и с хорошим качеством картинки на всех каналах. Мы поможем в этом и практически, и немного теоретически. На данное время существует четыре классических схемы построения антенн, а именно: антенны типа «волновой канал», логопериодические, рамочные и комбинированные всеволновые антенны. Которые в свою очередь по своим особенным конструктивным свойствам, отличаются один от одного основными характеристиками.

Основные характеристики антенн.

Рабочий диапазон частот (полоса пропускания) МВ, ДМВ — интервал частот, на который рассчитана приемная телевизионная антенна, в котором она будет работать, сохраняя свои основные параметры. За полосу пропускания принимается спектр частот (определяется принимаемыми телевизионными каналами), на границах которого мощность принятого сигнала уменьшается не более чем в два раза. Размеры антенны, определяющие её рабочий диапазон, рассчитываются исходя из средней частоты телевизионного канала, который необходимо принять. На самом деле антенна принимает сигналы с допустимым ослаблением частоты, в некотором диапазоне, который и называется рабочим. Если этот диапазон близок к 5 — 8 МГц (антенна рассчитана на прием одного канала), такую антенну называют узкополосной, одно-диапазонной. В случае, когда этот диапазон более широк, (антенна рассчитана на прием нескольких каналов), ее называют широкополосной или многодиапазонной.

ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ (ДН)

Диаграмма направленности показывает, как антенна принимает сигналы с разных направлений в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Так, антенна в виде вертикального штыря имеет в горизонтальной плоскости диаграмму направленности в форме круга, в центре которого находится сама антенна. Такая диаграмма является ненаправленной, так как принимает сигналы со всех сторон одинаково. Направленная антенна характеризуется наличием одного или нескольких лепестков диаграммы направленности, наибольший из которых называется главным.

Помимо главного лепестка диаграмма направленности обычно содержит задний и боковые, уровень которых значительно меньше уровня главного лепестка. Тем не менее и задний, и боковые лепестки диаграммы направленности ухудшают работу антенны, а потому нежелательны. Две антенны с одинаковым коэффициентом усиления могут иметь совершенно разные диаграммы направленности и поэтому такие антенны будут обладать разными приемными свойствами, в частности в условиях дальнего приема. В этих условиях сигнал приходит с линии горизонта, и диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости должна иметь главный лепесток, максимально прижатый к земле. Легко понять, что свойства такой антенны значительно отличаются от свойств другой антенны, у которой главный лепесток диаграммы направленности приподнят над линией горизонта на значительный угол. При одинаковых коэффициентах усиления одна антенна может иметь широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и узкую в вертикальной, а другая — наоборот. Свойства этих антенн, конечно, будут различными.

Часто к телевизионной антенне предъявляется требование не принимать сигнал с заднего, противоположного основному, направления. Такое свойство антенны отражает коэффициент защитного действия (КЗД), который выражается отношением мощности сигнала, принятого антенной с главного направления, к мощности сигнала, принятого с заднего направления, при одинаковой напряженности поля обоих сигналов. Чем больше КЗД, тем антенна считается лучше, хотя эта характеристика антенны бывает важна только в определенных условиях приема.

Кроме перечисленных параметров телевизионных антенн могут иметь значение и такие, как уровень и положение максимумов боковых лепестков диаграммы направленности, положение нулей диаграммы, полоса пропускания антенны. Идеальной могла бы считаться антенна, вообще не имеющая боковых лепестков диаграммы направленности, но такими бывают лишь простейшие антенны. Конструкций антенн много. Большая часть из них — это длинные провода, поднятые высоко над землей. Антенны этих видов носят название наружных, так как они находятся снаружи зданий. Те же антенны, которые располагаются внутри зданий, называют комнатными или внутренними. Наружные антенны по приемным свойствам лучше внутренних.

Коэффициент усиления

(КУ) характеризует направленные свойства антенны: чем больше коэффициент усиления, тем уже диаграмма направленности антенны. Количественно коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз мощность сигнала, принятого данной антенной, больше мощности сигнала, принятого простейшей антенной — полуволновым вибратором, помещенным в ту же точку пространства. Обычно коэффициент усиления антенны выражается в децибелах (дБ):

Вполне естественно желание иметь антенну с большим усилением, но необходимо иметь в виду, что увеличение усиления антенны даром не дается и требует усложнения ее конструкции и габаритов. Всякие попытки разыскать такую конструкцию телевизионной антенны, которая была бы компактной, малогабаритной и, вместе с тем, обладала большим коэффициентом усиления, бесполезны. нулей диаграммы, полоса пропускания антенны.

Идеальной могла бы считаться антенна, вообще не имеющая боковых лепестков диаграммы направленности, но такими бывают лишь простейшие антенны. Что касается полосы пропускания, то бывают антенны узкополосные, рассчитанные на прием по одному каналу, и широкополосные — для приема сигнала по нескольким частотным каналам. Проектирование, монтаж и ввод в эксплуатацию антенных комплексов для приема эфирного-цифрового Т2 и спутникового телевидения и радио… Мы успешно работаем более 20-ти лет.

Посмотреть антенны для Т2

Портфолио наших работ по Т2

ГЛОНАСС — Российские космические системы

Глобальное навигационно-временное обеспечение неограниченного количества потребителей на земле, на море, в воздухе и в космосе. Доступ к гражданским сигналам системы предоставляется как российским, так и иностранным потребителям на безвозмездной основе без ограничений. ГЛОНАСС — российская спутниковая система навигации, одна из двух существующих в мире систем, принятых в эксплуатацию. Позволяет в абсолютно любой точке Земного шара, а также в космическом пространстве вблизи планеты определять местоположение и скорость объектов.

Принцип работы системы основан на измерении расстояния от объекта, координаты которого необходимо получить, до спутников, расположение которых известно с большой точностью. Таблица расположений называется альманахом. Полный альманах содержится в радиосигнале каждого спутника. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.

Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления измерения распространяемого радиосигнала, каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащемся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Все остальные параметры движения (скорость, курс, пройденное расстояние) вычисляются на основе измерения времени, которое объект затратил на перемещение между двумя или более точками с определёнными координатами.

Основу орбитальной группировки в трёх орбитальных плоскостях составляют космические аппараты «Глонасс-М» и космические аппараты нового поколения «Глонасс-К».

Развитием проекта управляют Госкорпорация «Роскосмос» и АО «Российские космические системы», головная организация по ГЛОНАСС.

Скорость звука. Скорость распространения звука в воздухе.

В статье рассмотрены характеристика звуковых явлений в атмосфере: скорость распространения звука в воздухе, влияние на распространение звука ветра, тумана.
Продольные колебания частиц материи, распространяясь по материальной среде (по воздуху, воде и твердым телам) и достигнув уха человека, вызывают ощущения, называемые звуком.
В атмосферном воздухе всегда находятся звуковые волны различной частоты и силы. Часть этих волн создается искусственно человеком, а часть звуков имеет метеорологическое происхождение.
К звукам метеорологического происхождения относятся гром, завывание ветра, гудение проводов, шум и шелест деревьев, «голос» моря, звуки при падении на земную поверхность твердых и жидких осадков, звуки прибоя у берегов морей и озер и другие.
На скорость распространения звука в атмосфере влияет температура и влажность воздуха, а также ветер (направление и его сила). В среднем скорость звука в атмосфере равна 333 м/с. С увеличением температуры воздуха скорость звука несколько возрастает. Изменение абсолютной влажности воздуха оказывает меньшее влияние на скорость звука.
Скорость звука в воздухе определяется формулой Лапласа:

(1),
где р — давление; ? — плотность воздуха; c? — теплоемкость воздуха при постоянном давлении; cp — теплоемкость воздуха при постоянном объеме.
Используя уравнение состояния газа, можно получить ряд зависимостей скорости звука от метеорологических параметров.
Скорость звука в сухом воздухе определяется по формуле:
с0 = 20,1 ?Т м/с, (2)
а во влажном воздухе:
с0 = 20,1 ?ТВ м/с, (3)
где ТВ = так называемая акустическая виртуальная температура, которая определяется по формуле ТВ = Т (1+ 0,275 е/р).
При изменении температуры воздуха на 1° скорость звука изменяется на 0,61 м/с. Скорость звука зависит от величины отношения е/р (отношение влажности к давлению), но эта зависимость мала, и, например, при упругости водяного пара менее 7мм пренебрежение ею дает ошибку в скорости звука, не превышающую 0,5 м/сек.
При нормальном давлении и Т = 0 °С скорость звука в сухом воздухе равна 333 м/сек. Во влажном воздухе скорость звука может быть определена по формуле:
с = 333 + 0,6t + 0,07е (4)
В диапазоне температур (t) от -20° до +30° эта формула дает ошибку в скорости звука не более ± 0,5 м/сек. Из приведенных формул видно, что скорость звука повышается с повышением температуры и влажности воздуха.
Ветер оказывает сильное влияние: скорость звука по направлению движения ветра увеличивается, против ветра — уменьшается. Наличие ветра в атмосфере вызывает дрейф звуковой волны, что создает впечатление смещения источника звука. Скорость звука в этом случае (c1) определится выражением:
c1 = c + U cos ?, (1)
где U-скорость ветра; ? — угол между направлением ветра в точке наблюдения и наблюдаемым направлением прихода звука.
Знание величины скорости распространения звука в атмосфере имеет большое значение при решении ряда задач по изучению верхних слоев атмосферы акустическим методом. Пользуясь средней скоростью звука в атмосфере, можно узнать расстояние от своего местонахождения до места возникновения грома. Для этого нужно определить число секунд между видимой вспышкой молнии и моментом прихода звука грома. Затем надо умножить среднее значение скорости звука в атмосфере — 333 м/сек. на полученное число секунд.

ЗАКОНЫ СЛОЖЕНИЯ СКОРОСТЕЙ | Наука и жизнь

Наука и жизнь // Иллюстрации

Схема эксперимента итальянских физиков, который якобы продемонстрировал распростране ние радиоволны в воздухе со сверхсветовой скоростью.

‹

›

Невозможность передать сигнал со сверхсветовой скоростью непосредственно следует из эйнштейновской формулы сложения скоростей — релятивистской формулы (от англ. relativity — относительность). Задача о сложении скоростей возникает при наличии двух движущихся одна относительно другой инерциальных (то есть движущихся равномерно и прямолинейно) систем отсчета. Состоит она в следующем: если движение некоторого тела или распространение сигнала происходит со скоростью V‘ в системе S‘, движущейся в том же направлении относительно системы S со скоростью U, то какова будет скорость V тела (сигнала) для наблюдателя, покоящегося в системе S? В классической кинематике ответ прост: V = V‘ + U. Например, если поезд (система S‘) движется относительно платформы (системы S) со скоростью U = 60 км/ч, а в поезде бежит человек в направлении движения поезда со скоростью V ‘ = 10 км/ч, то скорость перемещения человека относительно платформы будет V = 10 + 60 = 70 км/ч. Релятивис тская же формула сложения скоростей выглядит следующим образом:

V = (V‘ + U)/(1 + V‘U/c²). Когда величина скоростей V‘ и U значительно меньше c (что обычно бывает в привычных нам земных условиях), она переходит в обычную формулу классической механики. Нетрудно также убедиться, что даже если V‘ = c, то и V = c, то есть ни в какой инерциальной системе невозможно движение со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.

СВЕРХСВЕТОВАЯ РАДИОВОЛНА

В эксперименте Д. Мугнаи, А. Ранфагни и Р. Руггери измерялось время распространения прямоугольных импульсов, которыми модулировались радиоволны длиной 3,5 см на дистанциях от 0,3 до 1,4 м при двух различных значениях угловой ширины 2q выходящего из передающей антенны радиолуча (32^о и 46^о). Экспериментаторы считают, что скорость распространения V подчиняется соотношению V = c/cos, и поскольку cos меньше единицы, то V > c. Заметим, что приведенное соотношение хорошо известно в волноводной технике и выражает собой фазовую скорость распростра нения электромагнитного поля в волноводе, а групповая скорость равна произведению с.cosq, которое меньше с. В воздухе же для радиоволн сантиметрового диапазона дисперсия практически отсутству ет, то есть V_гр=V_ф =V. Вот для этого случая авторы и получили значение V > с. Однако внимательный анализ этого эксперимента порождает большие сомнения в корректности вывода авторов. Не вдаваясь в подробности, отметим лишь, что полученный ими результат относится к так называемой ближней зоне, где сильно проявляется дифракция на краях зеркала передающей антенны. Это существенно искажает измерения и приводит к тому, что, вообще говоря, можно получить самые разные результаты. При удалении же от ближней зоны (уже на расстоянии 1,2-1,3 м от передающей антенны), как следует из графиков, приводимых в статье, получается V=c.

Статья об эксперименте с подробным его описанием опубликована в выпуске журнала Physical Review Letters от 22 мая 2000 года (т. 84, № 21).

См. в номере на ту же тему

Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ — Возможна ли сверхсветовая скорость?

4. Распространение поверхностных (земных) радиоволн. Распространение радиоволн

Сибирская Спутниковая База. Спутниковое телевидение, эфирное цифровое телевидение, видеонаблюдение.

Дата публикации: 26 марта 2013.

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить камушек, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Основным источником спектра электромагнитных волн является звезда Солнце. Часть спектра электромагнитных волн видит глаз человека. Этот спектр лежит в пределах 380…780 нм (рис. 1.1). В области видимого спектра глаз ощушает свет по-разному. Электромагнитные колебания с различной длиной волн вызывают ощущение света с различной окраской.

Часть спектра электромагнитных волн используется для целей радиотелевизионного вешания и связи. Источник электромагнитных волн — провод (антенна), в котором происходит колебание электрических зарядов. Процесс формирования полей, начавшийся вблизи провода, постепенно, точку за точкой, захватывает все пространство. Чем выше частота переменного тока, проходящего по проводу и порождающего электрическое или магнитное поле, тем интенсивнее создаваемые проводом радиоволны заданной длины.

Электромагнитные волны имеют следующие основные характеристики.

1. Длина волны lв, — кратчайшее расстояние между двумя точками в пространстве, на котором фаза гармонической электромагнитной волны меняется на 360°. Фаза — это
состояние (стадия) периодического процесса (рис. 1.2).

В наземном телевизионном вешании используются метровые (MB) и дециметровые волны (ДМВ), в спутниковом — сантиметровые волны (СМ). По мере заполнения частотного диапазона СМ будет осваиваться диапазон миллиметровых волн (Ка-bаnd).

2. Период колебания волны Т— время, в течение которого происходит одно полное изменение напряженности поля, т. е. время, за которое точка радиоволны, имеющая какую-то фиксированную фазу, проходит путь, равный длине волны lв.
3. Частота колебаний электромагнитного поля F (число колебаний поля в секунду) определяется по формуле

F=1/T, a T=1/F

Единицей измерения частоты является герц (Гц) — частота, при которой совершается одно колебание в секунд . В спутниковом вещании приходится иметь дело с очень высокими частотами электромагнитных колебаний измеряемых в гигагерцах.

Для спутникового непосредственного телевизионного вещания (СНТВ) по линии Космос — Земля используются диапазон C-band low и часть диапазона Кu (10,7…12,75 ГГи). Верхняя часть этих диапазонов применяется для передачи информации по линии Земля — Космоc (табл.8/F(м/c*1/Гц)

Для больших значений частот длину волны электромагнитного колебания можно определить по формуле lв(м)=300/F(МГц) Зная длину волны электромагнитного колебания, частоту определяют по формуле F(МГц)=300/lв(м)

5. Поляризация радиоволн. Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля соответственно характеризуются векторами Е и Н, которые показывают значение напряженностей полей и их направление. Поляризацией называется ориентировка вектора электрического поля Е волны относительно поверхности земли.

Вид поляризации радиоволн определяется ориентировкой (положением) передающей антенны относительно поверхности земли. Как в наземном, так и в спутниковом телевидении применяется линейная поляризация, т. е. горизонтальная Н и вертикальная V (рис. 1.3).

Радиоволны с горизонтальным вектором электрического поля называют горизонтально поляризованными, а с вертикальным — вертикально поляризованными. Плоскость поляризации у последних волн вертикальна, а вектор Н находится в горизонтальной плоскости.

Если передающая антенна установлена горизонтально над поверхностью земли, то электрические силовые линии поля также будут расположены горизонтально. В этом случае поле наведет наибольшую электродвижущую силу (ЭДС) в горизонтально расположенной приемной антенне. Следовательно, при Н поляризации радиоволн приемную антенну необходимо ориентировать горизонтально. При этом приема радиоволн на вертикально расположенную антенну теоретически не будет, так как наведенная в антенне ЭДС равна нулю. И наоборот, при вертикальном положении передающей антенны приемную антенну также необходимо расположить вертикально, что позволит получить в ней наибольшую ЭДС
.
Рис 1.4. Круговая поляризация радиоволн:

Вектор Е круговой поляризации можно представить в виде двух ортогональных векторов, H и V величина которых постоянно меняется в процессе вращения черного вектора. При телевизионном вещании с искусственных спутников Земли (ИСЗ) кроме линейных поляризаций широко используется круговая поляризация. Связано это, как ни странно, с теснотой в эфире, так как на орбитах находится большое количество спутников связи и ИСЗ непосредственного (прямого) телевизионного вещания.

Часто в таблицах параметров спутников дают сокращенное обозначение вида круговой поляризации — L и R. Круговую поляризацию радиоволн создает, например, коническая спираль на облучателе передающей антенны. В зависимости от направления намотки спирали круговая поляризация оказывается левой или правой (рис. 1.4).

Соответственно в облучателе наземной антенны спутникового телевидения должен быть установлен поляризатор, который реагирует на круговую поляризацию радиоволн, излучаемых передающей антенной ИСЗ.

Рассмотрим вопросы модуляции высокочастотных колебаний и их спектр при передаче с ИСЗ. Целесообразно это сделать в сравнении с наземными вещательными системами

Разнос между несущими частотами сигналов изображения и звукового сопровождения составляет 6,5 МГц, остаток нижней боковой полосы (слева от несущей изображения) — 1,25 МГц, а ширина канала звукового сопровождения — 0,5 МГц

С учетом этого суммарная ширина телевизионного канала принята равной 8,0 МГц (по стандартам D и К, принятым в странах СНГ)

Передающая телевизионная станция имеет в своем составе два передатчика. Один из них передает электрические сигналы изображения, а другой — звуковое сопровождение соответственно на разных несущих частотах. Изменение какого-то параметра несущего высокочастотного колебания (мощности, частоты, фазы и др.) под воздействием колебаний низкой частоты называется модуляцией. Используются два основных вида модуляции: амплитудная (AM) и частотная (ЧМ). В телевидении сигналы изображения передаются с AM, а звуковое сопровождение — с ЧМ. После модуляции электрические колебания усиливаются по мощности, затем поступают в передающую антенну и излучаются ею в пространство (эфир) в виде радиоволн

8 наземном телевизионном вещании по ряду причин невозможно применить ЧМ для передачи сигналов изображения. На СМ места в эфире значительно больше и такая возможность существует. В результате спутниковый канал (транспондер) занимает полосу частот в 27 МГц

Преимущества частотной модуляции сигнала поднесущей

меньшая по сравнению с AM чувствительность к помехам и шумам, низкая чувствительность к нелинейности динамических характеристик каналов передачи сигналов, а также стабильность передачи на далекие расстояния. Данные характеристики объясняются постоянством уровня сигнала в каналах передачи, возможностью проведения частотной коррекции предыскажений, благоприятно влияющих на отношение сигнал/шум, благодаря чему ЧМ можно значительно снизить мощность передатчика при передаче информации на одно и то же расстояние. Например, в наземных вещательных системах для передачи сигналов изображения на одной и той же телевизионной станции используются передатчики в 5 раз большей мощности, чем для передачи сигналов звукового сопровождения
.

You have no rights to post comments

Распространение радиоволн — Универсальная научно-популярная энциклопедия

Распространение радиоволн, процессы распространения электромагнитных волн радиодиапазона в воздухе, толще Земли и космическом пространстве. Радиоволны, излучаемые передатчиком, перед тем как попасть в приёмник, проходят путь, что возможно сложным. Радиоволны могут быть около пункта приёма, распространяясь по прямолинейным траекториям, огибая выпуклую поверхность Почвы, отражаясь от ионосферы, и т.д.

Методы Р. р. значительно зависят от длины волны l, от освещённости земной атмосферы Солнцем и от последовательности др. факторов (см. ниже).

Прямые волны. В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно с постоянной скоростью, подобно световым лучам (радиолучи). Такое Р. р. именуется свободным.

Условия Р. р. в космическом пространстве при связи между космическим объектом и наземной станцией, между двумя космическими объектами, при радиоастрономических наблюдениях, при связи наземной станции с самолётом либо между самолётами близки к свободному.

Волну, излученную антенной, на громадных расстояниях от неё можно считать плоской (см. приём и Излучение радиоволн). Плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная квадрату напряжённости поля волны, убывает с повышением расстояния r от источника обратно пропорционально r 2, что ведет к ограничению расстояния, на котором возможно принят сигнал передающей станции.

Дальность действия радиостанции (при отсутствии поглощения) равна: , где Pc — мощность сигнала на входе приёмника, Рш — мощность шумов, G1, G2 — коэффициенты направленного действия передающей и приёмной антенн. Скорость Р. р. в свободном пространстве равна скорости света в вакууме: с = 300 000 км/сек.

При распространении волны в материальной среде (к примеру, в земной воздухе, в толще Почвы, в морской воде и т.п.) происходят изменение её фазовой скорости и поглощение энергии. Это разъясняется возбуждением колебаний электронов и ионов в молекулах и атомах среды под действием электрического поля волны и переизлучением ими вторичных волн.

В случае если напряжённость поля волны мелка если сравнивать с напряжённостью поля, действующего на электрон в атоме, то колебания электрона под действием поля волны происходят по гармоническому закону с частотой пришедшей волны. Исходя из этого электроны излучают радиоволны той же частоты, но с фазами и разными амплитудами. Сдвиг фаз между первичной и переизлучённой волнами ведет к трансформации фазовой скорости.

Утраты энергии при сотрудничестве волны с атомами являются обстоятельством поглощения радиоволн. изменение и Поглощение фазовой скорости в среде характеризуются показателем поглощения c и показателем преломления n, каковые, со своей стороны, зависят от диэлектрической проницаемости e и проводимости s среды, и от длины волны l:

(1)

Коэффициент поглощения b = 2pc/l, фазовая скорость u= c/n. В этом случае rд определяется не только чертями передатчика, приёмника и длиной волны, но и особенностями среды (e, s). В земных условиях Р. р. в большинстве случаев отличается от свободного. На Р. р. влияют поверхность Почвы, земная воздух, структура ионосферы и т.д.

Влияние тех либо иных факторов зависит от длины волны.

Влияние поверхности Почвы на распространение радиоволн зависит от размещения радиотрассы довольно её поверхности.

Р. р. — пространственный процесс, захватывающий громадную область. Но самая существенную роль в этом ходе играется часть пространства, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах которого А и В расположены приёмник и передатчик (рис. 1).

Громадная ось эллипсоида фактически равна расстоянию R между приёмником и передатчиком, а малая ось ~. Чем меньше l, тем уже эллипсоид, в оптическом диапазоне он вырождается в прямую линию (световой луч). В случае если высоты Z1 и Z2, на которых расположены приёмника и антенны передатчика относительно поверхности Почвы, громадны если сравнивать с l, то эллипсоид не касается поверхности Почвы (рис. 1, а). Поверхность Почвы не оказывает в этом случае влияния на Р. р. (свободное распространение).

При понижении обеих либо одной из конечных точек радиотрассы эллипсоид коснётся поверхности Почвы (рис. 1, б) и на прямую волну, идущую от передатчика к приёмнику, належится поле отражённой волны. В случае если при Z1l и Z2l, то это поле возможно разглядывать как луч, отражённый земной поверхностью по законам геометрической оптики. Поле в точке приёма определяется интерференцией прямого и отражённого лучей.

минимумы и Интерференционные максимумы обусловливают лепестковую структуру поля (рис. 2). Условие Z1 и Z2l фактически может выполняться лишь для метровых и более маленьких волн, исходя из этого лепестковая структура поля характерна для ультракоротких волн (УКВ).

При повышении l значительная область расширяется и пересекает поверхность Почвы. В этом случае уже нельзя представлять волновое поле как следствие отражённой волн и интерференции прямой. Влияние Почвы на Р. р. в этом случае обусловлено несколькими факторами: почва владеет большой электропроводностью, исходя из этого Р. р. на протяжении поверхности Почвы ведет к ослаблению волны и тепловым потерям. Утраты энергии в почве возрастают с уменьшением l.

Кроме ослабления, происходит кроме этого изменение структуры поля волны. В случае если антенна у поверхности Почвы излучает поперечную линейно-поляризованную волну (см. Поляризация волн),у которой напряжённость электрического поля Е перпендикулярна поверхности Почвы, то на громадных расстояниях от излучателя волна делается эллиптически поляризованной (рис.

3). Величина горизонтальной компоненты Ex намного меньше вертикальной Ez и убывает с повышением проводимости s земной поверхности. Происхождение горизонтальной компоненты разрешает вести приём земных волн на т. н. земные антенны (2 проводника, расположенные на поверхности Почвы либо на маленькой высоте).

В случае если антенна излучает горизонтально-поляризованную волну (Е параллельно поверхности Почвы), то поверхность Почвы ослабляет поле тем больше, чем больше s, и создаёт вертикальную составляющую. Уже на маленьких расстояниях от горизонтального излучателя вертикальная компонента поля делается больше горизонтальной. При распространении на протяжении Почвы фазовая скорость земных волн изменяется с расстоянием, но уже на расстоянии ~ нескольких l от излучателя она делается равной скорости света, независимо от электрических особенностей земли.

Выпуклость Почвы есть необычным препятствием на пути радиоволн, каковые, дифрагируя, огибают Почву и попадают в область тени. Т. к. дифракция волн заметно проявляется тогда, в то время, когда размеры препятствия соизмеримы либо меньше l, а размер выпуклости Почвы возможно охарактеризовать высотой шарового сегмента h (рис. 4), отсекаемого плоскостью, которая проходит через хорду, соединяющую передатчика расположения и точки приёмника (см. табл.), то условие h

Высота шарового сегмента h для разных расстояний между приёмником и передатчиком

Расстояние, км

100

500

1000

5000

h, м

0,03

0,78

3,1

310

7800

3,1´104

3,75´104

Земная поверхность неоднородна, самоё существенное влияние на Р. р. оказывают электрические особенности участков автострады, примыкающих к приёмнику и передатчику. В случае если радиотрасса пересекает линию берега, т. е. проходит над сушей, а после этого над морем (s ® ¥) , то при пересечении береговой линии быстро изменится напряжённость поля (рис. 6), т. е. направление и амплитуда распространения волны (береговая рефракция).

Но береговая рефракция есть местным возмущением поля радиоволны, уменьшающимся по мере удаления от береговой линии.

Рельеф земной поверхности кроме этого воздействует на Р. р. Это влияние зависит от соотношения между высотой неровностей поверхности h, горизонтальной протяжённостью l, l и углом падения q волны на поверхность (рис. 7). В случае если выполняются условия:

4p2l 2sin2q/l2 ? 1; 2psin q

то неровности считаются малыми и пологими. В этом случае они мало воздействуют на Р. р. При повышении q условия (2) смогут нарушаться. Наряду с этим энергия волны рассеивается, и напряжённость поля в направлении отражённого луча значительно уменьшается (появляются диффузные отражения).

Высокие бугры, горы и т.п., помимо этого, очень сильно раздражают поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах время от времени ведет к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых от поверхности Почвы волн (рис. 8).

Распространение радиоволн в тропосфере. Рефракция радиоволн. Земные радиоволны распространяются на протяжении поверхности Почвы в тропосфере. Проводимость тропосферы s для частот, соответствующих радиоволнам (за исключением миллиметровых волн), фактически равна 0; диэлектрическая проницаемость e и, следовательно, показатель преломления n являются функциями температуры и давления воздуха, и давления пара. У поверхности Почвы n1,0003.

Изменение e и n с высотой зависит от метеорологических условий. В большинстве случаев e и n уменьшаются, а фазовая скорость u растет с высотой. Это ведет к искривлению радиолучей (рефракция радиоволн, рис.

9). В случае если в тропосфере под углом к горизонту распространяется волна, фронт которой сходится с прямой ав (рис. 9), то потому, что в верхних слоях тропосферы волна распространяется с большей скоростью, чем в нижних, верхняя часть фронта волны обгоняет нижнюю и фронт волны поворачивается (луч искривляется).

Т. к. n с высотой убывает, то радиолучи отклоняются к Почва. Это явление, именуется обычной тропосферной рефракцией, содействует Р. р. за пределы прямой видимости, т.к. за счёт рефракции волны смогут огибать выпуклость Почвы. Но фактически данный эффект может играть роль лишь для УКВ, потому, что для более долгих волн преобладает огибание в следствии дифракции.

Метеорологические условия смогут ослаблять либо усиливать рефракцию если сравнивать с обычной.

Тропосферный волновод. При некоторых условиях (к примеру, при перемещении нагретого воздуха с суши над поверхностью моря) температура окружающей среды с высотой не значительно уменьшается, а возрастает (инверсии температуры). Наряду с этим преломление в тропосфере может стать столь сильным, что вышедшая под маленьким углом к горизонту волна на некоей высоте поменяет направление на обратное и возвратится к Почва.

В пространстве, ограниченном снизу Почвой, а сверху как бы отражающим слоем тропосферы, волна может распространяться на большие расстояния (волноводное распространение радиоволн). Так же как в железных радиоволноводах, в тропосферных волноводах смогут распространяться волны, протяженность которых меньше критической (lкр0,085 d3/2 , d —высота волновода в м, lкрв см). Толщина слоев инверсии в тропосфере в большинстве случаев не превышает ~ 50—100 м, исходя из этого волноводным методом смогут распространяться лишь дециметровые, сантиметровые и более маленькие волны.

Рассеяние на флуктуациях e. Кроме регулярных трансформаций e с высотой, в тропосфере существуют нерегулярные неоднородности (флуктуации) e, появляющиеся в следствии хаотичного перемещения воздуха. На них происходит рассеяние радиоволн УКВ диапазона. Т. о., область пространства, ограниченная диаграммами направленности приёмной и передающей антенн и содержащая много неоднородностей e, есть рассеивающим количеством.

Рассеяние ведет к флуктуациям фазы и амплитуды радиоволны, и к распространению УКВ на расстояния, существенно превышающие прямую видимость (рис. 10). Наряду с этим поле в точке приёма В образуется в следствии интерференции рассеянных волн. Благодаря интерференции солидного числа рассеянных волн появляются фазы сигнала и беспорядочные изменения амплитуды.

Но среднее значение амплитуды сигнала существенно превышает амплитуду, которая имела возможность бы быть обусловлена обычной тропосферной рефракцией.

Поглощение радиоволн. Тропосфера прозрачна для всех радиоволн впредь до сантиметровых. Более маленькие волны испытывают заметное ослабление в капельных образованиях (ливень, град, снег, туман), в парах воды и газах воздуха. Ослабление обусловлено процессами рассеяния и поглощения.

Любая капля воды владеет большой проводимостью и волна возбуждает в ней высокочастотные токи. Плотность токов пропорциональна частоте, исходя из этого большие токи, а следовательно, и тепловые утраты, появляются лишь при распространении сантиметровых и более маленьких волн. Эти токи вызывают не только тепловые утраты, но являются источниками вторичного рассеянного излучения, ослабляющего прямой сигнал.

Плотность потока рассеянной энергии обратно пропорциональна l4, в случае если размер рассеивающей частицы dl (см. Рассеяние света). Фактически через область сильного дождя либо тумана волны с l

Распространение радиоволн в ионосфере. В ионосфере — многокомпонентной плазме, находящейся в магнитном поле Почвы, механизм Р. р. сложнее, чем в тропосфере. Под действием радиоволны в ионосфере смогут появляться как ионов и вынужденные колебания электронов, так и разные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания).

В зависимости от частоты радиоволны w главную роль играются те либо другие из них и исходя из этого электрические особенности ионосферы разны для разных диапазонов радиоволн. При высокой частоте w в Р. р. принимают участие лишь электроны, личная частота колебаний которых (Ленгмюровская частота) равна:

(3)

где е — заряд, m — масса, N — концентрация электронов. Вынужденные колебания свободных электронов ионосферы, в отличие от электронов тропосферы, тесно связанных с атомами, отстают от электрического поля высокочастотной волны по фазе практически на 2p. Такое смещение электронов усиливает поле Е волны в ионосфере (рис.

11). Исходя из этого диэлектрическая проницаемость e,равная отношению напряжённости внешнего поля к напряжённости поля в среды, выясняется для ионосферы1 : e =1 — w20/w2. Учёт столкновений электронов с ионами и атомами даёт более правильные формулы для e и s ионосферы:

, (4)

где n — число столкновений в секунду.

Для высоких частот, начиная с маленьких волн, в большей части ионосферы справедливо соотношение: w2n2 и показатели преломления n и поглощения c равны:

; (5)

С повышением частоты c значительно уменьшается, а n растет, приближаясь к 1. Т. к. n

Отражение радиоволн. Для волны, у которой ww0n и u становятся мнимыми размерами, это указывает, что такая волна неимеетвозможности распространяться в ионосфере. Потому, что концентрация электронов N и плазменная частота w0 в ионосфере возрастают с высотой (рис. 12), то падающая волна, попадая в ионосферу, распространяется до для того чтобы уровня, при котором показатель преломления обращается в нуль. На данной высоте происходит полное отражение волны от слоя ионосферы.

С повышением частоты падающая волна всё глубже попадает в слой ионосферы. Большая частота волны, которая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, именуется критической частотой слоя:

(6)

Критическая частота слоя F2 (основной максимум, рис. 12) изменяется в течении 24 часов и от года к году примерно от 5 до 10 Мгц. Для волн с частотой wwкр n везде0, т. е. волна проходит через слой, не отражаясь.

При наклонном падении волны на ионосферу большая частота волны, возвращающейся на Землю, выясняется выше wкр. Радиоволна, падающая на ионосферу под углом j0, испытывая рефракцию, поворачивается к Почва на той высоте, где j(z) = p/2. Условие отражения при наклонном падении имеет форму: n (z) = sinj0.

Частоты волн, отражающихся от данной высоты при наклонном и вертикальном падении, связаны соотношением: wнакл = wверт secj0. Большая частота волны, отражающейся от ионосферы при данном угле падения, т. е. для данной длины автострады, именуется большой применимой частотой (МПЧ).

Двойное лучепреломление. Значительное влияние на Р. р. оказывает магнитное поле Почвы H0= 0,5 э, пронизывающее ионосферу. В постоянном магнитном поле ионизированный газ делается анизотропной средой.

Попадающая в ионосферу волна испытывает двойное лучепреломление, т. е. расщепляется на 2 волны, отличающиеся направлением и скоростью распространения, поляризацией и поглощением. В магнитном поле H0 на электрон, движущийся со скоростью u, действует Лоренца сила , под действием которой электрон вращается с частотой (гироскопическая частота) около силовых линий магнитного поля. Благодаря этого изменяется темперамент вынужденных колебаний электронов ионосферы под действием электрического поля волны. Н0 и Е || Н0. Для первой волны (неординарной) темперамент перемещения электронов и, следовательно, n изменяются, для второй (обычной) они остаются такими же, как и в отсутствии магнитного поля:

; (7)

При произвольного направления Р. р. довольно магнитного поля Почвы формулы более сложные: как n1, так и n2 зависят от wH. Потому, что отражение радиоволны происходит от слоя, где n =0, то обычная и неординарная волны отражаются на различной высоте. Критические частоты для них кроме этого разны.

По мере Р. р. в ионосфере из-за различия в скорости накапливается сдвиг фаз между волнами, благодаря чего поляризация результирующей волны непрерывно изменяется. Линейная поляризация падающей волны в определённых условиях сохраняется, но плоскость поляризации при распространении поворачивается (см. Вращение плоскости поляризации).

В общем случае поляризация обеих волн эллиптическая.

Рассеяние радиоволн. Кроме регулярной зависимости электронной концентрации N от высоты (рис. 12), в ионосфере всегда происходят случайные трансформации концентрации. Ионосферный слой содержит много неоднородных образований разного размера, каковые находятся в изменении и постоянном движении, рассасываясь и появляясь снова.

Благодаря этого в точку приёма, не считая главного отражённого сигнала, приходит множество рассеянных волн (рис. 13), сложение которых ведет к замираниям — хаотическим трансформациям сигнала.

Существование неоднородных образований ведет к возможности рассеянного отражения радиоволн при частотах, существенно превышающих большие частоты отражения от регулярной ионосферы. Подобно рассеянию на неоднородностях тропосферы это явление обусловливает дальнее Р. р. (метрового диапазона).

Характерные неоднородные образования появляются в ионосфере при вторжении в неё метеоритов. Испускаемые раскалённым метеоритом электроны ионизируют внешнюю среду, образуя за летящим метеоритом след, диаметр которого благодаря молекулярной диффузии скоро возрастает. Ионизированные следы создаются в промежутке высот 80—120 км, продолжительность их существования колеблется от 0,1 до 100 сек.

Радиоволны зеркально отражаются от метеорного следа. Эффективность этого процесса зависит от массы метеорита.

Нелинейные эффекты. Для сигналов не большой мощности две радиоволны распространяются через одну и ту же область ионосферы независимо друг от друга (см. Суперпозиции принцип), ионосфера есть линейной средой.

Для замечательных радиоволн, в то время, когда поле Е волны сравнимо с характерным плазменным полем Ep ионосферы, e и s начинают зависеть от напряжённости поля распространяющейся волны. Нарушается линейная связь между полем и электрическим током Е.

Нелинейность ионосферы может проявляться в виде перекрёстной модуляции 2 сигналов (Люксембург — Горьковский эффект) и в самовоздействии замечательной волны, к примеру в трансформации глубины модуляции сигнала, отражённого от ионосферы.

Особенности распространения радиоволн разного диапазона в ионосфере. Начиная с УКВ волны, частота которых выше максимально применимой частоты (МПЧ), проходят через ионосферу. Волны, частота которых ниже МПЧ, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Такие радиоволны именуются ионосферными, употребляются для дальней связи на Земле.

Диапазон ионосферных волн снизу по частоте ограничен поглощением. Исходя из этого сообщение при помощи ионосферных волн осуществляется в диапазоне маленьких волн и в ночные часы (значительно уменьшается поглощение) в диапазоне средних волн. Дальность Р. р. при одном отражении от ионосферы ~ 3500—4000 км, т.к. угол падения j на ионосферу из-за выпуклости Почвы ограничен: самый пологий луч касается поверхности Почвы (рис. 14).

Сообщение на громадные расстояния осуществляется за счёт нескольких отражений от ионосферы (рис. 15).

Долгие и сверхдлинные волны фактически не попадают в ионосферу, отражаясь от её нижней границы, которая есть как бы стенкой сферического радиоволновода (второй стенкой волновода помогает Почва). Волны, излучаемые антенной в некоей точке Почвы, огибают её по всем направлениям, сходятся на противоположной стороне. Сложение волн приводит к некоторому увеличению напряжённости поля в противолежащей точке (эффект антипода, рис.

16).

Радиоволны звуковых частот смогут просачиваться через ионосферу на протяжении силовых линий магнитного поля Почвы. Распространяясь на протяжении магнитной силовой линии, волна уходит на расстояние, равное нескольким земным радиусам, и после этого возвращается в сопряжённую точку, расположенную в др. полушарии (рис. 17).

Разряды молний в тропосфере являются источником таких волн. Распространяясь обрисованным методом, они создают на входе приёмника сигнал с характерным свистом (свистящие атмосферики).

Для радиоволн инфразвуковых частот, частота которых меньше гироскопической частоты ионов, ионосфера ведёт себя как проводящая нейтральная жидкость, перемещение которой описывается уравнениями гидродинамики. Благодаря наличию магнитного поля Почвы любое смещение проводящего вещества, создающее электрический ток, сопровождается происхождением сил Лоренца, изменяющих состояние перемещения. Сотрудничество между механическими и электромагнитными силами ведет к перемещению случайно появившегося перемещения в ионизированном газе на протяжении магнитных силовых линий, т. е. к появлению магнито-гидродинамических (альфвеновских) волн, каковые распространяются на протяжении магнитных силовых линий со скоростью 4,5?104 м/сек (r — плотность ионизированного газа).

Космическая связь. В то время, когда один из обозревателей находится на Земле, диапазон длин волн, пригодных для связи с космическим объектом, определяется условиями прохождения через воздух Почвы. Т. к. радиоволны, частота которыхМПЧ (5—30 Мгц), не проходят через ионосферу, а волны с частотой6—10 Ггц поглощаются в тропосфере, то волны от космического объекта смогут приниматься на Земле при частотах от ~ 30 Мгц до 10 Ггц.

Но и в этом диапазоне воздух Почвы не всецело прозрачна для радиоволн. Вращение плоскости поляризации при прохождении через ионосферу при приёме на простую антенну ведет к утратам, каковые уменьшаются с ростом частоты. Лишь при частотах3 Ггц ими возможно пренебречь (рис.

18). Эти условия определяют диапазон радиоволн для дальней связи на УКВ при применении спутников.

Для связи с объектами, находящимися на др. планетах, нужно учитывать поглощение и в воздухе этих планет. При осуществлении связи между 2 космическими судами, находящимися вне атмосферы планет, особое значение покупают миллиметровые и световые волны, снабжающие громаднейшую ёмкость каналов связи (см. Оптическая сообщение).

Сведения о процессах Р. р. в космическом пространстве даёт радиоастрономия.

Подземная и подводная связь. Земная кора, и воды океанов и морей владеют проводимостью и очень сильно поглощают радиоволны. Для осадочных пород в поверхностном слое земной коры ниссан &микра ниссан микро; 10—3—10—2 ом—1м—1.

В этих средах волна фактически затухает на расстоянии ? l. Помимо этого, для сред с большой s коэффициент поглощения возрастает с ростом частоты. Исходя из этого для подземной связи употребляются по большей части долгие и сверхдлинные волны. В подводной связи наровне со сверхдлинными волнами применяют волны оптического диапазона.

В совокупностях связи между подземными либо подводными пунктами возможно использовано частичное распространение на протяжении поверхности Почвы либо моря. Вертикально поляризованная волна, возбуждаемая подземной передающей антенной, распространяется до поверхности Почвы, преломляется на границе раздела между атмосферой и Землёй, распространяется на протяжении земной поверхности и после этого принимается подземной приёмной антенной (рис. 19).

Глубина погружения антенн достигает десятков м. Совокупности этого типа снабжают дальность до нескольких сотен км и используются, к примеру, для связи между подземными пунктами управления при запуске ракет. Совокупности др. типа применяют подземные волноводы — слои земной коры, владеющие малой проводимостью и, следовательно, малыми утратами. К таким породам относятся каменная соль,поташ и др.

Эти породы залегают на глубинах до сотен м и снабжают дальность Р. р. до нескольких десятков км. Предстоящим развитием этого направления есть применение жёстких горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и др.), расположенных на громадных глубинах и имеющих малую проводимость (рис. 20). На глубине 3—7 км s может уменьшиться до 10—11 ом—1м—1. При предстоящем повышении глубины благодаря возрастанию температуры создаётся ионизация (обращенная ионосфера) и проводимость возрастает.

Образуется подземный волновод толщиной в пара км,в котором вероятно Р. р. на расстоянии до нескольких тыс. км. Одна из главных неприятностей подземной и подводной связи — передачи энергии и расчёт излучения от антенн,расположенных в проводящей среде.

Преимущество совокупностей подземной связи пребывает в их независимости от бурь, искусственных разрушений и ураганов на поверхности Почвы. Помимо этого, благодаря экранирующему действию верхних проводящих осадочных пород совокупности подземной связи владеют высокой помехозащищенностью от промышленных и атмосферных шумов.

Лит.: Фейнберг Е. Л., Распространение радиоволн на протяжении земной поверхности, М., 1961; Альперт Я. Л., Распространение электромагнитных волн и ионосфера, М., 1972; Гуревич А. В., Шварцбург А. Б., Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной воздухе, М., 1967; Чернов Л. А., Распространение волн в среде со случайными неоднородностями, М., 1958; Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, М., 1967; Макаров Г. И., Павлов В. А., Обзор работ, которые связаны с подземным распространением радиоволн. распространения радиоволн и Проблемы дифракции, Сб.

5, Л., 1966; Долуханов М. П., Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972; Гавелей Н. П., Никитин Л. М., Совокупности подземной связи, Зарубежная радиоэлектроника, 1963,10; Габиллард [Р.], Дегок [П.], Уэйт [Дж.], Связь между подземными и подводными пунктами, в том месте же, 1972,12; Ратклифф Дж. А., Магнито-ионная ее приложения и теория к ионосфере, пер. с англ., М., 1962.

М. Б. Виноградова, Т. А. Гайлит.

Читать также:

Распространение радиоволн [РадиолюбительTV 13]

Связанные статьи:

Гидроакустика
Гидроакустика (от гидро… и акустика), раздел акустики, изучающий распространение звуковых волн в настоящей водной среде (в океанах, морях, озёрах и…
Референц-эллипсоид
Референц-эллипсоид (от лат. referens — информирующий, вспомогательный), земной эллипсоид с положением и определёнными размерами в теле Почвы, служащий…

У Н-П энциклопедия

(PDF) Международный журнал исследований влияния ионосферы на распространение радиоволн

Международный журнал исследований

Доступно по адресу https://edupediapublications.org/journals

p-ISSN: 2348-6848

e-ISSN: 2348 -795X

Volume 03 Issue 09

May 2016

Доступно в Интернете: http://internationaljournalofresearch.org/ Стр. 72

ионосфера, которая позволяет использовать более высокие частоты

• СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

Частоты E-области летом больше, чем

зимой. Но; изменение частот F-области

более сложное. В районе минимума солнечной энергии

летние полуденные частоты обычно выше на

, чем зимой, но около солнечного максимума

зимние частоты обычно выше, чем летом

• ЕЖЕДНЕВНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ

Наиболее важным фактором, влияющим на небесную волну, является ионосфера

.Распространение небесных волн используется для связи

на большие расстояния. В течение ночи

область D исчезает, поэтому поглощение

падает до очень низкого уровня. Поэтому радиовещание

станций, работающих в диапазонах СЧ и 4 МГц, может быть слышно на больших расстояниях только ночью.

Частоты обычно выше днем

и ниже ночью. После рассвета солнечное излучение

вызывает образование электронов в ионосфере

, и частоты быстро увеличиваются до максимума

около полудня.Днем частоты

начинают падать из-за потери электронов, а с темнотой

области D, E и F1 исчезают.

Связь в ночное время осуществляется только в области F2 (или

только F), и затухание очень низкое.

В течение ночи максимальные частоты

постепенно уменьшаются, достигая минимума всего

перед рассветом.

РИС. Суточная вариация слоев ионосферы

[16].

• ШИРОТНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ

В течение дня с увеличением широты солнечное излучение

ударяет в атмосферу более наклонно,

, поэтому интенсивность излучения и ежедневное образование свободных электронов

уменьшаются с увеличением широты

• ВАРИАЦИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ

Поглощение чрезвычайно велико во время солнечной вспышки,

определенное количество поглощения в области D происходит все

раз.Поглощение в области D изменяется с

до

солнечного цикла, причем наибольшее значение наблюдается около солнечного максимума

. Поглощение сигнала также больше летом

и в середине дня. Более низкие частоты

поглощаются больше всего, поэтому всегда рекомендуется использовать максимально возможную частоту

особенно в течение дня, когда поглощение

наибольшее.

3.4 КАК РАБОТАЕТ РАДИО?

Радиопередатчик, используемый для перемещения электрических зарядов

вверх и вниз по своей антенне, устанавливает сигнал, который должен распространяться в движении до

.Эти волны, которые распространяются

, несут сигналы, которые принимаются антенной

на нашем радио или телевизоре. Антенны

используются как для передачи, так и для приема сигналов

). Движение электрических зарядов

создает изменяющееся электрическое поле — структуру в пространстве

, которая толкает электрические заряды — и изменяющееся магнитное поле

— структура в космосе, которую

толкает на магнитные полюса.Поскольку электрическое поле

изменяется со временем, оно создает магнитное поле

, а поскольку магнитное поле изменяется со временем

, оно создает электрическое поле. Эти двое путешествуют по космосу как пара, бесконечно воссоздавая один

другой в электромагнитной волне, которая продлится

до концов вселенной. Однако,

, когда эта волна встречает антенну нашего радио

, ее электрическое поле начинает толкать электрические заряды

вверх и вниз на этой антенне.Наш радиоприемник

обнаруживает это движение электрических зарядов и, таким образом,

обнаруживает проходящую радиоволну. Эти движения

динамика являются причиной того, что наше радио издает звук

. Трансформатор модулирует или регулирует силу радиоволны

. Модулятор

изменяет силу радиоволн для соответствия

громкости музыки или голоса, которые мы хотим передать

. Когда мы подключаем наш передатчик к передающей антенне

, электрический заряд проходит вверх на

и вниз по проводной антенне (со скоростью осциллятора

), вызывая излучение радиоволн

из провода.Электрическое поле действует на

Распространение радиоволн объяснено

Распространение радиоволн — это то, что меня заинтриговало с самого первого раза, когда я установил радиосвязь. В первые годы работы на ВЧ я быстро обнаружил, что понимание распространения и способность прогнозировать распространение дадут мне существенное преимущество. Итак, в начале 90-х я собрал как можно больше информации и начал делать собственные прогнозы.

Я написал эту статью, чтобы поделиться своими знаниями с другими радиолюбителями, профессионалами и энтузиастами.Он объясняет, что такое радиоволны и как они распространяются вокруг Земли, и как солнце влияет на распространение в части радиочастотного спектра.

1. Радиоволны:

Радиоволны — это электромагнитные волны, которые распространяются со скоростью около 300 000 км / с. Электромагнитные волны имеют частоту и длину волны. Есть разные типы волн, с высокой и низкой частотой. Даже видимый свет — это электромагнитная волна с очень короткой длиной волны. Ваш собственный глаз на самом деле антенна, и вы, вероятно, не знали!

Электромагнитный спектр

Вы можете рассчитать частоту или длину волны по этим двум формулам:

Частота (МГц) = 300 / Длина волны (м).
Например, длина волны 10 м имеет следующую частоту: 300/10 = 30 МГц.

Длина волны (м) = 300 / Частота (МГц).
Например, частота 28,495 МГц имеет следующую длину волны: 300 / 28,495 = 10,528 м.

В мире связи разные длины волн или частоты делятся на:

LF (Низкая частота) = 0,03 — 0,3 МГц (диапазон от 1000 до 10000 м)
MF (Средняя частота) = 0,3 — 3 МГц (диапазон от 100 м до 1000 м)
HF (высокая частота) = 3-30 МГц (диапазон от 10 м до 100 м)
VHF (очень высокая частота) = 30 — 300 МГц (диапазон от 1 м до 10 м)
UHF (сверхвысокая частота) = 300 — 3000 МГц (диапазон от 1 м до 10 см)
SHF (сверхвысокая частота) = 3000 — 30000 МГц (диапазон от 10 см до 1 см)
EHF (чрезвычайно высокая частота = 30000 — 300000 МГц (диапазон от 1 см до 1 мм)

Кстати:

1000 Гц = 1 кГц
1000 кГц = 1 МГц
1000 МГц = 1 ГГц

Для этих длин волн также существуют различия в свойствах.НЧ-волны легко проникают через плотные материалы, такие как бетон, камни, почва и т. Д. Они повторяют кривизну Земли, что делает НЧ-волны идеальными для передачи наземных волн на большие расстояния на расстояние более 1000 км. Подводные лодки даже используют радиоволны ОНЧ (очень низкой частоты), потому что они могут даже проходить сквозь ядро Земли!

Чем выше частота радиоволны, тем меньше она распространяется по кривизне Земли и тем меньше она может проникать через плотные материалы. Радиоволны с длиной волны 10 м лишь немного повторяют кривизну Земли по сравнению со 160 м.

2. Атмосфера Земли

Прежде чем мы объясним физику распространения, вы должны знать, что атмосфера Земли имеет большое влияние на распространение:

Атмосфера Земли

2а. Тропосфера

Самая нижняя часть атмосферы — тропосфера. Эта часть атмосферы подходит для нашей погоды. Тропосфера заканчивается примерно на 14 км под небольшим слоем тропопаузы. Только вершины больших грозовых облаков или сверхъячейковых облаков ( Cumulonimbus Incus ) иногда достигают более 14 км, а некоторые даже поднимают тропопаузу.Тропосфера не оказывает большого влияния на распространение ВЧ-волн, но иногда она расширяет обычное распространение «земной волны», особенно на более коротких длинах волн ВЧ, таких как 10 м и 12 м.

2б. Стратосфера

Эта часть атмосферы не влияет на распространение ВЧ. В верхней части стратосферы находится озоновый слой, который фильтрует вредное ультрафиолетовое (УФ) излучение. Единственные облака, которые вы здесь найдете, — это так называемые «серебристые ледяные облака», которые иногда видны после закатов в середине лета.

2с. Мезосфера

В мезосфере находится так называемый D-слой. Самая нижняя часть ионосферы. D-слой поглощает высокочастотные радиоволны, особенно до 10 МГц.

2д. Ионосфера

Ионосфера очень важна для распространения ВЧ радиоволн. Он содержит так называемый E-слой, F1-слой и F2-слой. Эти слои возникают под воздействием ультрафиолетового солнечного излучения.

3. Три типа распространения

Распространение делится примерно на три типа:

3а.Земные волны

Наземные волны — это волны, распространяющиеся по поверхности Земли. Например, ваша любимая радиостанция FM использует земные волны. Насколько далеко могут распространяться земные волны, зависит от высоты антенны. Вот почему коммерческие вещательные станции на FM используют большие башни или расположены на самых высоких холмах и горах. Радиоволны диапазона 10 м обычно распространяются на земной волне примерно на 30-50 км, при этом средняя высота антенны составляет 10 м. Чем меньше препятствий встречает радиоволна, тем сильнее будет сигнал.Наземные волны на больших поверхностях воды распространяются намного дальше, чем наземные волны в горных или сельских районах. Как только земная волна больше не может следовать за кривизной Земли, она отправляется в небо и в космос!

3б. Волны тропосферы

Иногда земные волны распространяются дальше теоретически возможного. Возможны расстояния до 100 км и более на 10 м. Этот тип распространения называется тропосферным или «тропосферным». В тропосфере есть разные слои воздуха с разной температурой и разной влажностью.В ветреную погоду эти слои воздуха смешиваются. Но когда нет ветра, на разных высотах присутствуют разные слои воздуха. Когда вы находитесь в центре зоны высокого давления, погода очень тихая. Утром слой воздуха у земли относительно прохладный и влажный (иногда виден в виде тумана или тумана), тогда как область над ним относительно теплая и сухая. Изменение температуры может легко достигать 10 ° C всего на 100 м и называется инверсией. Холодный слой воздуха более плотный, чем теплый слой воздуха.Резкий переход между холодным и теплым воздухом, температурная инверсия, преломляет радиоволны в диапазонах VHF и UHF.

Канал позволяет радиоволнам VHF и UHF распространяться в пределах

. В некоторых случаях может быть несколько инверсий. Как только радиосигнал был пойман между двумя инверсиями, он может перемещаться между ними, как будто путешествуя по туннелю. Этот режим распространения называется тропосферным каналом. Сообщается только о воздуховоде на УКВ и УВЧ.

Tropo также наблюдается на холодных фронтах, где есть очень резкий переход между холодным сухим и теплым влажным воздухом.Даже в сильной атмосфере, такой как ураганы.

Такие инверсии больше всего влияют на диапазоны VHF и UHF, но более высокие диапазоны HF, такие как 10 м, также затрагиваются, но гораздо меньше. В диапазоне 10 м были установлены контакты на расстояние более 350 км в день с трассами через стационарную область высокого давления, и никаких сообщений о каком-либо ионосферном распространении в тот же день не поступало.

Хорошие прогнозы тропосферы можно найти в Worldwide Tropospheric Ducting Forecast Уильяма Хепберна.

3с. Ионосферные небесные волны

Радиоволны могут распространяться на большие расстояния, потому что они могут отражаться в ионосферу Земли.Такое отражение называется «прыжком». Радиоволна, отражаемая ионосферой, может вернуться на Землю под прямым углом. Он снова отскакивает от поверхности Земли обратно в ионосферу. Там он снова отразится. Множественные отскоки и отражения называются «многосегментным» распространением.

Радиоволны, отклоненные ионосферой

4. Ионосфера

Ионосфера представляет собой тонкий слой воздуха. Его называют ионосферой, потому что она образована ионами. Ионы — это заряженные частицы, которые появляются под действием солнечного излучения (ультрафиолета и рентгеновских лучей).Эти ионы обладают способностью изгибать или отражать радиоволны. Эта способность зависит от плотности ионов: чем больше ионов, тем сильнее отражение. Максимальная частота, которую может отражать ионосфера, называется МПЧ или максимальной используемой частотой.

Ранее мы читали, что ионосфера состоит из четырех слоев:

D-слой: поглощает только радиоволны, особенно ниже 4–5 МГц. Появляется очень быстро после восхода солнца и почти сразу исчезает на закате.
E-Layer: отражает радиоволны до 5 МГц, радиоволны выше 5 МГц поглощаются, но меньше, чем в D-слое. Появляется вскоре после восхода солнца и исчезает вскоре после захода солнца.
F1-слой: отражает радиоволны до 10 МГц. Появляется вскоре после восхода солнца и после захода солнца сливается со слоем F2, образуя слой F.
Слой F2: отражает радиоволны до 50 МГц (иногда сообщалось о МПЧ 70 МГц).Появляется после восхода солнца и вскоре исчезает, а после захода солнца сливается со слоем F2, образуя слой F. Зимой сильнее, чем летом, из-за сезонных эффектов.

Как видите, слой F2 является для нас наиболее важным, он отражает наши ВЧ радиоволны на больших расстояниях, и ночью слой F делает то же самое.

5. Солнечная активность

Теперь вы знаете, что ионосфера появляется под действием солнечного излучения, в основном ультрафиолетового (УФ) и рентгеновского излучения.Это солнечное излучение меняется под влиянием:

5а. Солнечные пятна и солнечный поток

Солнечные пятна — это темные пятна на поверхности Солнца, которые намного холоднее, чем их окрестности. Вы можете сравнить пятно с кратером действующего вулкана. Солнечные пятна производят интенсивное излучение, вызывающее ионизацию ионосферы. Индекс этого излучения называется солнечным потоком и измеряется на частоте 2800 МГц. Чем выше этот солнечный поток, тем выше уровень ионизации.Наименьший возможный солнечный поток составляет чуть менее 64 (без областей солнечных пятен), а самые высокие числа уходят в 200. Условия на 10-метровом диапазоне обычно оживают на всех широтах, когда индекс солнечного потока превышает число 100.

Солнечные пятна классифицируются по их магнитной сложности. Чем сложнее магнитная конфигурация, тем активнее они производят большое количество излучения и всевозможные другие явления, такие как солнечные вспышки и CME. Магнитная конфигурация классифицируется как:

Классификация:	Магнитная конфигурация:
Пляж	Безупречный регион
Альфа	Простой
Бета	Средний
Гамма	Комплекс
Дельта	Очень сложный

Актуальные данные о солнечном потоке ежедневно доступны на веб-сайте Spaceweather Canada.

На картинке ниже вы можете увидеть множество солнечных пятен, а чуть выше середины — самое большое пятно, когда-либо зарегистрированное в современной истории. Эти пятна сгруппированы в так называемые области солнечных пятен. Активным областям присваивается номер, когда они появляются на поверхности Солнца.

Активное пятно 9393 было самым крупным за многие годы и появилось в 2001 году во время 23-го солнечного цикла.

5b. Солнечный ветер

Солнечный ветер — это постоянный поток заряженных частиц, который течет от Солнца в нашу солнечную систему.Солнечный ветер может развивать скорость до 1000 км в секунду.

5с. EGF (Геомагнитное поле Земли)

Ядро нашей планеты состоит в основном из чистого железа. В железе замечательно то, что когда вы его вращаете, оно создает магнитное поле, как на картинке ниже. Это магнитное поле защищает Землю от заряженных частиц, которые движутся с солнечным ветром. Когда скорость солнечного ветра очень мала, EGF не работает, но когда скорость солнечного ветра очень высока, EGF переходит в активный режим, а в некоторых случаях мы даже говорим о шторме солнечного ветра.EGF очень важен для создания стабильной ионосферы. Тихий EGF означает стабильную ионосферу с относительно высокими МПЧ. Активный или бурный EGF означает нестабильное распространение с относительно низкой МПЧ.

EGF является самым сильным на экваторе и самым слабым на северном и южном полюсах, как вы можете видеть на рисунке ниже.

Геомагнитное поле Земли

5d. Солнечные вспышки

Когда группы солнечных пятен активны, они могут вызывать солнечные вспышки. Эти солнечные вспышки похожи на извержения вулканов с большим пламенем, вылетающим в космос на миллионы километров, как на картинках ниже.Эти солнечные вспышки производят много радиации, например, рентгеновского излучения, которое заставляет D-слой становиться сильнее. Обычно после большой солнечной вспышки распространение прекращается из-за очень высокого поглощения D-слоем. Солнечные вспышки также вызывают выброс больших масс заряженных частиц, который называется корональным выбросом массы (CME). Сила солнечной вспышки измеряется от класса C, за которым следует число, до класса M и класса X. Вспышки класса M и X могут вызвать затемнение радиосвязи.A-level означает очень низкий уровень рентгеновского излучения.

Теперь шанс солнечной вспышки зависит от магнитной конфигурации группы солнечных пятен:

Классификация:	Вероятность возгорания:
Пляж	Нет
Альфа	B-класс
Бета	До низкого М-класса
Гамма	До низкого X-класса
Дельта	До очень большого X-класса

Магнитная конфигурация важна.Например, группа или область солнечных пятен с 5-точечным подсчетом в классе Дельта может производить гораздо больше и более крупных солнечных вспышек, чем группа из 30-ти точек в бета-классе!

солнечных вспышек можно даже услышать по собственному радио, особенно более крупные вспышки X-класса, но также и вспышки C-класса, излучающие большое количество радиации. Вы можете услышать кратковременное повышение уровня фонового статического электричества, когда радиация достигает Земли.

Анимация самой большой солнечной вспышки. Класс X28, когда-либо записывался

5e.Корональные отверстия

, это отверстие во внешней оболочке Солнца (корона). Корональные дыры есть всегда, и они всегда производят поток заряженных частиц. Когда корональная дыра обращена к Земле, ее поток, вероятно, достигнет EGF в течение 1-5 дней и разовьет скорость солнечного ветра до 600-700 км / с, доведя K-индекс до активного или штормового уровня. Черная область на картинке ниже — это очень большая корональная дыра.

Темная область — это дыра в солнечной короне (атмосфере)

5f. CME (выброс корональной массы):

С каждой солнечной вспышкой Солнце испускает огромное облако заряженных частиц.Эти корональные выбросы массы могут ускорить солнечный ветер до 1000 км / с. Корональные выбросы массы — это огромные облака заряженных частиц, которые движутся очень быстро. Обычно они следуют за солнечной вспышкой в течение 72 часов после извержения (как лава, которая течет при извержении вулкана).

Очень быстро движущийся выброс CME на Землю в течение 24 часов. CME, вероятно, ударит по Земле, когда область солнечных пятен, которая произвела CME, направлена на Землю. Когда сообщается о полном гало CME, он направлен на Землю.Частичный ореол означает, что он направлен частично на Землю.

Примерно 28 октября 2003 г. внимательно наблюдайте, когда серия больших выбросов CME с полным ореолом выбивает инструменты спутников SOHO. 2004/11/04 (19:54 часов) вы можете увидеть самый большой из когда-либо виденных КВМ, выбрасываемый с правой стороны Солнца в виде частичного ореола. Полный ореол зажег бы Аврору даже в тропических широтах.

5г. 27-дневный цикл

В то время как Земле требуется 1 день, чтобы вращаться вокруг своей оси, Солнцу требуется 27 дней.Это означает, что активные солнечные пятна, появляющиеся в определенные дни, могут вернуться туда через 27 дней. Возможно, за эти 27 дней солнечные пятна превратились в более активные области, но не исключено, что они полностью распались. Но 27 дней — это цикл, который вы учитываете при составлении собственного прогноза распространения.

5ч. Цикл солнечных пятен

Солнечная активность никогда не бывает статичной. Он следует среднему 11-летнему циклу, который называется циклом солнечных пятен или солнечным циклом.На пике этого цикла количество солнечных пятен может достигать более 100, а числа солнечного потока достигают более 200. В промежутках между этими пиками солнечная активность может быть очень низкой, без единого пятна в течение нескольких месяцев и дневных потоков солнечной энергии ниже 70

В апреле 2000 г. пик 23-го солнечного цикла составил 120 сглаженных солнечных пятен. 24-й цикл начался в конце 2007 г. и достиг пика в конце 2013 г. Он был менее интенсивным, чем 23-й и 22-й цикл.

Развитие солнечных пятен 23-го и 24-го цикла.

5i. Времена года на Земле

Поскольку нормальная погода меняется в зависимости от сезона, изменяется и распространение.Как и в случае с нормальной погодой, температура на экваторе остается на одном уровне в течение года, но разница температур между летом и зимой увеличивается по мере того, как вы идете дальше на север или на юг. То же самое и с размножением, но наоборот! МПЧ слоя F2 зимой выше, чем летом. Одна из причин заключается в том, что более интенсивное и продолжительное пребывание на солнце летом дает D-слою больше прочности для поглощения ВЧ волн. Из-за других сложных атмосферных воздействий ионы в слое F2 имеют тенденцию «растворяться» быстрее летом, чем зимой.Это позволяет зимнему MUF достигать более высоких уровней, чем летнему MUF.

6. Солнечная активность и влияние на распространение HF:

В параграфе 5 мы видели, что рентгеновское и УФ-излучение формируют ионосферу и что заряженные частицы влияют на EGF. Эти факторы сильно влияют на процесс ионизации и распространение.

6а. Солнечные вспышки

Солнечные вспышки производят большое количество рентгеновского излучения, вызывая отключение радиосвязи. Но эти вспышки могут также усилить ионизацию в F2-слое на короткий период с нестабильным, быстрым и глубоким QSB (затуханием).

6б. Коронковые отверстия

Корональные дыры производят потоки заряженных частиц, которые «давят» на EGF. Сам EGF является самым слабым вокруг полюсов, поэтому штормовые условия наиболее заметны вокруг полярных областей. Большие потоки могут входить в атмосферу Земли на полюсах, а столкновение с газами, такими как кислород и азот, вызывает северное сияние или северное сияние.

6с. CME’s

То же, что и корональные дыры, только с более интенсивным эффектом. Из-за интенсивных бомбардировок заряженными частицами из-за интенсивных бомбардировок на Земле из-за CME вышли из строя спутники, электрические сети и средства связи.Еще в 90-х годах гигантский выброс CME привел к отключению части энергосистемы Северной Америки. Во время такого CME токи, протекающие через атмосферу на высоких и полярных широтах, превышают 1 000 000 (один миллион) ампер!

7. Чрезвычайное размножение

Наряду с «общими» типами распространения есть также несколько очень специальных типов распространения. Некоторые предсказуемые, а некоторые непредсказуемые. Некоторые из них очень впечатляющие.

7а. Спорадический-E (Es)

Ежегодно примерно в середине лета (май-август) и в середине зимы (декабрь-январь) возникает кратковременное распространение с расстояниями 500-1800 км.Это распространение примечательно тем, что оно может появиться всего за 15 минут и так же быстро исчезнуть. Также уровни сигнала могут быть очень высокими. Например, в диапазоне CB (27 МГц или 11 м) вы можете слышать маломощные станции из других областей на расстоянии 500-1800 км с мощностью всего 4 Вт в FM с довольно впечатляющими сигналами. QSO с игрушечными рациями на CB диапазоне проведено более 1000 км.

Слой в ионосфере, ответственный за это, называется Es-слоем (Es = спорадический-E). Этот слой плавает на той же высоте, что и обычный слой E, где-то между 80-150 км.Ученые до сих пор не знают, что заставляет Es-слой появляться и исчезать, но на него точно не влияет солнечная радиация.

Мы действительно знаем, что Es лучше всего в период минимума солнечных пятен, потому что он становится более регулярным при тихом EGF. Исследования этого типа распространения показали нам, что Es появляется в основном поздним утром и ранним вечером, но может появиться в любое время, даже ночью. МПЧ слоя Es может достигать диапазона VHF с записанными сигналами QSO на частоте 200 МГц.Любители в диапазонах 6 м (50 МГц), 4 м (70 МГц) и 2 м (144 МГц) используют Es для преодоления расстояний более 2000 км. В случаях с несколькими шагами даже удвоить расстояние.

Я помню летние каникулы в Португалии, когда мы несколько дней подряд принимали голландские FM-станции в диапазоне 88-108 МГц VHF.

7б. Обратное рассеяние

Обычно можно ожидать, что КВ радиосигналы будут отражаться вперед в ионосфере, но существует режим распространения, при котором сигналы отражаются обратно от поверхности после первого скачка.Модуляция станции, которую вы слышите через обратное рассеяние, имеет особый «звук». Звучит глухо, как будто разговаривают через большую трубку, а иногда слышно даже короткое эхо.

Сигналы обратного рассеяния не очень сильные, обычно не выше S1 – S5. Но в некоторых случаях обратное рассеяние может быть таким же сильным, как у S9. Приблизительно 100 Вт и направленная антенна — минимальные требования для получения полезного сигнала обратного рассеяния. Обратное рассеяние лучше всего на более высоких диапазонах HF, например от 15 до 10 м, но также может наблюдаться на 6 м (50 МГц).Обратное рассеяние происходит в основном, когда МПЧ ионосферы значительно превышает 28 МГц, а отражение от ионосферы является сильным.

Работа через обратное рассеяние позволяет вам работать на станциях в так называемой слепой зоне (область, которая слишком далеко для земных волн и поблизости для ионосферных волн, обычно между ± 50-500 км). Чтобы работать с обратным рассеянием, обе станции должны направить свою антенну примерно на одну и ту же точку на расстоянии 1000-4000 км. Например, если станция из Бельгии хочет работать станцией из Англии, они могут направить свою антенну как в направлении Азорских островов, так и в любом другом направлении, которое дает самые громкие сигналы.

Обратное рассеяние является типичным режимом распространения в F2-слое, но также наблюдается при распространении в Es-слое.

7с. Аврора

Когда поток CME или корональной дыры попадает в атмосферу Земли, он не может проникнуть в экваториальные области, на низких и средних широтах. Силовые линии магнитного поля Земли здесь сильные. Они подталкивают заряженные частицы к полярным областям, где магнитное поле слабее. Когда они входят в полярную атмосферу, они сталкиваются с различными газами.Вы увидите это как Северное сияние или Аврору, как неоновый газ в трубке, который загорается при бомбардировке неонового газа заряженными частицами.

«Облака» полярных сияний чрезвычайно сильно ионизированы. Они отражают радиоволны вплоть до диапазона УВЧ. Облака полярных сияний не плавают горизонтально, как обычные слои D, E и F. Вместо этого они больше похожи на занавески (как на картинке ниже). Это позволяет использовать Aurora как обратное рассеяние.

Поскольку северное сияние появляется только в полярных регионах, вам необходимо направить антенну на северный или южный полюс (в зависимости от того, что ближе всего).Область прохождения через полярное сияние достигает 2000 км. Работать с Aurora на ВЧ — значит иметь хорошие уши. Очень быстрый и сильный QSB делает сигнал практически нечитаемым! Как будто кто-то говорит с горлом, или за прялкой, или за веером. Aurora лучше всего работает на верхних HF-диапазонах SSB.

Полоса полярных сияний, наблюдаемая с МКС

Для распространения полярных сияний необходимо находиться на более высоких широтах. Чем выше вы находитесь на широте, тем чаще вы можете работать с Авророй. Полярное сияние появляется, когда K-индекс достигает 3–4, когда вы живете вблизи Северного или Южного магнитного полюса.Но для таких мест, как Лондон, Великобритания и Берлин, Германия, K-индекс должен быть 8 или более, чтобы северное сияние было действительно видимым. Но как только вы видите это, кажется, что небо горит.

7д. Метеоритный разброс

Рассеяние метеоров — еще один замечательный способ распространения — это рассеяние метеоров. Метеоры — это крошечные камни или частицы пыли, которые входят в атмосферу Земли на большой высоте (± 100 км) с очень высокой скоростью (> 5000 м / с). Из-за очень высоких скоростей эти метеоры сгорают из-за трения в атмосфере Земли.При распаде тепло настолько сильное, что происходит ионизация окружающего воздуха. Ионизация может быть настолько сильной, что ионизированная полоса воздуха изгибает радиоволны до 500 МГц, а также более высокие относительно тихие ВЧ-диапазоны, такие как 10 м и 12 м. Расстояния для рассеяния метеоров могут составлять от 400 до 1800 км для 10 м и 12 м, а раскрытие может длиться от секунды до нескольких минут с очень сильным QSB.

Рассеяние метеоров

Рассеяние метеоров происходит в годовые периоды метеорных дождей.У всех есть собственное имя. Вот некоторые важные даты ежегодных метеорных дождей:

3 января: квадрантиды
1 августа: Персеиды
21 октября: Ориониды
18 ноября: Леониды
14 декабря: Геминиды

Метеоритные дожди достигают своего пика поздним зимним вечером до ночи и ранним летним вечером до раннего утра.

7e. TEP (трансэкваториальное распространение)

Магнитные полюса Земли не находятся в том же месте, что и точные Северный полюс и Южный полюс, но расположены на расстоянии более 1000 км от географических полюсов.Следовательно, магнитный экватор не проходит прямо, как нормальный экватор.

По обе стороны от магнитного экватора интенсивный солнечный свет и силовые линии магнитного поля Земли вызывают там сильную ионизацию. В результате слой F2 распространяется вверх в атмосфере до 500 км и выше. Из-за этой очень большой высоты и высокого уровня ионизации сигнал TEP дважды отражается от ионосферы и может принимать сигнал с одним скачком на расстояние более 6000 км, в диапазон VHF и в одном случае даже до 500 МГц. .Вы можете увидеть, как может существовать режим TEP, на картинке ниже.

TEP — Trans Equatorial Propagation

TEP обычно достигает пика между полуднем и поздним вечером. Сигналы, как правило, усиливаются в вечернее время, но с большим количеством QSB, а иногда и чрезмерным.

7f. FAI (Неровности, выровненные по полю)

Неровности с выравниванием по полю — самый непредсказуемый вид распространения. Он появляется на той же высоте, что и E-слой, когда ионы объединяются EGF, в небольшое облако ионов (от нескольких метров в длину и ширину до нескольких километров).В определенный момент плотность достаточно высока, чтобы установить МПЧ более 200 МГц. Он мог появиться в любое время суток. Обеспечение очень коротких открытий, в основном с сильными сигналами. Обычно сигналы имеют сильный QSB. Открытия FAI длятся от секунд до минут.

О распространении нужно объяснить гораздо больше, но я предпочитаю, чтобы все не было слишком сложным. Если вы хотите узнать больше, Google, или отправьте мне сообщение через Twitter, или найдите мой адрес электронной почты на QRZ.com.

73 de PA9X Жан-Поль

Переменная фазовая скорость распространения для системы локации молний дальнего действия — Лю — 2016 — Radio Science

1 Введение

Молния является сильнейшим естественным источником электромагнитного излучения, и она излучает электромагнитную энергию в диапазоне частот от ~ 4 Гц до ~ 300 МГц или более [ Раков и Умань , 2003; Рисон и др. ., 2016]. Как наземные [например, Rakov , 2013], так и космические [например, Christian et al ., 2003; Goodman et al. ., 2013] системы определения местоположения молний разрабатывались с использованием ряда различных методов с двадцатого века. Наземные системы определения местоположения молний могут быть реализованы с использованием различных частотных диапазонов и длин базовых линий. Три самых популярных метода — это магнитная радиопеленгация (MDF) [например, Horner , 1954, 1957; Кридер и др. ., 1976], время прибытия (TOA) [например, Lee , 1986; Füllekrug and Constable , 2000; Dowden et al ., 2002] и интерферометрии [например, Mardiana et al ., 2002; Mazur et al., ., 1997; Stock et al ., 2014; Rison et al ., 2016]. Применение этих методов обусловлено развитием новых технологий. Например, модернизация национальной сети обнаружения молний (NLDN) для использования TOA в сочетании с MDF, т.е.улучшенная точность комбинированной технологии (IMPACT) [ Cummins et al ., 1998] стала возможной благодаря наличию времени GPS. Аналогичным образом, недавно был разработан интерферометрический метод для низкочастотных радиоволн [например, Lyu et al ., 2014; Stock et al ., 2015] в результате развития технологий цифровой обработки. Тот факт, что многие исследователи вносят существенные новые результаты в области определения местоположения молний, указывает на то, что повышение точности системы определения местоположения молний и эффективности обнаружения является важной и активной областью исследований [e.g., Rodger et al., ., 2004; Said et al., ., 2010; Diendorfer et al. ., 2009; Mallick et al., ., 2014; Wang et al ., 2016; Sun et al. ., 2016].

Все методы определения местоположения молний основаны на регистрации радиоволн, которые распространяются от разрядов молнии к приемникам. Распространение радиоволн зависит от множества факторов, таких как частота, высота ионосферы, рельеф и проводимость земли [e.g., Schonland et al., ., 1940; Barr et al. ., 2000]. Эта естественная изменчивость приводит к неопределенности вычисленных местоположений молний. Улучшенное понимание физики, лежащей в основе неопределенностей местоположения молнии, открывает новые возможности для улучшения метода TOA [ Cummins et al ., 2010]. Коррекция временных ошибок, вызванных эффектами распространения, важна для каждого датчика обнаружения молнии в сети [например, Honma et al ., 1998; Schulz et al. ., 2016]. Было проведено множество исследований временной задержки и ослабления амплитуды из-за распространения электромагнитных волн по разным проводимостям земли [например, Cooray and Lundquist , 1983; Caligaris et al. ., 2008; Cooray , 2009] и местности [ Li et al ., 2015, 2016a, 2016b]. Эти эффекты приводят к скорости распространения волны, которая имеет прямое влияние на определение местоположения молнии и может позволить повысить точность геолокации разрядов молний [e.g., , Jean et al., , 1960; Стил и Чилтон , 1964; Chapman et al., ., 1966; Dowden et al. ., 2002].

Системы дальнего обнаружения молний обычно используют групповую скорость, которая всегда меньше или равна скорости света. Групповая скорость (Vg = δω / δk ) — это скорость группы волн в пределах амплитудной огибающей. Фазовая скорость (Vp = ω / k ) определяет изменение фазы в данном месте одной радиочастотной составляющей.Для систем определения местоположения молний на больших расстояниях (~ 500 км) принимаемые радиоволны обычно представляют собой смесь земных и небесных волн, то есть скачки ионосферы. Вклад небесной волны приводит к углу места падающей волны, который воспринимается антенной решеткой как медленность волны [например, Füllekrug et al ., 2015]. Формулировка «медленность» используется в сейсмологии — здесь предлагается использовать формулировку «фазовая скорость распространения» для радиоволн. На фазовую скорость распространения влияют угол места прихода волны ( θ ) и скорость прихода волны (Vg), на которую влияют параметры земли и ионосферы.Эта фазовая скорость распространения (Vg / cos θ ) предназначена для того, чтобы быть скоростью, какой она представляется приемной решетке с учетом угла места падающей волны. Например, фазовая скорость распространения будет бесконечной, если волна приходит с углом места ~ 90 ° к решетке приемников. Фазовая скорость распространения будет групповой скоростью, если волна приходит горизонтально с углом места 0 °. Эта скорость с заданным углом места подходит для расчета 2-мерного местоположения молнии, поскольку расстояния распространения обычно определяются по наземным трассам.

В научной литературе сообщается о противоречивых результатах по вопросу о том, больше или меньше фазовая скорость на очень низкой частоте (VLF), чем скорость света в волноводе Земля-ионосфера [например, Jean et al. ., 1960 and Steele и Чилтон , 1964]. Чтобы разрешить это противоречие, было бы полезно исследовать передачи ОНЧ с целью сделать вывод о фазовой скорости распространения, которая возникает в результате воздействия небесных и земных волн в установившемся режиме передачи.Этот вклад небесных волн и наземных эффектов может также влиять на характеристики системы определения местоположения молнии на большом расстоянии, такой как сеть ATDnet британского MetOffice [ Bennett et al ., 2011]. Экспериментальная система определения местоположения молний на больших расстояниях с разносом приемников> 500 км использует частотный диапазон от 5 кГц до 15 кГц, который содержит значительную часть электромагнитной энергии, выделяемой ответными ударами молнии [ Füllekrug et al. , 2013b]. Здесь предлагается новый метод, использующий переменную фазовую скорость распространения, чтобы смягчить влияние космических волн и наземных эффектов на определение местоположения молний и изучить пространственную изменчивость фазовой скорости распространения в заданном диапазоне частот в центральной части Франции.

2 Массив низкочастотных радиоприемников с длинной базой

Экспериментальная система определения местоположения молний с длинной базой была развернута в Западной Европе и непрерывно регистрировала напряженность электрического поля с 15:00 до 24:00 (всемирное координированное время) 8 августа 2014 года, когда в центральной части Франции возникла мезомасштабная конвективная система.

Массив состоит из четырех радиоприемников, распределенных по Великобритании и Франции (рисунок 1, слева). Эти приемники расположены в Бате (BTH), Орлеане (ORL), Ланнемезане (LMZ) и Rustrel (RST).Каждый приемник непрерывно регистрирует напряженность электрического поля от ~ 4 Гц до ~ 400 кГц с частотой дискретизации 1 МГц [ Füllekrug , 2010]. Этот радиоприемник изначально был разработан для исследования спрайтов и молний [например, Füllekrug et al ., 2006, 2013a, 2014; Mezentsev and Füllekrug , 2013; Soula et al. ., 2014]. Точность синхронизации часов GPS составляет ~ 20 нс и позволяет массиву обнаруживать источники молний и изучать записанные радиосигналы с высоким временным разрешением.

Геометрия эксперимента и измеренные фазовые скорости, полученные от двух передатчиков VLF. (слева) Расположение двух ОНЧ-передатчиков (красные точки) и радиоприемников с большой базой (> 500 км) (черные точки), используемых в этом исследовании. Круг (синяя линия), определяющий внутреннюю и внешнюю стороны массива приемников, центрирован в зоне наилучшего восприятия (синяя точка) приемников. (справа) Стабильное соотношение разностей расстояний и измеренных разностей времени между передатчиками и парами радиоприемников указывает на фиксированную фазовую скорость распространения, которая больше скорости света для DHO (черный) и меньше скорости света для STA (красный).Подробности см. В тексте.

Трехфазные скорости распространения радиоволн от передатчиков связи ОНЧ

Низкочастотные радиоволны представляют собой смесь земных и небесных волн, так что волны достигают радиоприемника с определенным углом места [например, Füllekrug et al ., 2015]. Чтобы оценить влияние углов места небесных волн и наземных эффектов, вычисляются фазовые скорости распространения радиоволн от хорошо известных подводных передатчиков связи ОНЧ, которые работают около ~ 20 кГц, для сравнения с предыдущими противоречивыми результатами [e.g., , Jean et al., , 1960; Стил и Чилтон, , 1964]. Фазовые скорости распространения выводятся из временной задержки радиосигналов, принимаемых в разных местах, и соответствующей разницы расстояний между разными путями распространения от передатчиков к приемникам. Основным преимуществом изучения передач VLF является их хорошо известная работа [например, Thomson , 2010] и расположение радиопередатчиков [например, Füllekrug et al ., 2015, приложение].

В этом исследовании используются передачи французского передатчика ОНЧ в Сент-Ассизе (STA), работающего на частоте 20,9 кГц, и немецкого передатчика ОНЧ (DHO) в Раудерфене, работающего на частоте 23,4 кГц, в тихий период в ночное время. Эти передачи выбраны потому, что их рабочие частоты близки к частотному диапазону экспериментальной системы определения местоположения молний (5–15 кГц), а также потому, что передатчики расположены внутри и снаружи решетки радиоприемников (Рисунок 1, слева).

3.1 Мгновенная фаза, выделенная из комплексного следа

Радиосигнал, зависящий от времени, рассматривается как аналитический сигнал или комплексная трасса. Это позволяет определять мгновенную фазу для каждой выборки во временном ряду. Комплексный график может быть получен из действительных записей напряженности вертикального электрического поля с использованием преобразования Гильберта [например, Taner et al ., 1979; Schimmel and Paulssen , 1997].Преобразование Гильберта можно рассматривать как свертку реального сигнала с 1 / ( πt ), где t — время. Эта свертка генерирует преобразование Гильберта как результат линейной инвариантной во времени системы, использующей главное значение Коши, чтобы избежать сингулярности. Преобразование Гильберта H ( f ( t )) действительной зависящей от времени функции f ( t ) также можно понимать как эффект фазового сдвига отрицательных частот на + 90 ° и положительные частоты на -90 °, где умножение на мнимую единицу j для вычисления комплексной кривой F ( t ) сдвигает отрицательные частоты еще на + 90 ° и восстанавливает положительные частоты. (1) где A ( t ) — это зависящая от времени амплитуда, а φ ( t ) — зависящая от времени фаза.На практике комплексный сигнал можно вычислить из реального сигнала, удвоив положительные частоты f ( t ) и исключив отрицательные частоты реального сигнала. Эта комплексная кривая впоследствии преобразуется с понижением путем умножения на e ^{— j Δ ωt} для привязки фазы к времени начала записи. Член e ^{— j Δ ωt} — это оператор сдвига частоты, который центрирует спектр на нулевой частоте, где Δ ω — частота сдвига.Оператор частотного сдвига имеет синфазную и квадратурную составляющие, поэтому этот шаг в качестве альтернативы можно использовать для получения комплексного сигнала. Фильтр нижних частот применяется к сигналу, преобразованному с понижением частоты, для выделения целевой полосы частот, которая обычно является односторонней полосой пропускания 150 Гц для передатчиков VLF. Фаза обработанного сигнала, известная как мгновенная фаза, может быть извлечена для каждой отдельной выборки. (2)

Циклические неоднозначности возникают, когда длина пути распространения превышает длину волны радиоволны.Чтобы избежать такой неоднозначности, записанные формы сигналов сдвигаются на время распространения от передатчика к приемнику с предполагаемой скоростью распространения. Сдвинутые формы сигналов здесь вычисляются умножением на оператор временного сдвига e ^{— jω Δ t} в частотной области, где Δ t — время распространения. В первом приближении время распространения равно Δ t = d / c , где d — расстояние распространения, а c — предполагаемая скорость распространения со скоростью света.

3.2 Расчет скорости распространения фазы

Скорость распространения фазы равна v = d / t , где d — расстояние, а t — время. Предполагая, что скорости одинаковы для разных путей распространения в первом приближении, скорость может быть определена как v = Δ d / Δ t , где Δ d — разница расстояний между двумя путями распространения. , т.е. d ₁ — d ₂, и Δ t — это разница во времени, которая возникает в результате распространения волны, т.е.е., Δ d / c + δ t . Тогда фазовая скорость распространения v для одной пары приемников может быть определена из (3) где δ t = δφ / ω — это остаточное время, вычисленное из наблюдаемого остатка фазы δφ , измеренного относительно скорости света, то есть после сдвига двух комплексных трасс, преобразованных с понижением частоты, и ω — угловая несущая частота радиоволны. Признаки этих различий должны быть последовательными.Остаточное время δ t сдвинутой формы волны между парами приемников будет равно 0, если радиоволны распространяются точно со скоростью света, то есть v = c .

Разницы во времени между парами приемников для двух передатчиков зависят от разницы расстояний между передатчиками и приемниками (рис. 1, справа). Уравнение 3 можно переформулировать для определения отношения между разницей расстояния и времени Δ d / δt = v × c / ( c — v ).Фиксированное соотношение между Δ d и δ t соответствует фиксированной скорости распространения радиоволн. Наклон линейной зависимости между Δ d и δt показывает, что усредненные фазовые скорости распространения практически постоянны для каждого из передатчиков. Фазовые скорости распространения на ~ 0,64% выше и на ~ 0,51% медленнее, чем скорость света для передатчиков в Раудерфене (DHO) и Сент-Ассизе (STA), соответственно.

Этот результат подчеркивает, что фазовая скорость распространения радиоволн может быть меньше или больше скорости света.Например, фазовая скорость распространения, превышающая скорость света, может возникнуть, когда радиоволна достигает массива радиоприемников с определенным углом места [например, Füllekrug et al ., 2015, Рисунок 2, справа; Рост и Томас , 2002, рис. 1]. В этом случае радиоволны от Rhauderfehn будут иметь большую фазовую скорость распространения, возможно, потому, что радиоволны приходят с больших углов места по сравнению с передатчиком Sainte Assise, расположенным внутри сети радиоприемников.Принятые ОНЧ-передачи состоят из наземных и небесных волн в результате эффектов волноводного распространения. Этот результат убедительно свидетельствует о том, что земная волна более ослаблена для Rhauderfehn, чем для Sainte Assise, поскольку она расположена на большем расстоянии от сети (сравните с рис. 1, слева, и Mezentsev и Füllekrug [2013, рис. 8]). Отсюда следует, что фазовая скорость распространения зависит от местоположения источника излучения и параметров грунта на трассах распространения до радиоприемников.Этот результат хорошо согласуется с результатами, ранее опубликованными в научной литературе [например, Jean et al ., 1960; Стил и Чилтон, , 1964]. Таким образом, небольшая неопределенность местоположения молнии, вызванная смесью земной волны и космической волны в результате эффектов распространения в волноводе, может быть введена, если фиксированное значение скорости распространения волны используется в системе определения местоположения молнии TOA.

4 Метод определения местоположения молнии и моделирование

В описываемой здесь системе определения местоположения молнии с длинной базой используется подход TOA в диапазоне частот 5–15 кГц.Этот частотный диапазон выбран потому, что обратный ход передает большую часть своей энергии, так что фаза хорошо определена. Сигнатуры от грозовых разрядов идентифицируются в записях, и определяется разница во времени между парами радиосигналов для расчета наилучшего возможного местоположения молнии. Теоретически местоположение молнии — это пересечение гипербол постоянной разницы расстояний, которые определяют возможные местоположения молнии. Гипербола для каждой пары приемников может быть определена из разностей расстояний между двумя приемниками путем умножения измеренных разностей времени прихода на заданную фиксированную скорость распространения волны [ Dowden et al ., 2002].

Время прихода сигнала обратного удара молнии определяется первым пиком, то есть ближайшим локальным максимумом, который предшествует абсолютному максимуму в сложной кривой в отфильтрованных данных. Таким образом, разница во времени между станциями принимается как разница между соответствующими временами прихода обратного хода. Этот метод используется, поскольку считается лучшим компромиссом между точностью определения местоположения и вычислительными затратами. Использование первого пика в качестве времени прихода теоретически должно исключить влияние небесных волн в переходном сигнале молнии.На практике обнаруживается, что эффект цифровой фильтрации все же присутствует. Например, среднее расстояние от молнии до приемников составляет ~ 560 км за зарегистрированные 9 ч. Задержка по времени между земной волной и небесной волной составляет около 95 мкс, что делает упрощенное предположение, что земля плоская, а ионосфера находится на высоте 90 км. Время нарастания обратного хода составляет ~ 5 мкс, а время затухания до полупикового значения составляет от 70 до 80 мкс [ Rakov , 2013]. Узкополосный фильтр расширяет два отдельных импульса во времени так, что они слегка перекрываются, а пик земной волны содержит некоторый вклад от небесной волны.

На практике метод TOA заключается в нахождении наиболее точного соответствия между измеренными разностями во времени и разностями во времени, связанными с наилучшим возможным местоположением молнии. Это ближайшее совпадение определяется здесь путем минимизации среднеквадратичного значения (RMS). (4) где N — количество пар приемников, Δ t _n — измеренная разница во времени между приемниками, Δ d _n — разница расстояний от наилучшего возможного местоположения молнии к приемникам, а v — это скорость распространения волны, которая по умолчанию равна скорости света во многих системах обнаружения молний.

Скорость распространения волны, используемая в уравнении 4, влияет на определение местоположения молнии. В результате для разных скоростей рассчитываются разные местоположения молний и соответствующие им среднеквадратичные значения для нескольких событий молний. Например, один типичный разряд молнии произошел внутри системы определения местоположения молнии на юге Франции (широта 43,6929 °, долгота 0,6077 °) в 18:01:31 и 189 486 мкс 8 августа 2014 г. Скорость распространения изменяется с шагом 0.01% в пределах ± 0,5% скорости света. Изменение местоположения молнии и среднеквадратичного значения демонстрирует важность скорости распространения в системе определения местоположения молнии (рис. 2, слева, вставка).

Места молний, полученные на основе переменных фазовых скоростей распространения и сравнения с местоположениями ATDnet, сообщенными британским MetOffice. (слева) Точки молнии, полученные на основе переменной фазовой скорости распространения (цветные кружки), сравниваются с местоположениями, полученными на основе фиксированной скорости (серые кресты) в течение 1 часа записи.Отклонения от распространения со скоростью света демонстрируют плавное пространственное изменение (цвет). Гроза переместилась на северо-восток, где произошли многочисленные разряды молний, которые используются для отображения скорости распространения фазы (пунктирная область). (вставка) Расчетное местоположение молнии перемещается с северо-запада на юго-восток, когда скорость распространения изменяется от 0,995 c до 1,005 c , где цвет указывает среднеквадратичное значение разницы во времени. Местоположение, рассчитанное со скоростью света (крест), находится на расстоянии 700 м от точки с минимальным RMS (кружок).(справа) Места молний, рассчитанные по переменной скорости (синяя линия) и фиксированной скорости (черная линия), сравниваются с местоположениями молний, сообщенными британским MetOffice. Сравнение показывает улучшение средней точности определения местоположения на ~ 890 м (красная линия) при использовании переменной фазовой скорости распространения.

Местоположение молнии постепенно смещается с северо-запада на юго-восток с увеличением скорости распространения. Скорость с минимальным значением RMS равна 0.На 17% медленнее скорости света. Расстояние между локацией с минимальным значением RMS и локацией, рассчитанной со скоростью света, составляет ~ 700 м. Это говорит о том, что фиксированная скорость распространения волны может привести к разнице в сотни и тысячи метров в определении местоположения молнии, если радиоволны от грозовых разрядов не распространяются со скоростью света.

5 местоположений молний, определенных на основе переменной скорости распространения фазы

Фазовые скорости распространения ОНЧ-радиоволн немного отличаются от скорости света, что демонстрируется наблюдаемыми фазовыми скоростями распространения ОНЧ-передач для подводной связи.Чтобы уменьшить неопределенность местоположения, вызванную использованием фиксированной скорости, в системе определения местоположения молнии реализована переменная фазовая скорость распространения. Этот шаг основан на идее, что фазовые скорости распространения для разных путей распространения волн меняются в результате вкладов ионосферных волн и эффектов грунта. Рассчитанные местоположения с переменными фазовыми скоростями распространения, возможно, ближе к реальному местоположению молнии, потому что реальное распространение волны сложнее, чем свет, проходящий через вакуум.Места молний, полученные на основе переменных фазовых скоростей распространения и фиксированных скоростей, теперь сравниваются для многих событий.

По крайней мере, три независимых разницы во времени необходимы для однозначного определения трех независимых параметров, то есть широты, долготы и фазовой скорости распространения. Эта вычисленная фазовая скорость распространения представляет собой усредненную фазовую скорость распространения для диапазона частот 5–15 кГц вдоль путей распространения от этого конкретного местоположения молнии до всех радиоприемников.Фазовая скорость распространения, вычисленная на основе оптимизации функции RMS в уравнении 4, должна быть ограничена, потому что мы знаем, что скорость распространения не может сильно отличаться от скорости света, даже если она немного отличается от скорости света. Фазовые скорости распространения, полученные по радиоволнам грозовых разрядов, вычислены с использованием данных, записанных с 18:00 до 19:00 (UTC) 8 августа 2014 года. Около ~ 68% (± 1 σ ) расчетных фазовых скоростей распространения не превышают ± 1.5% скорости света. Таким образом, результаты со скоростью распространения фазы за пределами этого диапазона считаются сомнительными, возможно, в результате интерференции, так что эти скорости распространения фазы не используются для дальнейшего анализа. Более 80% рассчитанных фазовых скоростей распространения ниже скорости света, возможно, потому, что большая часть вклада космических волн смягчается методом выбора разницы во времени, описанным в разделе 4. Места молний, полученные на основе фиксированных скоростей и переменной фазы. скорости распространения во Франции примерно одинаковы в большом масштабе (рис. 2, слева).

Чтобы оценить эффективность этого нового метода определения местоположения молний, местоположения, рассчитанные по переменной фазовой скорости распространения и фиксированной скорости, сравниваются с местоположениями молний, сообщаемыми коммерческой системой определения местоположения молний ATDnet британского MetOffice (Рисунок 2, справа ). ATDnet — первая сеть обнаружения молний, используемая в Европе [ Lee , 1986; Lewis et al. , 1960]. У него больше радиоприемников, и они более равномерно распределены по Европе, чем исследуемая здесь экспериментальная система определения местоположения молний, так что результаты ATDnet можно считать достоверными.Расстояния между точками молнии, полученными из переменных фазовых скоростей распространения, и местоположениями молний, сообщаемыми ATDnet, меньше, чем расстояния между местоположениями, определяемыми из скорости света, и местоположениями, сообщаемыми ATDnet. Среднее улучшение расстояний до местоположений ATDnet составляет ~ 890 м, а наиболее вероятное улучшение расстояний составляет ~ 1,06 км. Аналогичный результат получается из сравнения с местоположениями, сообщенными системой определения местоположения молний Meteorage.При использовании переменных фазовых скоростей распространения результаты расчетов примерно на 0,78 км ближе к точкам метеорологического наблюдения. Meteorage использует более короткие расстояния между приемниками, так что вклад небесных волн в наблюдаемые радиоволны незначителен по сравнению с сетями обнаружения молний на больших расстояниях. Таким образом, улучшение местоположения молний на ~ 0,89–1,06 км указывает на то, что использование переменных фазовых скоростей распространения для определения местоположения молнии смягчает влияние вкладов небесных волн и наземных эффектов.

6 Карта скорости

Рассчитанные скорости распространения фазы в данном диапазоне частот очень похожи в соседних областях и демонстрируют отчетливое плавное изменение на больших площадях (Рисунок 2, слева). Это наблюдение приводит к идее создания карты скоростей, чтобы охарактеризовать уменьшение вкладов небесных волн и наземных эффектов в большей области. Карта скоростей использует одну репрезентативную скорость распространения фазы в небольшой области, если наблюдаемые скорости распространения фазы в этой области хорошо соответствуют нормальному распределению.

Радиосигналы от более чем 30 000 грозовых разрядов регистрируются в течение ~ 9 часов в области от 0 ° до 6 ° E и от 43 ° до 46 ° N 8 августа 2014 года. Область интереса разделена на ячейки сетки размером 0,5 ° широты и долготы для анализа. Обратите внимание, что ячейки сетки не квадратные по расстоянию, потому что широты не большие круги. Этот размер ячейки сетки был выбран как компромисс между пространственным разрешением и получением достаточно больших выборок разрядов молний в отдельных ячейках.

Статистическая стабильность фазовых скоростей распространения в ячейке сетки проверяется перед расчетом карты скоростей. Распределения скорости в двух примерах ячеек сетки хорошо соответствуют разным нормальным распределениям (рис. 3, слева). Средние скорости для этих двух ячеек сетки составляют 0,9965 c и 1,0033 c со стандартными отклонениями 0,0044 c и 0,0042 c соответственно. Поэтому средние скорости значительно отличаются от скорости света.Распределения внутри приведенных в качестве примера ячеек сетки демонстрируют, что средняя скорость распространения фазы надлежащим образом представляет распределения скоростей распространения фазы в небольшой области.

Карта скоростей и распределения в двух ячейках сетки карты. (слева) Распределения скоростей (сплошные линии) двух ячеек сетки образца хорошо сравниваются с нормальными распределениями с небольшими стандартными отклонениями (пунктирные линии). Одна ячейка сетки простирается от 44 ° до 44 °.5 ° N и 1,5–2 ° E (красная линия), а вторая ячейка сетки простирается от 43 ° до 43,5 ° N и от 0 ° до 0,5 ° E (синяя линия). (справа) Карта скоростей состоит из отдельных ячеек сетки, которые демонстрируют плавный пространственный градиент. Белые ячейки сетки имеют менее 40 разрядов молнии и поэтому не показаны.

Средние скорости распространения фазы для каждой отдельной ячейки сетки различны (Рисунок 3, справа). Несколько ячеек сетки (показаны белым) содержат менее 40 событий — слишком мало, чтобы поддерживать статистически значимый результат.Для двух ячеек сетки с плохим статистическим распределением, т. Е. Ячеек сетки от 44 ° до 44,5 ° с.ш., от 5,5 ° до 6 ° в.д. и от 44,5 ° до 45 ° с.ш., от 1,5 ° до 2 ° в.д., медианные скорости распространения фазы необычны. маленькие и большие, соответственно, и поэтому исключены из дальнейшего анализа. Для большинства ячеек сетки фазовые скорости распространения меньше скорости света на ~ 0,1–1%. Есть также места, где средняя фазовая скорость распространения больше скорости света. Это наблюдение указывает на то, что эти радиоволны не приходят с горизонта при нулевых углах возвышения, подобно радиопередачам, описанным в разделе 3.

Предполагая, что средняя фазовая скорость распространения для каждой ячейки сетки представляет собой фазовую скорость распространения в заданном частотном диапазоне для местоположения центра, можно провести контурные линии между центрами для получения сглаженной карты скоростей (рисунок 4, слева). Скорости распространения фазы в двух недопустимых ячейках сетки заменяются средними значениями окружающих их ячеек сетки. Скорости ячеек сетки со слишком малым количеством отсчетов заполняются средним значением всех остальных фазовых скоростей распространения.Итоговая карта показывает плавное изменение фазовых скоростей распространения по исследуемой области.

Сравнение окончательной карты скоростей с картой топографической высоты. (слева) Окончательная карта скоростей рассчитывается на основе интерполированных контуров отдельных ячеек сетки, и карта демонстрирует плавное пространственное изменение. (справа) Топографическая карта высот показывает Центральный массив в центре Франции и демонстрирует аналогичную картину по сравнению с окончательной картой скоростей.Область с высокой отметкой представляет собой горы, а область с отрицательной отметкой — это морское дно Средиземного моря на юге Франции.

7 Обсуждение и заключение

Сравнение предполагаемых местоположений молний с местоположениями молний, о которых сообщают ATDnet и Meteorage в качестве наземной истины, убедительно свидетельствует о том, что местоположения молний, выведенные из переменной фазовой скорости распространения, более точны, чем местоположения, полученные из фиксированной скорости в этом УНЧ-дальном расстоянии. система локации молнии.Такое повышение точности объясняется способностью переменной фазовой скорости распространения смягчать влияние небесных волн и наземных эффектов на расчет местоположения молнии. Интересно отметить, что ATDnet использует фиксированную скорость для расчета местоположения молнии. Поэтому представляется вероятным, что эти места расположения молний также можно улучшить за счет использования переменных скоростей для уменьшения влияния небесных волн, но, возможно, в меньшей степени, потому что ATDnet использует больше радиоприемников.Для еще более ресурсоемких сетей определения местоположения молний ближнего действия, которые используют в основном земные волны для определения местоположения молний, переменные скорости могут только смягчить эффекты распространения волн, связанные с вариациями проводимости земли и ландшафта.

Карта скоростей показывает плавное пространственное изменение фазовых скоростей распространения радиоволн грозовых разрядов в центральной и южной Франции. Эта карта скоростей представляет скорости распространения радиоволн от разрядов молний, как они появляются в системе определения местоположения молний.Таким образом, карта фазовых скоростей распространения отражает среднее влияние небесных и земных волн на расчет местоположений молний в результате конфигурации сети, то есть различных путей распространения между местоположениями молний и радиоприемниками. Вполне возможно, что карта фазовых скоростей распространения является комбинированным продуктом распространения земной волны под влиянием проводимости земли и распространения небесной волны под влиянием ионосферной проводимости.В этом случае карту фазовой скорости распространения можно получить с более плотной сетью радиоприемников и более длинными записями, чтобы отразить другие геофизические свойства, такие как топография и проводимость грунта [ International Telecommunication Union , 2015]. Чтобы прояснить эту гипотетическую возможность, карту фазовых скоростей распространения сравнивают с картой рельефа местности во Франции (рис. 4, справа). Интересно отметить, что фазовые скорости распространения грозовых разрядов на больших высотах меньше, чем на более низких.Например, фазовые скорости распространения по гористой местности Центрального массива немного ниже скорости света, возможно, потому, что горные вершины мешают распространению радиоволн. Этот результат, кажется, подтверждает недавнюю работу по моделированию, которая предполагает, что на временную задержку электромагнитных полей, излучаемых молнией, может существенно влиять наличие горной местности [ Li et al ., 2016a]. Скорость распространения фазы на равнинах может иногда превышать скорость света, что указывает на приход радиоволны под углом места.Этот результат, возможно, может быть связан с профилем возвышения или дисперсией, вызванной профилем проводимости земли вдоль пути распространения, и подлежит дальнейшим исследованиям. Обратите внимание, что скорость распространения фазы определяется из дифференциальных измерений между парами приемников; поэтому ожидается, что геофизические свойства вокруг источника могут не быть доминирующим фактором, что, возможно, объясняет, почему корреляция плохая в некоторых ячейках сетки. Тем не менее, также возможно, что свойства пути распространения вблизи источника имеют большее влияние на общую фазовую задержку, чем свойства вдали от источника.На это указывает, например, функция ослабления Зоммерфельда-Нортона над плоской Землей [например, Galejs , 1972, рис. 9.3] с аналогичным эффектом, предполагаемым для неоднородной проводимости Земли [например, King et al. , 1966]. Поэтому представляется многообещающим сравнить различные карты фазовой скорости распространения, полученные из других сетей обнаружения молний, чтобы определить влияние географических особенностей на распространение ОНЧ-радиоволн [ Barr et al ., 2000].

Связь между фазовой скоростью распространения и ионосферными условиями — еще одна многообещающая область для будущих исследований. Наблюдаемые фазовые скорости распространения передач были разными, когда на трассе распространения возникали грозы. Эти ионосферные условия также меняются со временем, например, суточная изменчивость, обсуждаемая в Schonland et al . [1940]. Исследуемая гроза распространялась на восток в течение 9 часов с дня до ночи.В результате характеристики распространения волн в различных ионосферных условиях могут быть выявлены путем анализа рассчитанных фазовых скоростей распространения в разное время суток. Это запланировано для будущей работы.

Таким образом, это исследование дало несколько результатов. (1) Фазовые скорости распространения радиоволн, излучаемых передатчиками ОНЧ, могут быть меньше или больше скорости света. (2) Моделирование показывает, что местоположения молний, рассчитанные с разными фазовыми скоростями распространения, могут вызывать отклонения местоположения молнии на сотни и тысячи метров по сравнению с местоположением, определенным по скорости света.(3) Система определения местоположения молнии на большом расстоянии, в которой используются переменные фазовые скорости распространения, может повысить точность определения местоположения молнии на ~ 0,89–1,06 км по сравнению с местоположением молнии, определенным с помощью массива с большим количеством радиоприемников. (4) В результате конфигурации сети фазовые скорости распространения наносятся на карту по центральной и южной Франции, чтобы суммировать влияние небесных волн и наземных эффектов на расчет местоположения молний.

Благодарности

Работа З.L. спонсируется Университетом Бата, Метофис Великобритании (EA-EE1077) и Советом по стипендиям Китая (CSC) (файл 201408060073). Работа К.К. спонсируется Советом по исследованиям в области инженерных и физических наук (EPSRC) в соответствии с контрактом DTA EB-EE1151. Работа М.Ф. и А. спонсируется Советом по исследованиям окружающей среды (NERC) в рамках грантов NE / L012669 / 1 и NE / H024921 / 1. Данные, использованные для этой публикации, доступны по адресу http://doi.org/10.15125/BATH-00242. Данные о высоте, используемые на Рисунке 4 (справа), были загружены из NOAA, доступны в Интернете по адресу https: // www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html, а данные Meteorage были любезно предоставлены Торстеном Нойбертом через сеть Европейского научного фонда TEA-IS. З.Л. написал статью и провел анализ данных, К.К. посоветовал использовать передатчики VLF и преобразование Гильберта, A.M. оказал помощь в установке приемной сети, S.E. и Дж. помог с интерпретацией результатов, а М.Ф. руководил работой З.Л. и проконсультировали по концепциям анализа данных. Авторы выражают благодарность Сержу Суле, Жан-Луи Пинкону, Стефану Гаффе и их командам за размещение радиоприемников в Ланнемезане, Орлеане и Рюстреле.З.Л. хочет поблагодарить Дирка Клугманна и Ивана Эстина за вдохновение и поддержку в отношении этого проекта и благодарит за полезные обсуждения и поддержку Эндрю Мосса, Натана Смита, Нила Хиндли и Корвина Райта, а также за конструктивные предложения анонимных рецензентов.

Список литературы

Беннетт, А. Дж., К. Гаффард, Дж. Нэш, Г. Каллаган и Н. С. Аткинсон (2011), Влияние модальных помех на УНЧ-сети дальнего обнаружения молний с использованием метода корреляции формы волны, J. Atmos. Oceanic Technol. , 28, 993–1006, DOI: 10.1175 / 2011JTECHA1527.1.
Cummins KL, MJ Murphy, JA Cramer, W. Scheftic, N. Demetriades, A. Nag (2010), Повышение точности определения местоположения с использованием поправок на распространение: тематическое исследование Национальной сети обнаружения молний США, препринты, 21-я Международная конференция по обнаружению молний , Орландо, Флорида.
Д. Ли, М. Азадифар, Ф. Рашиди, М. Рубинштейн, Г. Дендорфер, К. Шешекани, К. Чжан и З. Ван (2016a), Анализ распространения электромагнитного поля молнии в горной местности и его эффекты по системам определения местоположения молний на основе ToA, J. Geophys. Res. Атмос. , 121, 895–911, DOI: 10.1002 / 2015JD024234.
Ли, Д., Ф. Рашиди, М. Рубинштейн, Г. Дендорфер, З. Ван (2016b), Оценка точности определения местоположения систем определения местоположения молний на основе ToA над гористой местностью, На 24-й Международной конференции по обнаружению молний (ILDC).
С. Маллик, В. А. Раков, Т. Нджин, В. Р. Гамерота, Дж. Т. Пилки, Дж. Д. Хилл, М. А. Уман, Д. М. Джордан, А. Наг и Р. К. Саид (2014), Оценка рабочих характеристик GLD360 с использованием ракетно-космического оборудования. проводные данные о молниях, Geophys. Res. Lett. , 41, 3636–3642, DOI: 10.1002 / 2014GL059920.
Мазур В., Э. Уильямс, Р. Болди, Л. Майер и Д. Е. Проктор (1997), Первоначальное сравнение картографирования молний с оперативными системами определения времени прихода и интерферометрическими системами, J.Geophys. Res. , 102, 11 071–11 085, DOI: 10.1029 / 97JD00174.
Soula, S., F. Iacovella, O. van der Velde, J. Montanyà, M. Füllekrug, T. Farges, J. Bór, J.-F. Георгис, С. Найтамор и Ж.-М. Мартин (2014), Мульти-инструментальный анализ крупных спрайтовых событий и вызывающих их штормов на юге Франции, Atmos.Res. , 135, 415–431, DOI: 10.1016 / j.atmosres.2012.10.004.
Stock, M. G., M. Akita, P.R. Krehbiel, W.Райсон, Х. Э. Иденс, З. Кавасаки и М. А. Стэнли (2014), Непрерывная широкополосная цифровая интерферометрия молний с использованием обобщенного алгоритма взаимной корреляции, J. Geophys. Res. Атмос. , 119, 3134–3165, DOI: 10.1002 / 2013JD020217.

(7) Научные концепции.Студент знает характеристики и поведение волн. Ожидается, что студент:
(А) исследовать и описывать колебательные движения и распространение волн в различных типах сред;
(В) исследовать и анализировать характеристики волн, включая скорость, частоту, амплитуду и длину волны, и вычислять, используя соотношение между скоростью, частотой и длиной волны;
(С) сравнивать характеристики и поведение поперечных волн, включая электромагнитные волны и электромагнитный спектр, а также характеристики и поведение продольных волн, включая звуковые волны;
(F) описать роль волновых характеристик и поведения в медицинских и промышленных приложениях.

(7) Научные концепции. Студент знает характеристики и поведение волн. Ожидается, что студент:
(В) исследовать и анализировать характеристики волн, в том числе скорость, частоту, амплитуду и длину волны, и вычислять, используя соотношение между скоростью, частотой и длиной волны.

Звук — это волна. Более конкретно, звук определяется как возмущение материи, которое передается от своего источника вовне.Нарушение — это все, что выходит из состояния равновесия. Некоторые звуковые волны можно охарактеризовать как периодические волны, что означает, что атомы, составляющие материю, испытывают простое гармоническое движение.

Вибрирующая струна создает звуковую волну, как показано на рисунках 14.2, 14.3 и 14.4. Когда струна колеблется вперед и назад, часть энергии струны идет на сжатие и расширение окружающего воздуха. Это создает несколько более высокое и более низкое давление.Области более высокого давления … это сжатия, а области низкого давления — разрежения. Возмущение давления движется по воздуху продольными волнами с той же частотой, что и струна. Часть энергии теряется в виде тепловой энергии, передаваемой воздуху. Вы можете вспомнить из главы о волнах, что области сжатия и разрежения в продольных волнах (таких как звуковые) аналогичны гребням и впадинам в поперечных волнах.

Рис. 14.4 После многих вибраций происходит серия сжатий и разрежений, которые передаются от струны в виде звуковой волны. График показывает манометрическое давление (P _{, манометр}) в зависимости от расстояния x от источника. Манометрическое давление — это давление относительно атмосферного давления; он положительный для давлений выше атмосферного и отрицательный для давлений ниже него.Для обычных, повседневных звуков давление незначительно отличается от среднего атмосферного давления.

Амплитуда звуковой волны уменьшается по мере удаления от источника, потому что энергия волны распространяется на все большую и большую площадь. Но часть энергии также поглощается объектами, такими как барабанная перепонка на рис. 14.5, а часть энергии преобразуется в тепловую энергию в воздухе. На рисунке 14.4 показан график зависимости избыточного давления от расстояния до вибрирующей колонны. Из этого рисунка видно, что сжатие продольной волны аналогично пику поперечной волны, а разрежение продольной волны аналогично провалу поперечной волны.Подобно тому, как поперечная волна чередуется между пиками и впадинами, продольная волна чередуется между сжатием и разрежением.

Рис. 14.5 Сжатия и разрежения звуковой волны поднимаются по слуховым проходам и заставляют барабанную перепонку вибрировать. На барабанную перепонку действует чистая сила, поскольку давление звуковой волны отличается от атмосферного давления за барабанной перепонкой. Сложный механизм преобразует вибрации в нервные импульсы, которые затем интерпретируются мозгом.

[OL] [AL] Спросите студентов, знают ли они скорость звука, а если нет, попросите их угадать. Спросите их, почему звук грома часто слышен после того, как во время шторма видны молнии. Это явление также наблюдается во время показа фейерверков. В ходе этого обсуждения выработайте концепцию, согласно которой скорость звука конечна и измерима и намного медленнее скорости света.

Скорость звука сильно варьируется в зависимости от среды, через которую он распространяется. Скорость звука в среде определяется сочетанием жесткости среды (или сжимаемости в газах) и ее плотности.Чем жестче (или менее сжимаема) среда, тем выше скорость звука. Чем больше плотность среды, тем медленнее скорость звука. Скорость звука в воздухе мала, потому что воздух сжимаемый. Поскольку жидкости и твердые тела относительно жесткие и их очень трудно сжимать, скорость звука в таких средах обычно выше, чем в газах. В таблице 14.1 показана скорость звука в различных средах. Поскольку температура влияет на плотность, скорость звука в некоторой степени зависит от температуры среды, через которую он распространяется, особенно для газов.

Студенты могут запутаться между жесткостью и плотностью и тем, как они влияют на скорость звука. Скорость звука ниже в более плотных носителях. Твердые тела более плотные, чем газы. Однако они также очень жесткие, и поэтому звук в твердых телах распространяется быстрее. Подчеркните тот факт, что скорость звука всегда зависит от комбинации этих двух свойств любой среды.

Среднее	v _w (м / с)
*Газы при 0 ° C*
Воздух	331
Двуокись углерода	259
Кислород	316
Гелий	965
Водород	1290
*Жидкости при 20 ° C*
Этанол	1160
Меркурий	1450
Вода пресная	1480
Морская вода	1540
Ткани человека	1540
*Твердые тела (продольные или насыпные)*
Вулканизированная резина	54
Полиэтилен	920
Мрамор	3810
Стекло, Pyrex	5640
Свинец	1960
Алюминий	5120
Сталь	5960

[BL] Обратите внимание, что в таблице скорость звука в очень жестких материалах, таких как стекло, алюминий и сталь … довольно высока, в то время как скорость звука в резине значительно выше. менее жесткий, довольно низкий.

Звук, как и все волны, распространяется с определенной скоростью через различные среды и имеет свойства частоты и длины волны. Звук распространяется намного медленнее света — вы можете наблюдать это, наблюдая за фейерверком (см. Рис. 14.6), поскольку вспышка взрыва видна раньше, чем слышен его звук.

, где v — скорость звука (в м / с), f — его частота (в герцах), а λλ — его длина волны (в метрах).Напомним, что длина волны определяется как расстояние между соседними идентичными частями волны. Таким образом, длина волны звука — это расстояние между соседними идентичными частями звуковой волны. Подобно тому, как расстояние между соседними гребнями в поперечной волне составляет одну длину волны, расстояние между соседними компрессиями в звуковой волне также составляет одну длину волны, как показано на рисунке 14.7. Частота звуковой волны такая же, как у источника. Например, камертон, вибрирующий с заданной частотой, будет производить звуковые волны, которые колеблются с той же частотой.Частота звука — это количество волн, которые проходят точку за единицу времени.

Рис. 14.7 Звуковая волна исходит от источника, вибрирующего с частотой f , распространяется с частотой v и имеет длину волны λλ.
Поддержка учителей
Поддержка учителей
[BL] [OL] [AL] В музыкальных инструментах более короткие струны вибрируют быстрее и, следовательно, производят звуки с более высокой высотой тона. Расположение ладов на таких инструментах, как гитары, банджо и мандолины, определяется математически, чтобы дать правильный интервал или изменение высоты тона.Когда струна прижимается к струне лада, струна укорачивается, изменяя ее высоту. Попросите студентов поэкспериментировать со струнами разной длины и понаблюдать за тем, как изменяется высота звука в каждом случае.
Одним из наиболее важных свойств звука является то, что его скорость почти не зависит от частоты. Если бы это было не так, и высокочастотные звуки распространялись бы быстрее, например, то чем дальше вы находитесь от группы на футбольном стадионе, тем больше звук от инструментов с низким тоном будет отставать от звука с высоким тоном.Но музыка от всех инструментов поступает в ритме независимо от расстояния, и поэтому все частоты должны двигаться почти с одинаковой скоростью.
Напомним, что v = fλv = fλ, и в данной среде при фиксированных температуре и влажности v постоянно. Следовательно, соотношение между f и λλ является обратным: чем выше частота, тем короче длина волны звуковой волны.
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Демонстрация учителей
Удерживайте метр плоско на столе так, чтобы его край выступал примерно на 80 см.Заставьте стержень измерителя вибрировать, потянув за кончик вниз и отпустив, при этом плотно прижимая стержень измерителя к рабочему столу. Пока он вибрирует, переместите стик обратно на рабочий стол, укоротив выступающую часть. Учащиеся увидят сокращение вибрирующей части измерителя и услышат увеличение высоты тона или количества колебаний — увеличение частоты.
Скорость звука может изменяться при переходе звука от одного носителя к другому. Однако частота обычно остается той же, потому что она похожа на возбужденное колебание и поддерживает частоту исходного источника.Если v изменяется, а f остается прежним, то длина волны λλ должна измениться. Поскольку v = fλv = fλ, чем выше скорость звука, тем больше длина его волны для данной частоты.
Поддержка учителей
Поддержка учителей
[AL] Попросите учащихся предсказать, что произойдет, если скорость звука в воздухе будет меняться в зависимости от частоты.
Виртуальная физика
Звук
Эта симуляция позволяет видеть звуковые волны. Отрегулируйте частоту или амплитуду (громкость), и вы сможете увидеть и услышать, как меняется волна.Перемещайте слушателя и слушайте то, что она слышит. Перейдите на вкладку «Взаимодействие с двумя источниками» или «Взаимодействие по отражению», чтобы поэкспериментировать с помехами и отражениями.
Советы для успеха
Убедитесь, что звук включен и установлен на Listener, а не Speaker, иначе звук не будет меняться при перемещении слушателя.
Проверка захвата
Исследования PhET: звук. Эта симуляция позволяет вам видеть звуковые волны. Отрегулируйте частоту или громкость, и вы сможете увидеть и услышать, как меняется волна.Перемещайте слушателя и слушайте то, что она слышит.
На первой вкладке Listen to a Single Source переместите слушателя как можно дальше от динамика, а затем измените частоту звуковой волны. Возможно, вы заметили, что существует задержка между моментом, когда вы меняете настройку, и временем, когда вы слышите, как звук становится ниже или выше по высоте. Почему это?
Потому что интенсивность звуковой волны меняется в зависимости от частоты.
Потому что скорость звуковой волны изменяется при изменении частоты.
Потому что для регулировки громкости звуковой волны требуется время после изменения частоты.
Потому что для того, чтобы звук достиг слушателя, требуется время, поэтому слушатель воспринимает новую частоту звуковой волны после задержки.
Есть ли разница в величине задержки в зависимости от того, увеличиваете ли вы частоту или уменьшаете ее? Почему?
Да, скорость распространения зависит только от частоты волны.
Да, скорость распространения зависит от длины волны, и длина волны изменяется вместе с изменением частоты.
Нет, скорость распространения зависит только от длины волны.
Нет, скорость распространения постоянна в данной среде; только длина волны изменяется при изменении частоты.
Snap Lab
Голос как звуковая волна
В этой лаборатории вы понаблюдаете за эффектами выдувания и речи на листе бумаги, чтобы сравнить и сопоставить различные звуковые волны.
лист бумаги
лента
стол
Инструкции
Процедура
Подвесьте лист бумаги так, чтобы верхний край бумаги был зафиксирован, а нижний край мог свободно двигаться. Вы можете, например, приклеить верхний край бумаги к краю стола.
Осторожно продуйте воздух возле края нижней части листа и обратите внимание на его движение.
Говорите мягко, а затем громче, чтобы звуки доходили до края нижнего края бумаги, и отметьте, как движется лист.
Интерпретируйте результаты.
Фиксатор захвата
Какое свойство звуковой волны усиливается, когда вы говорите громче, чем тихо?
амплитуда волны
частота волны
скорость волны
длина волны
Рабочий пример
Каковы длины волн слышимых звуков?
Рассчитайте длины волн звуков в крайних пределах слышимого диапазона, 20 и 20 000 Гц, в условиях, когда звук распространяется на 348.7 м / с.
Стратегия
Чтобы найти длину волны по частоте, мы можем использовать v = fλv = fλ.
Решение
(1) Определите известные. Приведены значения для v и f .
(2) Найдите взаимосвязь между скоростью, частотой и длиной волны для λλ.
(3) Введите скорость и минимальную частоту для получения максимальной длины волны.
λmax = 348,7 м / с 20 Гц = 17 м≈20 м (1 знаковый рисунок) λmax = 348,7 м / с 20 Гц = 17 м≈20 м (1 сигн.рисунок)
14,3
(4) Введите скорость и максимальную частоту для получения минимальной длины волны.
λmin = 348,7 м / с 20000 Гц = 0,017 м≈2 см (1 сигн. цифра) λmin = 348,7 м / с 20000 Гц = 0,017 м≈2 см (1 сиг. цифра)
14,4
Обсуждение
Поскольку произведение f на λλ равняется постоянной скорости в неизменных условиях, чем меньше f , тем больше должно быть λλ, и наоборот. Обратите внимание, что вы также можете легко изменить ту же формулу, чтобы найти частоту или скорость.{-3} \, \ текст {м}

Эхолокация — это использование отраженных звуковых волн для обнаружения и идентификации объектов. Он используется такими животными, как летучие мыши, дельфины и киты, а также имитируется людьми в SONAR — Sound Navigation and Ranging — и технологии эхолокации.

Летучие мыши, дельфины и киты используют эхолокацию для навигации и поиска пищи в окружающей среде. Они обнаруживают объект (или препятствие), издавая звук, а затем улавливая отраженные звуковые волны. Поскольку скорость звука в воздухе постоянна, время, которое требуется звуку, чтобы добраться до объекта и обратно, дает животному ощущение расстояния между собой и объектом. Он называется в диапазоне . На рис. 14.8 показана летучая мышь, использующая эхолокацию для определения расстояния.

Эхолокационные животные идентифицируют объект, сравнивая относительную интенсивность звуковых волн, возвращающихся в каждое ухо, чтобы определить угол, под которым звуковые волны отражались.Это дает информацию о направлении, размере и форме объекта. Поскольку между двумя ушами животного существует небольшое расстояние, звук может вернуться в одно из ушей с небольшой задержкой, что также дает информацию о положении объекта. Например, если медведь находится прямо справа от летучей мыши, эхо вернется в левое ухо летучей мыши позже, чем в ее правое ухо. Однако, если медведь идет прямо перед летучей мышью, эхо вернется в оба уха одновременно.Для животного без зрения, такого как летучая мышь, важно знать , где находятся других животных, а также , какие они ; от этого зависит их выживание.

Принципы эхолокации были использованы для разработки множества полезных сенсорных технологий. SONAR используется подводными лодками для обнаружения подводных объектов и измерения глубины воды. В отличие от эхолокации животных, которая полагается только на один передатчик (рот) и два приемника (уши), искусственный SONAR использует множество передатчиков и лучей для получения более точных данных об окружающей среде.Радиолокационные технологии используют эхо радиоволн для определения местоположения облаков и штормовых систем при прогнозировании погоды, а также для определения местоположения самолетов для управления воздушным движением. Некоторые новые автомобили используют технологию эхолокации, чтобы определять препятствия вокруг машины и предупреждать водителя, который может что-то ударить (или даже автоматически припарковаться параллельно). Технологии эхолокации и системы обучения разрабатываются, чтобы помочь людям с ослабленным зрением ориентироваться в повседневной среде обитания.

Используйте эти вопросы, чтобы оценить достижения учащихся по целям обучения раздела. Если учащиеся борются с какой-то конкретной целью, эти вопросы помогут определить, какие учащиеся, и направить их к соответствующему содержанию.

3.
Что такое разрежение?
Редкость — это область высокого давления, возникающая в среде при прохождении через нее продольной волны.
Редкость — это область низкого давления, создаваемая в среде при прохождении через нее продольной волны.
Редкость — это наивысшая точка амплитуды звуковой волны.
Редкость — это самая низкая точка амплитуды звуковой волны.
4.
Какого рода движение испытывают частицы среды, когда через них проходит звуковая волна?
Простое гармоническое движение
Круговое движение
Случайное движение
Поступательное движение
5.
От чего зависит скорость звука?
Длина волны
Размер средний
Частота волны
Свойства среды
6.
Какое свойство газа влияет на скорость звука, проходящего через него?
Объем газа
Воспламеняемость газа
Масса газа
Сжимаемость газа
В центре внимания технологии: распространение электромагнитных волн под водой
Подводные каналы беспроводной связи почти полностью реализованы с использованием акустических систем.Оптические каналы оказались непрактичными для многих приложений. Хотя подводные радиосвязи были экспериментально оценены в первые дни развития радио, они не отвечали требованиям времени. Учитывая современные эксплуатационные требования и технологии цифровой связи, пришло время переоценить роль электромагнитных сигналов в подводной среде.
Фон
Подводная электромагнитная связь исследуется с самых первых дней развития радио и снова привлекла к себе внимание в 1970-х годах.Затем наземное радио обычно доставляло ручную цифровую связь (код Морзе) или аналоговую голосовую связь с полной полосой пропускания на большие расстояния, и исследования были направлены на предоставление этих типов услуг в подводной среде. Фактически, подводная система связи с крайне низкими частотами (ELF) считается единственным успешно развернутым подводным электромагнитным приложением. Эта система работала на частоте 76 Гц для системы США и 82 Гц в системе России и позволяла передавать несколько символов в минуту по всему миру.В нем реализован односторонний «звонок» для вызова отдельной подводной лодки на поверхность для связи с более высокой пропускной способностью с использованием наземного радио. Было обнаружено, что через воду аналоговая голосовая связь с полной полосой пропускания на большие расстояния является непрактичной, и быстро пришло понимание того, что электромагнитные сигналы не имеют применения в подводной среде.
Электромагнитный
В цифровую эпоху мы познакомились с преимуществами систем связи с малым радиусом действия и высокой пропускной способности, таких как Bluetooth.В то же время нефтяная промышленность и военные операции предъявляют изменяющиеся требования, которые создают потребность в надежных бесконтактных каналах передачи данных ближнего действия. Первоначальное исследование показало, что электромагнитная сигнализация в сочетании с цифровой технологией и методами сжатия сигналов имеет множество преимуществ, которые делают ее подходящей для нишевых подводных приложений.
Теория
Распространение электромагнитного излучения через воду сильно отличается от распространения через воздух из-за высокой диэлектрической проницаемости и электропроводности воды.Затухание плоской волны велико по сравнению с атмосферой и быстро увеличивается с увеличением частоты. Обладая относительной диэлектрической проницаемостью 80, вода имеет одну из самых высоких диэлектрических проницаемостей среди любого материала, и это оказывает значительное влияние на угол преломления на границе раздела воздух / вода.
Электропроводность морской воды обычно составляет около 4См / м, в то время как номинальная проводимость «пресной» воды весьма непостоянна, но обычно находится в диапазоне мСм / м. Ослабление электромагнитных сигналов в пресной воде намного ниже, чем в морской, но пресная вода имеет аналогичную диэлектрическую проницаемость.Относительная проницаемость составляет примерно 1, поэтому прямое влияние на составляющую магнитного поля незначительно. Потери в значительной степени связаны с влиянием проводимости на составляющую электрического поля. Распространяющиеся волны непрерывно перемещают энергию между электрическим и магнитным полями; следовательно, проводимость приводит к сильному затуханию распространяющихся электромагнитных волн.
Быстрее акустики
Выше 10 кГц электромагнитное распространение более чем в сто раз быстрее, чем акустическое.Это имеет важные преимущества для задержки команд и сетевых протоколов, где необходимо обмениваться множеством сигналов. Доплеровский сдвиг обратно пропорционален скорости распространения, поэтому для электромагнитных сигналов он намного меньше.
Еще одним важным фактором является влияние границы раздела воздух-вода. Потери на распространение и угол преломления таковы, что электромагнитный сигнал пересекает границу раздела воздух-вода и, кажется, исходит от участка воды непосредственно над передатчиком.Большой угол преломления, создаваемый высокой диэлектрической проницаемостью, запускает сигнал почти параллельно поверхности воды. Этот эффект помогает поддерживать связь между подводными станциями и сушей, а также между мелководными подводными станциями без необходимости использования наземных ретрансляционных буев.
Воздушный тракт может быть ключевым преимуществом. Например, если два дайвера находятся на расстоянии 1 км друг от друга на 2 м ниже поверхности, затухание будет значительно меньше, чем ожидалось из-за потери 1 км через воду. Для сравнения, акустические сигналы не могут пересекать границу между водой и воздухом, поэтому будет применима потеря 1 км через воду.Аналогичный эффект наблюдается на морском дне, где проводимость намного ниже, чем у воды. Морское дно является альтернативным скрытым каналом связи с низкими потерями и низким уровнем шума. На рисунке 2 показаны пути распространения, которые можно использовать для связи. Во многих случаях доминирующим будет единственный путь распространения.
Антенны рамочные
Подводные системы ELF используют линейные антенны, тянущиеся судном в подводном положении, но эта система реализует «прием» только в погруженном узле.Рамочные антенны с магнитной связью — это наиболее компактное практическое решение для дуплексных подводных систем. Рамочные антенны по своей природе являются направленными, и это свойство можно использовать для выбора единственного пути распространения. В качестве альтернативы всенаправленные антенны могут быть реализованы путем пересечения двух контуров так, чтобы их плоскости пересекались под прямым углом.
Приложения
Подводные электромагнитные сигналы находят множество практических применений в навигации, зондировании и связи.Системы ближней навигации могут быть основаны на градиенте амплитуды сигнала, наблюдаемом при распространении электромагнитного излучения. Для радиомаяков гидролокаторные системы должны использовать информацию о фазе, чтобы определять направление волнового фронта, и страдают от эффектов многолучевого распространения и градиентов давления. Системы навигации UUV, основанные на электромагнитных сигналах, будут измерять усиление сигнала как прямую реакцию на движение к маяку, что позволит создать очень простой и надежный контур управления. Распределенные кабели могут быть спроектированы так, чтобы излучать электромагнитный сигнал по всей их длине.Этот тип распределенного преобразователя не имеет аналогов в акустической области. Кабель может обеспечить ближнюю навигацию и уменьшить дальность, необходимую для мобильной связи. Такое расположение позволяет реализовать «трамвайную линию», по которой можно отслеживать с помощью БПА, при этом разрешая периодические экскурсии. Непрерывный трамвайный путь легко перехватить на обратном пути НПА.
Пропускная способность превышает возможную при использовании акустики на очень коротком расстоянии. В большинстве приложений это уникальный механизм распространения, который обеспечивает множество нишевых преимуществ в дополнение к использованию существующих подводных систем.
Преимущества
Ниже перечислены нишевые преимущества электромагнитной сигнализации в применении к системам навигации, зондирования и связи:
пересекает границу раздела вода-воздух; Горизонтальная связь на большие расстояния по воздуху, воде и воздуху или суше без наземного ретранслятора
не подвержены влиянию градиента давления; допускает горизонтальное распространение
широкополосный, возможность быстрой перестройки частоты; нет механических настраиваемых деталей, как в акустической системе
Многолучевость меньше проблем из-за более высокого затухания и меньшего отражения от поверхности и морского дна
распределенные преобразователи; излучающие кабели могут обеспечивать уникальные функции навигации и связи
невосприимчив к морскому обрастанию, что делает долгосрочное развертывание оптических систем нецелесообразным
высокая эффективность Джоулей на бит; для приложений с малым радиусом действия и высокой пропускной способностью высокая скорость передачи данных приводит к короткому времени передачи, поэтому система может быть очень эффективной с точки зрения джоулей на бит, увеличивая время развертывания для оборудования с батарейным питанием
невосприимчив к акустическому шуму; работа без воздействия волн, шума двигателя или тяжелых работ по вмешательству БПА
потенциал для высоких скоростей передачи данных; использование несущей МГц; не требует точной навигации для жесткой стыковки коннекторной системы; повышенная надежность по сравнению с разъемами; предотвращает загрязнение морской среды, твердые частицы и проблемы центровки, характерные для лазерных систем
высокая скорость распространения; низкий доплеровский сдвиг, малая задержка распространения, что особенно важно для сетевых протоколов, требующих многократного обмена информацией для подтверждения связи и проверки ошибок
компактные переносные устройства; небольшие антенны обеспечивают приемлемую производительность
не зависит от плохой видимости; отложения, нарушенные на морском дне, не влияют на работу, а лазерные системы не работают
невосприимчив к газированной воде; работа в зоне прибоя, сообщение через кавитирующую промывку винта, сообщение на скорости
скрытая локальная связь; использование высокочастотной несущей для высокого затухания, также близкое повторное использование пространственной частоты
Воздействие на морских животных неизвестно; влияние акустических сигналов на морских млекопитающих становится проблемой.
Приложения
Рассмотрение преимуществ электромагнитной сигнализации привело к следующим предлагаемым приложениям, использующим сильные стороны этой технологии:
Управление НПА в реальном времени с берега, подводных лодок и надводных судов
Беспроводная передача энергии и данных через корпус
высокоскоростная передача данных между БПА и надводными судами
передача данных датчиков от БПА в реальном времени при погружении в воду
обмен данными между НПА и подводными датчиками
Распределенные навигационные системы UUV для мелководных гаваней и портов
подводные навигационные маяки; местонахождение актива, защита актива
передача данных с подводных датчиков на поверхность или берег без повторителей на поверхности
сбор данных с подводных датчиков с помощью беспилотных летательных аппаратов
связь; От БПА к БПА, от подводной лодки к НПА, БПА к беспилотному надводному транспортному средству, НПА к беспилотному летательному аппарату
Связь с водолазом (речь и текстовые сообщения)
Развитие
Wireless Fiber Systems (WFS) изучает эту область технологий более двух лет в сотрудничестве с рядом государственных органов, включая Национальную физическую лабораторию Великобритании, несколько университетов и промышленных партнеров.В эпоху цифровых коммуникаций этой области практически не уделялось должного внимания, и WFS подала десять соответствующих международных патентных заявок, касающихся связи, навигации и зондирования. Экспериментальные работы начались в 2004 году и продвинулись от фундаментальных экспериментов по распространению радиоволн через демонстрацию передачи данных до момента запуска наших первых коммуникационных продуктов в третьем квартале 2006 года. В настоящее время WFS разрабатывает две линейки продуктов подводных телеметрических линий.
S1510 Система связи среднего радиуса действия
В сентябре 2006 года мы выпустили подводный ЭМ-модем S1510.Эта система была разработана для передачи сигналов со скоростью до 16 кбит / с на расстояние 20 м в морской воде. При более низких скоростях передачи данных сигналы могут передаваться на расстояние более 200 м.
S1510 может предоставлять периодические двусторонние обновления телеметрии в течение одного года с питанием от небольшого батарейного блока.
Этот продукт предназначен для различных приложений, таких как мониторинг окружающей среды, управление АНПА в реальном времени, сбор данных с подводных датчиков и связь с водолазами.
Электромагнитные линии связи особенно подходят для работы на мелководье в сложных условиях или там, где требуются незаметные решения, например, в реках, устьях рек, в гаванях или вокруг промышленных объектов на побережье или в море.Сигналы проходят сквозь лед с низким затуханием, поэтому сбор данных в течение всего года возможен даже при замерзании поверхностных вод.
S5510 Широкополосная электромагнитная связь ближнего действия
В конце 2006 г. будет запущен S5510, широкополосный канал электромагнитной телеметрии, предназначенный для клиентов, которым требуется передача больших объемов данных (1–10 Мбит / с) на короткие расстояния (<1 м) под водой. Это было разработано для поддержки быстрого сбора данных с подводных датчиков с помощью БПА без необходимости жесткой стыковки и с очень высокой эффективностью джоулей на бит.Он обеспечивает дуплексную работу с функцией моста Ethernet. На практике каждое развертывание предъявляет уникальные требования. В то время как платформы S5510 и S1510 обеспечивают основную часть функциональных возможностей системы, каждое решение должно уникальным образом сбалансировать такие параметры, как конструкция антенны, мощность передачи, рабочий цикл, полоса пропускания данных, размер антенны и местные источники шума, чтобы достичь оптимизированного решения для конкретного приложения. .
Заключительные замечания
Технологии связи и эксплуатационные требования радикально изменились с тех пор, как впервые была проведена оценка подводного электромагнетизма.Компания Wireless Fiber Systems первой начала коммерческие разработки в этой области и выпустила первый в мире продукт для подводной ЭМ-связи с уникальными возможностями. Мы считаем, что влияние этой технологии окажет разрушительное воздействие на широкий спектр отраслей, включая оборону, морскую нефтегазовую промышленность и мониторинг окружающей среды.
% PDF-1.5 % 1 0 объект QlSX_: rH) / Creator (Scientific Research Publishing) / Producer (; изменено с помощью iText 5.4.4 2000-2013 1T3XT BVBA \ (AGPL-версия \)) / Название (Распространение электромагнитных волн в пресную воду) / Ключевые слова (беспроводная связь, распространение, пресная вода, оптимальная частота) / ModDate (D: 20131224174821 + 08’00 ‘) / Тема (Здесь изучается беспроводная связь из воздуха в пресную воду. Наш анализ основан на моделях распространения плоских волн. В частности, потери при передаче и потери при распространении радиочастотных волн, проникающих в пресную воду, рассчитываются для различных глубин распространения. беспроводная связь не очень хорошо подходит для морской воды из-за ее высокого затухания. В нашей статье показано, что радиочастотная связь возможна из воздуха в пресную воду.Наконец, эта работа определяет оптимальные частоты, которые обеспечивают минимальное затухание и максимальную глубину распространения, для радиочастотной связи от воздуха до пресной воды.) / SourceModified (D: 20110727084910) / Автор (Shan Jiang, Stavros Georgakopoulos) / CreationDate (D: 20110727165010 + 08’00 ‘) >> эндобдж 2 0 obj > поток конечный поток эндобдж 3 0 obj > / XObject> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageI] / ColorSpace> / Font> / Properties >>> / MediaBox [0 0 595 808] / StructParents 1 / Rotate 0 >> эндобдж 5 0 obj > поток HWnH} W # 5 输 ؉ C2X0ms KJ ^ o ~ OUfR G} cu] O> wu ؉ ׯ.M} «Kq7U &! Ű & qҏvO % g4) h] qk PSAB! OlQ ճ bWNF «np%` p ݖ bIw | 5iq \ -> K \ X $ _mYlHU QKwCM ~ J & ͼj?: MIw _?} X4, hq1eje (l! *) ڨ MYaVWј1siϷ & 3 «ׯ .4%]
޽ «nfgW # ɬitJ5d @ e} ÕQv $` PǓȀ כ sadwE3NV * .iVnu ~ + 7> CF! WX9-p ׂ 7 QmyEAÙv ~ CxR! \\ YSWY_: U @ ܕ’8 B΀OC =, eF9jdAg6qGQǅЫlbSPam: d.k G% 1bf Zp ֱ F} ko @ [D «Gjl8FH} oDBxL \ IrYFa. $ D, b1Ѣ: m,» (b0f * id8ryG>] H , / 즱 G? EC ֶ7_ u
Как распространение волн соотносится со свойствами материалов
Как свойства материала влияют на скорость волны
О скорости звука, составляющей около 330 метров в секунду, часто говорят, как будто она постоянная.Это неправда. Свойства материалов влияют на скорость движущихся волн, даже для волн, которым не нужна среда, таких как световые волны. Свет движется немного медленнее, когда он не проходит через вакуум, потому что среда замедляет его. А скорость звука в воде отличается от скорости звука в воздухе.
Свойства материала или среды, которые влияют на скорость волны, — это натяжение, плотность, температура и эластичность. Давайте посмотрим, что означают эти свойства.
Натяжение относится к величине силы, используемой для натяжения материала в натянутом состоянии.Материалы, которые натянуты плотнее, имеют более высокую скорость волны: колебания перемещаются по ним быстрее. Это потому, что каждая частица может двигаться дальше, прежде чем столкнется с другой частицей.
Плотность описывает, насколько плотно или слабо упакованы молекулы в веществе. Пена не очень плотная, но металлы намного плотнее. Это еще один важный фактор, влияющий на скорость волны: более плотные материалы имеют более низкие волновые скорости, потому что каждая молекула не уходит слишком далеко, прежде чем столкнется с другой частицей.
Температура относится к средней кинетической энергии молекул в веществе. Материалы с более высокой температурой приводят к более высокой скорости волны, потому что более быстро движущиеся молекулы передают волны быстрее.
Скорость звука в различных материалах
Эластичность измеряет способность вещества возвращаться к своей первоначальной форме: чем лучше они это делают, тем выше их эластичность.

Какая антенна нужна для Т2

ГЛОНАСС — Российские космические системы

Скорость звука. Скорость распространения звука в воздухе.

ЗАКОНЫ СЛОЖЕНИЯ СКОРОСТЕЙ | Наука и жизнь

4. Распространение поверхностных (земных) радиоволн. Распространение радиоволн

Похожие главы из других работ:

3.Антены поверхностных волн

Распространение радиоволн в земных условиях

1.2 Распространение радиоволн. Антенны. Способы расчета антенн. Модуляция сигналов.

Распространение электромагнитных волн

1.3 Пассивные радиочастотные идентификационные метки на поверхностных акустических волнах

1.3.1 Физические принципы работы меток на поверхностных акустических волнах

4.3 Излучение поверхностных волн

5. Распространение пространственных радиоволн.

7. Распространение гектометровых (средних) волн.

8. Распространение декаметровых (коротких) волн

Распространение радиоволн — Задача 5

1.4 Состав земных и космических станций

5. Перспективы развития техники поверхностных акустических волн

3.Распространение радиоволн в сотовых системах связи

7. Влияние Земли и атмосферы на распространение радиоволн

Сибирская Спутниковая База. Спутниковое телевидение, эфирное цифровое телевидение, видеонаблюдение.

Распространение радиоволн — Универсальная научно-популярная энциклопедия

Читать также:

Распространение радиоволн [РадиолюбительTV 13]

Связанные статьи:

(PDF) Международный журнал исследований влияния ионосферы на распространение радиоволн

Распространение радиоволн объяснено

1. Радиоволны:

2. Атмосфера Земли

2а. Тропосфера

2б. Стратосфера

2с. Мезосфера

2д. Ионосфера

3. Три типа распространения

3а.Земные волны

3б. Волны тропосферы

3с. Ионосферные небесные волны

4. Ионосфера

5. Солнечная активность

5а. Солнечные пятна и солнечный поток

5b. Солнечный ветер

5с. EGF (Геомагнитное поле Земли)

5d. Солнечные вспышки

5e.Корональные отверстия

5f. CME (выброс корональной массы):

5г. 27-дневный цикл

5ч. Цикл солнечных пятен

5i. Времена года на Земле

6. Солнечная активность и влияние на распространение HF:

6а. Солнечные вспышки

6б. Коронковые отверстия

6с. CME’s

7. Чрезвычайное размножение

7а. Спорадический-E (Es)

7б. Обратное рассеяние

7с. Аврора

7д. Метеоритный разброс

7e. TEP (трансэкваториальное распространение)

7f. FAI (Неровности, выровненные по полю)

Переменная фазовая скорость распространения для системы локации молний дальнего действия — Лю — 2016 — Radio Science

1 Введение

2 Массив низкочастотных радиоприемников с длинной базой

Трехфазные скорости распространения радиоволн от передатчиков связи ОНЧ

3.1 Мгновенная фаза, выделенная из комплексного следа

3.2 Расчет скорости распространения фазы

4 Метод определения местоположения молнии и моделирование

5 местоположений молний, ​​определенных на основе переменной скорости распространения фазы

6 Карта скорости

7 Обсуждение и заключение

Благодарности

14.1 Скорость звука, частота и длина волны — Физика

Раздел Цели обучения

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Раздел Основные термины

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Свойства звуковых волн

Скорость звука

5 местоположений молний, определенных на основе переменной скорости распространения фазы