Шум. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Шум

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

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

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

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

Наиб, важное значение в радиоэлектронике имеют собств. флуктуац. Ш., определяющие шумовую температуру или шума коэффициент активных и пассивных четырёхполюсников. При наличии таких Ш. разл. физ. величины (ток, разность потенциалов и др.) являются случайными процессами, т. е. такими функциями времени x(t), значения к-рых при каждом ? случайны (непредсказуемы). Неслучайная составляющая

процесса x(t)получается статистич. усреднением x(t)по множеству возможных х при

Разность

наз. флуктуацией величины x(t) или, если

-полезный сигнал, флуктуацион-ным Ш. Важнейшей энергетич. характеристикой флуктуац. Ш., необходимой при их теоретич. и эксперим. описании, является спектральная плотность III., к-рая вводится след. образом. Пусть

-случайная функция частоты w, связанная с

преобразованием Фурье

- функция, комплексно сопряжённая

. Тогда спектральная плотность

флуктуациина

частоте w может быть определена из равенства

где

-дельта-функция Дирака; горизонтальная черта над произведением слева означает усреднение по множеству значений

К наиб. распространённым разновидностям естеств. электрич. Ш. в радиоэлектронных устройствах относятся тепловой, дробовой и фликкерный Ш. Тепловой Ш. в электрич. цепях обусловлен хаотическим тепловым движением носителей заряда (электронов проводимости) в ме-таллич. проводниках. Тепловой III. приводит к флуктуации напряжения U на зажимах проводника (двухполюсника). Эти флуктуации представляют собой стационарный случайный процесс, подчиняющийся Гаусса распределению. Спектральная плотность напряжениятеплового Ш. связана с импедансом

двухполюсника и его температурой T след, соотношением (Найквиста формула):

где k - постоянная Больцмана, Re - обозначение вещественной части комплексного импеданса двухполюсника (т. е. его активного сопротивления). Хотя тепловой UI. возникает только в элементах, обладающих активным сопротивлением, наличие реактивных элементов в двухполюснике может изменить спектр флуктуации. Ф-лу Найквиста можно применять к системам с распределёнными параметрами, если такую систему представить эквивалентной квазистационарной цепью. Так, при расчёте собственных тепловых Ш. в антенне (без учёта потерь) в ф-ле Найквиста под

понимают сопротивление излучения, а под T-его эфф. температуру. На практике вообще широко используется представление любого шумящего двухполюсника в виде эквивалентного резистора с соответствующей ему шумовой эдс и шумовой температурой или мощностью Ш.

Дробовой Ш.- специфич. и наиб. важный вид внутр. естеств. III. в электронных приборах. В ЭВП он возникает на поверхности катода вследствие статистич. характера эмиссии электронов и дискретности их заряда. Спектральная плотность тока катода

дробового Ш. при работе ЭВП в режиме насыщения определяется соотношением (Шоттки формула)

, где е-заряд электрона, I_о - постоянная составляющая тока. Спектр дробовых Ш. флуктуации анодного тока, обусловленных дробовым Ш. тока катода, равномерен до весьма высоких значений частот (на к-рых становится существенной конечность времени пролёта электрона от катода к аноду). В силу теплового разброса скоростей эмитируемых электронов дробовой Ш. всегда сопровождается флуктуациями не только тока, но и др. характеристик электронного потока. Электрич. Ш., родственные дробовому Ш. в ЭВП, наблюдаются и в полупроводниковых приборах. В последних различают III., вызванные дрейфом носителей заряда, и Ш., вызванные диффузией носителей заряда.

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

и рекомбинации носителей заряда в приповерхностных и приконтактных областях полупроводника или в оксидном слое на его поверхности, происходящими на т. н. медленных центрах рекомбинации. Фликкерный Ш. относится к НЧ-шумам; спектральная плотность тока фликкер-ного Ш. пропорциональна

,где коэф.

(определяются экспериментально). Причины фликкерных Ш. весьма сложны и разнообразны; их общая теория ещё не разработана (1990).

Литература по

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

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

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира