Введение
Комната, предназначенная для полного подавления эха, – это помещение, разработанное для прекращения отражений или эха звуковых или электромагнитных волн. Они также часто изолируются от внешних источников энергии. Такая комбинация позволяет человеку или детектору слышать исключительно прямой звук (без отражений), фактически имитируя условия свободного поля. Термин "анехоическая камера", введенный американским экспертом в области акустики Лео Беранеком, изначально использовался исключительно для обозначения акустических анехоических камер. В последнее время этот термин распространился и на радиочастотные (РЧ) и гидроакустические анехоические камеры, которые устраняют отражения и внешние помехи, вызванные электромагнитными волнами. Анехоические камеры могут быть как небольшими отсеками размером с бытовую микроволновую печь, так и огромными, сопоставимыми с ангарами для самолетов. Размер камеры определяется размерами тестируемых объектов и диапазоном частот.
An anechoic chamber (an echoic meaning "non reflective" or "without echoes") is a room designed to stop reflections or echoes of either sound or electromagnetic waves. They are also often isolated from energy entering from their surroundings. This combination means that a person or detector exclusively hears direct sounds (no reflected sounds), in effect simulating being outside in a free field. Anechoic chambers, a term coined by American acoustics expert Leo Beranek, were initially exclusively used to refer to acoustic anechoic chambers. Recently, the term has been extended to other radio frequency (RF) and sonar anechoic chambers, which eliminate reflection and external noise caused by electromagnetic waves. Anechoic chambers range from small compartments the size of household microwave ovens to ones as large as aircraft hangars. The size of the chamber depends on the size of the objects and frequency ranges being tested.
Акустические безэхокамеры
Требование, которое впоследствии получило название безэхокамеры, возникло из необходимости тестирования громкоговорителей, генерирующих настолько высокие уровни звука, что их тестирование на открытом воздухе в населенных пунктах было невозможно. Безэхокамеры обычно используются в акустике для проведения экспериментов в условиях, близких к "свободному полю", где под "свободным полем" подразумевается отсутствие отраженных сигналов. Вся звуковая энергия распространяется от источника, практически не отражаясь обратно. Типичные эксперименты в безэхокамере включают измерение передаточной функции громкоговорителя или диаграммы направленности шумового излучения промышленного оборудования. В целом, внутри безэхокамеры может быть очень тихо, с типичными уровнями шума в диапазоне 10–20 дБА. В 2005 году лучшая безэхокамера показала результат −9,4 дБА. В 2015 году безэхокамера на территории Microsoft побила мировой рекорд, достигнув показателя −20,6 дБА. Человеческое ухо обычно способно воспринимать звуки выше 0 дБА, поэтому человек, находящийся в такой камере, будет воспринимать окружающее пространство как лишенное звука. По свидетельствам очевидцев, некоторым людям такая тишина может не нравиться и вызывать дезориентацию. Кроме того, использование пеноматериалов для изготовления клиньев приводит к дополнительному механизму рассеяния энергии при взаимодействии волны со стенкой. В результате, компонент отраженных волн R, направленный в сторону источника I и проходящий через зазоры A (и возвращающийся к источнику звука), обозначаемый как R', значительно уменьшается. Хотя данное объяснение является двухмерным, оно является репрезентативным и применимо к реальным трехмерным клиновым структурам, используемым в безэхокамерах.
Полуанекховые и гемианекховые камеры
Полностью безэховые камеры предназначены для поглощения энергии во всех направлениях. Для этого все поверхности, включая пол, должны быть покрыты клиньями правильной формы. Обычно над полом устанавливают сетчатый настил, чтобы обеспечить поверхность для ходьбы и установки оборудования. Этот сетчатый пол обычно располагается на уровне пола остального здания, то есть сама камера простирается ниже уровня пола. Этот сетчатый настил демпфируется и опирается на поглощающие амортизаторы, чтобы изолировать его от внешних вибраций и электромагнитных сигналов. В отличие от них, полубезэховые или гемианеховые камеры имеют сплошной пол, который служит рабочей поверхностью для поддержки тяжелых объектов, таких как автомобили, стиральные машины или промышленное оборудование, которые не могут быть установлены на сетчатый настил в полной безэховой камере. Звукозаписывающие студии часто являются полубезэховыми. Различие между терминами "полубезэховая" и "гемианеховая" нечеткое. В некоторых случаях они используются как синонимы или применяется только один из терминов. В других случаях одно из понятий описывает камеру с идеально отражающим полом (создающим условия свободного поля с одной отражающей поверхностью), а другое – просто с плоским необработанным полом. Существуют также различия по размеру и характеристикам: одна камера может быть существующим помещением, модернизированным акустической обработкой, а другая – специально построенным помещением, как правило, большего размера и с лучшими анехогенными характеристиками.
Радиочастотные эхокамеры
Внутренний вид радиочастотной (РЧ) безэховой камеры иногда напоминает вид акустической безэховой камеры; однако внутренние поверхности РЧ-камеры покрыты радиопоглощающим материалом (RAM) вместо звукопоглощающего материала. РЧ-безэховые камеры используются для испытаний антенн и радаров, и обычно служат для размещения антенн при измерении диаграмм направленности антенн и электромагнитных помех. Требования к характеристикам (усиление, эффективность, характеристики диаграммы и т.д.) представляют собой основные задачи при проектировании автономных или встроенных антенн. Конструкции становятся все более сложными, поскольку одно устройство может включать в себя несколько технологий, таких как сотовая связь, WiFi, Bluetooth, LTE, MIMO, RFID и GPS.
Радиационно-абсорбирующий материал
Радиопоглощающие материалы (RAM) спроектированы и имеют форму, обеспечивающую максимально эффективное поглощение падающего радиочастотного излучения (также известного как неионизирующее излучение) с как можно большего числа направлений. Чем выше эффективность RAM, тем ниже уровень отраженного радиочастотного излучения. Многие измерения в области электромагнитной совместимости (ЭМС) и характеристик излучения антенн требуют, чтобы паразитные сигналы, возникающие в ходе испытаний, включая отражения, были пренебрежимо малы, чтобы избежать риска возникновения ошибок и неоднозначности измерений.
Эффективность по частоте
Волны более высоких частот имеют более короткие длины волн и обладают большей энергией, а волны более низких частот – более длинные длины волн и меньшую энергию, согласно соотношению λ = v/f, где λ – длина волны, v – фазовая скорость волны, а f – частота. Для экранирования от определенной длины волны конус должен быть соответствующего размера, чтобы поглощать эту длину волны. Эксплуатационные характеристики радиочастотной безэховой камеры определяются ее минимальной рабочей частотой, при которой измеренные отражения от внутренних поверхностей будут наиболее значимыми по сравнению с более высокими частотами. Пирамидальный поглощающий материал (RAM) наиболее эффективно поглощает волны при нормальном падении на внутреннюю поверхность камеры, когда высота пирамиды приблизительно равна λ/4, где λ – длина волны в свободном пространстве. Следовательно, увеличение высоты пирамиды RAM при сохранении того же (квадратного) размера основания повышает эффективность камеры на низких частотах, но приводит к увеличению стоимости и уменьшению свободного рабочего объема внутри камеры заданного размера.
Установка в помещении с экраном
Радиочастотная безэховая камера обычно строится внутри экранированной комнаты, спроектированной по принципу клетки Фарадея. Это обусловлено тем, что большинство радиочастотных испытаний, требующих использования безэховой камеры для минимизации отражений от внутренних поверхностей, также нуждаются в свойствах экранированной комнаты для подавления нежелательных сигналов, проникающих внутрь и создающих помехи для испытываемого оборудования, и для предотвращения утечки сигналов из испытаний наружу. Пирамидальные поглотители радиоволн (RAM) также могут быть изготовлены с использованием аддитивных технологий, что позволяет изучать их внутреннюю структуру для повышения эффективности поглощения.
Размер камеры и ввод в эксплуатацию
При более низких частотах излучения, измерения в дальнем поле могут потребовать большой и дорогостоящей камеры. Иногда, например, при измерениях радиолокационного сечения, можно уменьшить размеры испытываемого объекта и, соответственно, камеры, при условии, что длина волны тестовой частоты будет уменьшена пропорционально увеличению частоты. Радиочастотные безэховые камеры обычно проектируются для соответствия электрическим требованиям одного или нескольких аккредитованных стандартов. Например, авиационная промышленность может испытывать оборудование для самолетов в соответствии с корпоративными или военными стандартами, такими как MIL STD 461E. После строительства, при вводе в эксплуатацию проводятся приемочные испытания для подтверждения соответствия заявленным стандартам. В случае успешного прохождения, выдается соответствующий сертификат. Камеру необходимо периодически подвергать повторным испытаниям.
Оперативное использование
Конфигурации испытательного и вспомогательного оборудования, используемые в безэховых камерах, должны демонстрировать как можно меньше металлических (проводящих) поверхностей, поскольку это может привести к нежелательным отражениям. Обычно этого достигают за счет использования непроводящих пластиковых или деревянных конструкций для поддержки испытываемого оборудования. Если наличие металлических поверхностей неизбежно, их следует покрывать поглощающим материалом (ПММ) после установки, чтобы максимально снизить отражения. Может потребоваться тщательная оценка того, следует ли размещать испытательное оборудование (в отличие от испытываемого) внутри или снаружи камеры. Как правило, большая часть оборудования располагается в отдельном экранированном помещении, примыкающем к основной испытательной камере, для защиты от внешних помех и излучения внутри камеры. Подводка электропитания и кабелей тестовых сигналов в испытательную камеру требует высококачественной фильтрации. Для передачи тестовых сигналов иногда используются оптоволоконные кабели, поскольку они невосприимчивы к радиочастотным помехам и мало отражают сигналы внутри камеры.