Generátor hluku: princip činnosti a rozsah použití. Generátor bílého šumu

Bílý šum je zvuk, který slyšíte, když je váš televizor naladěn na frekvenci neexistující stanice. Jeho spektrální hustota se zvyšuje se strmostí 3 dB/oktávu, takže bílý šum není vhodný jako zdroj pro testování audio zařízení. Pokud zkombinujete zdroj bílého šumu a filtr 3 dB/oktávu, můžete získat velmi dobrou aproximaci „skutečného“ růžového šumu, kde je výkon v každé oktávě stejný. Například výkon ve frekvenčním pásmu 40...80 Hz bude roven výkonu ve frekvenčním pásmu 10...20 kHz.

V tom, který je znázorněn na Obr. V okruhu 1 je filtr vyroben pomocí levného typu operačního zesilovače. Není důvod používat drahé nízkošumové zesilovače v obvodu, který je navržen tak, aby vydával šum.

Obrázek 1.

Reverzně vychýlený přechod báze-emitor tranzistoru BC548 vytváří šum dobré zenerovy diody. Při jmenovitých hodnotách uvedených v diagramu je průměrné šumové napětí ve frekvenčním pásmu 30 mV. „Transistorové zenerovy diody“ nejsou příliš spolehlivé v tom smyslu, že jejich průrazné napětí se může v závislosti na konkrétním případě lišit od 5 do 10 V, ačkoli obvykle průrazné napětí tranzistorů je někde kolem 9 V. Někdy se zjistí, že tranzistor je hlučný velmi slabý. V tomto případě stačí vzít jiný.

První operační zesilovač funguje jako vyrovnávací zesilovač s velmi vysokou vstupní impedancí, aby nezatěžoval zdroj šumu. Zisk vyrovnávacího stupně je 11 (20,8 dB). Konstantní tlak na výstupu vyrovnávacího zesilovače by měl být stejný (nebo se jen mírně lišit) jako u „tranzistorové zenerovy diody“.

Pin 8 operačního zesilovače je připojen ke kladnému pólu baterie, pin 4 k zápornému pólu. Nepleťte to, jinak zničíte zesilovač.

Kondenzátory označené písmeny „NP“ jsou elektrolytické, nepolární. Bylo by možné použít i filmové, ale na projekt, který jsme se rozhodli zlevnit, jsou trochu drahé. A jsou zapotřebí nepolární kondenzátory kvůli nepředvídatelnému znamení napětí na C4 a téměř úplné absenci konstantního předpětí na C8.

Druhým stupněm zesilovače je pouze filtr s lineárním roll-offem 3 dB/oktávu ve frekvenčním pásmu 20 Hz...20 kHz. Filtr mění bílý šum na růžový a zajišťuje konstantní energii v každé z 10 oktáv zvukového rozsahu.

Kvůli vysokému průraznému napětí „tranzistorové zenerovy diody“ musí být napájecí napětí poměrně vysoké. Používáme dvě standardní 9V baterie zapojené do série tak, aby celkové napětí bylo 18 V. Záměrně jsme z obvodu vyloučili LED indikaci, protože jedna LED spotřebovává více proudu než zbytek obvodu.
Pro odpojení obou baterií musí být vypínač dvoupólový. Střed baterií je „uzemněním“ obvodu.

Obvod lze sestavit na kus prkénka a umístit do vhodného plastového nebo kovového pouzdra. Hodnoty součástí nejsou kritické, takže odpory a kondenzátory s 5% tolerancí jsou v pořádku. Použití 1% rezistorů s kovovým filmem ke snížení šumu v tomto obvodu nemá smysl. Používejte tranzistory s nízkým výkonem, ať máte po ruce cokoliv. Duální operační zesilovač (nebo dva samostatné) lze také zvolit téměř libovolně, pokud se shodují s napájecím napětím. Ale nezapomeňte, že ne všechny mikroobvody mají stejné piny.

Pokud máte osciloskop nebo si ho někdo půjčí, ujistěte se, že šumový signál není ořezán zesilovači. To nelze sluchem určit a cutoff zkresluje energetické spektrum signálu a šum přestává být růžový. Pokud je zjištěno oříznutí nebo máte podezření, že existuje, zvyšte hodnoty rezistorů R3 nebo R4 (jeden, ale ne oba). Zdvojnásobení jmenovité hodnoty snižuje výstupní napětí na polovinu.

V zásadě existují digitální generátory „pseudonáhodného“ šumu, ale nemám je rád, protože mají cyklickou povahu, která je pro ucho velmi patrná. V našem schématu je šum ve skutečnosti náhodný.

Obrázek 2

Obrázek 2 ukazuje přenosovou odezvu filtru se strmostí -3 dB/oktávu. Není to úplně dokonalé, ale dokonalé filtry jsem nikdy neviděl. A to, co máme, je více než dost pro většinu účelů. Mírný pokles nízké frekvence, kvůli kondenzátoru C7 a výstupnímu kondenzátoru filtru je ve skutečnosti o něco větší, než je znázorněno v grafu, ale chyba nepřesahuje 1 dB v celém rozsahu zvukové frekvence.

Použití generátoru hluku

Připojte generátor k předzesilovači a postupně zvyšujte hlasitost na normální úroveň řeči. To bude přibližně 65 dB. Poslouchejte pozorně a hledejte jakékoli rysy ve zvuku, jako je nízký šum nebo body, kde signál mizí, nebo cokoli, co nezní jako čistý šum. Tuto činnost si asi budete muset trochu procvičit. Pokud máte grafický ekvalizér, bude snazší pochopit, jak špičky a poklesy ve frekvenční odezvě ovlivňují zvuk.

Zkuste poslouchat signál generátoru dobrá sluchátka a poté přes reproduktorový systém v místnosti a porovnejte výsledky. Možná vás překvapí.

Zařízení je navrženo dle popisu ze zahraničního článku. Podrobné informace tam. Dodávám, že zařízení je určeno pro provoz v nízkofrekvenčním rozsahu a je zdrojem pseudonáhodného šumu pro kontrolu, ladění a měření parametrů akustického zařízení. Pro rozšíření schopností byl přidán režim generování bílého šumu. Vzhledem k nízké spotřebě zařízení je využíváno autonomní bateriové napájení.

Vlastnosti zařízení

• Napájecí napětí - 12-3,5 voltů
• Spotřeba proudu při 9 voltech - 5 mA
• Parametry růžového šumu: výstupní napětí RMS - 0,2 V, špičkové - 1 V
• Parametry bílého šumu: výstupní napětí RMS - 1,5 V, špičkové - 2 V

Při poklesu napájecího napětí klesá hodinová frekvence zařízení, což vede ke snížení spektrální hustoty šumu na výstupu. Generátor nechtěl pracovat podle původního obvodu, přecházel do neřízeného buzení na 3 MHz, takže vědeckým šťouchnutím byl získán následující obvod:

Je k němu přidán i přepínač typu hluku, toho je dosaženo vypnutím žebříkového filtru, který vytvoří roll-off 3 dB/oktávu a místo něj se připojí přídavný rezistor, který tvoří napětí; dělič, který zabraňuje přetížení výstupního zesilovače. Na spektrogramech níže můžete vidět srovnání referenčního generátoru a podomácku vyrobeného. Klikni pro zvětšení.

Referenční generátor má rolloff na konci rozsahu, zatímco pásmo podomácku vyrobeného generátoru sahá až na 150 kHz bez rolloveru v případě bílého šumu. Všechny nepravidelnosti a zakřivení se týkají pouze počítačového spektrálního analyzátoru na běžném zařízení, pásmo bílého šumu je pro oba generátory rovnoměrné, účelem těchto grafů je porovnat generátory mezi sebou, jak vidíte, prakticky se shodují.

Hotové zařízení je umístěno v hliníkové krabičce od počítačového harampádí, výstupní vývody nejsou na fotografii připájeny.

Akustický generátor je zařízení, které je navrženo tak, aby způsobovalo rušení v místech, kde se konají tajná jednání. Akustický generátor generuje „bílý“ šum v celém frekvenčním rozsahu zvuku. Přenos akustických vibrací se provádí zpravidla piezoelektrickými vibrátory a akustické reproduktory. Výše uvedené schéma se používá pro práci v interiéru.

Hlavní technické vlastnosti
Frekvenční rozsah zvuku 100 ... 15 000 Hz,
Maximální výstupní výkon 15 W,
Napájení 220 V 50 Hz, Příkon ne více než 20 W

Schéma generátoru akustického bílého šumu je založeno na tranzistoru VT1 a využívá šum vznikající v přechodu emitoru. Výsledný signál bude náhodný a chaotický co do frekvence a amplitudy.

Dále je chaotický signál zesílen tranzistorem VT2 a operačním zesilovačem U1. Z výstupu mikroobvodu op-amp je signál veden do reproduktorů počítače Ze stejného výstupu U1 je signál přiváděn do 2 cest.

Nízkofrekvenční zesilovač pro vibrátory je postaven podle typického připojovacího obvodu TDA2030. Je vhodné jej nainstalovat na radiátor.

Napájení generátoru akustického bílého šumu je vyrobeno podle klasické konstrukce bipolárního stabilizátoru napětí, ale výkonnější, aby bylo možné zařízení použít ve velkých místnostech nebo halách. Tranzistory VT4 a VT3 musí být umístěny na radiátorech.

Jako elektromechanické převodníky lze použít běžné elektromagnetické telefony. Ale měděné tablety by měly být připájeny na jejich membrány na základě toho, že horní okraj by měl být na úrovni víka. Z hlediska účinnosti jsou tyto „sovětské“ telefony nejlepší. Můžete si vzít i klasická elektromagnetická relé nebo piezoelektrické zářiče, ale to značně zkomplikuje konstrukci zářičů.

Následující obvod generátoru vytváří elektromagnetické rádiové rušení v éteru v rozsahu 30 MHz - 1 GHz. Kromě toho může být tento design amatérského rádia použit k blokování aktivace rádiových štěnic dálkové ovládání, protože ovlivňuje vstupní obvody přijímače dálkového ovládání.

Tato radioamatérská konstrukce používá klasický obvod generátoru rádiového šumu. Proto si myslím, že popis není nutný, ale měli byste upozornit na skutečnost, že tranzistory VT1-VT4 je třeba instalovat na radiátory. Místo rezistorů R1 a R2 můžete dát jeden s nominální hodnotou 4,7 Ohmů a výkonem 10 W.

Spotřeba proudu obvodu s vlastním oscilátorem pro vytvoření rádiového rušení je 300 miliampérů. Všechny tranzistory musí být namontovány na hliníkové desce nebo radiátoru. Cívky L1-L3 jsou navinuty drátem o průměru 0,15-0,25 na rezistor MLT-0,25, každá přibližně 17 závitů. Tato konstrukce může být umístěna v pouzdru papírového kondenzátoru. Tento obvod ruší přijímače a vysílače s frekvencí až 150 MHz.

Tato rušička rozsahu FM a trochu více někde až do 200-300 MHz funguje velmi efektivně. Dosah je asi 50-70 metrů a nevyžaduje prakticky žádné nastavování.

Induktory: L1 -2 závity 0,45 mm na 4 mm trnu; L2, L5 - 16 závitů PELSHO 0,3 mm na feritových kroužcích 8*4*2; L3 - 5 závitů po 0,45 mm na trnu 4 mm, L4 - 2 otáčky po 1 mm na trnu 8 mm, L6 - tři otáčky po 0,45 na trnu 4 mm; L7 - poloviční otáčka 0,8 mm na 4 mm trnu; L8 - 45 závitů po 0,5 mm na kusu vnitřní izolace z koaxiálního, délka vinutí 23 mm; L9 - 4 otáčky 0,45 mm na 4 mm trnu; L10 - 1 otáčka na 5mm trnu, L11 - 23 otáček 0,5mm na kusu vnitřní izolace od koaxiálního; Tranzistor T1 - KT368

Navržené obvody jednoduchých rušiček jsou určeny pro lokální potlačení signálů z televizních přijímačů a rádia FM. S těmito parametry zařízení můžete otáčením trimru vytvářet šum s rušením z jakéhokoli televizního kanálu nebo jakékoli jiné nosné frekvence. Zařízení je zaseknuté někde ve vzdálenosti 10-15 metrů.

Tlumivka L1 obsahuje 10 závitů měděného drátu o průměru 1 mm na 10 mm rámu (s odbočkou ze středu). Trimr není v zásadě nutný. Tlumivku L2 našroubujeme na rezistor MLT 0,5 o jmenovité hodnotě 100 Ohmů, drát 0,1 mm a asi 100 závitů.

Při montáži mějte na paměti, že obrysová cívka L1 by neměla být umístěna na stejné ose jako induktor L2 a měla by být ve vzdálenosti 2 cm nebo více. Anténa je kus měděného drátu o délce 20-40 cm.

Obvod generátoru bílého šumu se skládá ze dvou generátorů řízených napětím a je vyroben na domácím mikroobvodu 531GG1. Jeden generátor pracuje neustále na relativně nízké frekvenci, přijatý signál je posílán na řídicí vstup dalšího generátoru, který pracuje na vysoká frekvence 20-70 MHz v závislosti na vstupním napětí.

Obvod generátoru šumu je klasický, ale přes svou jednoduchost se používá v generátorech šumu vyráběných v továrně. Konstrukce zařízení využívá nastavitelný zdroj, který mění napájení generátoru z 1,5 V na 18 V při proudu až 2A. To je nezbytné pro optimalizaci výkonu. Zařízení je nutné seřídit pomocí polního indikátoru a zároveň měřit proudový odběr, který by neměl přesáhnout 2A. K nastavení se také používají trimrové rezistory VR2, VR3. Pro nastavení stejnoměrnosti spektra je vhodné použít spektrální analyzátor. Všimněte si, že je nutné použít nucené chlazení vzduchem a co největší radiátor.

Rozsah tohoto akustického generátoru je od stovek kHz do 1 GHz. Nevyžaduje žádné nastavování a začne fungovat okamžitě. Má dva výstupy - normální (MiddleOut) a vysoký. Použitím výkonného výstupu se zvyšuje spotřeba proudu a ohřev prvků. Nutné je nucené větrání ventilátorem.

Zdrojem hluku v tomto akustickém generátoru je Zenerova dioda VD1 typ KS168, která pracuje v režimu lavinového průrazu i při malých proudech. Proud procházející zenerovou diodou v tomto provedení je asi 100 µA. Šum je odstraněn z katody zenerovy diody a prochází kondenzátorem C1 na invertující vstup operačního zesilovače DA1 na mikroobvodu KR140UD1208. Opačný - neinvertující vstup operačního zesilovače přijímá předpětí, které se rovná polovině napájecího napětí z děliče napětí. Dělič je postaven na rezistorech R2 a R3. Pracovní režim operačního zesilovače závisí na hodnotě rezistoru R5 a zesílení je vloženo rezistorem R4. Ze zátěže operačního zesilovače, jejíž roli v tomto obvodu hraje rezistor R6, je zesílené šumové napětí přiváděno do výkonového zesilovače DA2 na univerzálním čipu K174XA10. Z jeho výstupu prochází šumový signál přes kondenzátor C4 do reproduktoru B1. /p>

Hladinu šumu nastavujeme proměnným rezistorem R6. Zenerova dioda VD1 generuje šum ve frekvenčním rozsahu od hertzů do deseti megahertzů. Pokud není k dispozici K174XA10, můžete použít jakýkoli UNG, hlavní je, že má široký rozsah pracovních frekvencí.

Digitální generátor bílého šumu je dočasný náhodný proces, který se svými vlastnostmi blíží procesu fyzického šumu a nazývá se pseudonáhodný proces. Digitální sekvence binárních symbolů v digitálních generátorech akustického šumu se nazývá pseudonáhodná sekvence, což je sekvence obdélníkových pulzů s pseudonáhodným trváním a intervaly mezi nimi.

Generátor šumu je zapnutý digitální čipy: osmibitový posuvný registr na čipu K561IR2, sčítačka modulo 2 (DD2.1), generátor hodin (DD2.3, DD2.4) a spouštěcí obvod (DD2.2), na čipu K561LP2.

Generátor hodin na DD2.3 a DD2.4 je postaven podle obvodu multivibrátoru. Z jeho výstupu s opakovací frekvencí asi 100 kHz přichází sekvence pravoúhlých impulsů do posuvných registrů DD1.1 a DD1.2, tvořících 8bitový posuvný registr. Při použití napájení mohou být registry ve stavu, kdy jsou všechny jejich výstupy nízké. Protože výskyt nulové kombinace v registrech je zakázán, je do obvodu zaveden spouštěcí obvod generátoru na prvku DD2.2. Když je napájení zapnuto, DD2.2 produkuje na svém výstupu jedničku, která přenese registr z nulové hodnoty. Generovaný pseudonáhodný signál je odstraněn z osmého bitu posuvného registru a prochází do zesilovače a emitoru. Napětí v napájecím zdroji může být v rozsahu od 3 do 15 V.

Při vývoji amatérského rádia se používají mikroobvody CMOS řady 561, pokud nejsou k dispozici, lze je nahradit mikroobvody řady K564, K1561 nebo dokonce K176. Při použití řady 176 by mělo být napájecí napětí devět voltů.

Správně zapojený a sestavený digitální akustický generátor nevyžaduje ladění. Měnící se hodinová frekvence Můžete změnit rozsah „bílého šumu“ a interval mezi spektrálními složkami.

U odporového generátoru bílého šumu se EMF objevuje v důsledku zvýšení teploty vodivé vrstvy rezistoru, který je ohříván stejnosměrným proudem protékajícím filtrem, který je vyroben na induktoru L1 a kondenzátoru C2. Protékající proud lze měnit otočením proměnného odporu R2.

Konstrukčně je radioamatérský vynález vyroben v obdélníkovém pouzdře ze skelných vláken s odnímatelným krytem. . Na předním panelu je knob rezistoru R2 se stupnicí.

Tlumivka L1 - 15 závitů drátu o průměru 0,6 mm, navinutých na trnu o průměru 4 mm.

Už mě nebaví parkovat nějaké nechápající řidiče v záhonu u domu. Existuje jednoduchý a legální způsob, jak jim dát lekci, totiž: sbírat jednoduché schéma rušičky autoalarmů. A poté nebude možné auto nacházející se v dosahu zařízení nastavit nebo odstranit z poplašného systému.

Polovodičový generátor šumu je dioda, kterou lze v určitém provozním režimu použít jako zdroj šumu v určitém frekvenčním rozsahu.

Princip činnosti generátorů šumu je založen na vlastnostech lavinového průrazu diodového přechodu. V počáteční fázi rozpadu laviny se proces nárazové ionizace ukazuje jako nestabilní: dochází k nárazové ionizaci, rozpadá se a znovu se objevuje v těch přechodových bodech, kde je aktuálně dostatečná intenzita elektrického pole. Výsledkem náhodného nerovnoměrného generování nových nosičů náboje při nárazové ionizaci je šum, který je charakteristický pro určitý rozsah proudů. Při provozu zařízení, jako jsou například zenerovy diody, je hluk škodlivý jev. Proto je rozsah proudů odpovídající šumu vyloučen z rozsahu provozních proudů zenerových diod.

Reverzně zatížené diody lze tedy použít jako generátory šumu v rozsahu zpětných proudů od minimálního (\(I_(probe min)\)) do maximálního (\(I_(probe max)\)) průrazného proudu, kde je pozorována největší intenzita elektrických fluktuací .

Parametry generátorů šumu jsou v mnohém podobné parametrům zenerových diod. Nejkonkrétnější jsou tři charakteristiky, které popisují vlastnosti šumového signálu generovaného zařízeními a jeho závislost na kolísání teploty zařízení.

Spektrální hustota šumu(\(S_sh\)). Z teorie signálu je známo, že spektrální hustota je jednou z nejdůležitějších charakteristik každého signálu. Pro účely měření se používají tzv „bílý šum“, takový signál má konstantní spektrální hustotu na všech frekvencích. Polovodičové generátory šumu umožňují získat takovou charakteristiku v určitém frekvenčním rozsahu. Parametr spektrální hustota šumu(\(S_w\)) polovodičové součástky je vyjádřena jako efektivní hodnota šumového napětí, vztažená na pásmo 1 Hz, při daném průrazném proudu a v určitém frekvenčním rozsahu. V polovodičových generátorech šumu a nejběžnějších zenerových diodách leží hodnoty \(S_sh\) v rozmezí 3...30.

Mezní frekvence stejnoměrnosti spektra(\(f_(gr)\)). U skutečných generátorů polovodičového šumu je spektrální hustota generovaného šumu konstantní pouze v určitém frekvenčním rozsahu. S rostoucí frekvencí její hodnota postupně klesá. Nejvyšší spektrální frekvence, při které záporná odchylka spektrální hustoty šumu nepřekročí danou hodnotu (při daném průrazném proudu), se nazývá mezní frekvence uniformity spektra(\(f_(gr)\)). V typických zařízeních leží hodnota \(f_(gr)\) v rozsahu 1...4 MHz.

Průměrný teplotní koeficient spektrální hustoty hluku(\(\alpha_(S_ш)\)). Zpětný proud předcházející průrazu laviny a průrazné napětí při průrazu laviny se zvyšují s rostoucí teplotou. V důsledku toho se oblast proudově-napěťové charakteristiky odpovídající nejvyšší intenzitě hluku posouvá se změnami teploty do oblasti vysokých proudů a napětí. Tito. v režimu stabilního proudu se se změnou teploty bude měnit i spektrální hustota generovaného šumu. Tato změna je charakterizována speciálním koeficientem zvaným teplota koeficient spektrální hustoty šumu(\(\alpha_(S_ш)\)). Vyjadřuje se jako poměr relativní změny spektrální hustoty hluku v daném rozsahu provozních teplot k absolutní změně okolní teploty při DC. Znaménko a hodnota teplotního koeficientu spektrální hustoty šumu může být při různých proudech různá.

Schéma znázorněné na Obr. 1 je implementace generátoru růžového šumu (blikání) popsaného v technické poznámce NBS č. 604, „Efektivní numerická a analogová simulace procesů blikání šumu“, od J.A. Barnes a Stephen Jarvis. Při parametrech součástek uvedených v diagramu bude na jeho výstupu rovnoměrně klesající šum se spektrální hustotou 1/f při frekvencích od méně než jednoho hertzu do více než čtyř kilohertzů. Obvod používá operační zesilovač TLC2272, i když lze použít i jiné operační zesilovače s vysokou vstupní impedancí a nízkou úrovní šumu. Zesilovač musí mít nízkou hladinu proudového šumu, protože obvod používá relativně vysokou hodnotu rezistoru R3, který se používá pro generování bílého šumu s amplitudou 50 nV. Vyberte operační zesilovač se šumovým napětím menším než 15 nV√Hz a šumovým proudem menším než 0,1 pA√Hz, obojí je k dispozici v mnoha moderních operačních zesilovačích. Hodnoty kondenzátoru se mírně liší od vypočtených hodnot ve výše uvedeném dokumentu, aby se zjednodušil návrh, a v obvodu je aplikováno předpětí, aby bylo možné použít elektrolytické kondenzátory. Elektrolytické kondenzátory musí být vybrány pečlivě, protože mnoho hliníkových elektrolytických kondenzátorů má velmi úzké tolerance.

Rýže. 1. Obvod generátoru růžového šumu.

Na rozdíl od obvodů generátoru šumu používajících zenerovy diody, tranzistory s reverzním předpětím a další zařízení generující šum, tento obvod vytváří předvídatelnou a opakovatelnou výstupní úroveň. Pokud odeberete signál z výstupu zesilovače DA1.1 přes kondenzátor 100 µF stejným způsobem jako druhý stupeň, můžete získat pohodlný a přesný zdroj bílého šumu s hodnotou 5 µV√Hz, frekvence z nichž leží v frekvenčním rozsahu zvuku, takový zdroj Ideální pro kalibraci při měření zvukového šumu. Aby bylo možné na tento přídavný kondenzátor použít předpětí 2,5 V, budete muset přidat odpor asi 30 MΩ mezi napájecí zdroj +5 V a kladný vstup prvního operačního zesilovače DA1.1. Pokud není k dispozici žádný vysokoodporový rezistor, můžete použít dělič napětí 100 kOhm + 460 Ohm připojený ke zdroji +5 V a společný vodič a bočník s kondenzátorem. K tomuto děliči by měla být připojena spodní svorka rezistoru R3. Pokud je použit tantalový kondenzátor, není nutné používat předpětí, protože tento typ kondenzátoru může pracovat při nulový posun(navíc vydrží zpětné napětí, nepřesahující 10 % provozního napětí). Do obvodu lze přidat součtový zesilovač, který kombinuje bílý šum z výstupu prvního operačního zesilovače a blikající šum z výstupu obvodu, což umožní simulovat různá šumová zařízení a systémy. Dva vstupy součtového zesilovače umožňují nezávisle nastavit úrovně bílého a růžového šumu na výstupu.