2015年环保工程师《专业知识三》知识：声波的传播和衰减_中大网校
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2015年环保工程师《专业知识三》知识：声波的传播和衰减
发表时间：日9:43 来源：中大网校
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2015年考试时间预计为9月5、6日，为了帮助考生顺利通过2015年注册环保工程师考试，中大网校环保工程师考试网特为考生整理了2015年环保工程师考试科目专业知识三考点，希望能够对考生有所帮助!声波的传播和衰减一、声波在空气中的传播和衰减1、声波方程声振动必须满足三个基本的物理定律，即牛顿第一定律、质量守恒定律以及描述压强、温度、体积等状态参数的状态方程。应用这三个定律可以推导出声波传播中的连续性方程、运动方程和物态方程，并进一步得到波动方程——
对时间空间坐标的偏微分方程。作如下假设：①媒质为理想流体，即媒质中不存在黏滞性，声波传播时没有能量损失;②没有声扰动时，媒质在宏观上是静止的、均匀的，因此媒质中静压强
、静态密度 都是常数;③声波传播时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的;④假设是小振幅声波，即满足：声压 比大气压 要小得多，即 ;质点的位移 比波长 要小得多，即 ;质点振动速度 比声速 要小得多，即 ;介质密度的相对变化要远远小于1，即 。上述假设称为理想流体媒质小振幅假定。可以分别推导连续性方程、运动方程和物态方程。(1)连续性方程：是物质不灭定律在流体运动描述中的数学应用。对体积元 ，单位时间流入 的质量与流出 的质量之差等于该体积元内质量的变化率。由此可得体积元
在x、y、z方向上质量的增量。并由此得到单位时间 内总的质量增量的矢量形式如下式， 为拉氏算子。(2)运动方程运动方程是声压对于距离的梯度等于媒质密度和质点振动速度乘积的负值。在声场中取一体积元
，当有声波作用于体积元上，各方向的压强将发生变化。设体积元在静止时的压强为 ，密度为 ，声波产生的瞬时声压为 ，因体积元足够小，可认为作用在各面的压力均匀。对
方向，利用简单力学分析和牛顿第二定律得：由于是小振幅声波，其密度的变化可忽略，即 ，可得声波在 、 、 三个方向产生的加速度分别为：式中： ——瞬时声压，Pa;、 、 ——质点振动速度 在 、 、 三方向上的分量。可得到运动方程，式中 为拉普拉斯算符。(3)物态方程媒质在声波作用下，引起压缩、膨胀的交替变化，媒质的密度和压强都发生了变化，即媒质的状态发生了变化。声波传播时，理想状态下媒质的密度发生变化，而没有能量的损耗，即为等熵绝热过程。物态方程一般可写作： 考虑绝热条件，上式简化为： 理想状态的物态方程为： (4)波动方程联立理想液体媒质中三个基本方程：连续方程式、运动方程式和物态方程式，可推出理想液体媒质中小振幅传播的 、 、 中任意变量的波动方程，得到以下三式：声压波动方程： 密度波动方程： 振速波动方程： 波动方程分别反映了声压、密度、振速随时空变化的关系。式中拉普拉斯算子 在直角坐标系中展开为：推导波动方程时，只是从媒质的基本特性出发，利用牛顿第二定律、物质守恒定律和绝热压缩方程，并未涉及声源及声场的具体情况，因此波动方程只反映声波在媒质传播过程的一般物理特性。2、声波在空气中的传播从理想液体媒质中的小振幅声波波动方程可看出，声压是空间和时间的函数，可以用来描述不同地点在不同时刻的声压变化规律。根据声波传播时波阵面形状的不同，可将声波分为平面波、球面波和柱面波。(1)平面波当声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列平面时，称其为平面声波。在平面波情况下， 只和 有关， ，故平面波的波动方程为：其解为：式中，符号“+”表示声波沿 负方向传播，符号“—”表示声波沿正方向传播，A为声压的幅值。对于沿 正方向传播的简谐平面声波，声压的表达形式为： 式中， ，称为波数。可令 。质点的振动速度为： ，式中 称为质点振动的速度振幅。声波传播中一个重要的参数——声阻抗率，只与介质的密度 和介质中的声速 有关，而与声波的频率、振幅无关，单位是 。平面波的特征阻抗为：
平面声波传播时具有下述特性：声压和质点速度同相位;在理想介质中声压不随距离变化;介质的质点速度也不随距离变化;空气的特征阻抗是常数;平面波的声强
;平面波的声功率 。(2)球面波声波以球面波传播时， 只和球面坐标的 有关，其波动方程为：令 代入上式得： 与平面波的波动方程一致，由此得到球面波的解的一般形式为：式中，前项代表声波以速度
沿半径向外发散的球面波，后项代表向球心会聚的球面波(反射波)，在无限空间条件下不存在反射波。如果振动是简谐方式的，则上式变为：根据运动方程得到径向质点振速与声压的关系：因此球面波的声阻抗率为： 与平面波不同，辐射球面波时介质的声阻抗率是负数，它具有纯阻和纯抗两部分，并与半径 、波长
有关。因此，声压与质点不同相。球面波声阻抗的幅值为 ，它比平面波的声阻抗率要小。距离声源大时( )，声阻抗率接近平面波的特征阻抗。球面声波通常具有如下的传播特性：①理想介质中声压与球面波的半径成反比。②声压与振速间的相位差与 成反比。③介质声阻抗率为复数，当球面波半径很大时纯抗分量可以忽略。④半径很大时声强 ，声强与距离平方成反比。编辑推荐：
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双绞线(TP:Twisted Pairwire)知识介绍
    该文章讲述了双绞线(TP:Twisted Pairwire)知识介绍.
双绞线(TP:Twisted Pairwire)是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线一般由两根22～26号绝缘铜导线相互缠绕而成。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。在双绞线电缆(也称双扭线电缆)内,不同线对具有不同的扭绞长度,一般地说,扭绞长度在38.1cm至14cm内,按逆时针方向扭绞, 相临线对的扭绞长度在12.7cm以上。与其他传输介质相比,双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制, 但价格较为低廉。目前,双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP:Unshilded Twisted Pair)和屏蔽双绞线(STP:Shielded Twisted Pair)。
虽然双绞线主要是用来传输模拟声音信息的,但同样适用于数字信号的传输,特别适用于较短距离的信息传输。在传输期间, 信号的衰减比较大,并且产生波形畸变。采用双绞线的局域网的带宽取决于所用导线的质量、长度及传输技术。只要精心选择和安装双绞线, 就可以在有限距离内达到每秒几百万位的可靠传输率。当距离很短,并且采用特殊的电子传输技术时,传输率可达100Mbps～155Mbps。由于利用双绞线传输信息时要向周围幅射,信息很容易被窃听,因此要花费额外的代价加以屏蔽。屏蔽双绞线电缆的外层由铝泊包裹, 以减小幅射,但并不能完全消除辐射。屏蔽双绞线价格相对较高,安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。类似于同轴电缆, 它必须配有支持屏蔽功能的特殊连结器和相应的安装技术。但它有较高的传输速率,100米内可达到155Mbps。
另外,非屏蔽双绞线电缆具有以下优点: (1)无屏蔽外套,直径小,节省所占用的空间;
(2)重量轻、易弯曲、易安装;
(3)将串扰减至最小或加以消除;
(4)具有阻燃性;
(5)具有独立性和灵活性,适用于结构化综合布线。
二、规格型号
EIA/TIA为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。计算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种型号如下： 1、第一类：主要用于传输语音(一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆)，不用于数据传输。
2、第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧的令牌网。
3、第三类:指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16MHz, 用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10base-T。
4、第四类:该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输， 主要用于基于令牌的局域网和10base-T/100base-T。
5、第五类:该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz, 用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100base-T和10base-T网络，这是最常用的以太网电缆。 双绞线分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线两大类。在这两大类中又分100欧姆电缆、双体电缆、大对数电缆、150欧姆屏蔽电缆。 具体型号有多种,如图1所示。图中AWG表示美国线缆规格。
三、性能指标
对于双绞线,用户最关心的是表征其性能的几个指标。这些指标包括衰减、近端串扰、阻抗特性、分布电容、直流电阻等。 (1)衰减 衰减(Attenuation)是沿链路的信号损失度量。衰减与线缆的长度有关系,随着长度的增加,信号衰减也随之增加。衰减用&db&作单位, 表示源传送端信号到接收端信号强度的比率。由于衰减随频率而变化,因此,应测量在应用范围内的全部频率上的衰减。 (2)近端串扰 串扰分近端串扰和远端串扰(FEXT),测试仪主要是测量NEXT,由于存在线路损耗,因此FEXT的量值的影响较小。近端串扰(NEXT)损耗是测量一条UTP链路中从一对线到另一对线的信号耦合。对于UTP链路,NEXT是一个关键的性能指标, 也是最难精确测量的一个指标。随着信号频率的增加,其测量难度将加大。 NEXT并不表示在近端点所产生的串扰值,它只是表示在近端点所测量到的串扰值。这个量值会随电缆长度不同而变, 电缆越长,其值变得越小。同时发送端的信号也会衰减,对其它线对的串扰也相对变小。实验证明, 只有在40米内测量得到的NEXT是较真实的。如果另一端是远于40米的信息插座, 那么它会产生一定程度的串扰,但测试仪可能无法测量到这个串扰值。因此,最好在两个端点都进行NEXT测量。现在的测试仪都配有相应,使得在链路一端就能测量出两端的NEXT值。NEXT测试的结果参照表1和表2。
(3)直流电阻
TSB67无此参数。直流环路电阻会消耗一部分信号,并将其转变成热量。它是指一对导线电阻的和,
11801规格的双绞线的直流电阻不得大于19.2欧姆。每对间的差异不能太大(小于 0.1欧姆),否则表示接触不良,必须检查连接点。
(4)特性阻抗
与环路直流电阻不同,特性阻抗包括电阻及频率为1～100MHz的电感阻抗及电容阻抗,它与一对电线之间的距离及绝缘体的电气性能有关。
各种电缆有不同的特性阻抗,而双绞线电缆则有100欧姆 、120欧姆及150欧姆几种。
(5)衰减串扰比(ACR)
在某些频率范围,串扰与衰减量的比例关系是反映电缆性能的另一个重要参数。ACR有时也以信噪比(SNR :Signal-Noice ratio)表示,
它由最差的衰减量与NEXT量值的差值计算。ACR值较大,表示抗干扰的能力更强。一般系统要求至少大于10分贝。
(6)电缆特性
通信信道的品质是由它的电缆特性描述的。SNR是在考虑到干扰信号的情况下,对数据信号强度的一个度量。如果SNR过低,
将导致数据信号在被接收时,接收器不能分辨数据信号和噪音信号,最终引起数据错误。因此,为了将数据错误限制在一定范围内,
必须定义一个最小的可接收的SNR。
四、测试数据
100欧姆4对非屏蔽双绞线有3类线、4类线、5类线和超5类线之分。主要的性能指标为衰减、分布电容、直流电阻、直流电阻偏差值、阻抗特性、返回损耗、近端串扰。
五、常用的双绞线电缆
综合布线中最常用的双绞线电缆有以下几种: 1、5类4对非屏蔽双绞线 　　它是美国线缆规格为24的实芯裸铜导体,以氟化乙烯做绝缘材料,传输频率达100MHz。
4. 5类4对24AWG非屏蔽软线
它由4对线组成,用于高速数据传输,适合于扩展传输距离,应用于互连或跳接线。传输速率达100MHz。
六、超5类布线系统
超5类布线系统是一个非屏蔽双绞线(UTP)布线系统,通过对它的&链接&和&信道&性能的测试表明,它超过TIA/EIA568的5类线要求。与普通的5类UTP比较,其衰减更小,串扰更少,同时具有更高的衰减与串扰的比值(ACR)和信噪比(SRL)、更小的时延误差,性能得到了提高。它具有四大优点:
(1)提供了坚实的网络基础,可以方便转移、更新网络技术。
(2)能够满足大多数应用的要求,并且满足低偏差和低串扰总和的要求。
(3)被认为是为将来网络应用提供的解决方案。
(4)充足的性能余量,给安装和测试带来方便。
与5类线缆相比,超5类在近端串扰、串扰总和、衰减和信噪比四个主要指标上都有较大的改进。
近端串扰(NEXT)是评估性能的最重要的标准。一个高速的LAN在传送和接收数据时是同步的。 NEXT是当传送与接收同时进行时所产生的干扰信号。NEXT的单位是db,它表示传送信号与串扰信号之间的比值。
在普通应用中,衡量NEXT的标准方法是用一对线进行传送,另一对线用于接收,如10BASET和TokenRing, 甚至100BASET 和155Mbps ATM。但是,有时候也可以使用另外两对线,并接到另一工作站,这样可以加快LAN的速度, 如622Mbps ATM和1000BASE-T,不只用一对(可能用全部的4对线)来传送和接收。在一根线缆中使用多对线进行传送会增加这根线缆的串扰。现在的四对5类双绞线没有考虑这种情况。
串扰总和( Power Sum NEXT)是从多个传输端产生NEXT的和。如果一个布线系统能够满足5类线在Power Sum下的NEXT要求, 那么就能处理从应用共享到高速LAN应用的任何问题。超5类布线系统的NEXT只有5类线要求的1/8。
信噪比(Structural Return Loss)是衡量线缆阻抗一致性的标准,阻抗的变化引起反射。一部分信号的能量被反射到发送端,形成噪声。 SRL是测量能量变化的标准,由于线缆结构变化而导致阻抗变化,使得信号的能量发生变化。反射的能量越少, 意味着传输信号越完整,在线缆上的噪声越小。
比起普通5类双绞线,超5类系统在100MHz的频率下运行时,为用户提供8db近端串扰的余量, 用户的设备受到的干扰只有普通5类线系统的1/4,使系统具有更强的独立性和可靠性。
收录时间:日 10:06:13 来源:高校自动化网 作者:匿名
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电波传播-----第2章电波传播基础知识目录概要内容总结练习BUPT漆渊目录概要?电波空间传播的机制电波的辐射与接收?电波发射与接收?自由空间接收功率、损耗自由空间电波传播?自由空间接收场强传输媒质对电波传?传输损耗、衰落、失真、电波的播的影响折射、反射和绕射现象、噪声电波传播的菲涅尔?惠更斯-菲涅尔原理区?菲涅尔区、带、半径BUPT漆渊电波的辐射与接收?电波在空间传播的机制–交变电磁场的激发源于加速运动的电荷或时变电流–电场和磁场的时间变化相应地制约磁场和电场的空间分布Maxwell方程组与由它导出的波动方程及其边界条件，描述了电磁波产生和传播的基本规律–电磁振荡在空间的传播BUPT漆渊电波的辐射与接收?电波在空间传播的机制据电场与磁场互感特性可知有电场就会感应出磁场,有磁场又会感应出电场,这种现象是在空间发生的,这样相互感应便形成电波并传输出去。变化的电流电场磁场电波BUPT漆渊电波的辐射与接收?电波的发送–振荡器?产生频率很高的交变电流?高频交变电流流经天线时，在空间产生高频的电磁场?电磁场在不断变化，在周围产生新的电磁场–载波?振荡器产生的高频交变电流?用于携带声音、图像等信息–调制?把信息加到载波上，使载波随信号而改变BUPT漆渊电波的辐射与接收?电波的接收调谐解调–调谐?让接收电路产生电谐振的过程?通过调节可变电容，可以改变调谐电路的固有频率BUPT漆渊电波的辐射与接收?电波的接收–解调?从携带消息的已调信号中恢复消息的过程?检波?检波电路BUPT漆渊电波的辐射与接收?天线–实现电流与波场间能量转换的装置?无线电频段的收发天线–发送天线?方向性?有效地按指定方向和范围辐射电磁波–接收天线?方向性?增益BUPT漆渊电波的辐射与接收?天线–常用天线类型?线天线?常用语超短波以下频率电磁波的发射与接收?面天线?常用于微波频段的发射与接收?阵列天线?特种天线BUPT漆渊目录概要?电波空间传播的机制电波的辐射与接收?电波发射与接收?自由空间接收功率、损耗自由空间电波传播?自由空间接收场强传输媒质对电波传?传输损耗、衰落、失真、电波的播的影响折射、反射和绕射现象、噪声电波传播的菲涅尔?惠更斯-菲涅尔原理区?菲涅尔区、带、半径BUPT漆渊自由空间电波传播?自由空间–严格是指真空，通常指充满了均匀、无耗、各向同性、电导率为零、无限大、相对介电常数和磁导率为1的理想空间–仅考虑由于电波的扩散而引起的传播损耗自由空间接自由空间损自由空间接收功率耗收场强BUPT漆渊自由空间电波传播?自由空间接收功率空间传播发射机发射天线接收天线接收机介质发射机发送功发射天线的增率为益Pt0Gt发射机经馈线到天线的信号电平衰减率为Lt?发射机发出的功率在距离为d处的接收点的能流密度为PLGPLGs?ttt00=tttA4?d2BUPT漆渊自由空间电波传播有效接收?自由空间接收功率面积Ar空间传播发射机发射天线接收天线接收机介质接收天线的增接收机接收功益率为GrPr0–接收机的天线得到功率接收天线经馈线到接收sA?r机的信号电平衰减率为Lt–接收天线的有效面积与工作波长、接收天线增益的关系?2A=Grr4?BUPT漆渊自由空间电波传播?自由空间接收功率–接收机得到的功率2???PsALrrr00???=??PGGLLttrtr??4?d实际工作中常用分贝瓦或分贝毫瓦来表示接收功率，用分贝表示时2??4?dPPPGGLLrrttr000?10lg=++-t-r-10lg?????信号电平衰减率很小，实际中用分贝表示是负值，在实际使用时提出负号功率、增益、衰减率单位为dBBUPT漆渊自由空间电波传播?自由空间损耗–表示无线电波通过传播介质时产生的损耗–定义为两个理想点源天线在自由空间传输和接收无线电波时产生的损耗?收发天线增益为1，发射机到天线和接收机到天线的信号无衰减PGt0(=1)tLbf?PGr0(=1)r2???PsALrrr00???=??PGGLLttrtr??4?d2??4?dLbf??????BUPT漆渊自由空间电波传播?自由空间损耗–用分贝表示2??4?d?32.45+20lgdf(km)+20lg(MHz)Lbf?10lg??=?????92.45+20lgdf(km)+20lg(GHz)–自由空间接收电平?考虑到发射机到天线和接收机到天线的信号衰减，以及天线的增益PPPGGLLLrrttr000?10lg=++---trbfBUPT漆渊自由空间电波传播?自由空间接收场强微波频段超短波以下频段?面天线?线天线?接收功率?接收机输入端的接收电压接收场强设点源发射天线辐射功率为Pt，则距离发射天线d处的接收天线处的能流密度为Ps?t4?d2BUPT漆渊自由空间电波传播1?=()???10-9F/m036?自由空间接收场强?-70??=4????
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09-12-06 &
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