§ 24. Обзор различных элементов анализаторов

В специальной литературе за последние 20—25 лет описано громадное количество различных анализаторов. Не стоит повторять описание каких-либо из этих анализаторов в целом; интереснее сделать обзор типичных элементов, по-разному скомбинированных в тех или иных устройствах.

Анализатор для одновременного анализа состоит в основном из набора избирательных элементов и из некоторой системы отсчета, позволяющей снять одновременно или поочередно — путем «опроса» — показания каждого из элементов набора. Анализатор для последовательного анализа может быть устроен по одному из двух принципов: либо с перестраивающимся избирательным элементом, либо с преобразованием спектра при помощи вспомогательной частоты. В первом случае в состав анализатора входит перестраивающийся элемент и система отсчета. Во втором случае необходимой частью анализатора является тот или иной смеситель; кроме того, в большинстве устройств применяется еще избирательный элемент с постоянной настройкой.

Итак, к элементам анализатора следует отнести: 1) избирательные элементы; 2) смесители и 3) системы отсчета. В таком порядке мы и сделаем обзор применяемых в различных системах анализаторов элементов.

1. Избирательные элементы. Наибольшее распространение в качестве избирательных элементов имеют обычные резонаторы, т. е. системы с одной степенью свободы, описываемые обыкновенным линейным дифференциальным уравнением второго порядка. Таким уравнением могут описываться различные физические системы. Резонаторы встречаются акустические, механические, электрические, электромеханические.

Акустические резонаторы применялись только в ранних конструкциях анализаторов, предназначенных непосредственно для анализа звука, причем как в виде набора резонаторов с постоянными настройками, так и в виде перестраивающихся резонаторов с объемом, изменяемым либо вдвиганием поршня, либо заполнением части объема жидкостью. В дальнейшем в связи с развитием электроакустики акустические резонаторы в качестве избирательных элементов анализаторов были совершенно оставлены.

Механические резонаторы применяются и по сей день, и чаще всего в форме язычков, наподобие тех, которые имеются в язычковом частотомере. Достоинством механических резонаторов вообще является малое затухание (по сравнению с акустическими и электрическими резонаторами). К недостаткам относится, во-первых, трудность построения язычковых резонаторов на широкий диапазон частот, в частности для частот выше 4-5 кгц, и, во-вторых, трудность регулирования затухания.

Более совершенной формой, исключающей отток энергии в закрепление, является уравновешенный резонатор в форме камертона. Иногда в качестве избирательного элемента используется подвижная система обычного измерительного прибора, являющегося резонатором с низкой собственной частотой. В одном из описанных анализаторов использован

резонанс подвижной системы электрометра; это — один из немногих примеров перестраивающегося механического резонатора.

Электрические резонаторы используются преимущественно в форме простых цепей, содержащих индуктивность и емкость. Построение набора таких резонаторов на широкий диапазон частот встречает затруднения в связи с быстрым возрастанием размеров (главным образом индуктивностей) с понижением собственной частоты. Практически невозможно также получить электрический контур, плавно перестраивающийся в сколько-нибудь широком диапазоне частот. Существенным недостатком простых электрических резонаторов является относительно большое затухание их. Имеется возможность понизить затухание при помощи положительной обратной связи, т. е. путем применения в качестве резонатора недовозбужденного генератора. Далеко итти в этом направлении практически затруднительно, так как система работает неустойчиво; при небольших изменениях режима возможно возникновение автоколебаний. Следует упомянуть еще о резонаторах, не содержащих индуктивностей; колебательная система образуется из цепи, содержащей и С, при наличии соответственным образом организованной обратной связи.

Наиболее эффективным и надежным способом получения достаточно малых затуханий является применение электромеханических резонаторов. Общая идея состоит в том, что механический резонатор включен между двумя электромеханическими преобразователями, связь между которыми осуществляется только через механическую систему. Примером такого устройства может служить камертон, возбуждаемый электромагнитом, действующим на одну ножку, тогда как эдс в обмотке другого электромагнита наводится движением второй ножки. Часто удается совместить в одном элементе функции механического резонатора и электромеханического преобразователя. Примером такого совмещения может служить пьезоэлектрический резонатор.

Полосовые фильтры применяются в качестве избирательных элементов при полосовом анализе. Полосовые фильтры могут быть акустические, механические и электромеханические. Они представляют собою системы с сосредоточенными постоянными с двумя - тремя степенями свободы.

В качестве резонаторов для более высоких частот часто применяются отрезки линий т. е. систем с распределенными постоянными, возбуждаемые в основной частоте или в одном из обертонов. Так же как резонаторы и полосовые фильтры, линии могут быть выполнены в акустической форме (цилиндрическая труба), механической (стержень, работающий на сжатие, иногда на кручение), электрической (примером может служить лехерова система), электромеханической (магнито-стрикционный стержень).

Одно из практических преимуществ, достигаемых при применении волнового резонанса на обертоне, состоит в том, что при высокой частоте ( т. е. при короткой волне) удается легко разнести концы отрезка линии на достаточно большое расстояние для исключения непосредственного влияния друг на друга возбуждающего и приемного преобразователей. Это относится, в частности, к электромеханическому волновому резонатору. К тому же наличие узлов упрощает решение конструктивных вопросов; возбуждаемый на высшей гармонике стержень может жестко закрепляться в узлах. Кстати говоря, этим креплением и определяется возможная форма колебаний стержня.

Диффракционная решетка также была использована в качестве избирательного элемента анализатора не только в оптике, но и в применении к колебаниям ультразвуковых частот. В качестве элемента универсального анализатора диффракционная решетка крайне неудобна, так как требует преобразования анализируемого колебания в соответственное излучение. Дело в том, что решетка является волновым анализатором; она может работать лишь будучи помещена в волновое поле, тогда как большинство современных универсальных анализаторов предназначено для анализа сосредоточенных воздействий, в частности для анализа электрического тока.

2. Смесители. В качестве смесителей в анализаторах с вспомогательной частотой могут применяться любые устройства, в которых вследствие нелинейности возникают комбинационные частоты, в частности разностная частота. Для получения разностной частоты можно воспользоваться чистым умножением согласно формуле

В качестве множительного устройства издавна применялся электродинамический прибор, в котором, как известно, вращающий момент пропорционален произведению токов в обмотках статора и ротора.

Аналогичные соотношения могут быть получены и в квадрантном электрометре. При этом существенно, что механическая часть этих приборов может служить либо в качестве резонатора, выделяющего низкую разностную частоту, либо в качестве интегрирующего звена при баллистическом отсчете.

Электронное умножение может быть получено при помощи гексода. Суть дела здесь заключается в том, что, с одной стороны, анодный ток зависит от напряжения на первой управляющей сетке и от крутизны (по той же сетке), а с другой стороны, крутизна зависит от напряжения на второй управляющей сетке. Подбором режима можно получить более или менее чистое умножение, т. е. добиться, чтобы анодный ток был с требуемым приближением пропорционален произведению напряжений на обеих управляющих сетках. Преимуществом электронного умножения является, очевидно, малое потребление; недостатком — приблизительный характер умножения, что имеет для анализатора большое значение. Дело в том, что отклонение от простого закона умножения вызывает появление лишних линий в показании анализатора, с чем, очевидно, мириться нельзя и что требует принятия специальных мер.

Другая возможность выделения разностной частоты состоит в том, что колебания сперва линейно складываются, а затем квадратично детектируются. При этом (см. § 7) можно получить в принципе чисто синусоидальное колебание разностной частоты. Применяя этот метод, следует предусмотреть отделение излишних составляющих на выходе детектора посредством соответствующих фильтров. Очень тщательно должен подбираться режим детектора.

В анализаторе с вспомогательной частотой требуется высокая степень синусоидальности колебания вспомогательной частоты, так как гармоники такого колебания дают ложные линии на выходе анализатора. Существует, однако, одна довольно радикальная возможность обойти указанное стеснительное требование. Возможность эта, использованная

в ряде анализаторов, в частности в получившем у нас в свое время большое распространение анализаторе Родмана [21], заключается в том, что вспомогательная частота выбирается значительно выше диапазона анализируемых частот. Так, например, для анализа звуковых частот применяется ультразвуковая вспомогательная частота (несколько десятков килогерц).

В результате смешения аналиризуемый спектр транспонируется в область ультразвуковых частот и проводится через ультразвуковой резонатор (у Родмана — магнитострикционный стержень, работающий в пятом обертоне). Легко понять, что гармоники вспомогательной частоты дают в транспонированном спектре настолько удаленные линии, что на результате анализа они сказаться не могут, и, следовательно, требование синусоидальности колебания вспомогательной частоты отпадает.

3. Системы отсчета. Устройство системы отсчета вытекает обычно из общей схемы анализатора. Само собой разумеется, что при построении системы отсчета стараются достичь простоты, удобства и наглядности отсчета.

В системах с одновременным анализом желательно было бы иметь систему отсчета в виде набора индикаторов, каждый из которых постоянно подключен к своему резонатору. При таком способе отсчета возможно постоянное наблюдение всего спектра. Однако множество индикаторов образуют довольно громоздкую систему (если они не исключительно просты), а потому прибегают иногда к другому методу — к последовательному «опросу», т. е. поочередному подключению одного и того же индикатора к каждому резонатору.

Примером устройства первого рода служит язычковый анализатор с оптическим отсчетом. Каждый язычок снабжается зеркальцем. Свет от общего источника отбрасывается всеми зеркальцами на матовое стекло. При колебаниях язычков световые пятна на стекле вытягиваются в полоски, длины которых пропорциональны амплитудам колебаний язычков. Таким образом, получается сразу наглядная картина спектра.

В качестве примера устройства второго рода можно привести спектрометр Сименса, в котором вращающийся коммутатор поочередно включает выходы фильтров на электронный осциллоскоп. Соответствующее напряжение попадает на

вертикально - отклоняющие пластины; одновременно переключается ступенями постоянное напряжение, подаваемое на горизонтально - отклоняющие пластины. В результате на экране осциллоскопа получается наглядная картина спектра, представляющаяся (при достаточной скорости коммутации) неподвижной. Что касается анализаторов с последовательным анализом, в частности с вспомогательной частотой, то хотя и существуют отдельные образцы с ручным управлением и с отсчетом по единственному обычному измерительному прибору, все же теперь стремятся к автоматизации процесса анализа и визуализации спектра.

В связи с этим нужно заметить, что на протяжении ряда лет появилось множество устройств, причем некоторые из них описаны под претенциозными названиями сэвуковой спектроскоп», «звуковая призма» и т. п. и разрекламированы за высокую скорость анализа. Общая идея всех подобных устройств состоит в следующем. Вспомогательная частота подается в виде колебания, модулированного по частоте по пилообразному закону. Напряжение с выхода анализатора подается на вертикально - отклоняющие пластины электронного осциллоскопа. На горизонтально - отклоняющие пластины подается пилообразное напряжение от того же модулятора, который управляет вспомогательной частотой. Таким образом, каждому мгновенному значению вспомогательной частоты соответствует определенное смещение пятна по горизонтали. В результате на экране осциллоскопа получается спектр в обычной координатной системе.

В описанном устройстве все было бы хорошо, но авторы подобных анализаторов не всегда отдают себе, повидимвмф, отчет в том, что безудержное повышение скорости развертки неизбежно влечет за собой уменьшение разрешающей способности анализатора, т. е. понижает его метрологические качества. Получаемые при этом соотношения были подробно разобраны выше (см, § 22) Таким образом, к описанной схеме, обладающей бесспорными достоинствами, следует отнестись осторожно, если только к анализатору предъявляются сколько-нибудь серьезные требования.