Безэховая камера
Владельцы патента RU 2447551:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и звукотехники и может использоваться при строительстве и оборудовании безэховых камер (помещений с радио- и звукоизоляцией), которым предъявляются повышенные требования, и которые могут найти применение при проверке и сертификации электро-радиоприборов на электромагнитную совместимость и помехоустойчивость, звукозаписи и т.п. Повышение радиопоглощающих характеристик безэховой камеры, преимущественно, в интервале частот от 30 МГц до 1000 МГц, а также снижение стоимости ее изготовления за счет использования марганцево-цинковых ферритовых пластин, является техническим результатом изобретения. В предложенной камере ферритовые пластины выполняют из магний-цинковых ферритов, электромагнитные свойства которых близки к свойствам никель-цинковых ферритов. Предложенная безэховая камера содержит стенки, образующие замкнутый объем, внутри которого установлен электрогерметичный металлический экран, прикрепленный к внутренним стенкам, при этом на стенках размещены металлические основания с закрепленными на них ферритовыми пластинами, выполненными из магний-цинкового феррита с добавками оксидов титана и стронция, при соответствующем массовом соотношении компонентов. Поверх ферритовых пластин установлены строительные звукоизоляционные панели. 1 ил., 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к радиофизике и может найти применение при строительстве помещений с повышенными требованиями по изоляции от звуковых и радиосигналов. Технической задачей изобретения является создание безэховой камеры, обеспечивающей исключение излучения за пределы камеры звуковых и радиосигналов, а также обеспечивающей исключение отражения от стен камеры звуковых сигналов и радиосигналов частот от 30 МГц до 1000 МГц.
Известна конструкция безэховой камеры, стенки которой покрыты пластинами магнитного материала (см. патент Японии №26143, кл. 98 (3) Д 6, опубликован 1968 г.). Толщина пластин выбирается равной 1/2 длины волны в свободном пространстве. Настоящая камера обеспечивает поглощение электромагнитных волн в диапазоне 300-2000 МГц. Недостатками данной камеры является то, что она не обеспечивает поглощение низкочастотных электромагнитных и звуковых волн.
Известны звукопоглощающие панели, используемые для облицовки стен помещений с повышенными требованиями по звукоизоляции (см. Авторское Свидетельство СССР №293981, кл. Е04В 1/82. Авторы: Осипов Г.Л., Никольский В.Н., Тимофеенко Л.П. и Э.А.Биевецкий. НИИ Строительной физики). Недостатком данных панелей является тот факт, что они не поглощают электромагнитных волн.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является безэховая камера, содержащая стенки, образующие замкнутый объем, электрогерметичный металлический экран, который установлен внутри замкнутого объема, причем стенки электрогерметичного металлического экрана прикреплены, соответственно, к стенкам, образующим замкнутый объем, металлические основания, закрепленные на стенках электрогерметичного металлического экрана, радиопоглотитель, выполненный в виде ферритовых пластин из никель-цинкового феррита, расположенных на введенных металлических основаниях, и звукопоглотитель, выполненный в виде звукопоглощающих панелей, размещенных поверх ферритовых пластин (см. патент РФ №2113040 H01Q 17/00. Авторы Мартынов А.П., Маслов Е.Л., Никонов С.В., Покусин Д.Н., Субботин И.Ю., Титков А.Д., Прянишников В.А. и Федотова О.Л. ТОО «Феррат»).
Недостаток данного технического решения - дороговизна ферритовых пластин, обусловленная высокой стоимостью никельсодержащего сырья.
Целью настоящего изобретения являлось создание эффективной дешевой безэховой камеры, обеспечивающей исключение излучения за пределы камеры звуковых и радиосигналов, а также обеспечивающих исключение отражения от стен камеры звуковых сигналов и радиосигналов частот от 30 МГц до 1000 МГц. Указанная цель достигается тем, что ферритовые пластины выполняются из магний-цинковых ферритов, электромагнитные свойства которых близки к свойствам никель-цинковых ферритов.
Предложенная в настоящем техническом решении камера содержит стенки, образующие замкнутый объем, электрогерметичный металлический экран, который установлен внутри замкнутого объема, причем стенки электрогерметичного металлического экрана прикреплены, соответственно к стенкам, образующим замкнутый объем, металлические основания, закрепленные на стенках электрогерметичного металлического экрана, радиопоглотитель, выполненный в виде ферритовых пластин, расположенных на введенных металлических основаниях, и звукопоглотитель, выполненный в виде звукопоглощающих панелей, размещенных поверх ферритовых пластин. Конструкция стенки предложенной безэховой камеры представлена на фиг.1. К внутренней поверхности каждой стенки 1 безэховой камеры прикреплена соответствующая стенка электрогерметичного металлического экрана 2, на котором крепится металлическое основание 3 с размещенным на нем звуко- и радиопоглотителем в виде пластины 4 магний-цинкового феррита, поверх которой установлена звукопоглощающая панель 5. Для изготовления экрана 2 используется любой металл, для изготовления основания 3 используется легкий металл (например, дюралюминий). Панели 5 изготовляются из любого звукопоглощающего материала. Ферритовые пластины представляют собой изготовленные по стандартной керамической технологии пластины магний-цинкового феррита, содержащего в качестве основы оксиды магния, цинка и железа и в качестве дополнительно введенных - оксиды стронция и титана при следующем соотношении компонент, мас.%:
| Оксид магния | 7,0-13,0 |
| Оксид цинка | 11,0-17,0 |
| Оксид стронция | 0,3-1,5 |
| Оксид титана | 0,3-1,5 |
| Оксид железа | остальное |
В качестве радиопоглощающих ферритов для безэховых камер наиболее широкое применение нашли никель-цинковые ферриты. Недостатками известных никель-цинковых ферритов являются недостаточное поглощение радиоволн в интервале частот от 30 МГц до 1000 МГц и высокая стоимость из-за дороговизны никельсодержащего сырья. Известен также способ получения магний-цинковых ферритов, электромагнитные свойства которых близки к свойствам никель-цинковых ферритов (см. Летюк Л.М., Журавлев Г.И. Химия и технология ферритов. - Л.: Химия, 1983, с.93).
Способ включает синтез ферритового порошка из оксидов магния, цинка и железа, измельчение синтезированной шихты до размеров частиц 1-3 мкм, гранулирование шихты с введением связки, прессование заготовок, спекание и последующее охлаждение спеченных заготовок в воздушной среде. Преимуществом магний-цинковых ферритов является низкая стоимость, обусловленная дешевизной магнийсодержащего сырья. Однако известные магний-цинковые ферриты также недостаточно поглощают электромагнитное излучение в интервале частот от 30 МГц до 1000 МГц.
Повышение радиопоглощающих характеристик достигается за счет введения в шихту оксида стронция и оксида титана.
Технология получения феррита для разработанной безэховой камеры включает смешивание ферритообразующих оксидов магния, цинка и железа, синтез ферритового порошка из полученной смеси в печах в воздушной среде прокалкой смеси исходных оксидов в интервале температур 900-980°С, измельчение синтезированной шихты с введением оксида стронция и оксида титана до размеров частиц 1-3 мкм, введение поливинилового спирта в качестве связки и гранулирование полученной измельченной смеси, формование сырых заготовок в виде пластин из гранулированного ферритового порошка прессованием и высокотемпературное спекание заготовок в воздушной среде при 1290-1350°С.
Эффективность поглощения радиоволн ферритом предложенного состава связана с тем, что добавки оксидов стронция и титана в процессе нагрева заготовок при спекании разлагаются с образованием титаната стронция SrTiO3, который, располагаясь по границам зерен в спеченных ферритах, образует прослойки с высокой диэлектрической проницаемостью. В результате возникает новый механизм поглощения радиоволн, обусловленный диэлектрическими потерями в материале. Кроме этого немагнитная тонкая прослойка по границам зерен способствует закреплению доменных стенок, что делает возможным возникновение резонанса доменных стенок при их обратимом перемещении внутри зерен и дополнительному поглощению электромагнитной энергии.
На Фиг.1 представлена конструкция стенки предложенной безэховой камеры. Здесь: 1 - стена камеры, 2 - электрогерметичный металлический экран, 3 - металлическое основание под ферритовые пластины, 4 - ферритовая пластина, 5 - строительная звукоизоляционная панель.
Пример. Проводили определение сравнительной эффективности предложенной безэховой камеры и прототипа. В качестве помещений для безэховых камер использовались комнаты размерами 12000×7500×4000 мм. Пол и потолок в комнатах были выполнены из стандартных строительных железобетонных плит, стены - из кирпича. Толщина стен составляла один кирпич. Изнутри каждая комната качественно штукатурилась, толщина слоя штукатурки составляла 15-20 мм. Электрогерметичный металлический экран устанавливался внутри каждой комнаты, изготовлялся из листов стальной жести толщиной 1,0 мм. Соединение листов проводилось путем электросварки таким образом, чтобы жесть вплотную прилегала к штукатурке. Для облегчения процесса сварки жестяные листы предварительно крепились к стенам с помощью дюбелей. Поверх жестяных стальных листов устанавливались металлические дюралюминиевые основания под ферритовые пластины. Последние наклеивались на металлические основания с помощью клея БФ-2. Ферритовые пластины для обеих камер изготавливались по стандартной керамической технологии, размеры ферритовых пластин составляли 60×60×6 мм. Для камеры 1 (прототип) ферритовые пластины выполнялись из Ni-Zn-феррита со следующим содержанием компонент, мас.%:
| Оксид никеля | 8,5-10,0 |
| Оксид цинка | 21,0-35,0 |
| Оксид кобальта | 0,5-1,0 |
| Оксид железа | остальное |
Для камеры 2 ферритовые пластины выполнялись из Mg-Zn-феррита со следующим содержанием компонент, мас.%:
| Оксид магния | 7,0-13,0 |
| Оксид цинка | 11,0-17,0 |
| Оксид стронция | 0,3-1,5 |
| Оксид титана | 0,3-1,5 |
| Оксид железа | остальное |
Ферритовыми пластинами обклеивались стены и потолок камер. Поверх ферритовых пластин устанавливались стандартные строительные звукоизоляционные панели (например, см. Авторское Свидетельство СССР №293981, кл. Е04В 1/82. Авторы: Осипов Г.Л., Никольский В.Н., Тимофеенко Л.П. и Э.А.Биевецкий. НИИ Строительной физики). Звукоизоляционные панели устанавливались на стены и потолок камер.
Испытание камер проводилось по электромагнитному излучению в диапазоне частот 30-1000 МГц, по звуковым колебаниям - в области частот 16 Гц-20000 Гц. Результаты испытаний показали, что в указанных диапазонах частот имеет место ослабление звуковых сигналов на - 40 дБ для камер обеих типов, а ослабление электромагнитного излучения составляет от - 20 дБ до - 45 дБ для камеры типа 1 (прототип) и от - 20 дБ до - 50 дБ для камеры типа 2 (предложенная камера).
Усредненные данные по измерению частотной зависимости коэффициента отражения радиоволн от поверхности стен испытуемых камер приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||
| № п/п | Состав феррита, мас.% | Коэффициент ослабления отраженного сигнала по мощности, дБ | Примечание | ||
| при частоте поля | |||||
| 30 МГц | 100 МГц | 1000 МГц | |||
| 1 | Оксид никеля - 9,0 | -20 | -45 | -25 | Прототип |
| Оксид цинка - 30,0 | |||||
| Оксид кобальта - 0,8 | |||||
| Оксид железа - 60,2 | |||||
| 2 | Оксид магния - 6,5 | -17 | -32 | -28 | Выход за пределы |
| Оксид цинка - 17,5 | |||||
| Оксид стронция - 0,2 | |||||
| Оксид титана - 0,2 | |||||
| Оксид железа - 75,6 | |||||
| 3 | Оксид магния - 7,0 | -20 | -46 | -30 | Согласно формуле |
| Оксид цинка - 17,0 | |||||
| Оксид стронция - 0,3 | |||||
| Оксид титана - 0,3 | |||||
| Оксид железа - 75,4 | |||||
| 4 | Оксид магния - 10,0 | -22 | -50 | -32 | Согласно формуле |
| Оксид цинка -14,0 | |||||
| Оксид стронция - 0,9 | |||||
| Оксид титана - 0,9 | |||||
| Оксид железа - 74,2 | |||||
| 5 | Оксид магния - 13,0 | -21 | -44 | -31 | Согласно формуле |
| Оксид цинка - 11,0 | |||||
| Оксид стронция - 1,5 | |||||
| Оксид титана - 1,5 | |||||
| Оксид железа - 73,0 | |||||
| 6 | Оксид магния - 13,5 | -19 | -37 | -30 | Выход за пределы |
| Оксид цинка - 10,5 | |||||
| Оксид стронция - 1,6 | |||||
| Оксид титана - 1,6 | |||||
| Оксид железа - 73,8 |
Как видно из данных таблицы, изготовление радиопоглощающих ферритов по предлагаемому составу позволяет значительно снизить отражение радиоволн от стен безэховой камеры. Ухудшение параметров при выходе за пределы изобретения можно объяснить либо недостаточной толщиной образующейся диэлектрической прослойки из титаната стронция (при содержании оксидов стронция и титана менее 0,3 мас.%), либо уменьшением резонанса магнитных доменных стенок (при содержании оксидов стронция и титана более 1,5 мас.%).
Таким образом, при стоимости меньшей в 1,5-2,0 раза (за счет существенно меньшей стоимости марганец-цинковых ферритовых пластин по сравнению с никель-цинковыми ферритовыми пластинами), предложенная безэховая камера обладает по сравнению с прототипом лучшими эксплуатационными характеристиками.
Безэховая камера, содержащая стенки, образующие замкнутый объем, электрогерметичный металлический экран, который установлен внутри замкнутого объема, причем стенки электрогерметичного металлического экрана прикреплены соответственно к стенкам, образующим замкнутый объем, металлические основания, закрепленные на стенках электрогерметичного металлического экрана, радиопоглотитель, выполненный в виде ферритовых пластин, расположенных на введенных металлических основаниях, и звукопоглотитель, выполненный в виде звукопоглощающих панелей, размещенных поверх ферритовых пластин, расположенных соответственно на введенных металлических основаниях, каждое из которых закреплено на соответствующей стенке электрогерметичного металлического экрана, отличающаяся тем, что ферритовые пластины выполнены из магний-цинкового феррита со следующим содержанием компонент, мас.%:
| Оксид магния | 7,0-13,0 |
| Оксид цинка | 11,0-17,0 |
| Оксид стронция | 0,3-1,5 |
| Оксид титана | 0,3-1,5 |
| Оксид железа | Остальное |
