Ein Raum, der speziell dafür konstruiert wurde, die Reflexion oder das Echo von Schall oder elektromagnetischen Wellen zu verhindern, wird als reflexionsarmer Raum bezeichnet. Der Begriff leitet sich von an-echoic ab und bedeutet „nicht reflektierend“ oder „ohne Echos“. Diese Kammern sind häufig so konzipiert, dass sie gegen das Eindringen von Energie von außen undurchlässig sind. Dieses duale Designprinzip stellt sicher, dass jede Person oder jeder Sensor in der Kammer nur direkte Geräusche wahrnimmt und so die Bedingungen einer offenen Freifeldumgebung effektiv nachbildet.
Ein echofreier Raum (echoisch bedeutet „nicht reflektierend“ oder „ohne Echos“) ist ein Raum, der dazu dient, Reflexionen oder Echos von Schall oder elektromagnetischen Wellen zu stoppen. Außerdem sind sie häufig von der aus ihrer Umgebung eindringenden Energie isoliert. Diese Kombination bedeutet, dass eine Person oder ein Detektor ausschließlich direkte Geräusche hört (keine reflektierten Geräusche) und so simuliert, dass sie sich draußen in einem freien Feld befinden.
Die ursprünglich vom amerikanischen Akustikexperten Leo Beranek eingeführte Bezeichnung „Anchoic Chamber“ bezog sich zunächst ausschließlich auf akustische Anwendungen. Seitdem hat sich die Verwendung jedoch auf schalltote Hochfrequenzkammern ausgeweitet, die so konstruiert sind, dass sie durch elektromagnetische Wellen erzeugte Reflexionen und externe Störungen abschwächen.
Abgeschirmte Kammern weisen erhebliche Größenunterschiede auf, von kompakten Einheiten, die mit häuslichen Mikrowellenöfen vergleichbar sind, bis hin zu ausgedehnten Strukturen in der Größe von Flugzeughangars. Die Abmessungen einer bestimmten Kammer werden durch die Größe der zu untersuchenden Gegenstände und das untersuchte Frequenzspektrum bestimmt.
Akustische schalltote Kammern
Die anfängliche Nachfrage nach einem Gerät, das später als reflexionsarme Kammer bekannt wurde, entstand aus der Notwendigkeit, Lautsprecher zu testen, die Schallpegel erzeugen, die in besiedelten Regionen im Freien unpraktisch sind.
Im Bereich der Akustik werden schalltote Kammern routinemäßig zur Durchführung von Experimenten unter Bedingungen eingesetzt, die einem „freien Feld“ ähneln, was bedeutet, dass keine reflektierten Signale vorhanden sind. In einer solchen Umgebung breitet sich praktisch die gesamte Schallenergie mit minimaler Reflexion von ihrer Quelle weg aus. Typische Experimente, die in diesen Kammern durchgeführt werden, umfassen die Messung der Übertragungsfunktion eines Lautsprechers oder die Beurteilung der Richtwirkung der Schallabstrahlung von Industrieanlagen. Im Allgemeinen ist die Innenumgebung einer schalltoten Kammer außergewöhnlich ruhig, mit charakteristischen Geräuschpegeln zwischen 10 und 20 dBA. Ein bemerkenswerter Erfolg wurde im Jahr 2005 erzielt, als in einer schalltoten Kammer ein Geräuschpegel von −9,4 dBA gemessen wurde. Anschließend stellte 2015 eine Kammer auf dem Microsoft-Campus mit einem Wert von −20,6 dBA einen neuen Weltrekord auf. Da das menschliche Gehör typischerweise Geräusche über 0 dBA wahrnimmt, würde eine Person in einer solchen Kammer eine Umgebung erleben, in der es keinerlei hörbare Geräusche gibt. Anekdotische Berichte deuten darauf hin, dass einige Personen diese tiefe Stille als beunruhigend empfinden und möglicherweise Orientierungslosigkeit verspüren.
Das Funktionsprinzip, nach dem schalltote Kammern die Reflexion einfallender Schallwellen auf ihren Oberflächen dämpfen, wird unten detailliert beschrieben: Wie in der beigefügten Abbildung dargestellt, nähert sich eine einfallende Schallwelle, mit I bezeichnet, einer Kammerwand, die aus einer Reihe von Keilen W besteht, die jeweils eine Höhe H haben. Beim Aufprall wird die einfallende Welle I als eine Reihe von Wellen R reflektiert Anschließend oszillieren sie innerhalb des Luftspalts A (durch gestrichelte Linien dargestellt) zwischen den Keilen W. Diese oszillierende Bewegung kann möglicherweise zumindest vorübergehend ein stehendes Wellenmuster innerhalb von A erzeugen. Während dieses Prozesses wird die akustische Energie der Wellen R durch die molekulare Viskosität der Luft dissipiert, insbesondere in der Nähe der Ecke C. Wenn bei der Herstellung dieser Keile Schaumstoffe verwendet werden, tritt außerdem ein zusätzlicher Dissipationsmechanismus während der Wechselwirkungen zwischen den Wellen und der Wand auf. Folglich wird der mit R' bezeichnete Anteil der reflektierten Wellen R, der sich entlang der ursprünglichen Richtung von I ausbreitet und aus den Lücken A austritt (zurück zur Schallquelle zurückkehrt), erheblich verringert. Obwohl diese Erklärung in zwei Dimensionen präsentiert wird, stellt sie die tatsächlichen dreidimensionalen Keilkonfigurationen, die in schalltoten Kammern verwendet werden, genau dar und lässt sich auf diese anwenden.
Halb-schalltote und halb-schalltote Kammern
Voll reflexionsarme Kammern sind so konstruiert, dass sie eine umfassende Energieabsorption in alle Richtungen erreichen. Dies erfordert die Abdeckung aller Innenflächen, einschließlich des Bodens, mit präzise geformten Akustikkeile. Über dem Boden wird üblicherweise ein Maschengitter installiert, um den Zugang für Fußgänger und die Platzierung von Geräten zu erleichtern. Dieser Gitterboden befindet sich normalerweise auf derselben Höhe wie der Boden des umgebenden Gebäudes, was bedeutet, dass die Kammer selbst unter das Niveau des Hauptgeschosses reicht. Darüber hinaus wird dieser Gitterboden durch absorbierende Puffer gedämpft und gestützt, wodurch seine Isolation vor externen Vibrationen oder elektromagnetischen Störungen gewährleistet wird.
Umgekehrt verfügen halb- oder halb-reflexionsarme Kammern über einen festen Boden, der als robuste Arbeitsfläche dient, auf der wesentliche Gegenstände wie Autos, Haushaltsgeräte oder Industriemaschinen getragen werden können – Objekte, die das Gitter einer vollständig reflexionsarmen Kammer nicht aufnehmen kann. Es ist bemerkenswert, dass Aufnahmestudios häufig eine halb-reflexionsarme Bauweise verwenden.
Die genaue Unterscheidung zwischen „semi-reflexionsarm“ und „halb-reflexionsarm“ bleibt unklar. In bestimmten Zusammenhängen werden diese Begriffe austauschbar verwendet oder es wird nur einer verwendet. Umgekehrt unterscheiden einige Definitionen sie anhand des Vorhandenseins eines ideal reflektierenden Bodens (der Freifeldbedingungen mit einer einzigen reflektierenden Oberfläche schafft) von einem einfachen, unbehandelten flachen Boden. Darüber hinaus werden manchmal Unterscheidungen hinsichtlich ihrer Abmessungen und Betriebsfähigkeiten getroffen, wobei es sich bei der einen möglicherweise um einen bestehenden Raum handelt, der mit einer akustischen Behandlung nachgerüstet wurde, und bei der anderen um eine speziell gebaute Anlage, die in der Regel größer ist und bessere schalltote Eigenschaften aufweist.
Radiofrequenz-reflexionsarme Kammern
Das Innendesign einer schalltoten Hochfrequenzkammer kann dem einer akustischen schalltoten Kammer ähneln. Allerdings sind seine Innenflächen mit strahlungsabsorbierendem Material (RAM) und nicht mit akustisch absorbierendem Material ausgekleidet. HF-reflexionsarme Kammern werden für Anwendungen wie das Testen von Antennen und Radargeräten verwendet und dienen üblicherweise als Gehäuse für Antennen bei der Messung von Strahlungsmustern und elektromagnetischen Interferenzen.
Das Erreichen spezifischer Leistungskriterien, einschließlich Gewinn, Effizienz und Mustereigenschaften, stellt erhebliche Herausforderungen beim Design sowohl eigenständiger als auch eingebetteter Antennen dar. Heutige Antennendesigns werden immer komplexer, wobei einzelne Geräte verschiedene Technologien wie Mobilfunkkommunikation, WLAN, Bluetooth, LTE, MIMO, RFID und GPS integrieren.
Strahlungsabsorbierendes Material
Strahlungsabsorbierendes Material (RAM) ist so konstruiert und konfiguriert, dass es die Absorption einfallender HF-Strahlung (auch als nichtionisierende Strahlung bezeichnet) über einen weiten Bereich von Einfallswinkeln maximiert. Eine verbesserte RAM-Effektivität korreliert direkt mit einer Reduzierung der reflektierten HF-Strahlung. Bei zahlreichen Messungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und des Antennenstrahlungsmusters ist es zwingend erforderlich, dass Störsignale aus der Testumgebung, insbesondere Reflexionen, minimiert werden, um Messungenauigkeiten und Mehrdeutigkeiten zu vermeiden.
Frequenzabhängige Wirksamkeit
Wellen, die durch höhere Frequenzen gekennzeichnet sind, besitzen kürzere Wellenlängen und eine größere Energie, während Wellen mit niedrigerer Frequenz längere Wellenlängen und eine geringere Energie aufweisen, wie durch die Beziehung , wobei
Integration in einen abgeschirmten Raum
Eine schalltote HF-Kammer wird typischerweise in einem abgeschirmten Raum konstruiert, der auf dem Prinzip des Faradayschen Käfigs basiert. Diese Designwahl wird durch die Tatsache erforderlich, dass die meisten HF-Tests, die eine schalltote Umgebung zur Minimierung interner Reflexionen erfordern, auch die Abschirmungsfähigkeiten eines abgeschirmten Raums erfordern. Eine solche Abschirmung dämpft Fremdsignale von externen Quellen, die das zu testende Gerät stören könnten, und verhindert, dass Testemissionen aus der Kammer entweichen.
Kammerabmessungen und Inbetriebnahme
Für niedrigere Strahlungsfrequenzen erfordern Fernfeldmessungen häufig eine umfangreiche und kostspielige Kammer. In bestimmten Szenarien, beispielsweise bei Radarquerschnittsmessungen, ist es möglich, das Untersuchungsobjekt zu verkleinern und damit die Abmessungen der Kammer zu verringern. Dieser Ansatz ist praktikabel, wenn die Wellenlänge der Testfrequenz proportional verringert wird, indem Tests bei einer höheren Frequenz durchgeführt werden.
Absorbierende Hochfrequenzkammern (RF) werden in der Regel so konstruiert, dass sie die elektrischen Spezifikationen einer oder mehrerer anerkannter Normen erfüllen. Beispielsweise könnte der Luft- und Raumfahrtsektor Flugzeugausrüstung gemäß Unternehmens- oder Militärspezifikationen wie MIL-STD 461E bewerten. Beim Bau werden während der Inbetriebnahme Abnahmeprüfungen durchgeführt, um die Einhaltung der festgelegten Norm(en) zu bestätigen. Bei nachgewiesener Einhaltung wird ein entsprechendes Zertifikat ausgestellt. Anschließend ist eine regelmäßige erneute Prüfung der Kammer erforderlich.
Betriebliche Nutzung
Gerätekonfigurationen, einschließlich Test- und Unterstützungsgeräten, die in schalltoten Kammern eingesetzt werden, müssen die Freilegung metallischer (leitender) Oberflächen minimieren, da diese unerwünschte Reflexionen hervorrufen können. Dieses Ziel wird häufig durch die Verwendung von nicht leitenden Kunststoff- oder Holzkonstruktionen zur Unterstützung der zu prüfenden Ausrüstung erreicht. In Fällen, in denen metallische Oberflächen unerlässlich sind, können diese nach dem Aufbau mit Teilen aus Radar absorbierendem Material (RAM) abgedeckt werden, um Reflexionen so weit wie möglich abzuschwächen.
Eine gründliche Bewertung ist häufig erforderlich, um die optimale Platzierung der Testausrüstung (im Gegensatz zum zu testenden Gerät) entweder innerhalb oder außerhalb der schalltoten Kammer zu bestimmen. Typischerweise befindet sich der Großteil dieser Ausrüstung in einem separaten, abgeschirmten Raum neben der primären Prüfkammer. Diese Anordnung dient dazu, das Gerät sowohl vor externen Störungen als auch vor der in der Kammer vorhandenen Strahlung zu schützen. Darüber hinaus erfordern die in die Prüfkammer eintretenden Netzstrom- und Testsignalkabel eine hochwertige Filterung.
Gelegentlich werden Glasfaserkabel zur Signalübertragung eingesetzt, da sie immun gegen typische Hochfrequenzstörungen (RFI) sind und nur minimale Reflexionseigenschaften innerhalb der Kammer aufweisen.
Gesundheits- und Sicherheitsrisiken im Zusammenhang mit reflexionsarmen HF-Kammern
Die folgenden Gesundheits- und Sicherheitsrisiken sind mit reflexionsarmen HF-Kammern verbunden:
- Gefahren durch HF-Strahlung
- Brandgefahr
- Personeneinklemmung
Personal ist es normalerweise verboten, die Kammer während der Messungen zu betreten. Diese Einschränkung wird nicht nur auferlegt, weil der menschliche Körper unerwünschte Reflexionen hervorrufen kann, sondern auch aufgrund der potenziellen Strahlungsgefahr für den Einzelnen, wenn Tests bei hohen HF-Leistungspegeln durchgeführt werden. Diese Risiken entstehen durch HF- oder nichtionisierende Strahlung, im Gegensatz zu energiereicherer ionisierender Strahlung.
Da Radar Absorbent Material (RAM) eine hohe Absorption von HF-Strahlung aufweist, erzeugt einfallende Strahlung Wärme im Material. Eine unzureichende Wärmeableitung birgt die Gefahr, dass sich lokale Hotspots entwickeln, die möglicherweise die Temperatur des RAM bis zum Verbrennungspunkt ansteigen lassen. Diese Gefahr kann entstehen, wenn eine Sendeantenne versehentlich zu nahe an den RAM herankommt. Selbst bei relativ geringen Sendeleistungen können Hochleistungsantennen die Leistung ausreichend konzentrieren, um einen hohen Leistungsfluss in der Nähe ihrer Aperturen zu erzeugen. Während kürzlich hergestellte RAMs typischerweise mit Flammschutzmitteln behandelt werden, um solche Risiken zu mindern, bleibt ihre vollständige Beseitigung eine Herausforderung.
- Schalldämmung
- Puffer (Begriffsklärung)
- Dämpfungsverhältnis
- Elektromagnetische Hallkammer
- Sensorische Deprivation
- Referenzen
Referenzen
- 360-Grad-Video einer schalltoten Kammer
- Echoarme Kammern, Vergangenheit und Gegenwart
- Videotour durch eine EMV/RF-Testanlage. Einschließlich der größten reflexionsarmen Testkammer der südlichen Hemisphäre
- Einige Beispiele
- Murray Hill schalltote Kammer von Bell Labs
- „Akustik schalltote Kammer.“ Das nationale Messlabor des Vereinigten Königreichs. Nationales Physikalisches Labor. Archiviert vom Original am 29. September 2007. Abgerufen am 22. Februar 2011.
- "Acoustics Anechoic Chamber". Das britische National Measurement Laboratory. Nationales Physikalisches Labor. Archiviert vom Original am 29. September 2007. Abgerufen am 22. Februar 2011.Quelle: TORIma Akademie Archive