Triukšmai: Vartiklis

Triukšmai lygi kiekvieną mūsų gyvenimo apraišką. Triukšmas yra artimas mums. Triukšmas turi galią gražinti mus į gyvenimą. [ ... ] Triukšmas, painiai ir nereguliariia trykštantis iš gyvenimo, mums niekada iki galo neatsiskleidžia. Ir mūsų naudai savyje saugo nesuskaičiuojamas staigmenas.
Luigi Russolo. Triukšmų menas, 1913

Dauguma fizikų ir inžinierių tiria problemas, susijusias su signalų išskyrimu, jų priėmimu esant triukšmams; - į tik nedaugelis fizikų tiria pačių fliuktuacijų prigimtį. Fliuktuacijas tirti yra labai svarbu tikrinant įvairias fizikines teorijas, kuriant didelio tikslumo matavimo ir perdavimo įrenginius. Fizikinių sistemų fliuktuacijų tyrimas suteikia žinių apie sistemos mikroskopinę dinaminę elgseną. Čia vertėtų prisiminti akad. G. Nano žodžius, kad „kaip tik statistiniai dėsniai ir yra 'tikrieji', o nepalenkiami deterministiniai dėsniai – tik atskiri atvejai“.

Fliuktuacijos (triukšmai), kaip ir visi statistiniai dydžiai, tiriamos tikimybių teorijos sąvokomis ir metodais. Dažniausiai fliuktuacijoms aprašyti naudojamas dydis – dispersija (nuokrypio nuo vidutinės vertės kvadrato vidurkis). Tačiau ji atspindi tik suminį rezultatą ir nieko nepasako apie sistemos mikroskopinį dinaminį elgesį. Tiriant triukšmus, didžiausias dėmesys skiriamas fliuktuacijų amplitudžių pasiskirstymo, jų koreliacijos funkcijos bei spektro nagrinėjimui, nes kaip tik šie parametrai ir leidžia spręsti apie tam tikrame objekte vykstančius reiškinius. Fliuktuacijų amplitudžių pasiskirstymas – tai tikimybinis pasiskirstymas apie galimus nuokrypius nuo vidurkio. Koreliacijos funkcija apibūdina tikimybinį ryšį tarp vieno ar dviejų atsitiktinio proceso verčių pasirinktais laiko momentais. Kai atsitiktinis procesas kinta labai greitai, tai tokio proceso koreliacijos funkcija nuo laiko greitai mažėja iki nulio. Jei nagrinėsime du atsitiktinius nepriklausomus procesus, tai jų koreliacijos funkcija bet kuriuo laiko momentu lygi nuliui.

Periodinio (harmoninio) signalo koreliacijos funkcija taip pat yra periodinė. Tai leidžia koreliacijos funkcijos radimo būdą pritaikyti silpniems signalams išskirti iš triukšmo. Šis būdas, nors ir sudėtingas, yra ypač efektyvus, nes padeda registruoti signalus, kurių galia yra šimtus ir daugiau kartų mažesnė už trukdančio triukšmo galią. Triukšmo spektras – tai triukšmo galios pasiskirstymas pagal dažnius. Jis apibūdinamas triukšmo galios spektriniu tankiu – dydžiu, atitinkančiu triukšmo galią vienetiniame dažnių diapazone. Atsitiktinį procesą, kaip ir bet kurį reguliarųjį signalą, galime atvaizduoti be galo didelio skaičiaus harmoninių signalų suma. Šių harmonikų amplitudžių kvadrato modulį galime tiesiogiai susieti su triukšmo galios spektriniu tankiu. Triukšmų galios spektrinis tankis – labai plati sąvoka: čia galima kalbėti apie bet kokių virpesių galios spektrinį tankį, pvz., Žemės sukimosi periodo svyravimus, oro slėgio ir temperatūros, maisto medžiagų kitimus ląstelėje ir kt.

Iš visų fliuktuacinių reiškinių labiausiai yra išnagrinėtos elektrinės fliuktuacijos, kurias sukelia atsitiktiniai elektros įtampos, srovės ar krūvio svyravimai, atsirandantys elektrinėse grandinėse ar perdavimo linijose. Elektrinės fliuktuacijos riboja ir įvairi radijo priėmimo įrenginių jautrį.

Jas sukelia chaotiškas šiluminis krūvininkų judesys laidžioje medžiagoje (šiluminis triukšmas), diskretinė krūvininkų sandara bei jų atsitiktinis lėkimas pro potencialo barjerus (šratinis triukšmas), taip pat įvairių medžiagos parametrų atsitiktinis svyravimas (generacinis rekombinacinis triukšmas, 1/f).

Šiluminis triukšmas - ne tik elektros srovės, įtampos ir krūvio atsitiktiniai pokyčiai, bet ir atsitiktinis EM bangų spinduliavimas dėl atsitiktinio krūvininkų judesio laidininke termodinaminės pusiausvyros sąlygomis. Krūvininkams chaotiškai judant, jų suminis momentinis greitis nelygus nuliui, todėl ir momentinė srovė laidininke nelygi nuliui, tačiau vidutinė srovė per trumpą laiko tarpą praktiškai lygi nuliui. Šiluminis triukšmas yra tiesiog proporcingas absoliutinei temperatūrai. Ši šiluminio triukšmo savybė panaudojama konstruojant triukšmų termometrus, kuriais galima registruoti temperatūras labai plačiame diapazone – nuo labai mažų (0,1^o K iki kelių tūkstančių laipsnių.

Šratinis triukšmas - tai atsitiktiniai elektros srovės svyravimai vakuuminėse radijo lempose ir puslaidininkiuose prietaisuose, atsirandantys dėl elektros krūvio diskretiškumo ir atsitiktinio krūvininkų pralėkimo pro potencialo barjerą. Elektros srovę šiuose įrenginiuose galime įsivaizduoti sudarytą iš daugelio srovės impulsų, kuriuos sukuria atskiri elektronai, pralekiantys tarp katodo ir anodo arba pralekiantys pro potencialo barjerą. Šiluminio ir šratinio triukšmų galios spektriniai tankiai yra pastovūs labai plačiame dažnių intervale, be to, šie triukšmų šaltiniai aprašomi labai paprastomis matematinėmis formulėmis, todėl jie dažnai naudojami kaip etaloniniai triukšmo šaltiniai kalibruojant įvairią radijo ir triukšmų matavimo aparatūrą.

Generacinis rekombinacinis triukšmas pasireiškia įvairiuose puslaidininkiniuose prietaisuose ir puslaidininkiuose. Juose atsitiktinė krūvininkų ir skylių generacija (atsiradimas) ir rekombinacija (išnykimas) sukelia atsitiktinius krūvininkų skaičiaus, o tuo pačiu ir puslaidininkinės medžiagos elektrinio laidumo kitimus, todėl tekant elektros srovei, ši moduliuojama. Šio triukšmo galia yra proporcinga tekančios elektros srovės stiprumo kvadratui ir atvirkščiai proporcinga krūvininkų skaičiui.

Tiriant generacinį rekombinacinį triukšmą, galima rasti ne tik fundamentalius mikroskopinius puslaidininkio parametrus (krūvininkų gyvavimo trukmę, įvairių priemaišų energijos lygmenų išsidėstymą puslaidininkio draustinėje energijos juostoje bei šių priemaišų koncentraciją), bet ir, pvz., jo ribinį šviesos jautrį, t. y. kokį mažiausią šviesos srautą gali registruoti tas ar kitas puslaidininkis, kokiu greičiu kintančius šviesos srautus galime juo registruoti ir pan.

Viena įdomiausių ir įspūdingiausių yra flikertriukšmo (angl. flicker - „mirgėti“) arba 1/f triukšmo (kurio galios spektrinis tankis atvirkščiai proporcingas dažniui) problema. Tai avo rūšies dabarties triukšmo problema. Tai atsitiktiniai elektros srovės ir įtampos svyravimai dėl medžiagos elektrinio laidumo ar elektroninių prietaisų parametrų atsitiktinių svyravimų ir nestabilumų. 1/f problema neapsiriboja vien elektrinėmis fliuktuacijomis, o apima platų ir įvairios kilmės reiškinių ratą. Flikertriukšmas daugiau nei prieš 70 m. pastebėtas vakuuminėse elektroninėse lempose kaip atsitiktinis katodo emisijos svyravimas („mirgėjimas“).

1/f triukšmas pasireiškia beveik visur: puslaidininkiuose, metaluose, diaelektrikuose, plonuosiuose sluoksniuose, elektrolituose, elektroniniuose vakuuminiuose, joniniuose ir puslaidininkiuose prietaisuose, termoporose ir kitur, kai dažnis f yra mažas (paprastai < 1 kHz). Didelis 1/f triukšmas dažniausias bloguose kontaktuose, grūdėtos ar salelinės sandaros medžiagose. Todėl iš 1/f triukšmo dydžio dažnai sprendžiama apie medžiagos kokybę, jos stabilumą, atsparumą senėjimui ir pan. Daugelio vienalyčių medžiagų 1/f triukšmą galime paaiškinti krūvininkų judrumo arba difuzijos koeficiento fliuktuacijomis dėl krūvininkų sklaidymo gardelės virpesiais, tačiau 1/f triukšmo problema tebeaktuali.

1/f pavidalo spektrą turi ne tik elektrinės fliuktuacijos, bet ir daugelis įvairių reiškinių, pvz., vidutinių sezoninių temperatūrų ir vidutinio metinio kritulių kiekio svyravimas, automobilių srauto intensyvumo gatvėse kitimas, diabetikų įsisavinamo insulino kiekio svyravimas, muzikos tono aukščio ir garsumo kitimas, širdies tvinksnių periodo, Nemuno vandens aukščio svyravimas ir t.t.

Japonai T. Muša ir H. Higučis 20 a. 8-me dešimtm. tyrinėjo automobilių srauto fliuktuacijas ir nustatė, kad jų spektras turi dvi komponentes: baltojo triukšmo ir 1/f triukšmo, kurių antrąją lemia automobilių susigrupavimas, atsirandantis dėl to, kad jų greitis tiesiogiai priklauso nuo koncentracijos tam tikrame kelio ruože.

R.F. Vosas (JAV) tyrinėjo muzikos kūrinių garso intensyvumo ir tono aukštumo fliuktuacijas ir nustatė, kad muzikos (ypač klasikinės) suminio garso intensyvumo, o taip pat tono aukštumo fliuktuacijų spektrinis dažnis yra 1/f pavidalo ir tai išlieka iki žemiausių dažnių, kurių periodas lygus muzikos kūrinio trukmei. Pirmojo 1/f fliuktuacijų simpoziumo Tokijuje metu (1977) R.F. Vosas pateikė tris muzikines ištraukas, sukurtas pagal atsitiktinius skaičius, atitikusius turinčias baltąjį triukšmą, 1/f ir 1/f² fliuktuacijas. Baltojo triukšmo muzika buvo erzinanti, nemaloni; 1/f² - nuobodi, o1/f muzika skambėjo maloniai.

Įdomūs 1/f fliuktuacijų tyrimai biologiniuose objektuose. Tam tikrose galvos vietose prijungus elektrodus, tarp jų susidaro potencialų kitimai, atspindintys protavimo aktyvumą. Šios elektroencefalogramos skirstomos į 4 komponentes.Alfa bangos (8-13 Hz), kurių amplitudė gerokai didesnė už kitų komponenčių. M. Suzukis suskaičiavo, kiek kartų per sekundė alfa bangos kerta nulinę ašį, ir rado dažnio fliuktuacijų spektrinį dažnį. Nustatyta, kad ligonio ramybės būsenoje 1/f fliuktuacijų spektras siekia labai žemus dažnius – iki 0,02 Hz, o ligonio, girdėjusio didelio intensyvumo 1 kHz garso impulsus, 1/f spektras apima dažnius tik iki 0,1 Hz. Kai ligonis pabunda po narkozės, alfa bangų dažnio fliuktuacijų spektras turi beveik baltojo triukšmo spektro pavidalą. Tačiau davus skausmą malšinančių vaistų, 1/f tipo spektras palaipsniui atsistato. 1/f spektro „nusitęsimas“ į žemesniųjų dažnių pusę rodo ligonio būklės pagerėjimą.

T. Muša su kolegomis tyrinėjo ir sveiko žmogaus širdies tvinksnių periodo fliuktuacijas. Pasirodo, kad širdies tvinksnių periodo fliuktuacijų spektrinis dažnis žemiau 0,1 Hz yra labai artimas 1/f pavidalui ir tokiu išlieka iki labai žemų (10^-4 Hz) dažnių – ir nepastebima nukrypimų nuo šio dėsnio. Kartu išmatuotos ir kūno temperatūros fliuktuacijos, tačiau jos silpnai susijusios su širdies tvinksnių periodo fliuktuacijomis.

Gydant įvairias lėtines ir sunkiai gydomas ligas, skausmui malšinti nervai stimuliuojami elektra. Nustatyta, kad toks skausmo mažinimo būdas padeda maždaug 25-45% ligonių. K. Takakura su bendradarbiais tam tikslui naudojo 0,1 ms trukmės stačiakampius elektros impulsus. Kai jų pasikartojimo dažnis buvo pastovus, efektyvumas buvo 35% atvejų. Panaudojus atsitiktinius skaičius buvo atsitiktiniu būdu keičiamas dažnis taip, kad būtų 1/f pavidalo, - ir tada efektyvumas pakilo iki 70%.

1/f triukšmo egzistavimas tokioje sistemų įvairovėje verčia manyti, kad egzistuoja tam tikras fundamentalus statistinis gamtos dėsnis, pritaikomas visoms sistemoms ir pasireiškiantis kaip 1/f triukšmas. Buvo sukurta daugybė modelių, tačiau nė vienas negalėjo patenkinamai paaiškinti jo egzistavimo visose tose sistemose.

Kaip garsai sklinda kosmose?

Garsas - tai periodiniai slėgio svyravimai sklindantys kokia nors terpe. Jo garsą nulemia slėgio amplitudė – kuo ji didesnė, tuo garsas garsesnis. Oro slėgiui mažėjant, garsas tilsta – tai puikiai iiustruojama išsiurbiant orą iš po stiklinio gaubto. Atvirame kosmose oro slėgio praktiškai beveik nėra – tad te gali sklisti tik mums negirdimas labai ilgų bangų garsas - o garso šaltinių kosmose daug: dujų ir dulkių debesų turbulencija, objektų susidūrimai, supernovos...
Taigi, įprasta prasme beorėje erdvėje garsas nesklinda, tačiau kosmosą vis tik galima išgirsti. Radijo teleskopų ir palydovų pagautą spinduliavimą mokslininkai perkelia į girdimą diapazoną. Saulės sistemos giesmę galime įvertinti svetainėje >>>>>