Частота - Frequency

Частота
Общие символы	ж, ν
Единица СИ	Гц
В Базовые единицы СИ	s−1
Измерение

Частота количество повторений повторяющегося события на единица времени.^[1] Его также называют временная частота, что подчеркивает контраст пространственная частота и угловая частота. Частота измеряется в единицах герц (Гц), что соответствует одному повторению события в секунду. В период это продолжительность одного цикл в повторяющемся событии, поэтому период - это взаимный частоты.^[2] Например: если сердце новорожденного ребенка бьется с частотой 120 раз в минуту (2 герца), его период, $Т$ , - временной интервал между ударами - полсекунды (60 секунд разделить на 120 удары ). Частота - важный параметр, используемый в науке и технике для определения скорости колебательный и вибрирующий явления, такие как механические колебания, звуковые сигналы (звук ), радиоволны, и свет.

Определения

Эти три точки мигают, или кататься на велосипеде, периодически - от наименьшей частоты (0,5 Гц) до максимальной частоты (2,0 Гц), сверху вниз. Для каждой мигающей точки: "f" - это частота в герц, (Гц) - или количество событий в секунду (циклов в секунду), когда точка мигает; пока «Т» - это то период, или же время, в секундах (с) каждого цикла (количество секунд на цикл). Примечание Т и транспортные расходы взаимные ценности друг другу.

По прошествии времени - здесь, двигаясь слева направо по горизонтальной оси - пять синусоидальные волны меняться или меняться, регулярно в разные тарифы. Красный волна (вверху) имеет самую низкую частоту (циклы с самой медленной скоростью), а пурпурная волна (внизу) имеет самую высокую частоту (циклы с максимальной скоростью).

За циклический процессы, такие как вращение, колебания, или же волны, частота определяется как количество циклов в единицу времени. В физика и инженерное дело дисциплины, такие как оптика, акустика, и радио, частота обычно обозначается латинской буквой ж или греческой буквой ${displaystyle u}$ или же ν (ню) (см., например, Формула планка ).

Связь между частотой и периодом, ${displaystyle T}$ , повторяющегося события или колебания определяется выражением

{displaystyle f = {frac {1} {T}}.}

Единицы

В Производная единица СИ частоты - это герц (Гц), названный в честь немецкого физика Генрих Герц. Один герц означает, что событие повторяется один раз в второй. Если частота обновления телевизора составляет 1 герц, экран телевизора будет менять (или обновлять) изображение один раз в секунду. Предыдущее название этого подразделения было циклов в секунду (cps). В SI единица за период - вторая.

Традиционной единицей измерения вращающихся механических устройств является число оборотов в минуту, сокращенно об / мин или об / мин. 60 оборотов в минуту равны одному герцу.^[3]

Период против частоты

Для удобства длинные и медленные волны, такие как океанские поверхностные волны, как правило, описываются периодом волны, а не частотой. Короткие и быстрые волны, как аудио и радио, обычно описываются их частотой, а не периодом. Эти часто используемые преобразования перечислены ниже:

Частота	1 мГц (10⁻³ Гц)	1 Гц (10⁰ Гц)	1 кГц (10³ Гц)	1 МГц (10⁶ Гц)	1 ГГц (10⁹ Гц)	1 ТГц (10¹² Гц)
Период	1 кс (10³ s)	1 с (10⁰ s)	1 мс (10⁻³ s)	1 мкс (10⁻⁶ s)	1 нс (10⁻⁹ s)	1 шт. (10⁻¹² s)

Связанные типы частоты

Диаграмма взаимосвязи между различными типами частоты и другими свойствами волн.

Угловая частота, обычно обозначается греческой буквой ω (омега), определяется как скорость изменения угловое смещение, θ, (во время вращения), или скорость изменения фаза из синусоидальный формы волны (особенно в колебаниях и волнах), или как скорость изменения аргумент к функция синуса:

{displaystyle y (t) = sin left (heta (t) ight) = sin (omega t) = sin (2mathrm {pi} ft)}

{displaystyle {frac {mathrm {d} heta} {mathrm {d} t}} = omega = 2mathrm {pi} f}

Угловая частота обычно измеряется в радианы в секунду (рад / с), но для сигналы с дискретным временем, также можно выразить в радианах на интервал выборки, который является безразмерная величина. Угловая частота (в радианах) больше обычной частоты (в Гц) в 2π раз.

Пространственная частота аналогична временной частоте, но ось времени заменяется одной или несколькими осями пространственного смещения. Например.:

{displaystyle y (t) = sin left (heta (t, x) ight) = sin (omega t + kx)}

{displaystyle {frac {mathrm {d} heta} {mathrm {d} x}} = k}

Волновое число, k, является пространственно-частотным аналогом угловой временной частоты и измеряется в радианах на метр. В случае более чем одного пространственного измерения волновое число является вектор количество.

При распространении волн

Для периодических волн в недисперсные среды (то есть среды, в которой скорость волны не зависит от частоты), частота имеет обратную зависимость от длина волны, λ (лямбда ). Даже в диспергирующих средах частота ж синусоидальной волны равна фазовая скорость v из волна разделенный по длине волны λ волны:

{displaystyle f = {frac {v} {lambda}}.}

в особый случай электромагнитных волн, движущихся через вакуум, тогда v = c, куда c это скорость света в вакууме, и это выражение становится:

{displaystyle f = {frac {c} {lambda}}.}

Когда волны из монохромный исходное путешествие из одного средний для другого их частота остается той же - только их длина волны и скорость изменять.

Измерение

Измерение частоты можно выполнить следующими способами:

Подсчет

Вычисление частоты повторяющегося события выполняется путем подсчета количества раз, когда это событие происходит в течение определенного периода времени, а затем деления этого числа на продолжительность периода времени. Например, если в течение 15 секунд произошло 71 событие, частота будет:

{displaystyle f = {frac {71} {15, {ext {s}}}} приблизительно 4,73, {ext {Hz}}}

Если количество отсчетов не очень велико, точнее измерить временной интервал для заранее определенного количества появлений, чем количество повторов в течение определенного времени.^[4] Последний метод вводит случайная ошибка на счет от нуля до единицы и т. д. средний полсчета. Это называется ошибка стробирования и вызывает среднюю ошибку в вычисленной частоте ${displaystyle Delta f = {frac {1} {2T_ {m}}}}$ , или дробная ошибка ${displaystyle {frac {Delta f} {f}} = {frac {1} {2fT_ {m}}}}$ куда ${displaystyle T}$ это временной интервал и ${displaystyle f}$ - измеренная частота. Эта ошибка уменьшается с частотой, поэтому обычно возникает проблема на низких частотах, когда количество отсчетов N маленький.

Частотомер с резонансным язычком, устаревшее устройство, которое использовалось примерно с 1900 по 1940-е годы для измерения частоты переменного тока. Он состоит из полосы металла с язычками разной длины, которые колеблются электромагнит. Когда неизвестная частота применяется к электромагниту, язычок резонансный на этой частоте будет вибрировать с большой амплитудой, видимой рядом со шкалой.

Стробоскоп

Более старый метод измерения частоты вращения или вибрации объектов заключается в использовании стробоскоп. Это интенсивный, периодически мигающий свет (импульсная лампа ), частоту которого можно отрегулировать с помощью откалиброванной схемы синхронизации. Стробоскоп направлен на вращающийся объект, а частота регулируется вверх и вниз. Когда частота строба равна частоте вращающегося или вибрирующего объекта, объект завершает один цикл колебаний и возвращается в исходное положение между вспышками света, поэтому при освещении стробоскопом объект кажется неподвижным. Затем частоту можно будет считать по откалиброванным показаниям на стробоскопе. Обратной стороной этого метода является то, что объект, вращающийся с целым кратным частоте стробирования, также будет казаться неподвижным.

Частотомер

Современный частотомер

Более высокие частоты обычно измеряются с помощью частотомер. Это электронный инструмент который измеряет частоту применяемых повторяющихся электронных сигнал и отображает результат в герцах на цифровой дисплей. Оно использует цифровая логика для подсчета количества циклов в течение интервала времени, установленного точностью кварц временная база. Циклические процессы, которые не являются электрическими, такие как скорость вращения вала, механические колебания или звуковые волны, может быть преобразован в повторяющийся электронный сигнал с помощью преобразователи и сигнал подается на частотомер. По состоянию на 2018 год частотомеры могут охватывать диапазон примерно до 100 ГГц. Это представляет собой предел прямых методов подсчета; частоты выше этого должны быть измерены косвенными методами.

Гетеродинные методы

За пределами диапазона частотомеров частоты электромагнитных сигналов часто измеряются косвенно с использованием гетеродинирование (преобразование частоты ). Опорный сигнал известной частоты, близкой к неизвестной, смешивается с неизвестной частотой в нелинейном смесительном устройстве, таком как диод. Это создает гетеродин или "бить" сигнал по разнице между двумя частотами. Если два сигнала близки по частоте, гетеродин достаточно низкий, чтобы его можно было измерить частотомером. Этот процесс только измеряет разницу между неизвестной частотой и опорной частотой. Для достижения более высоких частот можно использовать несколько этапов гетеродинирования. Текущие исследования распространяют этот метод на инфракрасные и световые частоты (оптическое гетеродинное обнаружение ).

Примеры

Свет

Полный спектр электромагнитное излучение с выделенной видимой частью

Видимый свет - это электромагнитная волна, состоящий из колеблющихся электрический и магнитные поля путешествовать в космосе. Частота волны определяет ее цвет: 4×10¹⁴ Гц красный свет, 8×10¹⁴ Гц фиолетовый свет, а между ними (в диапазоне 4-8×10¹⁴ Гц) все остальные цвета видимый спектр. Электромагнитная волна может иметь частоту меньше 4×10¹⁴ Гц, но он будет невидим для человеческого глаза; такие волны называются инфракрасный (ИК) излучение. На еще более низкой частоте волна называется микроволновая печь, а на еще более низких частотах он называется радиоволна. Точно так же электромагнитная волна может иметь частоту выше, чем 8×10¹⁴ Гц, но он будет невидим для человеческого глаза; такие волны называются ультрафиолетовый (УФ) излучение. Даже более высокочастотные волны называются Рентгеновские лучи, а еще выше гамма излучение.

Все эти волны, от радиоволн самой низкой частоты до гамма-лучей самой высокой частоты, в основном одинаковы, и все они называются электромагнитное излучение. Все они движутся в вакууме с одинаковой скоростью ( скорость света ), давая им длины волн обратно пропорционально их частотам.

{displaystyle displaystyle c = flambda}

куда c это скорость света (c в вакууме или меньше в других средах), ж - частота, λ - длина волны.

В дисперсионные среды Например, у стекла скорость зависит от частоты, поэтому длина волны не совсем обратно пропорциональна частоте.

Звук

В звуковая волна спектр, с приблизительным указанием некоторых приложений

Звук распространяется как механические колебательные волны давления и смещения в воздухе или других веществах.^[5] В целом частотные составляющие звука определяют его «цвет», его тембр. Говоря о частоте (в единственном числе) звук, это означает свойство, которое больше всего определяет подача.^[6]

Частоты, которые может слышать ухо, ограничены конкретный диапазон частот. В слышимая частота диапазон для людей обычно составляет примерно 20Гц и 20 000 Гц (20 кГц), хотя предел высокой частоты обычно снижается с возрастом. Другой разновидность имеют разный диапазон слышимости. Например, некоторые породы собак могут воспринимать вибрации до 60 000 Гц.^[7]

Во многих СМИ, например в эфире, скорость звука примерно не зависит от частоты, поэтому длина звуковой волны (расстояние между повторениями) примерно обратно пропорциональна частоте.

Линейный ток

В Европа, Африка, Австралия, Южный Южная Америка, большинство Азия, и Россия, частота переменный ток в бытовые электрические розетки составляет 50 Гц (близка к тон G), а в Северная Америка и северный Южная Америка, частота переменного тока в бытовых электрических розетках 60 Гц (между тона B ♭ и B; это второстепенная треть выше европейской частоты). Частота 'гудеть 'в Аудио запись может показать, где была сделана запись, в странах, использующих европейскую или американскую частоту сети.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Джанколи, округ Колумбия (1988). Физика для ученых и инженеров (2-е изд.). Прентис Холл. ISBN 978-0-13-669201-0.

внешняя ссылка

[1] "Определение ЧАСТОТЫ". Получено 3 октября 2016.

[2] «Определение ПЕРИОДА». Получено 3 октября 2016.

[3] Дэвис, А. (1997). Справочник по мониторингу состояния: методы и методология. Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0-412-61320-3.

[4] Бакши, К.А .; СРЕДНИЙ. Бакши; У.А. Бакши (2008). Электронные измерительные системы. США: Технические публикации. С. 4–14. ISBN 978-81-8431-206-5.

[5] «Определение ЗВУКА». Получено 3 октября 2016.

[6] Пильхофер, Майкл (2007). Теория музыки для чайников. Для чайников. п. 97. ISBN 9780470167946.

[Physics_Factbook-7] Элерт, Гленн; Тимоти Кондон (2003). «Диапазон частот собачьего слуха». Справочник по физике. Получено 2008-10-22.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

Акустика
Инженерное дело	Архитектурная акустика Монохорд Реверберация Звукоизоляция Вибрация струны Струнный резонанс	Спектрограмма
Психоакустика	Шкала коры Комбинированный тон Контур равной громкости Кривые Флетчера – Мансона Шкала Мел Отсутствует фундаментальный
Частота и подача	Бить Formant Основная частота Частотный спектр гармонический спектр Гармонический Серии Негармоничность Законы Мерсенна Обертон Резонанс Стоячая волна Узел Субгармоника
Акустики	Джон Бэкус Йенс Блауэрт Эрнст Хладни Герман фон Гельмгольц Карлин Хатчинс Франц Мельде Марин Мерсенн Вернер Мейер-Эпплер Лорд Рэйли Жозеф Совер Д. Ван Холлидей Томас Янг
похожие темы	Эхо Инфразвук Звук УЗИ Музыкальная акустика Фортепиано Скрипка
Категория