Частота, период сигнала, изменения напряжения, силы тока. Периодический
Итак, прежде чем определить, в чем измеряется частота, важно понять, что же это такое? Мы не будем углубляться в сложные физические термины, но некоторые понятия из этой дисциплины нам все-таки понадобятся. Во-первых, понятие "частота" - может относиться только к какому либо периодическому процессу. То есть, это действие, которое постоянно повторяется во времени. Вращение Земли вокруг Солнца, сокращение сердца, смена дня и ночи – всё это происходит с определенной частотой. Во-вторых, свою частоту, или периодичность колебаний имеют явления, или предметы, которые нам, людям, могут казаться вполне статичными и неподвижными. Хороший пример этого – обыкновенный дневной свет. Мы не замечаем, какого либо его изменения, или мерцания, но он, всё-же, имеет свою частоту колебаний, поскольку представляет собой высокочастотные электромагнитные волны.
Единицы измерения
В чем измеряется частота, в каких единицах? Для низкочастотных процессов существуют свои, отдельные единицы. Например, в космических масштабах – галактический год (обращение Солнца вокруг центра Галактики), земной год, сутки и т.д. Понятно, что для измерения меньших величин, пользоваться такими единицами неудобно, поэтому в физике используется более универсальная величина "секунда в минус первой степени" (с -1). Возможно, вы никогда не слышали о подобной мере, и это не удивительно – она обычно применяется лишь в научной, или технической литературе.
К счастью для нас, в 1960-ом году, меру частоты колебаний назвали на честь немецкого физика Генриха Герца. Эта величина (герц, сокр. Гц) и используется нами сегодня. Обозначает она количество колебаний (импульсов, действий) совершаемых объектом в 1 секунду. По-сути, 1 Гц = 1 с -1 . Человеческое сердце, например, имеет частоту колебаний приблизительно 1 Гц, т.е. сокращается один раз в секунду. Частота процессора вашего компьютера, может быть, скажем, 1 гигагерц (1 млрд. герц) – это значит, что в нем происходит 1 миллиард каких-то действий в секунду.
Как измерить частоту?
Если говорить об измерении частот электрических колебаний, то первый прибор, с которым знаком каждый из нас – это наши собственные глаза. Благодаря тому, что наши глаза умеют измерять частоту, мы различаем цвета (напомним, что свет - это электромагнитные волны) – самые низкочастотные мы видим как красные, высокочастотные – это ближе к фиолетовому. Для измерения более низких (или более высоких частот), люди изобрели множество приборов.
Вообще, основных способов измерения частоты есть два: непосредственный подсчет импульсов в секунду, и сравнительный метод. Первый способ реализован в частотомерах (цифровых и аналоговых). Второй – в компараторах частот. Метод измерения с частотомером – проще, в то время как измерение компаратором – точнее. Одной из разновидностей сравнительного метода, является измерение частоты с помощью осциллографа (знаком нам по кабинетам физики еще со школы) и т.н. "фигур Лиссажу". Недостаток сравнительного метода – для измерения нужно два источника колебаний, и один из них должен иметь уже известную нам частоту. Надеемся, наше маленькое исследование было вам интересно!
Всё на планете имеет свою частоту. Согласно одной из версий, она даже положена в основу нашего мира. Увы, теория весьма сложна, чтобы излагать её в рамках одной публикации, поэтому нами будет рассмотрена исключительно частота колебаний как самостоятельное действие. В рамках статьи будет дано определения этому физическому процессу, его единицам измерений и метрологической составляющей. И под конец будет рассмотрен пример важности в обычной жизни обыкновенного звука. Мы узнаем, что он собой представляет и какова его природа.
Что называют частотой колебаний?
Под этим подразумевают физическую величину, которая используется для характеристики периодического процесса, что равен количеству повторений или возникновений определённых событий за одну единицу времени. Этот показатель рассчитывается как отношение числа данных происшествий к промежутку времени, за который они были совершены. Собственная частота колебаний есть у каждого элемента мира. Тело, атом, дорожный мост, поезд, самолёт - все они совершают определённые движения, которые так называются. Пускай эти процессы не видны глазу, они есть. Единицами измерений, в которых считается частота колебаний, являются герцы. Своё название они получили в честь физика немецкого происхождения Генриха Герца.
Мгновенная частота
Периодический сигнал можно охарактеризовать мгновенной частотой, которая с точностью до коэффициента является скоростью изменения фазы. Его можно представить как сумму гармонических спектральных составляющих, обладающих своими постоянными колебаниями.
Циклическая частота колебаний
Её удобно применять в теоретической физике, особенно в разделе про электромагнетизм. Циклическая частота (её также называют радиальной, круговой, угловой) - это физическая величина, которая используется для обозначения интенсивности происхождения колебательного или вращательного движения. Первая выражается в оборотах или колебаниях на секунду. При вращательном движении частота равняется модулю вектора угловой скорости.
Выражение этого показателя осуществляется в радианах на одну секунду. Размерность циклической частоты является обратной времени. В числовом выражении она равняется числу колебаний или оборотов, что произошли за количество секунд 2π. Её введения для использования позволяет значительно упрощать различный спектр формул в электронике и теоретической физике. Самый популярный пример использования - это обсчёт резонансной циклической частоты колебательного LC-контура. Другие формулы могут значительно усложняться.
Частота дискретных событий
Под этой величиной подразумевают значение, что равно числу дискретных событий, которые происходят за одну единицу времени. В теории обычно используется показатель - секунда в минус первой степени. На практике, чтобы выразить частоту импульсов, обычно применяют герц.
Частота вращения
Под нею понимают физическую величину, которая равняется числу полных оборотов, что происходят за одну единицу времени. Здесь также применяется показатель - секунда в минус первой степени. Для обозначения сделанной работы могут использовать такие словосочетания, как оборот в минуту, час, день, месяц, год и другие.
Единицы измерения
В чём же измеряется частота колебаний? Если брать во внимание систему СИ, то здесь единица измерения - это герц. Первоначально она была введена международной электротехнической комиссией ещё в 1930 году. А 11-я генеральная конференция по весам и мерам в 1960-м закрепила употребление этого показателя как единицы СИ. Что было выдвинуто в качестве «идеала»? Им выступила частота, когда один цикл совершается за одну секунду.
Но что делать с производством? Для них были закреплены произвольные значения: килоцикл, мегацикл в секунду и так далее. Поэтому беря в руки устройство, которое работает с показателем в ГГц (как процессор компьютера), можете примерно представить, сколько действий оно совершает. Казалось бы, как медленно для человека тянется время. Но техника за тот же промежуток успевает выполнять миллионы и даже миллиарды операций в секунду. За один час компьютер делает уже столько действий, что большинство людей даже не смогут представить их в численном выражении.
Метрологические аспекты
Частота колебаний нашла своё применение даже в метрологии. Различные устройства имеют много функций:
- Измеряют частоту импульсов. Они представлены электронно-счётными и конденсаторными типами.
- Определяют частоту спектральных составляющих. Существуют гетеродинные и резонансные типы.
- Производят анализ спектра.
- Воспроизводят необходимую частоту с заданной точностью. При этом могут применяться различные меры: стандарты, синтезаторы, генераторы сигналов и другая техника этого направления.
- Сравнивают показатели полученных колебаний, в этих целях используют компаратор или осциллограф.
Пример работы: звук
Всё выше написанное может быть довольно сложным для понимания, поскольку нами использовался сухой язык физики. Чтобы осознать приведённую информацию, можно привести пример. В нём всё будет детально расписано, основываясь на анализе случаев из современной жизни. Для этого рассмотрим самый известный пример колебаний - звук. Его свойства, а также особенности осуществления механических упругих колебаний в среде, находятся в прямой зависимости от частоты.
Человеческие органы слуха могут улавливать колебания, которые находятся в рамках от 20 Гц до 20 кГц. Причём с возрастом верхняя граница будет постепенно снижаться. Если частота колебаний звука упадёт ниже показателя в 20 Гц (что соответствует ми субконтроктавы), то будет создаваться инфразвук. Этот тип, который в большинстве случаев не слышен нам, люди всё же могут ощущать осязательно. При превышении границы в 20 килогерц генерируются колебания, которые называются ультразвуком. Если частота превысит 1 ГГц, то в этом случае мы будем иметь дело с гиперзвуком. Если рассматривать такой музыкальный инструмент, как фортепиано, то он может создавать колебания в диапазоне от 27,5 Гц до 4186 Гц. При этом следует учитывать, что музыкальный звук не состоит только из основной частоты - к нему ещё примешиваются обертоны, гармоники. Это всё вместе определяет тембр.
Заключение
Как вы имели возможность узнать, частота колебаний является чрезвычайно важной составляющей, которая позволяет функционировать нашему миру. Благодаря ей мы можем слышать, с её содействия работают компьютеры и осуществляется множество других полезных вещей. Но если частота колебаний превысит оптимальный предел, то могут начаться определённые разрушения. Так, если повлиять на процессор, чтобы его кристалл работал с вдвое большими показателями, то он быстро выйдет из строя.
Подобное можно привести и с человеческой жизнью, когда при высокой частотности у него лопнут барабанные перепонки. Также произойдут другие негативные изменения с телом, которые повлекут за собой определённые проблемы, вплоть до смертельного исхода. Причём из-за особенности физической природы этот процесс растянется на довольно длительный промежуток времени. Кстати, беря во внимание этот фактор, военные рассматривают новые возможности для разработки вооружения будущего.
Определение
Частота - это физический параметр, которые используют для характеристики периодических процессов. Частота равна количеству повторений или свершения событий в единицу времени.
Чаще всего в физике частоту обозначают буквой $\nu ,$ иногда встречаются другие обозначения частоты, например $f$ или $F$.
Частота (наряду со временем) является самой точно измеряемой величиной.
Формула частоты колебаний
При помощи частоты характеризуют колебания. В этом случае частота является физической величиной обратной периоду колебаний $(T).$
\[\nu =\frac{1}{T}\left(1\right).\]
Частота, в этом случае - это число полных колебаний ($N$), совершающихся за единицу времени:
\[\nu =\frac{N}{\Delta t}\left(2\right),\]
где $\Delta t$ - время за которое происходят $N$ колебаний.
Единицей измерения частоты в Международной системе единиц (СИ) служат в герцы или обратные секунды:
\[\left[\nu \right]=с^{-1}=Гц.\]
Герц - это единица измерения частоты периодического процесса, при которой за время равное одной секунде происходит один цикл процесса. Единица измерения частоты периодического процесса получила свое наименование в честь немецкого ученого Г. Герца.
Частота биений, которые возникают при сложении двух колебаний, происходящих по одной прямой с разными, но близкими по величине частотами (${\nu }_1\ и\ {\nu }_2$) равна:
\[{\nu =\nu }_1-\ {\nu }_2\left(3\right).\]
Еще одно величиной характеризующей колебательный процесс является циклическая частота (${\omega }_0$), связанная с частотой как:
\[{\omega }_0=2\pi \nu \left(4\right).\]
Циклическая частота измеряется в радианах, деленных на секунду:
\[\left[{\omega }_0\right]=\frac{рад}{с}.\]
Частота колебаний тела, имеющего массу$\ m,$ подвешенного на пружине с коэффициентом упругости $k$ равна:
\[\nu =\frac{1}{2\pi \sqrt{{m}/{k}}}\left(5\right).\]
Формула (4) верна для упругих, малых колебаний. Кроме того масса пружины должна быть малой по сравнению с массой тела, прикрепленного к этой пружине.
Для математического маятника частоту колебаний вычисляют как: длина нити:
\[\nu =\frac{1}{2\pi \sqrt{{l}/{g}}}\left(6\right),\]
где $g$ - ускорение свободного падения; $\ l$ - длина нити (длина подвеса) маятника.
Физический маятник совершает колебания с частотой:
\[\nu =\frac{1}{2\pi \sqrt{{J}/{mgd}}}\left(7\right),\]
где $J$ - момент инерции тела, совершающего колебания относительно оси; $d$ - расстояние от центра масс маятника до оси колебаний.
Формулы (4) - (6) приближенные. Чем меньше амплитуда колебаний, тем точнее значение частоты колебаний, вычисляемых с их помощью.
Формулы для вычисления частоты дискретных событий, частота вращения
дискретных колебаний ($n$) - называют физическую величину, равную числу действий (событий) в единицу времени. Если время, которое занимает одно событие обозначить как $\tau $, то частота дискретных событий равна:
Единицей измерения частоты дискретных событий является обратная секунда:
\[\left=\frac{1}{с}.\]
Секунда в минус первой степени равна частоте дискретных событий, если за время, равное одной секунде происходит одно событие.
Частотой вращения ($n$) - называют величину, равную количеству полных оборотов, которое совершает тело в единицу времени. Если $\tau $ - время, затрачиваемое на один полный оборот, то:
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. Колебательная система совершила за время равное одной минуте ($\Delta t=1\ мин$) 600 колебаний. Какова частота этих колебаний?
Решение. Для решения задачи воспользуемся определением частоты колебаний: Частота, в этом случае - это число полных колебаний, совершающихся за единицу времени.
\[\nu =\frac{N}{\Delta t}\left(1.1\right).\]
Прежде чем переходить к вычислениям, переведем время в единицы системы СИ: $\Delta t=1\ мин=60\ с$. Вычислим частоту:
\[\nu =\frac{600}{60}=10\ \left(Гц\right).\]
Ответ. $\nu =10Гц$
Пример 2
Задание. На рис.1 изображен график колебаний некоторого параметра $\xi \ (t)$, Какова амплитуда и частота колебаний этой величины?
Решение. Из рис.1 видно, что амплитуда величины $\xi \ \left(t\right)={\xi }_{max}=5\ (м)$. Из графика получаем, что одно полное колебание происходит за время, равное 2 с, следовательно, период колебаний равен:
Частота - величина обратная периоду колебаний, значит:
\[\nu =\frac{1}{T}=0,5\ \left(Гц\right).\]
Ответ. 1) ${\xi }_{max}=5\ (м)$. 2) $\nu =0,5$ Гц
Резонансный метод измерения частот.
Метод сравнения частот;
Метод дискретного счета основывается на подсчете импульсов необходимой частоты за конкретный промежуток времени. Его наиболее часто используют цифровые частотомеры, и именно благодаря этому простому методу можно получить довольно точные данные.
Более подробно о частоте переменного тока Вы можете узнать из видео:
Метод перезаряда конденсатора тоже не несет в себе сложных вычислений. В этом случае среднее значение силы тока перезаряда пропорционально соотносится с частотой, и измеряется при помощи магнитоэлектрического амперметра. Шкала прибора, в таком случае, градуируется в Герцах.
Погрешность подобных частотомеров находится в пределах 2%, и поэтому такие измерения вполне пригодны для бытового использования.
Способ измерения базируется на электрическом резонансе, возникающем в контуре с подстраиваемыми элементами. Частота, которую необходимо измерить, определяется по специальной шкале самого механизма подстройки.
Такой метод дает очень низкую погрешность, однако применяется только для частот больше 50 кГц.
Метод сравнения частот применяется в осциллографах, и основан на смешении эталонной частоты с измеряемой. При этом возникают биения определенной частоты. Когда же этих биений достигает нуля, то измеряемая становится равной эталонной. Далее, по полученной на экране фигуре с применением формул можно рассчитать искомую частоту электрического тока.
Ещё одно интересное видео о частоте переменного тока:
Понятие частоты и периода периодического сигнала. Единицы измерения. (10+)
Частота и период сигнала. Понятие. Единицы измерения
Материал является пояснением и дополнением к статье:
Единицы измерения физических величин в радиоэлектронике
Единицы измерения и соотношения физических величин, применяемых в радиотехника.
В природе нередко встречаются периодические процессы. Это означает, что какой-то параметр, характеризующий процесс, изменяется по периодическому закону, то есть верно равенство:
Определение частоты и периода
F(t) = F(t + T) (соотношение 1), где t - время, F(t) - значение параметра в момент времени t, а T - некая константа.
Понятно, что если верно предыдущее равенство, то верно и такое:
F(t) = F(t + 2T) Так что, если T - минимальное значение константы, при котором выполнено соотношение 1, то будем называть T периодом
В радиоэлектронике мы исследуем силу тока и напряжение, так что периодическими сигналами будем считать сигналы, для напряжения или силы тока в которых верно соотношение 1.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости , чтобы быть в курсе.
Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.
Еще статьи
Как выбрать частоту работы контроллера и скважность для пуш-пульного преобразова...
Растягиваем диапазон регулировки. Способы точно настроить....
Приемы растягивания диапазона регулировки, обеспечения точной настройки...
Полевой транзистор, КМОП микросхема, операционный усилитель. Монтаж, у...
Как правильно припаять полевой транзистор или КМОП микросхему...
Автоматическое регулирование, поддержание температуры теплоносителя от...
Усовершенствованный термостат отопительного котла, экономящий энергию....
Датчик, индикатор горения, пламени, огня, факела. Поджиг, запал, искро...
Индикатор наличия пламени, совмещенный с запалом на одном электроде...
Обратноходовый импульсный преобразователь напряжения. Силовой ключ - б...
Как сконструировать обратноходовый импульсный источник питания. Как выбрать мощн...
Микросхема 1156ЕУ3, К1156ЕУ3, КР1156ЕУ3, UC1823, UC2823, UC3823. Анало...
Описание микросхемы 1156ЕУ3 (UC1823, UC2823, UC3823)
...
