Що таке частота коливань?

Все на планеті має свою частоту. Згідно з однією з версій, вона навіть покладена в основу нашого світу. На жаль, теорія дуже складна, щоб викладати її в рамках однієї публікації, тому нами буде розглянуто виключно частота коливань як самостійна дія. В рамках статті буде дано визначення цього фізичного процесу, його одиниць вимірювань та метрологічну складової. І під кінець буде розглянуто приклад важливості в звичайному житті звичайного звуку. Ми дізнаємося, що він собою представляє і яка його природа.

Що називають частотою коливань?

Під цим мають на увазі фізичну величину, яка використовується для характеристики періодичного процесу, що дорівнює кількості повторень або виникнення певних подій за одну одиницю часу. Цей показник розраховується як відношення числа даних подій до проміжку часу, за який вони були здійснені. Власна частота коливань є у кожного елемента світу. Тіло, атом, дорожній міст, поїзд, літак – всі вони здійснюють певні рухи, які так називаються. Нехай ці процеси не видно оку, вони є. Одиницями виміру, в яких вважається частота коливань, є герці. Свою назву вони дістали на честь німецького фізика походження Генріха Герца.

Миттєва частота

Періодичний сигнал можна охарактеризувати миттєвою частотою, яка з точністю до коефіцієнта є швидкістю зміни фази. Його можна представити як суму гармонічних спектральних складових, що володіють своїми постійними коливаннями.

Циклічна частота коливань

Її зручно застосовувати в теоретичній фізиці, особливо в розділі про електромагнетизм. Циклічна частота (її також називають радіальної, кругової, кутовий) – це фізична величина, яка використовується для позначення інтенсивності походження коливального або обертального руху. Перша виражається в оборотах або коливаннях на секунду. При обертальному русі частота дорівнює модулю вектора кутової швидкості. Вираження цього показника здійснюється в радіанах на одну секунду. Розмірність циклічної частоти є зворотною часу. У числовому вираженні вона дорівнює числу коливань або оборотів, що сталися за кількість секунд 2?. Її введення для використання дозволяє значно спрощувати різний спектр формул в електроніці і теоретичної фізики. Самий популярний приклад використання – це обрахування резонансної циклічної частоти коливального LC-контуру. Інші формули можуть значно ускладнюватися.

Частота дискретних подій

Під цією величиною розуміють значення, що дорівнює кількості дискретних подій, які відбуваються за одну одиницю часу. У теорії зазвичай використовується показник – секунда в мінус першого ступеня. На практиці, щоб висловити частоту імпульсів, зазвичай застосовують герц.

Частота обертання

Під нею розуміють фізичну величину, яка дорівнює числу повних обертів, що відбуваються за одну одиницю часу. Тут також застосовується показник – секунда в мінус першого ступеня. Для позначення зробленої роботи можуть використовувати такі словосполучення, як оборот в хвилину, годину, день, місяць, рік та інші.

Одиниці виміру

У чому вимірюється частота коливань? Якщо брати до уваги систему СІ, то тут одиниця вимірювання – це герц. Спочатку вона була введена міжнародною електротехнічною комісією ще у 1930 році. А 11-я генеральна конференція з ваг і мір в 1960-му закріпила вживання цього показника як одиниці СІ. Що було висунуто в якості «ідеалу»? Їм виступила частота, коли один цикл здійснюється за одну секунду. Але що робити з виробництвом? Для них були закріплені довільні значення: килоцикл, мегацикл в секунду і так далі. Тому беручи в руки пристрій, яке працює з показником ГГц (як процесор комп'ютера), можете приблизно уявити, скільки дій вона вчиняє. Здавалося б, як повільно для людини тягнеться час. Але техніка за той же проміжок встигає виконувати мільйони і навіть мільярди операцій за секунду. За одну годину комп'ютер робить вже стільки дій, що більшість людей навіть не зможуть представити їх у кількісному вираженні.

Метрологічні аспекти

Частота коливань знайшла своє застосування навіть у метрології. Різні пристрої мають багато функцій:

Вимірюють частоту імпульсів. Вони представлені електронно-лічильними та конденсаторними типами.

Визначають частоту спектральних складових. Існують гетеродинние і резонансні типи.

Проводять аналіз спектра.

Відтворюють необхідну частоту з заданої точністю. При цьому можуть застосовуватися різні заходи: стандарти, синтезатори, генератори сигналів та інша техніка цього напрямку.

Порівнюють показники отриманих коливань, в цих цілях використовують компаратор або осцилограф.

Приклад роботи: звук

Все вище написане може бути досить складним для розуміння, оскільки нами використовувався суха мова фізики. Щоб усвідомити наведену інформацію, можна привести приклад. У ньому все буде детально розписано, ґрунтуючись на аналізі випадків із сучасного життя. Для цього розглянемо найбільш відомий приклад коливань – звук. Його властивості, а також особливості здійснення механічних пружних коливань у середовищі, знаходяться в прямій залежності від частоти.
Людські органи слуху можуть уловлювати коливання, які знаходяться в межах від 20 Гц до 20 кГц. Причому з віком верхня межа буде поступово знижуватися. Якщо частота коливань звуку впаде нижче показника у 20 Гц (що відповідає мі субконтроктави), то буде створюватися інфразвук. Цей тип, який у більшості випадків не чути нам, люди можуть відчувати на дотик. При перевищенні межі в 20 кілогерц генеруються коливання, які називаються ультразвуком. Якщо частота перевищить 1 ГГц, то в цьому випадку ми будемо мати справу з гиперзвуком. Якщо розглядати такий музичний інструмент, як фортепіано, то він може створювати коливання в діапазоні від 275 Гц до 4186 Гц. При цьому слід враховувати, що музичний звук не складається тільки з основної частоти – до нього домішуються ще обертони, гармоніки. Це все разом визначає тембр.

Висновок

Як ви мали можливість дізнатися, частота коливань є надзвичайно важливою складовою, яка дозволяє функціонувати нашому світу. Завдяки їй ми можемо чути, з її сприяння працюють комп'ютери і здійснюється безліч інших корисних речей. Але якщо частота коливань перевищить оптимальну межу, то можуть початися певні руйнування. Так, якщо вплинути на процесор, щоб його кристал працював з удвічі більшими показниками, то він швидко вийде з ладу. Подібне можна привести і з людським життям, коли при високій частотності у нього лопнуть барабанні перетинки. Також відбудуться інші негативні зміни з тілом, які потягнуть за собою певні проблеми, аж до смертельного результату. Причому через особливості фізичної природи цей процес розтягнеться на досить тривалий проміжок часу. До речі, беручи до уваги цей фактор, військові розглядають нові можливості для розробки озброєння майбутнього.