Частота

У этого термина существуют и другие значения, см. Частота (значения).

Частота
$\nu = \frac{n}{t}$
Единицы измерения
СИ	Гц

Чaстота́ — физическая величина, характеристика периодического процесса, равная числу полных циклов процесса, совершённых за единицу времени. Стандартные обозначения в формулах — $~{\nu}$, $~f$, $~{\omega}$ или $~F$. Единицей частоты в Международной системе единиц (СИ) в общем случае является герц (Гц, Hz). Величина, обратная частоте, называется периодом. Частота, как и время, является одной из наиболее точно измеряемых физических величин: до относительной точности 10^−17[1].

В природе известны периодические процессы с частотами от ~10⁻¹⁶ Гц (частота обращения Солнца вокруг центра Галактики) до ~10³⁵ Гц (частота колебаний поля, характерная для наиболее высокоэнергичных космических лучей).

В квантовой механике частота колебаний волновой функции квантовомеханического состояния имеет физический смысл энергии этого состояния, в связи с чем система единиц часто выбирается таким образом, что частота и энергия выражаются в одних и тех же единицах (иными словами, переводный коэффициент между частотой и энергией — постоянная Планка в формуле E = hν — выбирается равным 1).

Глаз человека чувствителен к электромагнитным волнам с частотами от 4·10¹⁴ до 8·10¹⁴ Гц (видимый свет); частота колебаний определяет цвет наблюдаемого света. Слуховой анализатор человека воспринимает акустические волны с частотами от 20 Гц до 20 кГц. У различных животных частотные диапазоны чувствительности к оптическим и акустическим колебаниям различны.

Отношения частот звуковых колебаний выражаются с помощью музыкальных интервалов, таких как октава, терция, квинта и т. п.. Интервал в одну октаву между частотами звуков означает, что эти частоты отличаются в 2 раза. Кроме того, для описания частотных интервалов используется декада — интервал между частотами, отличающимися в 10 раз. Так, диапазон звуковой чувствительности человека составляет 3 декады (20 Гц — 20 000 Гц).

Мгновенная частота и частоты спектральных составляющих

Периодический сигнал характеризуется мгновенной частотой, являющейся скоростью изменения фазы, но тот же сигнал можно представить в виде суммы гармонических спектральных составляющих, имеющих свои (постоянные) частоты. Свойства мгновенной частоты и частоты спектральной составляющей различны, подробнее об этом можно прочитать, например, в книге Финка «Сигналы, помехи, ошибки»^[2].

Циклическая частота

Основная статья: Угловая частота

В теории электромагнетизма, теоретической физике, а также в некоторых прикладных электрорадиотехнических расчётах удобно использовать дополнительную величину — циклическую (круговую, радиальную, угловую) частоту (обозначается $~ {\omega}$). Циклическая частота связана с частотой колебаний соотношением $~\omega = 2\pi f$. В математическом смысле циклическая частота — это первая производная полной фазы колебаний по времени. Единица циклической частоты — радиан в секунду (рад/с, rad/s) .

Численно циклическая частота равна числу циклов (колебаний, оборотов) за 2π секунд. Введение циклической частоты (в её основной размерности — радианах в секунду) позволяет упростить многие формулы в теоретической физике и электронике. Так, резонансная циклическая частота колебательного LC-контура равна $~~\omega_{LC} = 1/\sqrt{LC},$ тогда как обычная резонансная частота $~~f_{LC} = 1/(2\pi\sqrt{LC}).$ В то же время ряд других формул усложняется. Решающим соображением в пользу циклической частоты стало то, что множители 2π и 1/(2π), появляющиеся во многих формулах при использовании радианов для измерения углов и фаз, исчезают при введении циклической частоты.

В механике при рассмотрении вращательного движения аналогом циклической частоты служит угловая скорость.

Частота дискретных событий

Частота дискретных событий (частота импульсов) — физическая величина, равная числу дискретных событий, происходящих за единицу времени. Единица частоты дискретных событий секунда в минус первой степени (с⁻¹, s⁻¹), однако на практике для выражения частоты импульсов обычно используют герц.

Частота вращения

Частота вращения — это физическая величина, равная числу полных оборотов за единицу времени. Единица частоты вращения — секунда в минус первой степени (с⁻¹, s⁻¹), оборот в секунду. Часто используются такие единицы, как оборот в минуту, оборот в час и т. д.

Другие величины, связанные с частотой

• Ширина полосы частот — $~f_{max} - f_{min}$
• Частотный интервал — $~\log(f_{max}/f_{min})$
• Девиация частоты — $~ \Delta f / 2$
• Период — $~1/f$
• Длина волны — $~ {v}/f$
• Угловая скорость (скорость вращения) — $~ d \phi / d t ; 2 \pi F_{BP.}$

Метрологические аспекты

Измерения

• Для измерения частоты применяются частотомеры разных видов, в том числе: для измерения частоты импульсов — электронно-счётные и конденсаторные, для определения частот спектральных составляющих — резонансные и гетеродинные частотомеры, а также анализаторы спектра.
• Для воспроизведения частоты с заданной точностью используют различные меры — стандарты частоты (высокая точность), синтезаторы частот, генераторы сигналов и др.
• Сравнивают частоты компаратором частоты или с помощью осциллографа по фигурам Лиссажу.

Эталоны

• Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени ГЭТ 1-98 — находится во ВНИИФТРИ
• Вторичный эталон единицы времени и частоты ВЭТ 1-10-82 — находится в СНИИМ (Новосибирск)

См. также

• Частоты
• Спектр
• Диапазон частот
• Частотомер
• Амплитудно-частотная характеристика
• Автоматическая подстройка частоты

Примечания

1. ↑ Поставлен новый рекорд точности атомных часов. Membrana (5 февраля 2010). Архивировано из первоисточника 9 февраля 2012. Проверено 4 марта 2011.
2. ↑ Финк Л. М. Сигналы, помехи, ошибки… Заметки о некоторых неожиданностях, парадоксах и заблуждениях в теории связи. — М.: Радио и связь, 1978, 1984.

Литература

• Финк Л. М. Сигналы, помехи, ошибки…  — М.: Радио и связь, 1984
• Единицы физических величин. Бурдун Г. Д., Базакуца В. А. — Харьков: Вища школа, 1984
• Справочник по физике. Яворский Б. М., Детлаф А. А. — М.: Наука, 1981

Ссылки

• Радиотехнические цепи и Сигналы
• Очерк А. Б. Сергиенко «Аналоговая модуляция»
• Сигналы и линейные системы
• ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ