頻率(英文:Frequency),在物理學中指的是周期性過程在單位時間內(nèi)完成振動(或振蕩)的次數(shù)的物理量。常用符號表示,頻率等于周期的倒數(shù),即。常用單位為赫、千赫、兆赫等。
頻率是一個非常重要的物理量,應(yīng)用于電磁學、聲學、光學、電路等多個領(lǐng)域。頻率測量、電磁頻譜管理等是熱門的研究領(lǐng)域。
定義
在物理學中,頻率指的是一個周期性過程在單位時間內(nèi)完成振動(或振蕩)的次數(shù),常用符號表示,單位為赫茲(),簡稱“赫”,常用的單位還有千赫()、兆赫()等,這是為了紀念德國物理學家海因里希·赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)的貢獻。赫茲是國際單位制(SI)的一部分,與基本單位“秒”存在如下關(guān)系:
處于周期性運動的物體在經(jīng)過一系列事件或位置并返回到其原始狀態(tài)后,被稱為經(jīng)歷了一個周期或一次振動。假設(shè)某個過程的頻率為1Hz,這意味著該過程在1秒內(nèi)完成了1次振動。中國的交流電頻率為50Hz,也就是該交流電信號在1秒內(nèi)完成50次周期變化的過程。
相關(guān)概念
周期
周期(period)指的是同樣模式的波形重復(fù)出現(xiàn)一次所需的時間。通常用符號來表示。其單位是秒或毫秒。周期與頻率互為倒數(shù):
角頻率
角頻率(angular frequency)描述的是物體或粒子轉(zhuǎn)動的頻率,用ω表示,單位是弧度/秒(rad/s)。角頻率以角位移的變化率來定義:
角頻率與頻率存在著如下的關(guān)系:
固有頻率
固有頻率(natural frequency):是由系統(tǒng)本身的質(zhì)量和剛度所決定的頻率,通常使用表示。固有頻率與初始條件無關(guān),它是表征系統(tǒng)固有特性的一個很重要的物理量,對振動問題有重要意義。例如,用重物懸掛彈簧,使得重物僅在重力的作用下上下擺動,此系統(tǒng)為簡諧振動。無論重物的初始位置如何,重物擺動的頻率是恒定的,取決于重物的質(zhì)量與彈簧的彈性系數(shù),且滿足以下關(guān)系:
非正弦過程的頻率
理想交變電流的變化、簡諧振動等周期過程,可以直接使用單個正弦曲線函數(shù)來表示,它們只含有一個頻率。此外,還有一些非正弦變換的周期變化過程,如方波信號,可以通過傅里葉變化將其分解為若干頻率的正(余)弦函數(shù)之和來描述,在頻譜圖上表現(xiàn)為若干個離散點,稱為離散譜。這些頻率中,最低的頻率稱為基頻,其余頻率均為基頻的整數(shù)倍,稱為倍頻,如一倍頻、二倍頻等。生活中還有很多非周期變化的過程,如股票的走勢、放射性元素的衰變等。可以證明,對于任一非周期過程,仍然可以通過傅里葉變化將其分解為的正(余)弦函數(shù)來描述,與周期信號不同的是,它們的頻譜為連續(xù)譜。
測量方法
頻率計數(shù)器是一種常用的電子測量分析儀器,用來測量振動信號的頻率。常用測量方法有直接測頻法、多周期同步測頻法、模擬內(nèi)插法、差拍法、雙混頻法和頻差倍增法等。
應(yīng)用
電磁學
電磁波是一個很廣泛的概念。按照波長或頻率的順序把電磁波排列起來,就構(gòu)成了電磁頻譜。電磁波的頻率由低至高排列,則它們依次是工頻電磁波、低頻電磁波、中頻電磁波、高頻電磁波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和y射線等。電磁頻譜是一個非常重要的概念,針對電磁頻譜的檢測、管理等是一個熱門的研究課題。
光學
可見光也是一種電磁波,波長在380~780 nm范圍(頻率在在340~790THz范圍)內(nèi)、能使人眼視覺系統(tǒng)產(chǎn)生明亮和顏色感覺的電磁波。可見光在電磁頻譜中僅占據(jù)很小的一部分。可見光的主要天然光源是太陽,在棱鏡等色散元件下可以分解為多種顏色的單色光,光的顏色是由頻率決定的,如下表所示。紅光在可見光譜中頻率最低,紫光的頻率最高,超過這個范圍的電磁波(如紅外線、紫外線等),人眼不再可見。
表格資料來源于:。
聲學
聲音在空氣或其他物質(zhì)中以壓力和位移的機械振動波的形式傳播。一般來說,聲音的音色和音高均與頻率有關(guān)。只有頻率在大約 20 Hz 和 20 kHz(音頻頻率范圍 )之間的聲波才能在人類中引起聽覺感知。 高于 20 kHz 的聲波稱為超聲波,低于 20 Hz 的聲波稱為次聲波。其他物種有不同的聽力范圍。下表展現(xiàn)了不同動物的聽覺范圍,資料來源于。
電學
按照電路中電流頻率的高低,可以劃分為低頻電路和高頻電路。二者的分析方法有很大的區(qū)別。在低頻電路(如直流電路)中,由于信號波長遠遠大于電路的尺寸結(jié)構(gòu),因此可以把電阻、電容和電感等參量集中在某一個點,這被稱為集總參數(shù)電路模型。當電流頻率足夠高(如射頻電路)時,集總電路模型不再成立,需要一種新的設(shè)計模型,稱為分布參數(shù)電路模型。
參考資料 >
頻率.辭海網(wǎng)絡(luò)版.2023-02-19
frequency.Merriam-webster.2023-02-19
sound.britannica.2023-02-19
Hertz.britannica.2023-02-19
measurement-units.bipm.2023-02-19
frequency.Britannica.2023-02-19
周期.術(shù)語在線.2023-02-19
角頻率.術(shù)語在線.2023-02-19
角頻率.術(shù)語在線.2023-02-19
固有頻率.術(shù)語在線.2023-02-19
基于CPLD直接測頻法的數(shù)字頻率計設(shè)計.中國知網(wǎng).2023-02-19
一種多周期同步測頻的改進方法及誤差分析.中國知網(wǎng).2023-02-19
一種分布式納秒級精度時頻同步系統(tǒng)設(shè)計.中國知網(wǎng).2023-02-19
一種基于偏調(diào)鎖頻的差拍法高精度頻穩(wěn)測量儀.中國知網(wǎng).2023-02-19
基于多路雙混頻時差測量儀的新頻率測量系統(tǒng).中國知網(wǎng).2023-02-19
基于頻差倍增法的石英晶體振蕩器測量誤差的不確定度評定.中國知網(wǎng).2023-02-19
ultrasonics.britannica.2023-02-19
次聲波.術(shù)語在線.2023-02-19