Frecuencia

Frecuencia es el número de ocurrencias de un evento que se repite por unidad de tiempo . También se conoce como frecuencia temporal , que hace hincapié en la diferencia de frecuencia espacial y frecuencia angular . El período es la duración de un ciclo en un evento que se repite, por lo que el período es el recíproco de la frecuencia. Por ejemplo, si el corazón de un bebé recién nacido late a una frecuencia de 120 veces por minuto, su período - el intervalo entre latidos - es la mitad de un segundo (60 segundos (es decir, un minuto) dividido por 120 latidos).

En algunos campos, especialmente donde dominio de la frecuencia se utiliza el análisis, el concepto de frecuencia se aplica sólo a sinusoidalesfenómenos, ya que en los sistemas lineales Phonomena periódicas y no periódicas más complejas se analizan más fácilmente en términos de sumas de sinusoides de frecuencias diferentes.

Definiciones y unidades

Para cíclicos procesos, tales como la rotación , oscilaciones , o olas , la frecuencia se define como un número de ciclos por unidad de tiempo. En la física y la ingeniería disciplinas, como la óptica , la acústica y la radio , la frecuencia es por lo general denota por una letra latina f o por la letra griegaν (nu) . Nota, el concepto relacionado, la frecuencia angular , por lo general se designa por la letra griega ω (omega) , que utiliza los SI de unidadesradianes por segundo (rad / s).

Para recuentos por unidad de tiempo, el SI la unidad de la frecuencia es hertz (Hz), llamado así por el físico alemán Heinrich Hertz ; 1 Hz significa que un evento se repite una vez por segundo . Un nombre anterior de esta unidad fue ciclos por segundo (cps).

Una unidad tradicional de medida utilizada con la rotación de los dispositivos mecánicos es revoluciones por minuto , abreviado r / min o rpm. 60 r / min es igual a un hertz. ^{[ 1 ]}

El período, por lo general denotada por T , es la duración de un ciclo, y es el recíproco de la frecuencia f :

El SI unidad por período es el segundo.

Medición

Contando

Cálculo de la frecuencia de una cita repetitiva se lleva a cabo mediante el recuento del número de veces que evento se produce dentro de un período de tiempo específico, a continuación, dividiendo ese número por la longitud del período de tiempo. Por ejemplo, si se producen 71 eventos en 15 segundos la frecuencia es:

Tres luces parpadeantes, cíclicamente desde la frecuencia más baja (arriba) a alta frecuencia (parte inferior). Para cada luz, "f" es la frecuencia en hercios (Hz) - es decir, el número de veces por segundo (es decir ciclos por segundo) que parpadea -, mientras que "T" es el período flashes 'en segundos (s), es decir, el número de segundos por ciclo. Cada T y f son recíprocos .

Si el número de cuenta no es muy grande, es más exacto para medir el intervalo de tiempo para un número predeterminado de ocurrencias, en lugar del número de ocurrencias dentro de un tiempo especificado. ^{[ 2 ]} El último método introduce un error aleatorio en el recuento de entre cero y un cargo, por lo que en promedio media un conteo. Esto se conoce como error de activación periódica y provoca un error medio en la frecuencia calculada de Df = 1 / (2 T _m ) , o un error fraccional de Df / f = 1 / (2 f T _m ) donde T _m es el intervalo de sincronización y fes la frecuencia medida. Este error disminuye con la frecuencia, por lo que es un problema a bajas frecuencias en las que el número de recuentos de N es pequeño.

Por estroboscopio

Un método más antiguo de la medición de la frecuencia de rotación o vibración objetos es utilizar un estroboscopio . Se trata de una luz intermitente repetitivamente intensa ( luz estroboscópica ) cuya frecuencia se puede ajustar con un circuito de tiempo calibrada. La luz estroboscópica está orientado hacia el objeto en rotación y la frecuencia de ajustar hacia arriba y hacia abajo. Cuando la frecuencia de la luz estroboscópica es igual a la frecuencia del objeto en rotación o vibración, el objeto se completa un ciclo de oscilación y vuelve a su posición original entre los destellos de luz, por lo que cuando se ilumina con la luz estroboscópica el objeto aparece estacionario. A continuación, la frecuencia se puede leer desde la lectura de calibrado en el estroboscopio. Un inconveniente de este método es que un objeto que gira a un múltiplo entero de la frecuencia estroboscópico también aparecerá estacionaria.

Como pasa el tiempo - representado aquí como un movimiento de izquierda a derecha, es decir, en sentido horizontal - las cincoondas sinusoidales mostradas varían regularmente (es decir, el ciclo), pero a un ritmo diferente. La onda roja (arriba) tiene la frecuencia más baja (es decir, varía al ritmo más lento), mientras que la ola púrpura (abajo) tiene la frecuencia más alta (varía al ritmo más rápido).

Por el contador de frecuencia

Las frecuencias más altas se miden generalmente con un contador de frecuencia . Este es un instrumento electrónico que mide la frecuencia de una electrónica repetitiva aplicada la señal y muestra el resultado en hertz en una pantalla digital . Se utiliza lógica digitalpara contar el número de ciclos durante un intervalo de tiempo establecido por una precisión de cuarzo de base de tiempo. Procesos cíclicos que no son de naturaleza eléctrica, tales como la velocidad de rotación de un eje, vibraciones mecánicas, o las ondas de sonido, se pueden convertir en una señal electrónica repetitiva por los transductores y la señal aplicada a un contador de frecuencia.Contadores de frecuencia pueden cubrir actualmente el rango de hasta alrededor de 100 GHz. Esto representa el límite de los métodos de recuento directo; frecuencias por encima de este se deben medir por métodos indirectos.

Métodos Heterodyne

Por encima de la gama de los contadores de frecuencia, las frecuencias de las señales electromagnéticas se miden a menudo indirectamente por medio de heterodino ( conversión de frecuencia ). Una señal de referencia de una frecuencia conocida cerca de la frecuencia desconocido se mezcla con la frecuencia desconocida en un dispositivo de mezcla no lineal tal como un diodo . Esto crea unheterodino o "beat" de la señal en la diferencia entre las dos frecuencias. Si las dos señales están muy juntas en la frecuencia heterodina es lo suficientemente baja para ser medida por un contador de frecuencia. Este proceso sólo mide la diferencia entre la frecuencia desconocida y la frecuencia de referencia, que debe ser determinado por algún otro método. Para llegar a frecuencias más altas, se pueden utilizar varias etapas de heterodino. La investigación actual se está extendiendo este método para las frecuencias infrarrojas y de luz ( detección heterodino óptico ).

Frecuencia de las olas

Para las ondas periódicas en los medios de comunicación no dispersivo (es decir, los medios de comunicación en la que la velocidad de la onda es independiente de la frecuencia), la frecuencia tiene una relación inversa a la longitud de onda , λ ( lambda ). Incluso en medios dispersivos, la frecuencia f de una onda sinusoidal es igual a la velocidad de fase V de la onda dividida por la longitud de onda λ de la onda:

En el caso especial de las ondas electromagnéticas en movimiento a través de un vacío , entonces v = c , donde c es la velocidad de la luz en el vacío, y esta expresión se convierte en:

Un medidor de frecuencia de resonancia de juncos, un dispositivo obsoleto utilizado desde alrededor de 1900 hasta la década de 1940 para medir la frecuencia de la corriente alterna. Se compone de una tira de metal con las cañas de longitudes graduadas, vibrado por un electroimán . Cuando se aplica la frecuencia desconocido para el electroimán, la caña que es resonante a esa frecuencia vibrará con gran amplitud, visibles al lado de la escala.

Cuando las ondas de un monocromo viajes fuente de un medio a otro, su frecuencia sigue siendo la misma-sólo su longitud de onda y la velocidad de cambio.

Ejemplos

Luz

Luz y radiación electromagnética

La luz visible es una onda electromagnética , que consiste en oscilantes eléctricos y campos magnéticos que viajan a través del espacio. La frecuencia de la onda determina su color: 4 × 10 ¹⁴ Hz es la luz roja, 8 × 10 ¹⁴ Hz es la luz violeta, y entre ellos (en el rango de 4 - 8 × 10 ¹⁴ Hz ) son todos los demás colores del arco iris . Una onda electromagnética puede tener una frecuencia de menos de 4 × 10 ¹⁴ Hz , pero será invisible para el ojo humano; tales ondas se denominan infrarrojos de radiación (IR). A la frecuencia aún menor, la onda se denomina microondas , y en frecuencias más bajas aún se le llama onda de radio . Del mismo modo, una onda electromagnética puede tener una frecuencia superior a8 × 10 ¹⁴ Hz , pero será invisible para el ojo humano; tales ondas se llaman ultravioleta (UV). Incluso las ondas de frecuencias más altas se llamanlos rayos X , y más alto todavía son rayos gamma .

Todas estas olas, desde las ondas de radio de baja frecuencia para los rayos gamma de mayor frecuencia, son fundamentalmente los mismos, y todos son llamados radiación electromagnética . Todos ellos viajan a través del vacío a la misma velocidad (la velocidad de la luz ), dándoles longitudes de onda inversamente proporcional a su frecuencia. En los medios de dispersión , tales como el vidrio, la velocidad depende en cierta medida de la frecuencia, por lo que la longitud de onda no es bastante inversamente proporcional a la frecuencia.

Un contador de frecuencia modernos

Sound

Sonido

De sonido se propaga en forma de ondas de vibración mecánica de la presión y el desplazamiento, en el aire u otras sustancias. La frecuencia es la característica de sonido que la mayoría determina pitch . ^{[ 3 ]}

Las frecuencias de un oído puede oír son limitadas a un rango específico de frecuencias . La frecuencia audible gama para los seres humanos se da típicamente como entre aproximadamente 20 Hz y 20.000 Hz (20 kHz), aunque el límite de alta frecuencia por lo general reduce con la edad. Otras especies tienen diferentes rangos de audición. Por ejemplo, algunas razas de perros pueden percibir vibraciones de hasta 60.000 Hz. ^{[ 4 ]}

En muchos medios de comunicación, tales como el aire, la velocidad del sonido es aproximadamente independiente de la frecuencia, por lo que la longitud de onda de las ondas de sonido (distancia entre las repeticiones) es aproximadamente inversamente proporcional a la frecuencia.

Línea actual

En Europa , África , Australia , el sur de América del Sur , la mayor parte de Asia y Rusia , la frecuencia de la corriente alterna en los enchufes eléctricos de uso doméstico es de 50 Hz (cerca del tono de G), mientras que en América del Norte y el norte de América del Sur , la frecuencia de la corriente alterna en los enchufes eléctricos de uso doméstico es de 60 Hz (entre la tonos de B ♭ y B, es decir, un tercio menor encima de la frecuencia Europea). La frecuencia de la ' zumbido 'en una grabación de audio puede mostrar dónde se realizó la grabación, en los países utilizando una frecuencia de la red europea o estadounidense,.

Período función de la frecuencia

Como una cuestión de conveniencia, las ondas más largas y más lentas, como las ondas de la superficie del océano , tienden a ser descritos por periodo de la ola en lugar de la frecuencia.Las ondas cortas y rápidas, como el audio y la radio , por lo general se describen por su frecuencia en lugar del período. Estas conversiones comúnmente utilizados son los siguientes:

Espectro completo de la radiación electromagnética con la parte que se ve resaltado

Otros tipos de frecuencia

La frecuencia angular ω se define como la tasa de cambio de desplazamiento angular , θ , (durante la rotación), o la tasa de cambio de la fase de una sinusoidal de forma de onda (por ejemplo, en las oscilaciones y las ondas), o como la tasa de cambio de la argumento a la función seno :

La frecuencia angular se mide comúnmente en radianes por segundo (rad / s), pero, para las señales de tiempo discreto , también se puede expresar como radianes por tiempo de la muestra, que es una cantidad adimensional .

La frecuencia espacial es análoga a la frecuencia temporal, pero el eje de tiempo se sustituye por uno o más ejes de desplazamiento espaciales. Por ejemplo:

Número de onda , k , a veces significa el análogo de frecuencia espacial de la frecuencia temporal angular. En caso de más de una dimensión espacial, número de onda es una cantidad vectorial.

Los rangos de frecuencia

El rango de frecuencia de un sistema es el rango sobre el cual se considera para proporcionar un nivel útil de señal con características de distorsión aceptables. Un listado de los límites superior e inferior de límites de frecuencia para un sistema no es útil sin un criterio para lo que representa el intervalo.

Muchos de los sistemas se caracterizan por la gama de frecuencias a los que responden. Instrumentos musicales producen distintas gamas de notas dentro del rango de audición . Elespectro electromagnético se puede dividir en muchas gamas diferentes, tales como visible de luz , infrarroja o ultravioleta radiación de radio ondas, rayos X , etc, y cada uno de estos rangos pueden a su vez dividirse en intervalos más pequeños. Una señal de comunicaciones de radio debe ocupar un rango de frecuencias que llevan la mayor parte de su energía, llamado su ancho de banda . Asignación de los rangos de frecuencia de radio para diferentes usos es una de las principales funciones de la radio la asignación del espectro .

Ver también

Acústica

v t e

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Espectrograma

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