Закрыть

Высшие гармоники что это: Блог » Высшие гармоники в электросетях

Содержание

Блог » Высшие гармоники в электросетях

Постоянный рост количества нелинейных потребителей в наших электрических сетях приводит к повышенному «загрязнению электросетей». Обратное воздействие на сеть является для энергетики такой же проблемой, как загрязнение воды и воздуха для экологии.

В идеальном случае на выходных клеммах генераторы выдается чисто синусоидальный ток. Синусоидальное напряжение рассматривается как идеальная форма переменного напряжения, любое отклонение от него считается сетевой помехой.

Рис.1 Обратные воздействия на сеть, вызванные преобразователями частоты.

Все больше потребителей получают из сети несинусоидальный ток. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) этих «загрязненных» токовых волн показывает наличие широкого спектра колебаний с гармониками различного порядка, которые обычно называют высшими гармониками.

Рис.2 Анализ высших гармоник (Быстрое преобразование Фурье)

Высшие гармоники наносят вред электрическим сетям, они опасны для подключенных потребителей так же, как загрязненная вода вредна для организма человека. Они приводят к перегрузкам, снижают срок службы и, при определенных условиях могут вызывать преждевременный выход из строя электрических и электронных потребителей.

Нагрузка высшими гармониками является основной причиной невидимых проблем с качеством напряжения, приводящих к огромным расходам на ремонт или покупку нового оборудования взамен поврежденного. Недопустимо высокое обратное воздействие на сеть и вызванное им низкое качество напряжения могут, таким образом, вызвать сбои производственного процесса вплоть до остановки производства.

Высшие гармоники – это токи или напряжения, частота которых превышает основное колебание 50/60 Гц и кратна этой частоте основного колебания. Высшие гармоники тока не вносят вклад в активную мощность, но оказывают только термическую нагрузку на сеть. Поскольку токи высших гармоник протекают в дополнение к «активным» синусоидальным колебаниям, они обеспечивают электрические потери в рамках электроустановки, что может привести к термической перегрузке. Дополнительные потери в потребителе электроэнергии приводят, кроме того к нагреву и перегреву, а также к сокращению срока службы оборудования.

Оценка нагрузки высшими гармониками, как правило, выполняется в точке подключения (или передачи в сеть электроснабжения общего пользования) соответствующей организации по энергоснабжению. Все чаще эти точки называют Point of Common Coupling (PCC). При определенных условиях может потребоваться определение и анализ нагрузки высшими гармониками со стороны определенного оборудования или групп оборудования для выявления внутренних проблем с качеством электрической сети и их причин, их вызывающих.

Рис.3 Поврежденные высшими гармониками конденсаторы

Для оценки нагрузки высшими гармониками используются следующие параметры:

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD)

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD) или общее гармоническое искажение позволяет квалифицировать размер долей, возникающих в результате нелинейного искажения электрического сигнала. Это отношение эффективного значения высших гармоник к эффективному значению первой гармоники. Значение THD используется в сетях низкого, среднего и высокого напряжения. Обычно для искажения тока используется коэффициент THDi , а для искажения напряжения – коэффициент THDu.

Коэффициент искажения для напряжения
  • M = порядковый номер высшей гармоники
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)
  • Основная гармоника fund соответствует n = 1

Коэффициент искажения для тока
  • M = порядковый номер высшей гармоники
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)
  • Основная гармоника fund соответствует n = 1

Общее искажение тока (TDD)

Особенно в Северной Америке термин TDD регулярно используется в связи с проблемами, вызванными высшими гармониками. Это величина, связанная с THDi, но в этом случае определяется отношение доли высших гармоник к доле основных колебаний номинального значения тока. Таким образом, TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (аналогично THDi) и возникающим на протяжении определенного периода эффективным значением тока при полной нагрузке. Обычно период равен 15 или 30 минутам.

TDD (I)
  • TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (THDi) эффективным значением
  • тока при полной нагрузке.
  • IL = полный ток нагрузки
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)

Анализ гармоник (тока и напряжения) могут проводить практически все анализаторы ПКЭ Janitza, за исключением UMG 96L.

Гармонические составляющие тока и напряжения — Topsamoe.ru

Гармонические колебания – искажения синусоидальной формы напряжения и тока. Эти явления возникают в сетях переменного тока при переходных процессах, подключении нелинейной нагрузки. Появление гармоник вызывают:

  • Мощные промышленные выпрямители.
  • Индукционные и дуговые плавильные печи.
  • Люминесцентные и газоразрядные лампы.
  • Трансформаторы.
  • Оборудование для электросварки.
  • Источники бесперебойного электропитания.
  • Электродвигатели.
  • Микроволновые печи и другая бытовая техника.
  • Преобразователи частоты.

В процессе работы этого оборудования возникает паразитная ЭДС, которая накладывается на синусоидальный сигнал. В результате появляются провалы, скачки и другие искажения.

Влияние гармоник на электрооборудование

Гармонические колебания в сети оказывают негативное влияние на работу электрооборудования. К ним относятся:

  • Асимметрия в трехфазных сетях при возникновении искажений на одной или двух фазах. Это вызывает ненормальные режимы работы двигателей, другой электротехники.
  • Ложное срабатывание защиты. На гармоники реагируют автоматические выключатели, релейные схемы защиты, отключающие напряжение в распределительной сети.
  • Избыточный нагрев обмоток электрических машин, трансформаторов, проводов.
  • Увеличение уровня шума в слаботочных сетях. Про частом переходе синусоиды через ноль в соседних контрольных кабелях возникают наводки, искажающие сигнал.
  • Увеличение тока нейтрали. Гармонические искажения вызывают падение напряжения в нейтральном и фазных проводах, нагреву нулевого проводника.

Последствия влияния гармоник

Искажения формы переменного тока и напряжения снижают срок службы изоляции, конденсаторов, качество напряжения в сети, увеличиваиют погрешности средств измерений. Это приводит:

  • К уменьшению межремонтных промежутков электрооборудования и увеличению эксплуатационных затрат.
  • К частым остановкам технологического оборудования. В результате ложного срабатывания схем защиты прерываются производственные процессы.
  • К авариям электроустановок. В результате падений напряжения и избыточного нагрева возникает пробой изоляции и короткие замыкания.

Высшие гармоники вызывают значительные экономические убытки.

Способы защиты от высших гармоник для частотных преобразователей

Преобразователи частоты содержат инверторы и ШИМ-модуляторы, которые являются источниками искажения напряжения в сети. Это отрицательно сказывается как на работе электродвигателей, так и на качестве электроэнергии в сети. Для защиты от этого явления используют различные фильтры.

Эти устройства устанавливают во входной и выходной цепях преобразователей частоты. Для защиты от искажений формы напряжения и тока применяют:

  • Сетевые дроссели. Эти устройства защищают от импульсных перепадов напряжения, несимметричной нагрузке, продлевают срок службы конденсаторов звена постоянного тока.
  • Электромагнитные фильтры. Устанавливаются во входной силовой цепи преобразователя. Защищают сеть от гармоник, генерируемых инвертором ПЧ.
  • Синусные и dU/dt фильтры. Эти устройства устанавливают в частотно-регулируемом приводе с возможностью рекупации электроэнергии, в цепях электрических машин с частыми пусками, отключениями и реверсами, при использовании для подключения неэкранирумых кабелей.

При выборе фильтра необходимо убедиться, что конкретная модель преобразователя частоты совместима с типом защитного устройства. Эта информация указана в технической документации ПЧ. Компания «Данфосс» выпускает несколько линеек частотных преобразователей со встроенными фильтрами высших гармоник. Это избавляет от необходимости рассчитывать характеристики устройств и расходов на покупку дополнительного оборудования.

FAQ по гармоникам

Что такое гармоники?

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной. Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Основной частотой 50 Гц(т.е. 1-я гармоника = 50 Гц 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Когда возникают гармоники?

Гармонические искажения возникают при работе нелинейных потребителей тока (в том числе частотных преобразователей).

Какие гармоники не появляются от работы ПЧ?

При работе от преобразователя частоты не появляются четные гармоники.

Чем опасны гармоники по току?

Гармонические искажения тока вызывают перегрев силового трансформатора, повышенное потребление реактивной мощности, увеличение потерь в меди силовых проводов и трансформатора. Они являются причиной появления гармоник по напряжению.

Чем опасны гармоники по напряжению?

Наличие гармонических искажений по напряжению приводят к выходу из строя оборудования.

Как бороться с гармониками?

Гармонические искажения можно уменьшать при помощи входных фильтров. Например, в серии VLT HVAC Basic FC 101 имеется встроенный фильтр гармоник на звене постоянного тока.

В данной статье мы рассмотрим что такое гармоники, фундаментальную частоту и сложные формы волны из-за гармоник, в конце статьи подведем краткие итоги по этой теме.

Что такое гармоники

Гармоники — это нежелательные более высокие частоты, которые накладываются на основную форму волны, создавая искаженную волновую картину.

В цепи переменного тока сопротивление ведет себя точно так же, как в цепи постоянного тока. То есть ток, протекающий через сопротивление, пропорционален напряжению на нем. Это связано с тем, что резистор является линейным устройством, и если приложенное к нему напряжение представляет собой синусоидальную волну, ток, протекающий через него, также является синусоидальной, поэтому разность фаз между двумя синусоидами равна нулю.

Как правило, при работе с переменными напряжениями и токами в электрических цепях предполагается, что они имеют чистую и синусоидальную форму с присутствием только одного значения частоты, называемого «основной частотой», но это не всегда так.

В электрическом или электронном устройстве или цепи, которая имеет вольт-амперную характеристику, которая не является линейной, то есть ток, протекающий через нее, не пропорционален приложенному напряжению. Чередующиеся сигналы, связанные с устройством, будут отличаться в большей или меньшей степени от сигналов идеальной синусоидальной формы. Эти типы сигналов обычно называют несинусоидальными или сложными сигналами.

Сложные сигналы генерируются обычными электрическими устройствами, такими как индукторы с железной сердцевиной, переключающие трансформаторы, электронные балласты в люминесцентных лампах и другие такие сильно индуктивные нагрузки, а также формы выходного напряжения и тока генераторов переменного тока, генераторов и других подобных электрических машин. В результате форма волны тока не может быть синусоидальной, даже если форма волны напряжения есть.

Также большинство электронных схем переключения источников питания, таких как выпрямители, кремниевые выпрямители (SCR), силовые транзисторы, преобразователи питания и другие подобные твердотельные переключатели, которые отключают и измельчают источники питания синусоидальной формы волны для управления мощностью двигателя или преобразования синусоидального источника переменного тока в постоянный. Эти переключающие схемы имеют тенденцию потреблять ток только при пиковых значениях источника переменного тока, и, поскольку форма сигнала переключающего тока не является синусоидальной, результирующий ток нагрузки, как говорят, содержит гармоники.

Несинусоидальные сложные формы волны создаются путем «сложения» серии синусоидальных частот, известных как «гармоники». Гармоники — это обобщенный термин, используемый для описания искажения синусоидальной формы волны сигналами разных частот.

Тогда независимо от формы сложную форму волны можно математически разделить на отдельные компоненты, называемые основной частотой и рядом «гармонических частот». Но что мы понимаем под «фундаментальной частотой»?

Фундаментальная частота

Фундаментальные формы волны (или первая гармоника) является синусоидальным сигналом , который имеет частоту питания. Фундаментальным является самой низкой или базовой частотой, ƒ , на которой построен комплекс формы сигнала и в качестве такового периодического времени, Τ результирующего комплексного сигнала будет равен периоду основной частоты.

Давайте рассмотрим основной сигнал переменного тока первой гармоники, как показано на рисунке.

Мы можем видеть, что синусоидальная форма волны представляет собой переменное напряжение (или ток), которое изменяется как синусоидальная функция угла, 2πƒ . Частоты формы волны, ƒ определяется числом циклов в секунду. В Соединенном Королевстве эта основная частота установлена ​​на 50 Гц, тогда как в Соединенных Штатах она составляет 60 Гц.

Гармоники — это напряжения или токи, которые работают на частоте, которая является целым (целым числом) кратным основной частоте. Таким образом, для основной формы волны 50 Гц это означает, что частота 2-й гармоники будет 100 Гц (2 x 50 Гц), 3-й гармоники будет 150 Гц (3 x 50 Гц), 5-й = 250 Гц, 7-й = 350 Гц и так далее. Аналогичным образом, с учетом основной формы волны 60 Гц частоты 2-й, 3-й, 4-й и 5-й гармоник будут равны 120 Гц, 180 Гц, 240 Гц и 300 Гц соответственно.

Другими словами, мы можем сказать, что «гармоники» являются кратными основной частоты и поэтому могут быть выражены как: 2ƒ , 3ƒ , 4ƒ и т.д.

Сложные формы волны

Обратите внимание, что красные формы волны, приведенные выше, являются фактическими формами сигналов, видимыми нагрузкой, из-за гармонического содержания, добавляемого к основной частоте.

Основной сигнал также можно назвать сигналом 1 й гармоники. Поэтому вторая гармоника имеет частоту, в два раза превышающую частоту основной, третья гармоника имеет частоту, в три раза превышающую основную, а четвертая гармоника имеет частоту, в четыре раза превышающую основную, как показано в левом столбце.

Правый столбец показывает сложную форму волны, сгенерированную в результате эффекта между добавлением основной формы волны и форм гармонических колебаний на разных частотах гармоник. Обратите внимание, что форма результирующего сложного сигнала будет зависеть не только от количества и амплитуды присутствующих частот гармоник, но также и от соотношения фаз между основной или базовой частотой и отдельными частотами гармоник.

Мы можем видеть, что сложная волна состоит из основной формы волны плюс гармоники, каждая из которых имеет свое пиковое значение и фазовый угол. Например, если основная частота задана как: E = V MAX(2πƒt) или V MAX(ωt) , значения гармоник будут заданы:

Для второй гармоники:

Е 2= V 2max(2 * 2πƒt) = V 2max(4πƒt) = V 2max(2ωt)

Для третьей гармоники:

E 3= V 3max(3 * 2πƒt) = V 3max(6πƒt), = V 3max(3ωt)

Для четвертой гармоники:

E 4= V 4max(4 * 2πƒt) = V 4max(8πƒt), = V 4max(4ωt)

Тогда уравнение, данное для значения сложной формы волны, будет иметь вид:

Гармоники обычно классифицируются по их названию и частоте, например, 2- й гармонике основной частоты при 100 Гц, а также по их последовательности. Гармоническая последовательность относится к векторному вращению гармонических напряжений и токов по отношению к основной форме волны в сбалансированной 3-фазной 4-проводной системе.

Гармоника прямой последовательности (4-й, 7-й, 10-й,…) будет вращаться в том же направлении (вперед), что и основная частота. Тогда как гармоника обратной последовательности (2-й, 5-й, 8-й,…) вращается в противоположном направлении (обратном направлении) основной частоты.

Как правило, гармоники прямой последовательности нежелательны, поскольку они ответственны за перегрев проводников, линий электропередач и трансформаторов из-за добавления сигналов.

С другой стороны, гармоники обратной последовательности циркулируют между фазами, создавая дополнительные проблемы с двигателями, поскольку противоположное вращение вектора ослабляет вращательное магнитное поле, необходимое для двигателей, и особенно асинхронных двигателей, заставляя их создавать меньший механический крутящий момент.

Другой набор специальных гармоник, называемых «тройками» (кратными трем), имеют нулевую последовательность вращения. Тройки — это кратные третьей гармоники (3-й, 6-й, 9-й, …) и т.д., отсюда и их название, и поэтому они смещены на ноль градусов. Гармоники нулевой последовательности циркулируют между фазой и нейтралью или землей.

В отличие от гармонических токов прямой и обратной последовательностей, которые взаимно компенсируют друг друга, гармоники третьего порядка не компенсируются. Вместо этого сложите арифметически в общем нейтральном проводе, который подвергается воздействию токов всех трех фаз.

В результате амплитуда тока в нейтральном проводе из-за этих тройных гармоник может быть в 3 раза больше амплитуды фазового тока на основной частоте, что делает его менее эффективным и перегретым.

Затем мы можем суммировать эффекты последовательности, кратные основной частоте 50 Гц:

Название Основная Вторая Третья Четвертая Пятая Шестая Седьмая Восьмая Девятая
Частота, Гц 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Последовательность + + +

Обратите внимание, что та же самая гармоническая последовательность также применяется к основным сигналам 60 Гц.

Последовательность Вращение Гармонический эффект
+ Вперед Чрезмерный эффект нагрева
Обратный ход Проблемы с крутящим моментом двигателя
Нет Добавляет напряжения и / или токи в нейтральный провод, вызывая нагрев

Резюме по гармоникам

Гармоники — это высокочастотные сигналы, накладываемые на основную частоту, то есть частоту цепи, и которые достаточны для искажения формы волны. Величина искажения, применяемого к основной волне, будет полностью зависеть от типа, количества и формы присутствующих гармоник.

Гармоники были в достаточном количестве только в течение последних нескольких десятилетий с момента появления электронных приводов для двигателей, вентиляторов и насосов, цепей переключения электропитания, таких как выпрямители, преобразователи питания и тиристорные регуляторы мощности, а также большинства нелинейных электронных фаз с управлением нагрузки и высокочастотные (энергосберегающие) люминесцентные лампы. Это связано, главным образом, с тем фактом, что управляемый ток, потребляемый нагрузкой, не точно соответствует синусоидальным сигналам питания, как в случае выпрямителей или силовых полупроводниковых коммутационных цепей.

Гармоники в системе распределения электроэнергии в сочетании с источником основной частоты (50 Гц или 60 Гц) создают искажения формы сигналов напряжения и / или тока. Это искажения создают сложную форму волны, состоящую из ряда частот гармоник, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на электрооборудование и линии электропередач.

Величина искажения формы волны, придающая сложной форме ее характерную форму, напрямую связана с частотами и величинами наиболее доминирующих гармонических компонентов, частота гармоник которых кратна (целым числам) основной частоты. Наиболее доминирующими гармоническими составляющими являются гармоники низкого порядка со 2- го по 19- е, причем тройки являются наихудшими.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Проблема гармоник….

Любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками являются источниками гармоник в своей сети. Если вы сталкиваетесь с таким оборудованием или имеете опыт работы в сетях с гармониками, тогда дроссели с конденсаторами или фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ) могут прийти вам на помощь. Гармонические искажения и связанные с этим проблемы в электрических сетях, становятся все более превалирующими в распределительных сетях.

Проблемы создаваемые гармониками.

дополнительный нагрев и выход из строя конденсаторов, предохранителей конденсаторов, трансформаторов, электродвигателей, люминесцентных ламп и т.п.;

ложные срабатывания автоматических выключателей и предохранителей;

наличие третьей гармоники и ее производных 9,12 и т.д. в нейтрали может потребовать увеличения сечения ее проводника;

гармонический шум (частые переходы через 0) может служить причиной неправильной работой компонентов систем контроля;

повреждение чувствительного электронного оборудования;

интерференция систем коммуникации.

Следующие разделы являются описанием гармоник, характеризацией проблемы и поиском решения.

Происхождение гармонических искажений

Постоянно увеличивающиеся требования промышленности и народного хозяйства к стабильности, приспосабливаемости и точности контроля в электрическом оборудовании привело к появлению относительно дешевых силовых диодов, тиристоров, SCR (Silicon Controlled Rectifier) и других силовых полупроводников.

Сейчас, широко используемые в выпрямительных цепях UPS полупроводники, статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, устройства плавного пуска пришедшие на смену устаревшим устройствам изменили картину формы тока и напряжения в электросетях. Хотя твердотельные реле, такие как тиристоры привнесли существенные изменения в схемотехнику систем контроля, они, также, создали проблему генерации гармоник тока. Гармоники тока могут сильно влиять на энергоснабжающие сети, а также перегружать косинусные конденсаторы служащие для компенсации реактивной мощности (при увеличении частоты, снижается сопротивление конденсатора и растет ток через него).

Мы сфокусировали наше внимание на таких источниках гармоник, как твердотельные элементы силовой электроники, однако существует много других источников гармонических токов. Эти источники могут быть сгруппированы в трех основных типах:

Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова), конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты.

Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы)

Насыщаемые устройства: Трансформаторы, двигатели, генераторы, и т.д. Гармонические амплитуды на этих устройствах являются обычно незначительна по сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии что насыщение не происходит.

Форма синусоиды тока

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц (т.е 1-я гармоника=50 Гц, 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Переходные возмущения обычно решаются путем установки подавляющих или разделяющих (изолирующих) устройств, таких как импульсных конденсаторов, изолирующих (разделяющих) трансформаторов. Эти устройства помогают устранить переходные возмущения, но они не помогают устранить гармоники низких порядков или устранить проблемы резонанса в связи с присутствием гармоник в сети.

Гармоническое содержание синусоиды

Тиристоры и SCR выпрямители обычно проявляются числом пульсаций постоянного тока которые они производят каждый период. Обычно это 6-и или 12-пульсные выпрямители. Есть много факторов, которые могут влиять на гармоническое содержание, но типичные гармонические токи, показанные как процент от фундаментального тока 50 Гц, показаны в таблице. Другие номера гармоник также будут присутствовать, в небольшой степени, но из практических соображений они не приводятся.

Гармоники (электрическая мощность) — Harmonics (electrical power)

В электроэнергетической системе , А гармоника представляет собой напряжение или ток на кратном основную частоту системы, произведенное действием нелинейных нагрузок , такие как выпрямители, разряд освещение, или насыщенные магнитные устройства. Частоты гармоник в электросети — частая причина проблем с качеством электроэнергии . Гармоники в энергосистемах вызывают повышенный нагрев оборудования и проводов, пропуски зажигания в приводах с регулируемой скоростью и пульсации крутящего момента в двигателях.

Гармоники тока

В нормальной системе питания переменного тока ток изменяется синусоидально с определенной частотой, обычно 50 или 60 Гц . Когда к системе подключена линейная электрическая нагрузка, она потребляет синусоидальный ток той же частоты, что и напряжение (хотя обычно не в фазе с напряжением).

Гармоники тока вызваны нелинейными нагрузками. Когда к системе подключена нелинейная нагрузка, такая как выпрямитель , она потребляет ток, который не обязательно является синусоидальным. Искажение формы сигнала тока может быть довольно сложным в зависимости от типа нагрузки и ее взаимодействия с другими компонентами системы. Независимо от того, насколько сложной становится форма волны тока, преобразование ряда Фурье позволяет разбить сложную форму волны на серию простых синусоид, которые начинаются на основной частоте энергосистемы и возникают на целых кратных основной частоте.

Другие примеры нелинейных нагрузок включают обычное офисное оборудование, такое как компьютеры и принтеры, флуоресцентное освещение, зарядные устройства для аккумуляторов, а также приводы с регулируемой скоростью .

В энергосистемах гармоники определяются как положительные целые числа, кратные основной частоте. Таким образом, третья гармоника является третьей кратной основной частоты.

Гармоники в энергосистемах генерируются нелинейными нагрузками. Полупроводниковые устройства, такие как транзисторы, IGBT, МОП-транзисторы, диоды и т. Д., Являются нелинейными нагрузками. Другие примеры нелинейных нагрузок включают обычное офисное оборудование, такое как компьютеры и принтеры, флуоресцентное освещение, зарядные устройства для аккумуляторов, а также приводы с регулируемой скоростью . Электродвигатели обычно не вносят значительного вклада в генерацию гармоник. Однако как двигатели, так и трансформаторы будут создавать гармоники, когда они перенапряжены или насыщены.

Нелинейные токи нагрузки создают искажение чистой синусоидальной формы волны напряжения, подаваемого от электросети, и это может привести к резонансу. Четные гармоники обычно не существуют в энергосистеме из-за симметрии между положительной и отрицательной половинами цикла. Кроме того, если формы сигналов трех фаз симметричны, гармонические составляющие, кратные трем, подавляются за счет треугольного (Δ) соединения трансформаторов и двигателей, как описано ниже.

Если мы сосредоточимся, например, только на третьей гармонике, мы можем увидеть, как все гармоники, кратные трем, ведут себя в системах мощности.

Гармоническое сложение 3-го порядка

Питание осуществляется от трехфазной системы, в которой каждая фаза разнесена на 120 градусов. Это делается по двум причинам: в основном потому, что трехфазные генераторы и двигатели проще сконструировать из-за постоянного крутящего момента, развиваемого на трех фазах; и, во-вторых, если три фазы уравновешены, их сумма равна нулю, а размер нейтральных проводников может быть уменьшен или даже в некоторых случаях исключен. Обе эти меры приводят к значительной экономии затрат коммунальных предприятий. Однако сбалансированный ток третьей гармоники не будет добавляться к нулю в нейтрали. Как видно на рисунке, 3-я гармоника будет конструктивно складываться по трем фазам. Это приводит к току в нейтральном проводе с частотой, в три раза превышающей основную частоту, что может вызвать проблемы, если система не предназначена для этого (т. Е. Проводники рассчитаны только на нормальную работу). Чтобы уменьшить влияние треугольных соединений гармоник третьего порядка используются в качестве аттенюаторов или короткозамыкателей третьей гармоники, поскольку ток циркулирует по схеме треугольника, а не по нейтрали при соединении звездой .

Гармоники напряжения

Гармоники напряжения в основном вызваны гармониками тока. Напряжение, подаваемое источником напряжения, будет искажено гармониками тока из-за импеданса источника. Если полное сопротивление источника напряжения мало, гармоники тока будут вызывать только небольшие гармоники напряжения. Обычно гармоники напряжения действительно малы по сравнению с гармониками тока. По этой причине форма волны напряжения обычно может быть аппроксимирована основной частотой напряжения. При использовании этого приближения гармоники тока не влияют на действительную мощность, передаваемую нагрузке. Интуитивно понятный способ увидеть это — нарисовать набросок волны напряжения на основной частоте и наложить гармонику тока без фазового сдвига (чтобы было легче наблюдать следующее явление). {2}}}}}.}

Имена присваиваются двум различным факторам следующим образом:

пжтртыезнак равнопжdяsп⋅пжdяsт,{\ displaystyle pf_ {true} = pf_ {disp} \ cdot pf_ {dist},}

где — коэффициент мощности смещения, а — коэффициент мощности искажения (т. е. вклад гармоник в общий коэффициент мощности). пжdяsп{\ displaystyle pf_ {disp}}пжdяsт{\ displaystyle pf_ {dist}}

Эффекты

Одним из основных эффектов гармоник энергосистемы является увеличение тока в системе. Это особенно характерно для третьей гармоники, которая вызывает резкое увеличение тока нулевой последовательности и, следовательно, увеличивает ток в нейтральном проводнике. Этот эффект может потребовать особого рассмотрения при проектировании электрической системы для обслуживания нелинейных нагрузок.

Помимо повышенного линейного тока, различное электрическое оборудование может пострадать от воздействия гармоник в энергосистеме.

Двигатели

Электродвигатели испытывают потери из-за гистерезиса и вихревых токов, возникающих в железном сердечнике двигателя. Они пропорциональны частоте тока. Поскольку гармоники находятся на более высоких частотах, они приводят к более высоким потерям в сердечнике двигателя, чем частота сети. Это приводит к повышенному нагреву сердечника двигателя, который (в случае чрезмерного) может сократить срок службы двигателя. 5-я гармоника вызывает CEMF (противодействующую электродвижущую силу) в больших двигателях, которая действует в противоположном направлении вращения. CEMF недостаточно велика, чтобы противодействовать вращению; однако он играет небольшую роль в результирующей скорости вращения двигателя.

Телефоны

В Соединенных Штатах обычные телефонные линии предназначены для передачи частот от 300 до 3400 Гц. Поскольку в США электроэнергия распределяется с частотой 60 Гц, она обычно не мешает телефонной связи, поскольку ее частота слишком мала.

Источники

Чистое синусоидальное напряжение — это концептуальная величина, производимая идеальным генератором переменного тока, построенным с точно распределенными обмотками статора и возбуждения, которые работают в однородном магнитном поле. Поскольку ни распределение обмоток, ни магнитное поле не являются однородными в работающей машине переменного тока, возникают искажения формы волны напряжения, и зависимость напряжения от времени отклоняется от чистой синусоидальной функции. Искажение в точке генерации очень мало (от 1% до 2%), но, тем не менее, оно существует. Поскольку это отклонение от чистой синусоиды, отклонение имеет форму периодической функции, и по определению искажение напряжения содержит гармоники.

Когда синусоидальное напряжение прикладывается к линейной нагрузке, такой как нагревательный элемент, ток через него также является синусоидальным. В нелинейных нагрузках, таких как усилитель с ограничивающим искажением, размах напряжения применяемой синусоиды ограничен, и чистый тон загрязнен множеством гармоник.

Когда на пути от источника питания к нелинейной нагрузке имеется значительный импеданс, эти искажения тока также вызывают искажения формы волны напряжения на нагрузке. Однако в большинстве случаев, когда система подачи энергии работает правильно в нормальных условиях, искажения напряжения будут довольно небольшими, и их обычно можно игнорировать.

Искажение формы волны можно математически проанализировать, чтобы показать, что оно эквивалентно наложению дополнительных частотных компонентов на чистую синусоиду. Эти частоты являются гармониками (целыми кратными) основной частоты и иногда могут распространяться наружу от нелинейных нагрузок, вызывая проблемы в других местах энергосистемы.

Классическим примером нелинейной нагрузки является выпрямитель с конденсаторным входным фильтром, где выпрямительный диод пропускает ток к нагрузке только в то время, когда приложенное напряжение превышает напряжение, хранящееся в конденсаторе, что может быть относительно небольшая часть цикла входящего напряжения.

Другими примерами нелинейных нагрузок являются зарядные устройства аккумуляторов, электронные балласты, частотно-регулируемые приводы и импульсные источники питания.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Ссылки

Флейтовые гармоники | flutetunes.com

Гармоники флейты

Обратите внимание: самые интересные части этой статьи находятся внизу страницы, и чтобы получить от них максимальную отдачу, вам придется пройти через все объяснения. Но поверьте нам: ваши усилия в понимании будут щедро вознаграждены .

Гармоники … о чем мы говорим?

Скажем так. Сколько разных нот вы можете сыграть одной аппликатурой? Если ваш ответ один или два, что ж, вы ошиблись.Что, если бы я сказал вам, что некоторые из самых простых аппликатур могут вызвать шесть, семь или даже восемь разных звуков — без движения пальцами?

Вы не поверите, но все ноты в следующей записи были сыграны без движения пальца:

Если вам интересно, как это возможно, вы можете найти ответ с помощью простой дедукции. Когда пальцы застряли в одном положении, все, что вы можете сделать, чтобы изменить звук изменяет амбушюр и то, как вы дуетесь.В самом деле, если вы знаете, что создание этих «дополнительных заметок» возможно, Вы можете понять, как это сделать самостоятельно, с помощью простого процесса проб и ошибок. Однако мы считаем, что чтение этого практического руководства по гармоникам флейты сэкономит вам много времени и сэкономит нервы. и, самое главное, мы надеемся, что это пробудит ваш интерес к одной из самых полезных расширенных техник, доступных флейтистам.

В качестве расширенной техники гармоники известны под разными названиями: естественных гармоник , обертонов , частичных тонов .Практически все эти термины относятся к одному и тому же понятию.

Почему я должен беспокоиться?

С одной стороны, гармоники иногда используются как альтернативные аппликатуры, и иногда упоминаются в литературе из-за их необычного качества звука. С другой стороны, гармоники также оказываются бесценным источником эффективных упражнений.

Например, ля во втором регистре может быть воспроизведена аппликатурой нижнего ре. но он просто не появится, если ваш амбуш не будет подходящим.Если задуматься, стандартные аппликатуры созданы довольно терпимо, так что даже приблизительный стиль дутья обычно дает какой-то шум на правильной высоте. Гармонические аппликатуры гораздо менее терпимы, поэтому они представляют собой прекрасное руководство: если вы можете сыграть ноту как гармонику, чтобы она звучала достаточно надежно и сильно, тогда вы можете быть уверены, что вы очень близко подошли к тому, чтобы найти лучший способ воспроизвести ту же ноту с ее стандартной аппликатурой.

Подводя итог в нескольких пунктах, важна практика гармоник:

  • для создания гибкой амбушюры;
  • для лучшего контроля воздушного потока;
  • для стабилизации и усиления вашего тона, особенно в высоких регистрах;
  • из-за их полезности в качестве альтернативной аппликатуры;
  • , потому что в них весело играть;
  • и последнее, но не менее важное, потому что они действительно используются в современной музыке для создания особого «цвета».

Как играть на флейте гармоники?

Как вы уже знаете, каждая аппликатура нижнего регистра дает вам две ноты, в зависимости от того, как вы на них играете. Фактически, они дадут вам больше. Например, аппликатура с низким D даст не только низкий D, но также D, который вы (должны) обычно играть с поднятым первым пальцем, над нотоносцем написано A, над ним — еще одно D, затем F # и еще выше A.

Фактически вы уже играете ноты от E 5 до C # 6 во втором регистре как гармоники, поскольку они имеют ту же аппликатуру, что и их эквиваленты первой октавы.Теперь подумайте, какие изменения необходимы для перехода от первого регистра ко второму при использовании этих аппликатур.

  • Вы ускоряете воздушную струю, главным образом за счет уменьшения размера отверстия губки.
  • Вы сокращаете зазор между отверстием губки и краем продувочного отверстия.
  • Вы изображаете нижнюю челюсть дробно, чтобы исправить угол воздушной струи.

Во всем диапазоне флейты, если все ноты должны звучать в правой октаве с наилучшим возможным тоном, все этих переходов должны выполняться плавно.Работая по тем же принципам, с практикой вы в конечном итоге сможете создавать гармоники более высокого порядка.

Для начала выберите одну из самых низких нот, например низкую рею или низкую С. В принципе, чем ниже нота, тем легче звучать ее гармоники, если вы можете играть эту ноту сильно и четко. Теперь, не меняя аппликатуры, примените обычную процедуру для увеличения октавы, которую мы только что описали. Когда вы дойдете до новой заметки, продолжайте движение и, возможно, с небольшим поиском и экспериментированием, вы должны обнаружить, что играете еще более высокую ноту: ля, если вы играете низко ре; или G, если вы перебираете нижнюю C.Вы можете обнаружить, что играете более высокие ноты. Не борись с ними, а ищи следующую самую низкую ноту (сравните его с его эквивалентом с обычными пальцами, чтобы быть уверенным). Подсказки:

  • Не двигайте флейтой, не двигайте головой, не меняйте аппликатуру.
  • Не прижимайте флейту слишком сильно к подбородку.
  • Не нажимайте с силой на клавиши, играя все выше и выше.
  • Не дуйте сильнее ( немного, дополнительное давление — это нормально).

Последний пункт особенно важен.Даже если часто используется термин «раздувание» когда речь идет о гармониках, не так уж сложно получить верхние ноты, но используя губы, чтобы переходить от ноты к ноте. Это очень небольшое движение, но оно все еще существует.

Когда новая нота звучит ярко и надежно, смело переключитесь на стандартную аппликатуру вообще не меняя способа дутья. Вы можете обнаружить, что играете с удивительно лучшим тоном.

Если все это не работает, попробуйте еще раз.Если это так, запомните свой амбушюр, если и чем он отличается от обычного. Это сотворит чудеса с вашим амбушем.

Акустика 101

Любой естественный звук можно описать как комбинацию синусоид . Эти чистые тона никогда не проявляются сами по себе; вместо, они всегда комбинируются более или менее определенным образом, образуя даже самый простой звук. Способ их распределения в звуке формирует цвет этого звука, так называемый тембр .Это единственная функция, которая отличает ноту, сыгранную на скрипке, от той же самой ноты, сыгранной на флейте.

Немного терминологии, которую вам следует знать:

  • частичный — это любая из синусоидальных волн, которыми описывается сложный тон.
  • Гармоника (или частичная гармоника ) — это любой из набора частичных которые являются целыми числами, кратными общей основной частоте. В этот набор входит фундаментальный, который является целым числом, кратным самому себе (1 раз).
  • Обертон — любой частичный, кроме самого низкого. Это понятие не имеет особого значения, кроме исключения фундаментального, и, к сожалению, может привести к путанице в нумерации при сравнении обертонов с частичными. Помните: первый обертон — это второй частичный .

Электронные синтезаторы способны воспроизводить чистые частоты без обертонов (пример: ), хотя обычно они объединяют частоты в более сложные тона для имитации других инструментов.

Тембр флейты на самом деле очень беден обертонами, поэтому ее часто считают инструментом с чистейшим звуком. Фактически, у него достаточно обертонов, чтобы он звучал бесконечно лучше, чем чистая синусоида, которая, как вы могли заметить, дает довольно унылое ощущение.

Тем из вас, кто знаком с теорией интервалов, очень полезно знать, что распределение гармоник всегда математически определяется следующим образом: (прокрутите вниз до следующего раздела для графического представления)

  • 1 st гармоника ( основная ): основной тон.
  • 2 nd гармоника (1 st обертон): звучит на октаву выше.
  • 3 -я гармоника (2 -й обертон ): идеальная квинта выше 2-й гармоники .
  • 4 гармоника (3 -й обертон ): на две октавы выше основной гармоники.
  • 5 -я гармоника (4 обертон): большая треть над 4-й -й гармоникой .
  • 6 гармоника (5 обертон): идеальная квинта выше 4 -й гармоники .
  • 7 -я гармоника (6 -й обертон ): где-то между основной шестой и второстепенной седьмой выше гармоники 4 .
  • 8 гармоника (7 обертон): на три октавы выше основной гармоники.
  • 9 -я гармоника (8 -й обертон ): мажорная секунда выше 8 -й гармоники .

И так далее. Вы должны помнить один важный принцип: удвоение номера гармоники означает удвоение частоты с эффектом звучания на октаву выше.Пример: восьмая гармоника звучит на октаву выше четвертой.

С учетом этих исходных представлений, теперь мы, наконец, можем объяснить, что такое гармоники на флейте.

Когда мы «играем гармоники» на флейте, мы фактически делаем
, «исключаем» основной тон и некоторые из нижних обертонов, таким образом,
подчеркивая первую из «сохранившихся» гармоник, которая будет звучать как
, как если бы она была фундаментальный сам по себе.

Как далеко вы можете зайти?

Чтобы сыграть наибольшее количество гармоник на флейте, начните с самой низкой ноты, C 4 (или, если у вас ножная сустава B, B 3 ).Вот таблица самых низких гармоник, доступных на современной флейте. Гармоники, которые слишком сложно считать приемлемыми для человеческого восприятия, были затенены.

1-я 2-я 3-й 4-я 5-я 6-й 7-я 8-й 9-я
В 3 В 4 Ф № 5 В 5 D № 6 Ф № 6 А 6 В 6 C # 7
С 4 С 5 G 5 С 6 E 6 G 6 Bb 6 С 7 Д 7
С № 4 C # 5 G № 5 C # 6 E # 6 G № 6 В 6 C # 7 D № 7
Д 4 Д 5 А 5 Д 6 Ф № 6 А 6 С 7 Д 7 E 7
Eb 4 Eb 5 Bb 5 Eb 6 G 6 Bb 6 Дб 6 Eb 7 Ф 7

Обратите внимание, что чем выше вы подниметесь, тем меньше купюр будет.Вот тот же ряд гармоник в нотной записи.

Как вы скоро заметите во время практики, не всегда просто предсказать, насколько сложной будет данная гармоника. Фактически, это в конечном итоге зависит от характеристик вашей флейты. Однако в большинстве случаев следующий список должен достаточно точно отражать реальный порядок наиболее сложных гармоник. От простого к сложному:

Фундаментальный Гармонический Звук
B 3 7 A 6
D 4 6 6 4 7 Bb 6
B 3 8 B 6
Eb 4 6 Bb # 9005 4 7 B 6
C 4 8 C 7
B 3 9 4 C # 53 Если вы можете выйти за рамки этого, сообщите нам об этом!

Практика гармоник

Гармоники

лучше всего практиковать в начале практических занятий, даже перед тональными упражнениями.Это потому, что они остаются в первую очередь упражнением на гибкость губ, и придать губам форму — это то, чем вы действительно хотите заниматься прежде всего.

Как и в случае с большинством упражнений, даже пять минут практики в день имеют большое значение в долгосрочной перспективе.

Для ваших первых попыток вы можете просто выбрать очень низкую ноту и поэкспериментировать с различными способами нарастания звука во флейте. Когда вы сможете заставить записку взламываться контролируемым образом, вы будете знать, что на правильном пути.

Имейте в виду, что на начальных этапах скорость совсем не важна. Играйте очень медленно, чтобы получить наиболее полный и насыщенный звук на каждой гармонике. В этот момент, и только в этот момент, вы можете попытаться постепенно ускорить процесс, и начинайте переходить от одной ноты к другой. Это часто оказывается самой сложной частью работы, как вы вскоре заметите, играть гармоники стаккато намного проще, чем играть на них легато . Последним шагом будет работа над невнятными скачками между отдаленными гармониками, что является очень сложным упражнением.

Смотри, мама, одна рука!

Одно хорошее, относительно простое упражнение, которое вы можете попробовать, — сыграть гамму соль мажор, используя только левую руку! Начните с обычной второй октавы G и продолжайте играть A, B, C, как обычно; в этот момент снова нажмите G, но надавите на него, чтобы получить третий регистр D; наконец, поднимите оставшиеся пальцы, как вы делали раньше, чтобы получить остальную часть шкалы: E, F #, G. Вы должны обнаружить, что играете эту последнюю G с аппликатурой, которую вы обычно используете для C.

Можете ли вы придумать, как играть «О! Сусанна »сюда? Какие еще мелодии можно сыграть одной рукой?

Звонки горна

Гармоники воспроизводятся на флейте так же, как и на медных духовых инструментах: перебирая одну ноту и манипулируя амбушюром для получения более высоких частот, соответствующих гармонической серии.

Рассмотрим горн, самый простой из всех медных духовых инструментов. Это похоже на трубу, но без клапанов или других устройств, изменяющих высоту звука.Все управление высотой звука осуществляется путем изменения амбуша игрока, поскольку у горна нет другого механизма для управления высотой звука. Следовательно, горн ограничен нотами в пределах одной гармонической серии.

Горн используется в основном в армии для воспроизведения сигналов горна , коротких мелодий, указывающих на распорядок дня в лагере.

Так почему мы подняли рожок? Потому что звуки горна — это просто самое интересное упражнение на флейте! Выбрав тональность, в которой вы хотите играть, вы можете играть полные мелодии, даже не двигая пальцем.

Звонки Bugle используют только пять нот: 2 , 3 , 4 , 5 и 6 гармоники. Однако, вопреки тому, что вы думаете, их довольно много на выбор.

Мы подготовили сборник самых популярных звуковых сигналов, которые все еще используются сегодня, стараясь поставить на первое место самые простые. Вот он:

Обратите внимание, что для большей читабельности ноты были написаны на октаву ниже их фактического звука.

Хотя по общему правилу звонки всегда оцениваются в C, вы можете играть их в любой удобной для вас тональности: B, C, C #, D или (более сложный) Eb. (Тональность E также возможна, если вы знаете небольшую хитрость: в этой тональности шестая гармоника выходит намного легче, если вы поднимете правый мизинец.)

Дальнейшие исследования

Если вы любите играть на гармониках, вам обязательно стоит купить копию Роберта Дика. Развитие тона Через расширенные методы .Среди множества других очень интересных тем, в нем есть целая глава, посвященная естественным гармоникам, со многими упражнениями, которые помогут вам развить силу и чувствительность амбушюра.

Гармоники

, часть 1 — Введение в гармоники и BLE

2 марта 2018 г. Автор: Чарли Келлерман

Добро пожаловать в первую часть блога, состоящего из двух частей, созданного командой Punch Through! Мы надеемся, что этот раздел из двух частей поможет познакомить читателей с темой, в которой Punch Through лучше всех.Этот пост в блоге призван помочь вам лучше понять, что такое гармоники, откуда они берутся, как они связаны с Bluetooth Low Energy (BLE) и как заставить их уйти, чтобы вы могли снова мечтать о радугах и единорогах, пока ваш продукт делает вам $ тесто $. Определение будущих проблем и знание того, куда обратиться за помощью, — важнейший путь к успеху, и Punch Through здесь, чтобы помочь!

Вот обзор тем, которые будут затронуты в каждой публикации из двух частей:

Гармоники, часть 1 (эта часть) — Введение в гармоники и BLE
  • Что такое паразитные гармонические излучения и почему они могут быть плохими? Назад к основам
Гармоники, часть 2 — Определение источника гармоник
  • Как генерируются гармоники и как их уменьшить? Немного больше технических вопросов
Это сообщение в блоге зовет ваше имя, если:
  • Вы слышали термины «гармонические», «паразитные» или «выбросы», которые используются в электронной промышленности, и задаетесь вопросом, о чем это.
  • Гармоническая эмиссия когда-то вызывала кошмары из-за продукта BLE, который вы разрабатывали.
  • Вы никогда в жизни не слышали ни о чем из этого и просто жаждете знаний — не волнуйтесь, мы рассмотрим основы гармоник и BLE, чтобы вы ушли сытым.

Приступим!

Что такое электромагнитное поле?

Bluetooth-устройства среди другой электроники, использующей такие технологии, как Wi-Fi, сотовая связь и GPS, обмениваются данными по беспроводной сети.Все эти устройства обеспечивают беспроводную связь, используя свойства электромагнитного (ЭМ) излучения электрических проводников, описанные старым добрым Джеймсом Клерком Максвеллом:

Рисунок 1

Когда электрический заряд прикладывается к проводнику, такому как провод, и ток течет по проводнику, он всегда создает электрическое поле и магнитное поле . Когда эти два поля объединяются, они называются полем EM .Электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде волн, как свет. Фактически, видимый свет — это просто еще один класс электромагнитных волн, которые составляют лишь небольшую часть всего электромагнитного спектра. Спектр состоит из всех электромагнитных полей на всех длинах волн — длины волн видимого света на , что на короче, чем радиоволны (примерно в 10 000 раз короче, чем ваша обычная длина волны связи 2,4 ГГц). Волнистые диаграммы на рисунках 2 и 3 изображают электромагнитное поле, движущееся в пространстве:

Рисунок 2 Рисунок 3

Рискуя отправить вас в глубокую темную кроличью нору, пытаясь обернуть свой мозг вокруг квантовой физики, следует упомянуть, что электромагнитное поле проходит через пространство в форме фотонов.Фотоны — это частицы с нулевым зарядом и нулевой массой, которые движутся со скоростью света. Еще больше, и мозги превращаются в кашу, так что оставим все как есть.

Другими примерами электромагнитных волн, о которых вы, возможно, слышали, но не видите своими глазами, являются рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи и, наконец, что не менее важно: вышеупомянутые «радиоволны». Обратите внимание на разбивку электромагнитного спектра на рис. 4 по длинам волн, частотам и общепринятым названиям групп волн. Обратите внимание, что частота обратно пропорциональна длине волны:

  • λ [длина волны] = c [скорость света] / ƒ [частота]
Рисунок 4

[Изображение любезно предоставлено обсерваторией ALMA]

Различные радиотехнологии обычно работают на разных радиочастотах (RF) — Bluetooth работает на 2.4 ГГц (гигагерцы), Wi-Fi на частоте 2,4 или 5 ГГц, GPS обычно составляет 1575,42 МГц (мегагерцы), а сотовые устройства могут работать на многих разных частотах в диапазоне от 700 МГц до 2,6 ГГц в зависимости от вашего региона, мобильного телефона оператор связи и поддержка устройства.

В целях данного обсуждения мы сосредоточимся на радиомодулях Bluetooth Low Energy (BLE) и их рабочей частоте 2,4 ГГц или длине волны примерно 5 дюймов.

Как насчет побочного излучения?

Радиоволновая часть ЭМ спектра представляет ценность.Достаточно ценный до такой степени, что государственные органы жестко регулируют его использование. Федеральная комиссия по связи (FCC) является версией этого типа вышибалы для США. Если вы используете часть электромагнитного спектра (намеренно или непреднамеренно) до точки, где она заслуживает их расследования, они найдут вас и отключат. Они разделили электромагнитный спектр радиоволн на множество участков, некоторые из которых более слабо регулируются, чем другие. Один из наиболее слабо регулируемых участков спектра находится на 2.4 ГГц. Вот почему многие беспроводные устройства бытовой электроники работают на частоте 2,4 ГГц: устройства BLE, маршрутизаторы Wi-Fi, устройство открывания гаражных ворот и даже старый беспроводной телефон в вашем доме.

Радиостанции

BLE работают на частоте 2,4 ГГц, а точнее — где-то между 2,402 ГГц и 2,480 ГГц в любой момент времени. Этот частотный диапазон разделен на 40 «каналов» в случае BLE. В случае Wi-Fi, который может работать в том же частотном диапазоне, он делится только на три «более широких» канала. На рисунке 5 показано очень распространенное и полезное изображение распределения частот BLE и Wi-Fi.Частоты рекламных каналов BLE были специально разработаны для существования между тремя каналами Wi-Fi. Когда два устройства BLE находятся в беспроводном соединении друг с другом, они постоянно «переключаются» между оставшимися 37 каналами, разговаривая друг с другом. Такое переключение каналов помогает избежать помех, вызванных соседним устройством Wi-Fi, использующим один из трех более широких каналов, или другими соседними устройствами BLE.

Рисунок 5

На данный момент мы установили, что устройства BLE намеренно создают электромагнитное излучение на любой частоте от 2 до 2.402 ГГц и 2,480 ГГц, и FCC не хочет, чтобы устройства BLE создавали электромагнитное излучение где-либо за пределами этого диапазона частот.

A побочное излучение классифицируется как любое электромагнитное излучение на частоте, которая не излучается намеренно, особенно в контексте электроники, которая намеренно излучает одну или несколько частот. FCC требует, чтобы вся электроника проходила тестирование, чтобы гарантировать, что они не излучают электромагнитные волны чрезмерной интенсивности на всех частотах, кроме тех, которые излучаются преднамеренно — это известно как тестирование на электромагнитную совместимость (EMC) .На рисунке 6 показан такой тест для беспроводного устройства, работающего на заданной частоте и полосе пропускания. Частоты начала / окончания доменов, помеченных как внеполосные (OoB) излучения , являются функцией ширины полосы сигнала. Домены, обозначенные как побочные излучения , непрерывно проходят за края изображения. Например, если ширина полосы сигнала составляет BW , , то в типичных случаях область внеполосных излучений начинается с ƒ 0 +/- 0,5 * ƒ BW , а область побочных излучений начинается с . ƒ 0 +/- 2.5 * ƒ BW . Если уровень мощности в любом из этих доменов превышает предел мощности домена, ваше устройство не пройдет тест, и его необходимо исправить, прежде чем его можно будет использовать.

Рисунок 6

А гармоническое побочное излучение?

Побочные излучения — это любое электромагнитное излучение, которое генерируется электронным устройством, когда электронное устройство не генерирует электромагнитное излучение намеренно. Гармоническое побочное излучение — это просто особый тип побочного излучения.В контексте нормативной сертификации, такой как FCC, это обычно применяется к беспроводной электронике, которая намеренно генерирует электромагнитное излучение на одной или нескольких частотах. Гармоника — это просто любое целое число, кратное одной частоте — эту частоту обычно называют основной частотой или иногда первой гармоникой . Таким образом, ваша основная частота ( ƒ 0 ) гармоник будет:

  • 1 st гармоника = 1 x ƒ 0 = основная частота
  • 2 nd гармоника = 2 x ƒ 0
  • n th гармоника = nx ƒ 0

В зависимости от частотыграфик мощности, основная частота 0 с гармониками до 6-й гармоники будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке 7. Обратите внимание, что есть и другие негармонические побочные излучения, но они вполне могут быть гармоники, возникающие из какой-то другой основной частоты.

Рисунок 7

Но чем вредны побочные излучения?

Давайте начнем с утверждения, что не все побочные излучения являются «плохими». Иногда основная частота на самом деле является намеренно созданной гармоникой некоторой более низкой частоты.Эти «уловки» обычно используются при проектировании радиочастот.
Однако в контексте нежелательных побочных излучений они плохи. Эти побочные излучения существуют всегда, но они не всегда могут быть основным PITA.

По мнению FCC, они не хотят, чтобы электронные устройства излишне переполняли электромагнитный спектр непреднамеренно созданным электромагнитным излучением. Если электронный продукт генерирует слишком много электромагнитного излучения на некоторой непреднамеренной частоте, он может воздействовать по беспроводной сети или создавать помехи другому электронному продукту, намеренно использующему ту же частоту.FCC установила определенные ограничения для всех частот спектра, чтобы избежать этого типа помех и загрязнения электромагнитного спектра. Устройство радиочастотных помех (которое является незаконным в Соединенных Штатах) является примером электронного устройства, которое злонамеренно использует электромагнитные помехи, генерируя высокие уровни электромагнитного излучения на определенной частоте или в широком диапазоне частот для снижения производительности ближайших беспроводных сетей. электроника.

В глазах разработчика беспроводной электроники побочные излучения могут вызвать головную боль, помимо непрохождения нормативного тестирования — конечно, образно говоря, если они не вызывают у вас достаточно стресса.Иногда побочные излучения, генерируемые беспроводной электроникой, недостаточно серьезны, чтобы превышать пределы, установленные FCC, но они все же существуют. И если они существуют на нужной частоте, в нужное время и с нужной интенсивностью, они могут начать «заглушать» электронный приемник, эффективно делая его менее чувствительным к низким уровням сигнала. По сути, это тот же эффект, который устройство подавления оказывает на бедную беззащитную жертву радиосвязи, и его обычно называют «защитой приемника», «самоглушением», «самоинтерференцией» или «самозатуханием» (возможно, наиболее подходящим) по сравнению со стрельбой себе в ногу).На рисунке 8 показан этот сценарий самозатухания. Не вдаваясь в подробности, потери на трассе в свободном пространстве (FSPL) — это просто, сколько мощности теряется между источником сигнала и приемником сигнала из-за расстояния, на которое сигнал проходит по воздуху; с увеличением расстояния потери мощности увеличиваются. В крайнем левом углу изображена рождественская елка, которая выглядит как «тестовая» антенна на излучение, а антенна «устройства» радиоэлектроники показана слева. «Зашумленная ИС» излучает нежелательные излучения с уровнем мощности -70 дБмВт.Зашумленная ИС намного ближе к антенне устройства, чем тестовая антенна, таким образом, излучение -70 дБмВт от зашумленной ИС ослабляется воздухом только на 10 дБ по сравнению с ослаблением 60 дБ в направлении более удаленной тестовой антенны. Уровень мощности шума, принимаемый испытательной антенной, составляет -70 дБм минус 60 дБ = -130 дБм, что меньше, чем предел излучения, установленный FCC, равный -100 дБм, поэтому электроника проходит испытание FCC на излучение. Уровень мощности шума, принимаемый антенной устройства, составляет -70 дБм минус 10 дБ = -80 дБм.Это плохо для радиоприемника, потому что в идеальных условиях он способен обнаруживать сигналы связи до очень небольшого уровня мощности -110 дБмВт. Однако, поскольку радиостанция принимает уровень шума -80 дБмВт, он больше не может обнаруживать сигналы связи ниже -80 дБмВт. Иначе говоря, чувствительность радиоприемника -110 дБмВт подавляется на 30 дБ, и теперь эффективная чувствительность приемника составляет -80 дБмВт.

Рисунок 8

Непреднамеренный радиатор vs.преднамеренный радиатор

Как упоминалось ранее, побочное излучение — это просто электромагнитное излучение, которое не создается намеренно электронным устройством, особенно электроникой, которая «намеренно излучает» определенные частоты. Большинство современных электронных устройств подпадают под одну из следующих категорий, определенных FCC: «непреднамеренные излучатели» и «преднамеренные излучатели». Преднамеренные излучатели — это упомянутые электронные устройства, которые намеренно излучают определенные частоты, такие как устройства BLE.И наоборот, непреднамеренные излучатели — это «все» другие электронные устройства, которые намеренно не генерируют электромагнитную энергию для целей беспроводной связи. Конечно, есть исключения, когда электроника не попадает ни в одну из этих двух категорий или на нее не распространяются правила, установленные для устройств из этих категорий, но мы проигнорируем их в данном обсуждении.

FCC требует, чтобы «вся» электроника проходила тестирование, определенное для категории непреднамеренных радиаторов. Основной тест для электроники, попадающей в эту категорию, измеряет паразитные излучения в диапазоне от 30 МГц до 1000 МГц.Эти тесты обычно включают несколько единиц специального (т.е. дорогостоящего) оборудования для измерения выбросов от электронного устройства или испытываемого оборудования (EUT):

  • Тестовая антенна (логопериодическая или рупорная) для приема побочных излучений, исходящих от испытуемого электронного оборудования (EUT) — эта тестовая антенна обычно размещается на расстоянии 3 или 10 метров от EUT:
Рисунок 9
  • Анализатор спектра для измерения мощности паразитных излучений, регистрируемых испытательной антенной:
Рисунок 10

[Изображение любезно предоставлено Rohde & Schwarz]

  • Малошумящий усилитель (LNA) для усиления слабой РЧ-энергии, улавливаемой испытательной антенной, чтобы анализатор спектра действительно мог обнаруживать РЧ-энергию, исходящую от EUT:
Рисунок 11

[Изображение предоставлено Kuhne electronic]

  • Большая безэховая комната с радиочастотным излучением, изолированная от внешних радиоволн — по сути, это комната с металлическим потолком, стенами и полом с материалом на стенах, который поглощает радиочастотную энергию.Эту комнату потенциально можно заменить большим открытым полем в сельской местности (вдали от любых источников радиочастотной энергии, таких как вышки сотовой связи и бытовая электроника).
Рисунок 12

Во время этих испытаний выбросы от EUT должны быть измерены под всеми углами в одной плоскости. Иначе говоря, выбросы следует измерять, пока EUT медленно вращается на 360˚. Обычно это делается путем помещения EUT на медленно вращающийся поднос. В качестве альтернативы вы можете сделать это вручную, выполнив измерение, слегка повернув EUT рукой, сделав еще одно измерение и повторяя его, пока не будут измерены все 360˚.Не идеально. Затем, по-прежнему направляя испытательную антенну на EUT, поверните антенну на 90 ° и снова начните вращение EUT на 360 °. http://i.imgur.com/RGz3IET.gifv

EUT должно постоянно работать в активном состоянии, пока это испытание сканирует непреднамеренные излучения; Если электроника содержит радиоприемник, который может намеренно генерировать электромагнитное излучение, он должен быть установлен в режим «только прием», когда он не передает электромагнитную энергию. Иногда уровень мощности побочных излучений vs.частота выглядит довольно «тихой» и скучной, как график, показанный на рисунке 13. Когда это происходит, основная линия тренда кривой является «минимальным уровнем шума» измерительного оборудования — фоновым шумом. Даже при отсутствии EUT в испытательной камере испытательное оборудование будет измерять этот минимальный уровень шума.

Рисунок 13

Хотя часто, даже когда дизайн создается с особым вниманием к контролю электромагнитного излучения, он выглядит так, как это 2spooky4me , но все же выходит за пределы ограничений FCC:

Рисунок 14

В дополнение к испытаниям на непреднамеренное излучение радиатора, FCC требует, чтобы электроника преднамеренного радиатора подвергалась дальнейшим испытаниям, определенным специально для их предполагаемой частоты работы.Основной тест, который нас интересует в этом обсуждении, — это сканирование преднамеренного побочного излучения излучателя, в то время как EUT непрерывно излучает РЧ-мощность на предполагаемой частоте передачи.

В случае BLE, который может передавать по любому из 40 каналов от 2,402 ГГц до 2,480 ГГц, FCC требует, чтобы сканирование преднамеренных побочных излучений выполнялось три отдельных раза, в то время как ваше устройство настроено на непрерывную передачу на канале с самой низкой частотой (2,402 ГГц), канал средней частоты (2.440 ГГц) и канал с самой высокой частотой (2,480 ГГц). Наиболее частый отказ в этом тесте происходит из-за того, что паразитные гармонические излучения, упомянутые ранее (2 , 3 ,… n гармоники основной передачи 2,4 ГГц), являются слишком высокими. На рисунке 15 показано, как может выглядеть обычное тестовое сканирование (превышающее ограничения FCC). Обратите внимание, что основная частота 2,44 ГГц выше линии предельного уровня побочных излучений, и это нормально, потому что ограничение не применяется к основной частоте.2 и 3 гармоники проявляются на частотах 4,88 ГГц и 7,32 ГГц, но ниже допустимых пределов.

Рисунок 15

До следующего раза…

Весь процесс тестирования EMC, требуемый FCC (и регулирующими органами в странах, кроме США), может быть очень обременительным для людей, проходящих его в первые несколько раз, даже если их продукт успешно проходит все тесты. Punch Through готов помочь на любом этапе процесса! Мы успешно помогли многим нашим клиентам начать поставки своих продуктов, помогая им устранять серьезные проблемы с электромагнитной совместимостью — подробнее об этом будет во второй части этого сообщения в блоге!

Продолжите с Гармоники Часть 2 — Определение источника гармоники!

Хотите узнать больше?

Мы группа инженеров, которые любят учиться и преподавать.Если вам интересно узнать больше о нас, о том, как мы работаем и почему мы делаем то, что делаем, зацените нас!

речи | Язык, голосовое управление, анатомия и физиология

Дыхательные механизмы

Раскройте науку о преобразовании звуков в речь

Речь — это способность производить артикулированные звуки, которые при смешивании образуют язык.

Создано и произведено QA International. © QA International, 2010.Все права защищены. www.qa-international.com Посмотрите все видеоролики к этой статье

Человеческая речь обслуживается с помощью меховидного респираторного активатора, который вырабатывает движущую энергию в виде воздушного потока; генератор звуковых сигналов в гортани (нижняя часть горла) для преобразования энергии; звукоформирующий резонатор в глотке (выше в горле), где формируется индивидуальный образец голоса; и речевой артикулятор в полости рта (рта). Обычно, но не обязательно, четыре структуры работают в тесной координации.Слышимая речь без голоса возможна во время бесшумного шепота, а также может быть фонирование без устной артикуляции, как в некоторых аспектах йодлинга, которые зависят от изменений глотки и гортани. Для чтения по губам можно использовать тихую артикуляцию без дыхания и голоса.

Ранним достижением экспериментальной фонетики примерно в конце 19 века было описание различий между спокойным дыханием и звуковым (говорящим) дыханием. Обычно человек дышит примерно 18–20 раз в минуту во время отдыха и гораздо чаще в периоды больших усилий.Спокойное дыхание в состоянии покоя, а также глубокое дыхание при физической нагрузке характеризуются симметрией и синхронностью вдоха (вдоха) и выдоха (выдоха). Вдох и выдох одинаково продолжительны, одинаково глубоки и переносят одинаковое количество воздуха в течение одного и того же периода времени, примерно пол-литра (одна пинта) воздуха на вдох в состоянии покоя у большинства взрослых. Записи (сделанные с помощью устройства, называемого пневмографом) дыхательных движений во время покоя представляют собой кривую, на которой пики сменяются впадинами с довольно регулярным чередованием.

Звуковое дыхание другое; вдох намного глубже, чем во время отдыха, и намного быстрее. После того, как человек сделает этот глубокий вдох (один или два литра воздуха), звуковой выдох будет продолжаться медленно и довольно регулярно, пока длится устное высказывание. Подготовленные ораторы и певцы могут произносить звук на одном дыхании не менее 30 секунд, часто до 45 секунд, а в исключительных случаях — до одной минуты. Период, в течение которого можно удерживать тон на одном дыхании с умеренным усилием, называется максимальным временем фонации; этот потенциал зависит от таких факторов, как физиология тела, состояние здоровья, возраст, размер тела, физическая подготовка и компетентность гортанного генератора голоса, то есть от способности голосовой щели (голосовых связок и промежутка между ними) преобразовать движущуюся энергию дыхательного потока в слышимый звук.Заметное сокращение времени фонации характерно для всех заболеваний и нарушений гортани, которые снижают точность закрытия голосовой щели, при которой связки (голосовые связки) сближаются для фонации.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Дыхательные движения при бодрствовании и сне, в состоянии покоя и на работе, при молчании и разговоре постоянно регулируются нервной системой. Конкретные дыхательные центры в стволе мозга регулируют детали дыхательной механики в соответствии с потребностями организма в данный момент.И наоборот, воздействие эмоций сразу же слышно, как дыхание приводит в действие звуковой генератор; робкий голос страха, лающий голос ярости, слабая монотонность меланхолии или хриплая горячность во время волнения — примеры. И наоборот, многие органические заболевания нервной системы или дыхательного механизма проецируются на звук голоса больного. Некоторые формы заболеваний нервной системы вызывают дрожь в голосе; голос астматических звуков был затрудненным и прерывистым; Некоторые типы заболеваний, поражающие часть мозга, называемую мозжечком, вызывают учащенное и напряженное дыхание, так что голос становится очень низким и хрипящим.Такие наблюдения привели к традиционной практике обучения вокалу, который начинается с упражнений на правильное дыхание.

Механизм звукового дыхания включает три типа дыхания: (1) преимущественно грудное дыхание (главным образом за счет подъема грудной клетки), (2) преимущественно брюшное дыхание (посредством заметных движений брюшной стенки), (3) оптимальное сочетание обоих (с расширением нижней части груди). Самка использует преимущественно верхнее дыхание грудной клетки, а самец — брюшное дыхание.Многие голосовые тренеры подчеркивают идеальное сочетание грудного (грудного) и брюшного дыхания для экономии движений. Любое преувеличение одной конкретной привычки дыхания непрактично и может повредить голос.

Вопрос о том, что делает мозг, чтобы заставить рот говорить или писать от руки, все еще не полностью изучен, несмотря на быстро растущее число исследований, проводимых специалистами во многих областях, включая неврологию, психологию, психолингвистику, нейрофизиологию, афазиологию, патологию речи, кибернетику и т. и другие.Однако в результате такого исследования появилось базовое понимание. В эволюции одной из древнейших структур мозга является так называемая лимбическая система, которая развивалась как часть обонятельного (обонятельного) чувства. Он пересекает оба полушария в направлении спереди назад, соединяя многие жизненно важные центры мозга, как если бы он был основной магистралью для распределения энергии и информации. Лимбическая система включает в себя так называемую ретикулярную активирующую систему (структуры в стволе мозга), которая представляет собой главный мозговой механизм возбуждения, например, от сна или от отдыха к активности.У людей все действия, связанные с мышлением и движением (выражающиеся в устной или письменной речи), требуют управления корой головного мозга. Более того, у людей функциональная организация корковых областей мозга фундаментально отличается от таковой у других видов, что приводит к высокой чувствительности и отзывчивости к гармоническим частотам и звукам с высотой звука, которые характеризуют человеческую речь и музыку.

Изучите метод поражения Брока для картирования активности мозга у людей и узнайте, как исследования нарушений мозга в области Брока помогают развить научное понимание познания.

Узнайте о мозге и о том, как исследования заболеваний мозга, таких как афазия, вызванная повреждением Брока. области — помогли продвинуть научное понимание познания.

© MinuteEarth (партнер по изданию Britannica) Посмотреть все видео к этой статье

В отличие от животных, люди обладают несколькими языковыми центрами в доминантном полушарии головного мозга (слева у человека, который явно правша). Ранее считалось, что у левшей доминирующее полушарие находится на правой стороне, но недавние открытия показывают, что у многих левшей языковые центры более равномерно развиты в обоих полушариях или что левое полушарие мозга действительно является доминирующим. .Стопа третьей лобной извилины коры головного мозга, называемой зоной Брока, участвует в моторной выработке всех движений для выразительной речи. Его разрушение в результате болезни или травмы вызывает выраженную афазию, неспособность говорить или писать. Задняя треть верхней височной извилины представляет собой зону рецептивного понимания речи Вернике. Повреждение этой области вызывает восприимчивую афазию, неспособность понимать, о чем говорят или пишут, как если бы пациент никогда не знал этого языка.

Боковая поверхность левого полушария головного мозга.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Область Брока окружает и служит для регулирования функции других частей мозга, которые инициируют сложные паттерны движений тела (соматомоторная функция), необходимые для выполнения определенного двигательного акта. Глотание — это врожденный рефлекс (присутствующий при рождении) в соматодвигательной области в отношении рта, горла и гортани. Из этих клеток моторной коры головного мозга возникают волокна, которые в конечном итоге соединяются с черепными и спинномозговыми нервами, которые контролируют мышцы устной речи.

В противоположном направлении волокна внутреннего уха имеют первую ретрансляционную станцию ​​в так называемых акустических ядрах ствола мозга. Отсюда импульсы от уха восходят через различные регулирующие ретрансляционные станции для акустических рефлексов и направленного слуха к кортикальной проекции слуховых волокон на верхней поверхности верхней височной извилины (на каждой стороне коры головного мозга). Это корковый центр слуха, в котором воздействие звуковых стимулов становится осознанным и понятным.Окружая эту аудиосенсорную область первоначального грубого распознавания, внутренняя и внешняя аудиопсихические области простираются по остальной части височной доли мозга, где звуковые сигналы всех видов запоминаются, понимаются и полностью оцениваются. Область Вернике (задняя часть наружной слухопсихической области), по-видимому, исключительно важна для понимания звуков речи.

Целостность этих языковых областей в коре кажется недостаточной для беспрепятственного производства и восприятия языка.Корковые центры взаимосвязаны с различными подкорковыми областями (глубже в головном мозге), например, для эмоциональной интеграции в таламус и для координации движений в мозжечке (задний мозг).

Все существа мгновенно регулируют свои действия, сравнивая их с тем, что должно было быть, с помощью так называемых механизмов обратной связи, затрагивающих нервную систему. Слуховая обратная связь через ухо, например, сообщает говорящему о высоте, громкости и интонации его голоса, точности артикуляции, выборе подходящих слов и других слышимых особенностях его произнесения.Другая система обратной связи через проприоцептивное восприятие (представленное сенсорными структурами в мышцах, сухожилиях, суставах и других движущихся частях) предоставляет постоянную информацию о положении этих частей. Ограничения этих систем снижают качество речи, что наблюдается в примерах патологии (глухота, паралич, недоразвитие).

Насколько гармоничны гармоники?

Для заключительной части эксперимента возьмите поклон и поклонитесь негармонической строка. Если масса не слишком большая, и особенно если у вас хороший управление смычком, вы сможете воспроизвести хорошую музыкальную ноту с четким подача.Почему так? В разделе Луки и струнных, мы объясняем, как прерывистое скольжение смычка на струна производит периодическую вибрацию — это вибрация, которая повторяется сам точно каждый цикл, и поэтому имеет спектр точных гармоник.

Сумма гармонических колебаний представляет собой периодические колебания. Это это половина теоремы Фурье, и это легко увидеть. Пусть фундаментальные частота f имеет период T. Вторая гармоника с частотой 2f имеет период T / 2, так что после одного колебания основной гармоники (после времени T) вторая гармоника имела ровно два колебания, поэтому две волны готовы начать снова с точно такой же относительной позиции друг друга, поэтому они получат ту же комбинацию, что и для первого цикла фундаментального.То же верно для каждой гармоники nf, где n — целое число. По истечении времени T ровно n циклов n-я гармоника прошла, и все гармоники готовы к запуску снова для нового цикла. Это объясняется более подробно и с помощью диаграмм, в чем такое звуковой спектр? Гармонический ряд особенный, потому что любой сочетание его колебаний производит периодическую или повторяющуюся вибрацию на основной частоте f.Теперь верно и обратное: периодический вибрация имеет гармонический спектр. Это вторая половина Фурье Теорема, но ее сложнее показать.

Резонансы струн и трубок по своей природе не являются гармоническими. Идеальный, однородный, бесконечно тонкая или бесконечно гибкая струна имеет точно гармонические моды вибрации. То же самое и с идеальной однородной бесконечно тонкой трубой. Реальный струнных и дудок нет. Мы видели в эксперименте, что добавление массы — делает струну неоднородной — делает струну негармоничной.(По кстати, изношенные или грязные струны также негармоничны и их сложнее настроить. Поможет их мыть.) Для духовых инструментов вариации диаметра ствола, наличие тональных отверстий и других возмущений также означают, что их резонансы негармоничны.

Реальные струны также имеют негармонические резонансы, потому что они не бесконечны. тонкие или гибкие, поэтому не очень легко сгибаются на мосту и гайка. Эта жесткость на изгиб влияет на высшие моды больше, чем нижняя, поэтому гармоники растянуты на .Сплошные струны хуже намотанных струн, стальные струны хуже других, пианино — особенно пианино — хуже арф. Негармоничность исчезает при натяжении струн, но становится более заметным, когда они ощипываются или удаляются. Поскольку прерывистое скольжение лука носит периодический характер, он управляет всеми резонансами струны с точным гармоническим соотношением, даже если он должен немного сбить их с собственной частоты.Таким образом режим работы смычковой струны, играющей устойчивую * ноту, является компромиссом среди настроек всех (слегка негармонических) струнных резонансов. (Для технически подкованных людей это явление связано с сильной нелинейностью действия прерывистого скольжения. Это называется блокировкой режимов.)

Реальные трубы имеют негармонические резонансы из-за их конечного диаметра: конечные эффекты зависят от частоты. Дудочки музыкальных инструментов осложняются отклонениями от цилиндрической или конической формы (клапаны и тональные отверстия).Некоторые из этих осложнений предназначены для улучшения гармоничность, но результаты редко бывают идеальными. Однако для любой ноты губа или язычок выполняет ту же (сильно нелинейную) роль, что и лук: губа или язычок периодически вибрирует и таким образом производит гармонический спектр. Опять же, режим работы медных или деревянных духовых инструментов инструмент, играющий устойчивую * ноту, — это компромисс между настройками всех (слегка негармонических) трубных резонансов (снова синхронизация мод.)

* «устойчивый» здесь означает в течение очень долгого времени. Измерения частоты в конечном итоге ограничены принципом неопределенности музыканта (который почти совпадает с принципом неопределенности Гейзенберга, см. это объяснение). Если вы сыграете ноту в течение m секунд частоту его гармоник нельзя измерить с помощью точность более 1 / м Гц. Если ваш анализатор спектра измеряет всего за k секунд, он не может измерить намного точнее, чем примерно 1 / k Гц.

И последнее замечание: звуковые спектры кларнетов имеют тенденцию нечетные гармоники (основная, 3-я, 5-я и т. д.) и слабые четные гармоники (2-я, 4-й и т. Д.) В их нижнем регистре (но не в старших регистрах). Этот эффект обсуждается в «трубах» и гармоники «и» флейты против кларнетов ».

Вернуться к Часто задаваемые вопросы по музыкальной акустике .

Артикул: серия гармоник

Артикул: серия гармоник

теория.com использует файлы cookie. Используя наш сайт, вы соглашаетесь на использование файлов cookie. Прочтите нашу политику конфиденциальности для получения дополнительной информации. Закрыть

Когда мы слышим звук, издаваемый музыкальным инструментом, мы на самом деле слышим множество звуков, которые образуют гармонический ряд. В семнадцатом веке француз Жозеф Совер (1653-1716) и англичанин Томас Пиго (1657-1686) отметили, что струны колеблются по частям — явление, объясняющее, почему одна струна производит такое множество звуков.

На видео ниже показан спектральный анализ C на две октавы ниже среднего C (C2):

Примечания:

  • Мы написали ноты, соответствующие первым 16 гармоникам серии. Очевидно, что за этими первыми гармониками следует много гармоник.
  • Первая гармоника или основная гармоника не обязательно является самой сильной гармоникой.
  • Баланс между гармониками постоянно меняется. В сочетании с огромным количеством гармоник это объясняет трудности, с которыми мы сталкиваемся при синтезе звуков.
Важность гармонического ряда

Гармонический ряд определяет многие из наших интервалов. Ниже перечислены октава, пятая, четвертая, мажорная треть и минорная седьмая:

.

Мы можем вычислить математическое соотношение (или размер), разделив частоты нот. Здесь мы используем частоту некоторых гармоник для вычисления размера интервалов:

Коэффициент
Интервал От гармоник
Октава 130/65 = 2 1 и 2
Пятый 195/130 = 1.5 2 и 3
Четвертый 260/195 = 1,33 3 и 4
Главный третий 325/260 = 1,25 4 и 5
Малый седьмой 455/260 = 1,75 4 и 7

Интересно, что мы можем вычислить значения, используя номера гармоник:

Коэффициент
Интервал От гармоник
Октава 2/1 = 2 1 и 2
Пятый 3/2 = 1.5 2 и 3
Четвертый 4/3 = 1,33 3 и 4
Главный третий 5/4 = 1,25 4 и 5
Малый седьмой 7/4 = 1,75 4 и 7
Расчет частот

Математические соотношения могут использоваться для расчета частоты нот.Из A 440 мы вычисляем частоту C #, E и G:

А C # (мажорная треть) E (идеальный пятый) G (второстепенная седьмая)
440 440 x 1,25 = 550 440 х 1,5 = 660 440 x 1,75 = 770

Если разделить на математическое соотношение, мы получим убывающие интервалы. Здесь мы вычисляем частоту F, большую треть ниже A:




Твит Подписывайтесь на @teoriaEng

Частота, высота тона, обертоны, гармоники и тембр

Одним из моментов эврики, которые я испытал при изучении музыки, было то, когда я начал понимать гармонический ряд и то, как, в свою очередь, это связано с высотой звука, интервалами, гармонией, настройкой, формами волны, частотой и, наконец, тембр.

Эту тему затронул мой учитель по игре на фортепиано, когда я пытался расшифровать какую-то песню Чарльза Мингуса и боролся с этим. Чтобы обойти эту проблему, он познакомил меня с программой, замедляющей звук. Здесь стоит отметить, что мы не использовали Ableton Live или другие DAW, которые сохранили бы информацию о высоте звука.

Программа называлась Amazing Slow Downer и работала так же, как винил или кассета; если вы что-то замедляете, высота звука падает, если ускорять, высота звука увеличивается.

Мы обнаружили (или, скорее, я обнаружил, потому что Пит уже знал), что уменьшение скорости наполовину приводит к падению высоты тона на одну октаву, а удвоение скорости приводит к увеличению высоты тона на одну октаву; это был первый пример отношения высоты тона к скорости.

В статье я хочу обсудить несколько разных тем, которые так или иначе связаны между собой. Первая частота и ее отношение к высоте звука, наша система (системы) настройки и то, как мы пришли к ней, что такое обертоны и чем они отличаются от гармоник, что такое тембр и (надеюсь) какой смысл знать все это.

Частота

Я собираюсь оставить эту историю там и осветить наши следующие шаги после того, как расскажу несколько основ. В зависимости от того, насколько вы знакомы с отображением сигналов или использованием таких вещей, как LFO или фильтры, вы, возможно, уже встречали термин частота в музыкальных технологиях. Мы думаем об этом слове как о возникновении или количестве раз, когда что-то происходит, и, короче говоря, они означают одно и то же.

Звук — это колебания или колебания давления воздуха, воспринимаемые слушателем (так кто знает о дереве, которое падает в пустом лесу?).

При любом акустическом явлении молекулы воздуха толкаются вверх и вниз. Это создает (иногда) звуковое событие, которое наши уши могут обнаружить и определить определенную информацию, например, расстояние, высоту звука и относительное местоположение.

Число завершений цикла этими молекулами воздуха определяет его частоту . Это означает, что если что-то вибрирует быстрее, высота звука выше, а если медленнее, то высота звука ниже, вы поняли. Представьте, что едет мотоцикл или автомобиль — по мере того, как он ускоряет звук, звук двигателя увеличивается.

Все, Герц

Мы измеряем частоту в Герцах (названных в честь Генриха Рудольфа Герца), что сокращенно до Гц. 1 Гц — это один цикл в секунду. Вы можете увидеть графики, подобные приведенному ниже, где ось X представляет время, а ось Y измеряет амплитуду (которую вы сейчас можете понимать как объем, но есть разница, в которую мы пока не будем вдаваться).

Извините, пожалуйста, за мои плохие навыки работы с Photoshop и Illustrator, возможно, есть программа получше, которая может быть более точной!

Если в приведенном выше примере наше время составляет 1 секунду, то это волна 2 Гц, т.е.е он завершил 2 цикла за одну секунду.

Вы также можете заметить, что амплитуда измеряется как в положительном, так и в отрицательном направлении, биполярное измерение . Мы, вероятно, думаем о громкости как об однополярном или однонаправленном, то есть переходит от тихого к громкому — у меня нет времени, чтобы полностью понять, почему это так, но если вам интересно, вы можете узнать больше об амплитуде в вики.

Я понимаю, что амплитуда описывает силу волны. Мы можем думать о не звуковых волнах, таких как гравитационные, электромагнитные, сейсмические и т. Д.Амплитуда — это максимальное значение этих волн.

Кто-то из Yahoo Answers может объяснить это лучше, чем я:

Громкость используется для выражения (слышимого) звука и обычно основывается на логарифмической шкале в децибелах. Амплитуда может быть основана на любой шкале с величиной, такой как смещение или мощность / напряжение / ток и др. Следовательно, громкость — это амплитуда, а не наоборот.

Далее мы удвоим частоту:

За тот же промежуток времени, что и на изображении выше, волна завершает 4 цикла, что составляет частоту 4 Гц.

Шаги пожалуйста

Следует отметить, что все высоты звука являются частотами, но не все частоты являются высотой звука. Читатели постарше могут помнить радио AM и FM, описываемое в кГц (килогерц, 1000 Гц), или те из вас, кто знаком с LFO, могут знать, что их диапазон (обычно) составляет от 0,01 Гц до 20 Гц.

Наш слух находится в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, поэтому ничего, кроме этого, не слышно. В случае LFO они имеют тенденцию быть дозвуковыми (ниже человеческого слуха) и радиочастотами сверхзвуковыми (выше человеческого слуха).Вот почему спектральные анализаторы отображают диапазоны от 20 Гц до 20 кГц.

Давайте отойдем от абстрактной физики и подумаем об акустическом инструменте, так как это, возможно, легче понять. Гитара с нейлоновыми струнами — хорошее место для начала.

Возможно, вы знаете, что расстояние между гайкой и бриджем на гитаре — это тщательно измеренная длина, а 12-й лад находится ровно посередине между этими точками.

Выщипывание открытой струны А даст вам самую низкую ноту ля, возможную при стандартной настройке.Игра на той же струне с нажатым 12-м ладом даст вам ноту с удвоенной частотой ; на одну октаву вверх = двойная частота.

Открытая струна A имеет частоту 110 Гц, это означает, что за одну секунду эта струна будет колебаться 110 раз. Мы можем сделать вывод, что ля 12-го лада той же струны имеет частоту 220 Гц, что вдвое больше, чем у нашей открытой струны.

Вот кто-то играет Эрика Клэптона « Слезы на небесах » (среди прочего), снимая из-под струн на iPhone 4.Вы можете довольно четко видеть, как разные струны колеблются на разных частотах в зависимости от их высоты тона.

К сожалению, приведенное выше видео может быть не таким четким, как мы сначала думали, поскольку на Reddit ведутся различные дискуссии о частоте кадров камеры, алиасинге и всевозможных других причинах вышеуказанного явления. Вы можете прочитать это здесь, если хотите.

На самом деле, в группе теории музыки в Facebook Джим Харрисон указал мне, что видео не делает то, что утверждает:

Для зрительной системы человека (или телефона, если на то пошло) невозможно на самом деле «увидеть» колебания гитарной струны (или даже контрабаса, если на то пошло) так ясно, как это показано на видео.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.