Кіріспе

Уақыт бірлігіне болатын оқиғалар немесе циклдар саны. Жиілік (символ f), көбінесе герц (символ: Hz) арқылы өлшенеді, уақыт бірлігіне қайталанатын оқиғаның қайталану саны болып табылады. Нақтылық үшін және кеңістіктік жиіліктен ажырату мақсатында кейде оны уақытша жиілік деп те атайды. Қалыпты жиілік бұрыштық жиілікпен (символ ω, SI бірлігі секундына радиан) 2 есе байланысты. Период (символ T) – оқиғалар арасындағы уақыт аралығы, сондықтан период жиіліктің кері шамасы болып табылады: 1/f = T. Жиілік – ғылым мен инженерияда механикалық дірілдер, дыбыс сигналдары (дыбыс), радио толқындар және жарық сияқты осцилляциялық және дірілдемелі құбылыстардың жылдамдығын анықтау үшін қолданылатын маңызды параметр. Мысалы, егер жүрек минутына 120 рет (2 герц) соқса, соққылар арасындағы период – жарты секундқа тең (60 секунд 120 соққыға бөлінген).

Анықтамалар мен бірліктер

Циклдік құбылыстар үшін, мысалы тербелістер, толқындар немесе қарапайым гармоникалық қозғалыс мысалдары үшін, жиілік уақыт бірлігіне шамамен келетін циклдар немесе қайталаулар саны ретінде анықталады. Жиілік белгісі ретінде әдетте f немесе ν (грек әрпі "ню") қолданылады. T кезеңі – тербеліс немесе айналудың бір циклын аяқтауға қажетті уақыт. Жиілік пен кезең арасындағы байланыс теңдеу арқылы көрсетіледі.

Уақыттық жиілік термині жиіліктің уақыт бірлігіне қайталанатын оқиғалардың санымен сипатталатынын көрсету үшін қолданылады. Жиіліктің Халықаралық жүйедегі (СИ) бірлігі – герц (Гц), ол 1930 жылы неміс физигі Генрих Герцтің құрметіне Халықаралық электротехникалық комиссиясымен аталған. 1960 жылы Салмақтар мен өлшемдердің бас конференциясы (CGPM) бұл бірлікті қабылдап, бұрынғы атауды – секундына цикл (cps) – ресми түрде алмастырды. Кезеңнің СИ бірлігі, барлық уақыт өлшемдері сияқты, секундты құрайды. Айналатын механикалық құрылғылармен қолданылатын дәстүрлі жиілік бірлігі – минутына айналымдар саны (айналу жиілігі), ол r/мин немесе rpm деп белгіленеді. 60 айналым/мин бір герцке тең.

Санау

Қайталамалы оқиғаның жиілігін есептеу үшін белгілі бір уақыт кезеңінде оқиғаның қанша рет орын алғанын санап, содан кейін санау санын осы кезеңге бөлу керек. Мысалы, егер 15 секунд ішінде 71 оқиға орын алса, жиілік мынадай болады:

Егер санау саны тым көп болмаса, белгілі бір оқиғалар саны үшін уақыт аралығын өлшеу, белгілі уақыт ішіндегі оқиғалар санын санауға қарағанда дәлірек. Соңғы әдіс санауға нөл мен бір аралығында кездейсоқ қате енгізеді, яғни орташа есеппен жарты санау. Бұл қақпа қатесі деп аталады және есептелген жиіліктегі орташа қатеге немесе уақыт аралығы мен өлшенген жиіліктің бөлшек қатесіне алып келеді. Бұл қате жиілік артумен азаяды, сондықтан көбінесе төмен жиіліктерде, N санау саны аз болғанда проблема тудырады.

Стробоскоп

Бұрын айналып немесе дірілдеп тұрған заттардың жиілігін өлшеудің ескі әдісі – стробоскопты пайдалану еді. Бұл – калибрленген уақыт тізбегі арқылы жиілігі реттелетін, үнемі қайталап жанғыш жарық (строб жарығы). Строб жарығы айналып тұрған нысанға бағытталады және жиілігі жоғарылатылып, төмендетіледі. Стробтың жиілігі айналып немесе дірілдеп тұрған нысанның жиілігімен тең болғанда, нысан бір толық тербеліс циклын аяқтап, жарық импульстары арасында бастапқы қалпына оралады, сондықтан строб жарығымен жарықтандырылғанда нысан тұрғандай көрінеді. Содан кейін жиілікті стробоскоптың калибрленген дисплейінен оқуға болады. Бұл әдістің бір кемшілігі – стробтау жиілігінің толық еселігімен айналатын нысан да тұрғандай көрінеді.

Жиілік есептегіш

Жоғары жиіліктер әдетте жиілік есептегішпен өлшенеді. Бұл – қолданылатын қайталанатын электрондық сигналдың жиілігін өлшейтін және нәтижені цифрлық дисплейде герцтермен көрсететін электрондық құрал. Ол циклдар санын дәл кварцтық уақыт базасымен белгіленген уақыт аралығында санау үшін цифрлық логиканы пайдаланады. Электрлік емес циклдік процестер, мысалы, біліктің айналу жылдамдығы, механикалық дірілдер немесе дыбыс толқындары, түрлендіргіштер арқылы қайталанатын электрондық сигналға түрлендірілуі мүмкін, ал сигнал жиілік есептегішке қолданылады. 2018 жылғы мәліметтер бойынша, жиілік есептегіштер шамамен 100 ГГц-ға дейінгі диапазонды қамти алады. Бұл тікелей санау әдістерінің лимитін білдіреді; одан жоғары жиіліктерді тікелей емес әдістермен өлшеу қажет.

Гетеродиндік әдістер

Жиілік санағыштардың өлшем диапазонынан жоғары электромагниттік сигналдардың жиіліктері көбінесе жиілік түрлендіру (гетеродиндік араластыру) арқылы жанама түрде өлшенеді. Белгісіз жиілікке жақын белгілі жиіліктің эталондық сигналы, диод сияқты сызықтық емес араластыру құрылымында белгісіз жиілікпен араластырылады. Бұл екі жиіліктің айырмасына тең гетеродиндік немесе "соққы" сигналын тудырады. Егер екі сигналдың жиілігі жақын болса, гетеродиндік сигнал жиілік санағышпен өлшене алатындай төмен болады. Бұл әдіс белгісіз жиілік пен эталондық жиілік арасындағы айырманы ғана өлшейді. Жоғары жиіліктерді өлшеу үшін гетеродиндік араластырудың бірнеше сатыларын қолдануға болады. Қазіргі зерттеулер бұл әдісті инфрақызыл және жарық жиіліктеріне (оптикалық гетеродиндік анықтау) қолдануды кеңейтуде.

Жарық

Көрінетін жарық – кеңістікте тербелісті электр және магнит өрістерінен тұратын электромагниттік толқын. Толқынның жиілігі оның түсін анықтайды: 400 ТГц (4 Гц) – қызыл жарық, 800 ТГц (8 Гц) – күлгін жарық, ал осы екеуінің арасында (400–800 ТГц диапазонында) көрінетін спектрдің қалған барлық түстері орналасқан. 4 Гц-тен төмен жиілікті электромагниттік толқын адам көзімен көрінбейді; мұндай толқындар инфрақызыл (ИК) сәулелену деп аталады. Одан да төмен жиіліктегі толқын микротолқын, ал одан да төменгі жиілікте – радиотолқын деп аталады. Сол сияқты, 8 Гц-тен жоғары жиілікті электромагниттік толқын да адам көзіне көрінбейді; мұндай толқындар ультракүлгін (УФ) сәулелену деп аталады. Одан да жоғары жиілікті толқындар рентген сәулелері, ал одан да жоғары жиілігі – гамма сәулелері деп аталады. Бұл толқындардың барлығы – ең төменгі жиілікті радиотолқындардан бастап ең жоғары жиілікті гамма сәулелеріне дейін – негізінен бірдей және олардың барлығы электромагниттік сәулелену деп аталады. Олардың барлығы вакуумда бірдей жылдамдықпен (жарық жылдамдығымен) қозғалады, бұл олардың толқын ұзындығын жиіліктеріне кері пропорционалды етеді, мұндағы c – жарық жылдамдығы (вакуумда c, ал басқа ортада одан кем), f – жиілік және λ – толқын ұзындығы. Дисперсиялық ортада, мысалы, шыныда, жылдамдық жиілікке шамалы тәуелді болады, сондықтан толқын ұзындығы жиілікке толық кері пропорционалды емес.

Дыбыс

Дыбыс ауада немесе басқа орталарда қысым мен орынның механикалық тербеліс толқындары ретінде таралады. Дыбыстың жиілік құрауы оның "түсін", яғни тембрін анықтайды. Дыбыстың жиілігі (жеке түрде) айтылғанда, оның тонының ең маңызды қасиетін білдіреді. Естілетін жиіліктер құлақтың қабылдауына шектеулі. Адамдар үшін естілетін жиілік диапазоны әдетте 20 Гц-тен 20 000 Гц-ке (20 кГц) дейін деп беріледі, бірақ жас өскен сайын жоғары жиілікті қабылдау шегі төмендейді. Басқа түрлердің есту диапазоны әртүрлі. Мысалы, кейбір ит тұқымдары 60 000 Гц-ге дейінгі дірілдерді сезе алады. Көптеген орталарда, мысалы ауада, дыбыс жылдамдығы жиілікке шамалы ғана тәуелді, сондықтан дыбыс толқынының ұзындығы (қайталану арасындағы қашықтық) жиілікке кері пропорционал.

Сызық ағыны

Еуропа, Африка, Австралия, Оңтүстік Американың оңтүстігі, Азияның көп бөлігі және Ресейде үй шаруалық электр розеткаларындағы айнымалы ток жиілігі 50 Гц (G тонына жуық), ал Солтүстік Америкада және Оңтүстік Американың солтүстігінде үй шаруалық электр розеткаларындағы айнымалы ток жиілігі 60 Гц (B және B тондарының арасында, яғни еуропалық жиіліктен кіші үштен бір бөлігі). Аудиожазбадағы «гул» жиілігі жазбаның осы жалпы аймақтардың қайсысында жасалғандығын көрсетуі мүмкін.

Апериодикалық жиілік

Апериодикалық жиілік – радиоактивті ыдырау сияқты кездейсоқ процестерді қоса алғанда, циклдық емес құбылыстардың туындау немесе орын алу жиілігі. Ол кері секунд (с−1) немесе, радиоактивтілік жағдайында, бекерель бірлігімен өрнектеледі. Ол f = N/Δt формуласымен анықталады, мұнда N – белгілі бір уақыт аралығында (Δt) есептелген нысандардың саны немесе болған оқиғалардың саны; бұл – уақытша шама ретіндегі физикалық шама.