Содержание

Гармоники. Кто они такие? Что они делают?

Что такое гармоники?

Гармоники позволяют представлять любую периодическую форму волны . Действительно, согласно теореме Фурье любая периодическая функция периода T может быть представлена ​​в виде суммирования:

Гармоники. Кто они такие? Что они делают? (фото: ElPaso TubeAmps через Youtube)

  • Синусоида с тем же периодом T ;
  • Некоторые синусоиды с той же частотой, что и целые кратные фундаментальной;
  • Возможная непрерывная компонента, если функция имеет среднее значение, не равное нулю за период.

Гармоника с частотой, соответствующей периоду исходной формы волны, называется фундаментальной, а гармоника с частотой, равной «n», больше, чем фундаментальная, называется гармонической составляющей порядка «n» .

Совершенно синусоидальная форма волны, соответствующая теореме Фурье, не представляет гармонических составляющих порядка, отличных от фундаментального.

Поэтому понятно, что в электрической системе отсутствуют гармоники, когда сигналы тока и напряжения являются синусоидальными. Напротив, наличие гармоник в электрической системе является показателем искажения формы напряжения или тока, и это подразумевает такое распределение электрической мощности, которое может вызвать неисправность оборудования и защитных устройств.

Подводя итог: гармоники – это не что иное, как компоненты искаженной формы волны, и их использование позволяет анализировать любую периодическую несинусоидальную форму волны через различные компоненты синусоидальной формы сигнала.

На рисунке 1 ниже показано графическое представление этого понятия.

Рисунок 1 – Графическое представление гармоник

Как генерируются гармоники?

Гармоники генерируются нелинейными нагрузками . Когда мы применяем синусоидальное напряжение к нагрузке этого типа, мы получим ток с несинусоидальной формой волны.

Диаграмма на рисунке 2 иллюстрирует пример несинусоидальной формы волны тока из-за нелинейной нагрузки:

Рисунок 2 – Слева: Форма линейной нагрузки; Вправо: сигнал нелинейной нагрузки

Этот несинусоидальный сигнал может быть деконструирован в гармоники . Если импеданс сети очень низок, искажение напряжения, возникающее из-за гармонического тока, также слишком низкое и редко превышает уровень загрязнения, уже присутствующий в сети. Как следствие, напряжение может оставаться практически синусоидальным и при наличии токовых гармоник.

Чтобы функционировать должным образом, многие электронные устройства нуждаются в определенной форме тока и, следовательно, им приходится «вырезать» синусоидальную форму волны, чтобы изменить ее среднеквадратичное значение или получить постоянный ток от альтернативного значения. В этих случаях ток на линии имеет несинусоидальную кривую.

Основным оборудованием, генерирующим гармоники, являются:

  • Персональный компьютер
  • Флюоресцентные лампы
  • Статические преобразователи
  • Группы непрерывности
  • Преобразователи частоты
  • Сварщики

В общем случае искажение формы волны обусловлено наличием мостовых выпрямителей (внутри этого оборудования), полупроводниковые приборы которых переносят ток только на долю всего периода, что приводит к возникновению прерывистых кривых с последующим введением многочисленных гармоник.

Также трансформаторы могут быть причиной гармонического загрязнения. Фактически, применяя совершенно синусоидальное напряжение к трансформатору, оно приводит к синусоидальному потоку намагничивания, но из-за явления магнитного насыщения железа ток намагничивания не должен быть синусоидальным.

На рисунке 3 показано графическое изображение этого явления:

Рисунок 3 – Феномен магнитного насыщения трансформаторного железа

Результирующая форма волны намагничивающего тока содержит многочисленные гармоники, наибольшая из которых является третьей. Однако следует отметить, что ток намагничивания, как правило, представляет собой небольшой процент от номинального тока трансформатора, и эффект искажения становится все более и более незначительным, поскольку наиболее нагруженными являются результаты трансформатора.

5 действительно приятных эффектов гармоник

Основными проблемами, вызванными гармоническими токами, являются //

1. Перегрузка нейтралов
2. Увеличение потерь в трансформаторах
3. Увеличение скин-эффекта

Основными эффектами гармонических напряжений являются //

4. Напряжение
5. Нарушения крутящего момента асинхронных двигателей

1. Перегрузка нейтралов

В трехфазной симметричной и сбалансированной системе с нейтралью формы колебаний между фазами сдвигаются на 120 ° фазный угол, так что, когда фазы одинаково нагружены, ток в нейтрале равен нулю.

Наличие несбалансированных нагрузок (междуфазное, фазовое-нейтральное и т. Д.) Позволяет пропускать несбалансированный ток в нейтраль.

Рисунок 4 – Несбалансированная система токов

На рисунке 4 показана неуравновешенная система токов (фаза 3 с нагрузкой на 30% выше, чем две другие фазы), а текущий результат в нейтрали подсвечивается красным цветом. В этих условиях Стандарты позволяют устанавливать нейтральный проводник с сечением меньше фазных проводников.

При наличии нагрузок искажений необходимо правильно оценить эффекты гармоник .

На самом деле, хотя токи на основной частоте в трех фазах взаимно компенсируют компоненты третьей гармоники, имеющие период, равный трети фундаментального, равный фазовому сдвигу между фазами (см. Рис. 5 ниже), являются взаимно фазовыми и, следовательно, они суммируют в нейтральном проводнике, добавляя себя к нормальным токам дисбаланса.

То же самое верно и для гармоник, кратных трем (четные и нечетные, хотя на самом деле нечетные чаще встречаются).

Рисунок 5 – Фундаментальная гармоническая и третья гармоники

Вернуться к эффектам гармоник ↑

2. Увеличение потерь в трансформаторах

Эффекты гармоник внутри трансформаторов связаны в основном с тремя аспектами //

  1. Увеличение потерь железа (или потерь без нагрузки)
  2. Увеличение потерь меди
  3. Наличие гармоник, циркулирующих в обмотках

Потери железа происходят из-за явления гистерезиса и потерь, вызванных вихревыми токами. Потери вследствие гистерезиса пропорциональны частоте, а потери от вихревых токов зависят от квадрата частоты.

Потери меди соответствуют мощности, рассеиваемой эффектом Джоуля в обмотках трансформатора. По мере увеличения частоты (начиная с 350 Гц) ток имеет тенденцию к утолщению на поверхности проводников (скин-эффект). В этих условиях проводники предлагают меньшее поперечное сечение потоку, так как потери по эффекту Джоуля увеличиваются.

Эти два первых аспекта влияют на перегрев, который иногда вызывает снижение мощности трансформатора.

Третий аспект имеет отношение к эффектам гармоник тройного N (гомополярных гармоник) на обмотках трансформатора. В случае дельта-обмоток гармоники протекают через обмотки и не распространяются вверх по течению к сети, так как все они находятся в фазе.

Таким образом, дельта-обмотки представляют собой барьер для тройных гармоник N, но для правильного определения размеров трансформатора необходимо обратить особое внимание на этот тип гармонических составляющих.

3. Увеличение скин-эффекта

Когда частота возрастает, ток, как правило, течет на внешней поверхности проводника. Это явление известно как скин-эффект и более выражено на высоких частотах .

При частоте питания 50 Гц скин-эффект пренебрежимо мал, но выше 350 Гц, что соответствует 7-й гармонике, поперечное сечение тока уменьшается, что увеличивает сопротивление и вызывает дополнительные потери и нагрев.

При наличии гармоник высокого порядка необходимо учитывать скин-эффект, поскольку он влияет на срок службы кабелей . Чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать несколько проводных кабелей или сборных шин, образованных более простыми изолированными проводниками.

Загрузите технику Cahier Technique Schneider Electric « Дополнительные потери по коже и эффекты близости» //

Загрузить CT

Вернуться к эффектам гармоник ↑

4. Напряжение

Искаженный ток нагрузки, вызванный нелинейной нагрузкой, вызывает искаженное падение напряжения в сопротивлении кабеля. Результирующий искаженный сигнал напряжения применяется ко всем другим нагрузкам, подключенным к одной и той же схеме, в результате чего в них протекают гармонические токи, даже если они являются линейными нагрузками.

Решение состоит в разделении схем, которые подают гармонические генерирующие нагрузки от тех, которые подают нагрузки, чувствительные к гармоникам.

Вернуться к эффектам гармоник ↑

5. Нарушения крутящего момента асинхронных двигателей

Гармоническое искажение напряжения вызывает увеличение потерь вихревых токов в двигателях, как и для трансформаторов. Дополнительные потери связаны с генерацией гармонических полей в статоре, каждый из которых пытается вращать двигатель с другой скоростью, как вперед (1-й, 4-й, 7-й,

,

), а также назад (2-й, 5-й, 8-й,

,

).

Высокочастотные токи, индуцированные в роторе, дополнительно увеличивают потери.

Вернуться к эффектам гармоник ↑

Ссылка // Руководство по электромонтажу Защита, управление и электрические устройства компанией ABB

Связанные электрические направляющие и изделия

Форма сигнала

Изменения тока или напряжения во времени можно представить в виде различных линий, или графиков. Постоянный ток, как неизменяющийся во времени, изображается прямой линией (рис. 3.1(а)), а переменный ток — самыми различными кривыми. Форма кривой переменного тока отражает периодические изменения значения тока от максимального к минимальному, затем опять к максимальному и т. д. (рис. 3.1(б)). Несколько таких кривых показано на рис. 3.2.

Рис. 3.1. График постоянного (а) и переменного (б) токов

Цикл

Повторяющаяся часть сигнала переменного тока называется циклом сигнала. Так, на кривых, изображенных на рис. 3.2, точка А является началом цикла, а точка В — его концом и началом следующего цикла.

 

Частота

Количество циклов сигнала в единицу времени называется частотой сигнала. Единица измерения частоты — герц (Гц). Например, если цикл изменения сигнала повторяется один раз в секунду, то частота сигнала равна 1 Гц, если 10 раз — 10 Гц (рис. 3.3).

 

Рис. 3.2. Типы кривых переменного тока: синусоида (а), меандр (б), прямоугольный (в), треугольный (г), пилообразный (д), импульсы (е).

 

Длительность периода

Время, за которое завершается полный цикл изменения сигнала, называется длительностью его периода Т или просто периодом. Например, если сигнал проходит все изменения за одну секунду, то его период равен 1 если за половину секунды, то период равен 0,5 с.

Рис. 3.3. Сигналы различных частот.                     Рис. 3.4. Коэффициент заполнения меньше 1.

 

Метка и пауза

Один период прямоугольного сигнала можно разделить на метку (Mark) и паузу (Space) (рис. 3.4). Отношение длительности метки к длительности паузы называется коэффициентом заполнения. Если длительность метки t1, а длительность паузы t2, то

Длительность метки       t1

Коэффициент заполнения = ————————————— = —

              Длительность паузы        t2

Поскольку сигнал совершает полный цикл изменения за один период, то
Период = t1 + t2.
Если коэффициент заполнения равен 1, то
Длительность метки t1 = Длительность паузы t2.
Это можно записать иначе:
Период = 2 * Длительность паузы = 2 * Длительность метки.

 

Единицы измерения частоты ƒ:

герц, Гц; килогерц, кГц; мегагерц, МГц.


Единицы измерения периода Т:

секунда,с;

миллисекунда, мс = 1/1000 с = 10-3 с
микросекунда, мкс = 1/1000 мс = 10-3 мс = 10-6 с

Рис.3.5.

 

Соотношение между частотой и периодом

Рассмотрим графики сигналов на рис. 3.5. Сигнал В имеет частоту выше, чем сигнал А, но период сигнала В составляет половину периода сигнала А. При увеличении частоты сигнала его период уменьшается, наоборот.

Следующая таблица содержит соотношения единиц измерения частоты и периода. Будет полезно, если вы ее запомните.

Частота  f

1 Гц

1 кГц

1 МГц

Период  Т

1 с

1 мс

1 мкс

 

Звуковые волны

Звуковые волны возникают в воздухе, например, когда кто-нибудь говорит или при работе громкоговорителя или пневматической дрели, при настройке по камертону и т. д. Звуковые волны изменяют давление воздуха, и воздух необходим им для распространения.
Интенсивность звуковых волн характеризуется громкостью, тон характеризует их частоту. При изменении частоты изменяется тон звука.

 

Звуковые частоты

Диапазон звуковых частот, которые воспринимаются ухом человека, называется диапазоном аудиочастот. Он простирается от 20 Гц до 20 кГц. Звуки частотой ниже 20 Гц и выше 20 кГц человек не слышит. На основе этого создан специальный свисток для подзыва собаки. Частота звукового сигнала этого свистка превышает 20 кГц, поэтому собаки, имеющие более широкий частотный диапазон чувствительности уха, слышат его, а человек — нет.


Чистые и инструментальные тоны

Чистым тоном называется простое синусоидальное колебание, содержащее одну частоту (рис. 3.2(а)). Инструментальный тон представляет собой сложное колебание, состоящее из ряда синусоидальных колебаний разной частоты (рис. 3.1(б)). Такие звуковые колебания возникают, когда звучит речь или музыка.

 

Гармоники

При сложении нескольких различных по частоте синусоидальных колебаний возникает сложное колебание. И наоборот, сложный сигнал можно разложить на ряд входящих в него чистых синусоидальных колебаний. Среди этих простых синусоидальных колебаний различают основную, или первую, гармонику и набор гармоник. Таким образом, любой сложный сигнал может быть разложен на следующие компоненты:

1. Первая, или основная, гармоника. Простое синусоидальное колебание, имеющее тот же период, что и исходное сложное колебание.
2. Набор гармоник. Простые синусоидальные колебания, частоты ко¬торых кратны частоте основной гармоники. Например, если частота первой гармоники равна 100 Гц, то

частота 2-й гармоники = 2 * 100 = 200 Гц;
частота 3-й гармоники = 3 * 100 = 300 Гц;
частота 4-й гармоники = 4 * 100 = 400 Гц и т. д.

Чем больше номер гармоники, т. е. чем выше ее частота, тем меньше ее амплитуда. Поэтому высшими гармониками обычно пренебрегают.

 

Высота тона
Высота тона звуковой волны указывает, в какой части диапазона звуковых частот находится ее частота.
Звуки высокой тональности занимают верхнюю половину диапазона аудиочастот, а звуки низкой тональности — нижнюю половину. Женские голоса обычно имеют более высокую тональность, чем мужские. Барабан издает низкие звуки, а флейта — очень высокие, В сложном колебании частота основной гармоники определяет тональность сигнала.

 

Качество звука
Качество звука определяется числом гармоник инструментального сигнала, которые воспроизводятся аппаратурой без искажения.

 

Примеры некоторых сложных сигналов

1. Основная гармоника + 3-я гармоника (рис. 3.6).
2. Основная гармоника + 2-я гармоника (рис. 3.7).

Рис. 3.6. Основная гармоника + 3-я гармоника (аппроксимация прямоугольного сигнала).

Рис. 3.7. Основная гармоника + 2-я гармоника (аппроксимация пилообразного сигнала).

 

Гармонические составляющие прямоугольного сигнала

Прямоугольный сигнал содержит основную гармонику плюс бесконечное множество нечетных гармоник. Например, прямоугольный сигнал частотой 1 кГц состоит из

основной гармоники 1 кГц;
3-й гармоники 3*1 = 3 кГц;
5-й гармоники 5*1 = 5 кГц;
7-й гармоники 7*1 = 7 кГц и т. д.

Заметим, что сложные колебания, содержащие только нечетные гармоники, имеют круто нарастающие фронты и резко спадающие срезы. Чем больше нечетных гармоник содержит сигнал, тем ближе его форма к форме прямоугольного сигнала.

 

Гармонические составляющие пилообразного сигнала
Пилообразный сигнал содержит основную гармонику плюс бесконечное множество четных гармоник. Например, пилообразный сигнал частотой 1 кГц состоит из

основной гармоники 1 кГц;
2-й гармоники 2*1 = 2 кГц;
4-й гармоники 4*1 = 4 кГц;
6-й гармоники 6*1 = 6 кГц и т. д.

 

В этом видео рассказывается о различных видах электрических сигналов:

Добавить комментарий

Что такое гармоники энергосистемы?

Гармоники энергосистемы – это побочные продукты электронных устройств, возникающие при подключении определенных типов к энергосистемам. Такие устройства, как источники бесперебойного питания, персональные компьютеры и преобразователи частоты, создают гармоники системы питания, когда они подают энергию короткими импульсами, а не плавно. Эффекты этих гармоник приводят к искаженным напряжениям и проблемам, которые негативно влияют на производительность систем.

Источники электропитания направлены на постоянное синусоидальное напряжение. Если к источнику питания подключены нелинейные нагрузки или любое устройство, использующее твердотельные переключающие источники питания для преобразования переменного тока в постоянный, это приводит к появлению гармоник в энергосистеме. Линейная нагрузка имеет постоянную зависимость тока, в которой мощность пропорциональна напряжению, при этом обе волны имеют одинаковую форму. Лампы накаливания, моторы и обогреватели являются некоторыми примерами линейных нагрузок.

Гармонические токовые нагрузки являются нелинейными, где формы тока и напряжения отличаются друг от друга по форме. Когда такая нагрузка потребляет энергию, гармонические напряжения генерируются полным сопротивлением в системе. Ферромагнитные устройства, разрядные осветительные приборы и дуговые устройства являются примерами нелинейных нагрузок. Влияние гармоник энергосистемы может быть довольно сильным в зависимости от величины искажения напряжения.

Во многих отношениях его влияние сопоставимо с тем, как стресс негативно влияет на организм человека. Высокие уровни гармонических искажений могут привести к случайной работе оборудования, неэффективности энергосистемы и даже к отключению. На всю систему распределения утилит и любые подключенные устройства можно воздействовать на разных уровнях различными способами. Например, гармоники энергосистемы могут сократить срок службы конденсаторов или привести к их выходу из строя или разрыву. Компоненты могут сработать, взорваться или повредиться без какой-либо видимой причины.

Гармонические искажения напряжения приводят к нестабильной работе генераторов и перегреву обмоток в трансформаторах. Такие устройства, как телефоны и компьютеры, могут периодически выходить из строя или создавать помехи. Пользователи могут столкнуться с чрезмерными счетами за электроэнергию из-за того, что коммунальные счетчики записывают измерения мощности неправильно

Технические специалисты используют множество методов для уменьшения гармоник энергосистемы, от более эффективных конструкций до использования изолирующих и дельта-дельта-трансформаторов. При улучшенной конструкции гармоники могут быть снижены путем ограничения нелинейных нагрузок до определенного процента от мощности трансформатора. Дельта-дельта-трансформаторы сдвигают фазовые отношения, используя различные методы, которые также полезны. Изолирующие трансформаторы пытаются решить проблему, повышая и понижая напряжение системы, чтобы соответствовать.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Что такое гармоника в стабилизаторах напряжения | Все самое лучшее и интересное

Гармоники – излишние более высокие частоты, которые налагаются на основную форму волны, при этом создавая неестественную волновую картину. В линии переменного тока противодействие имеет точно такое же значение, как и постоянный ток. По другому говоря, ток, который проходит через противодействие, соответствует напряжению на нем. Объясняется это тем, что резистор представляет собой линейное приспособление, и в случае приложенное на него напряжение является синусоидальной волной, ток, проходящий через него, тоже считается синусоидальной, в таком случае различность фаз между двумя синусоидами равна нулю.

Ученые считают, что при работе с переменными напряжениями и токами в электрических цепях считается, что они владеют чистой и синусоидальной формой с наличием лишь одного значения частоты, которое называют «главной частотой», но это не всегда, лишь в некоторых случаях.

В электрическом или электронном приспособление или цепи, у которого вольтамперное значение, и если она не числится линейной, по другому говоря, ток, который проходит через нее, не имеет отношение к приложенному напряжению. Поочередные сигналы, которые имеют отношение к устройству, будут иметь отличие от сигналов точной синусоидальной формы. Такие виды сигналов зачастую зовут несинусоидальным или трудным сигналам.

Трудные сигналы формируются простыми электрическими приспособлениями, например: индуктор, трансформеры, другие индуктивные нагрузки. В итоге форма волны тока никак не получится синусоидальной, даже если присутствует форма волны. К тому же много электронных схем переключения источников питания: выпрямители, силовые транзисторы, другие подобные приспособления, которые отключают источники питания такой формы для регулирования мощностью двигателя. Такие схемы владеют склонностью потреблять ток лишь в пиковых значениях источника переменного тока, и так как форма сигнала не синусоидальная, итог нагрузки содержит в себе гармоники.

Несинусоидальные трудные формы волны делаются методом «сложения» серии синусоидальных частот, всем известных под названием «гармоники». Гармоники – это всеобщее понятие, которое применяется для описания искажения синусоидальной формы волны сигналами разнообразных частот. Независимо от форм трудную форму волны реально математическим методом поделить на отдельные элементы. Что же такое «фундаментальная частота» разберемся дальше.

Фундаментальная частота

Фундаментальная частота источник картинки Яндекс

Фундаментальная частота источник картинки Яндекс

Фундаментальные формы волны ( еще в науке ее называют первой гармоникой) – считаются синусоидальным признаком, который владеет частотой питания. Фундаментальным считается одним из низких или основой частоты, на которой основан комплекс формы сигнал, и в качестве такового периодического времени, конечного комплексного сигнала будет равен период основной частоты.

Гармоники – напряжение или потоки, у которых рабочий процесс проходит на частоте, которая есть целым кратным основой частоте. В таком случае, для главной формы волны 50 Гц это значит, что частота второй гармоники будет равна 100 Гц, а третий 150 и так дальше. Таким же методом. С учетом главной формы волны 60 Гц второй и последующей гармоники будет равняться 120 Гц и так далее. По-другому можно сказать, что «гармоники» – это кратные важные частоты и они выражаются такими символами : 2ƒ , 3ƒ , 4ƒ и т.д.

Трудные формы волны

Форма волны в переменном токе

Форма волны в переменном токе

Обычно люди предпочитают выделять форму волны красным цветом, чтобы было видно нагрузку, из-загармонического наличия, прибавленного к главной частоте. Главный сигнал обозначают символом первой гармоники. Таким образом вторая имеет частоту, в два раза выше главной, третья в три, а четвертая в четыре и тд.

В первой колонке можно увидеть сложную форму волны, созданную в результате эффекта между добавлением главной формы волны и форм гармонических колебаний на разных частотах гармоник. Стоит знать, что форма сложного синала напрямую зависит от амплитуды частот, и от фаз между главной или базовой частотой и отдельными частотами гармоник. Также можно заметить, что трудная волна включает в себя важные формы волны и гармоники, все они владеют своим значением и фазовым углом.

Гармоники зачастую делятся по назначению и частоте, например второй гармонике при 100 Гц, и по их последовательности. Последовательность относится к векторному вращению гармонических напряжений и токов по соотношению к главной форме волны в трех фазной четырехпроводной системе.

Гармоника прямой последовательности будет двигаться в таком же порядке, что и главная частота. В таком случае гармоника обратного отсчета двигается в противоположном направлении главной частоты.

Зачастую, гармоники прямой последовательности не очень хороши, так как одни отвечают за перегрев проводников, линий электропередач и других устройств. По другому говоря, гармоники обратной последовательности вращаются около фаз, при этом создавая проблемы двигательной системе, так как противоположное вращение вектора дает слабину магнитному полю, которое очень важно для двигателя. Еще одни набор гармоники, которые называют «тройками», имеют 0 последовательность движения. Тройки – кратные гармоники, они смещены на 0 градусов. По сравнению с гармоническим током прямой и обратной последовательности, которые вмести занимают друг у друга. Можно сопоставить числа в нейтральном проводе, которые воздействует со всеми тремя фазами. В итоге всего этого амплитуда в нейтральном проводе из-за таких гармоник увеличивается втрое амплитуды фазового тока на главной частоте, по этой причине случается перегрев.

Биография гармоники

Гармоника. Частота волны Источник фото Яндекс

Гармоника. Частота волны Источник фото Яндекс

Гармоники – дополнительный тон, который по своей частоте выше главного тона, к тому же строго кратно числам натурального ряда. Гармоники были в огромном количестве лишь за последние несколько лет с тех пор, как были созданы электронные приспособления для двигателя, насосов и вентиляторов, также выпрямителей, преобразователи питания. Все это связано, с тем учетом, что регулируемый ток, который потребляется нагрузкой, не верно, точнее не точно соответствует синусоидным сигналам питания. Гармоники в распределении электроэнергии с соотношением главной частоты делают искажение формы сигналов тока. Такое искажение образуется в трудную форму волны, которая состоит из частот, которые плохо отражаются на устройствах. Величина искажения, которая создает трудную форму, относится к величине доминирующих гармонических элементов.

Самые лучшие стабилизаторы напряжения

Влияние гармоник

Гармоники, протекающие по распределительным сетям, вызывают снижение качества электрической энергии

Возмущения, вызываемые гармониками

Гармоники, протекающие по распределительным сетям, вызывают снижение качества электрической

энергии, что может иметь ряд негативных последствий:

-перегрузки в распределительных сетях из-за увеличения действующего значения тока;

– перегрузки в нулевых (нейтральных) проводниках из-за суммирования токов высших гармоник,

кратных трем, которые генерируются однофазными нелинейными нагрузками;

– перегрузки, вибрация и преждевременное старение генераторов, трансформаторов и

электродвигателей, а также повышенный шум трансформаторов;

– перегрузки и преждевременное старение конденсаторов для повышения коэффициента мощности;

– искажение формы питающего напряжения, которое может повлиять на «чувствительные» нагрузки;

– помехи в сетях связи и телефонных линиях.

Экономические последствия гармонических возмущений

Гармоники имеют значительные экономические последствия:

– преждевременное старение оборудования означает необходимость его замены раньше

запланированного срока, если в нем с самого начала не был предусмотрен запас мощности;

– перегрузки в распределительной сети могут привести к более высоким уровням потребления

энергии и увеличению потерь;

– искажение формы кривой тока, способное вызывать ложное срабатывание автоматических

выключателей, что может приводить к остановке производственного процесса.

Нарастание степени серьезности последствий

Всего десять лет назад гармоники еще не считались реальной проблемой, поскольку их влияние

на распределительные сети было в целом незначительным. Однако массовое внедрение силовой

электроники в различные виды оборудования привело к тому, что наличие гармоник стало серьезно

сказываться во всех секторах экономической деятельности.

Кроме того, оборудование, порождающее такие гармоники, часто является критически важным для

компании или организации.

Какие гармоники нужно измерять и устранять?

Чаще всего в трехфазных распределительных сетях встречаются гармоники нечётного порядка. С

увеличением частоты амплитуды гармоник обычно снижаются. Гармоники выше 50>го порядка имеют

незначительную амплитуду, и дальнейшие измерения не имеют смысла. Достаточно точные результаты

измерений получаются при измерении гармоник до 30>го порядка.

Энергоснабжающие компании контролируют содержание 3>й, 5>й, 7>й, 11>й и 13>й гармоник в

питающих сетях. В целом, достаточным является устранение гармоник низших порядков (до 13>го).

При более тщательном контроле учитываются гармоники до 25>й включительно.

Дополнительная информация в каталоге «Ослабление гармоник SE»

Что такое гармоники и как они «появляются»?

С практической точки зрения, причина, по которой гармоники «появляются», заключается в том, что схемы линейной фильтрации (а также множество схем нелинейной фильтрации), предназначенные для обнаружения определенных частот, будут воспринимать определенные низкочастотные сигналы как частоты, с которыми они работают. интересует. Чтобы понять почему, представьте себе большую пружину с очень тяжелым весом, которая прикреплена к рукоятке через довольно свободную пружину. Вытягивание ручки не будет сильно перемещать тяжелый груз напрямую, но большая пружина и груз будут иметь определенную резонансную частоту, и если вы будете перемещать ручку назад и вперед на этой частоте, можно добавить энергию к большому весу и пружине. увеличивая амплитуду колебаний до тех пор, пока она не станет намного больше, чем можно было бы произвести «напрямую», потянув за свободную пружину.

Наиболее эффективный способ передачи энергии в большую пружину – это вытягивание плавного рисунка, соответствующего синусоиде, – такой же рисунок движения, что и у большой пружины. Другие модели движения будут работать, однако. Если перемещать ручку по другим схемам, часть энергии, которая поступает в узел с пружинным грузом во время частей цикла, будет отводиться во время других. В качестве простого примера, предположим, что человек просто заклинивает ручку до крайних концов хода со скоростью, соответствующей резонансной частоте (эквивалентной прямоугольной волне). Перемещение рукоятки от одного конца к другому так же, как вес достигает конца хода, потребует намного больше работы, чем ожидание того, чтобы вес немного сдвинулся назад вначале, но если вы не переместите ручку в этот момент, пружина на ручке будет бороться с попыткой веса вернуться в центр. Тем не менее, четкое перемещение ручки из одного крайнего положения в другое, тем не менее, сработает.

Предположим, что весу требуется одна секунда, чтобы повернуть слева направо, и еще одна секунда, чтобы повернуть назад. Теперь рассмотрим, что случится, если один переместит ручку из одного крайнего движения в другое, которое раньше, но задержится на три секунды с каждой стороны вместо одной секунды. Каждый раз, когда вы перемещаете рукоятку из одного крайнего положения в другое, вес и пружина будут по существу иметь то же положение и скорость, что и две секунды назад. Следовательно, к ним будет добавлено столько же энергии, сколько было бы за две секунды до этого. С другой стороны, такие добавления энергии будут происходить только на треть чаще, чем они имели бы, когда «время задержки» составляло только одну секунду. Таким образом, перемещение рукоятки назад и вперед с частотой 1/6 Гц добавит к весу на треть больше энергии в минуту (мощности), чем при перемещении его назад и вперед с частотой 1/2 Гц. Подобное происходит, если перемещать рукоятку назад и вперед на 1/10 Гц, но, поскольку движения будут на 1/5 чаще, чем на 1/2 Гц, мощность будет 1/5.

Теперь предположим, что вместо того, чтобы время задержки было кратным с нечетным номером, можно сделать его кратным четному числу (например, две секунды). В этом сценарии положение веса и пружины для каждого движения слева направо будет таким же, как и его положение при следующем движении справа налево. Следовательно, если ручка добавляет какую-либо энергию к пружине в первой, такая энергия будет по существу исключена последними. Следовательно, пружина не будет двигаться.

Если вместо того, чтобы совершать экстремальные движения с рукояткой, можно перемещать ее более плавно, то при более низких частотах движения рукоятки будет больше случаев, когда кто-то борется с движением комбинации вес / пружина. Если перемещать рукоятку в виде синусоидальной волны, но на частоте, существенно отличающейся от резонансной частоты системы, энергия, передаваемая в систему при нажатии «правильного» пути, будет довольно хорошо уравновешена принимаемой энергией. выход из системы толкает «неправильный» путь. Другие модели движения, которые не являются такими же экстремальными, как прямоугольная волна, будут, по крайней мере, на некоторых частотах, передавать в систему больше энергии, чем вынимается.

    

Нечетные гармоники и четные гармоники

1. Определение:
 Нечетная гармоника: сдвиг нечетной гармоники на половину периода, и он точно инвертируется по сравнению с исходной формой волны.
 Четная гармоника: сдвиньте сигнал четной гармоники на половину периода, чтобы он совпадал с исходной формой волны.

 например:
 Основная частота - 50 Гц, вторая гармоника - 100 Гц, третья гармоника - 150 Гц, четвертая гармоника - 200 Гц и так далее.
 Искаженные формы волны тока могут включать в себя вторую гармонику, третью гармонику, четвертую гармонику и т.  Д.

 2. Гармонические искажения относятся к воспроизведению динамика из-за явления резонанса во время рабочего процесса динамика.
   Хотя исходным звуковым сигналом является только сигнал основной частоты в динамике, неизбежно возникнет резонанс (на основе исходной звуковой волны).
 Вторая, третья и даже кратные гармоники генерируются в верхней части), так что в звуковом сигнале больше нет только сигнала основной частоты, но также включаются гармоники и их кратные.
 Эти сигналы умножителя вызовут искажения при воспроизведении динамика.

   В некоторых руководствах по продукту полное гармоническое искажение усилителя мощности выражается как THD <0,5%, 1 Вт, поэтому кажется, что общее гармоническое искажение невелико, но оно связано только с выходной мощностью.
 Общее гармоническое искажение составляет 1 Вт, что отличается от полного гармонического искажения, полученного в условиях измерения, требуемых стандартом.

 3. Примеры гармонических искажений
 <1>. Чаще всего прерывание звука вызвано высокочастотным искажением (срезание синусоидальной волны). 
 <2>. Когда громкость максимальна, звук прерывается очень серьезно, что связано с коэффициентом усиления усилителя мощности. Коэффициент усиления не должен быть слишком большим, что приведет к общему гармоническому искажению.
 <3>. GAIN увеличивается, амплитуда сигнала увеличивается, а когда форма волны становится прямоугольной, возникает искажение. Если оно длится долгое время, динамик перегорит.
 <4>. Если низкочастотный сигнал приходит с большой амплитудой, звук прерывается. Рекомендуется установить частоту среза входного фильтра на 500 Гц.
 <5>. Максимальное искажение обусловлено главным образом тем, что оно превышает динамический диапазон усилителя мощности. Например, динамический диапазон усилителя мощности класса AB мощностью 0,5 Вт составляет всего около 5,5 В, в то время как динамический диапазон усилителя мощности класса D может достигать 2 В постоянного тока, что составляет 3,8 В постоянного тока. Динамический диапазон может достигать около 7 В, конечно, он будет урезан, если динамический диапазон будет превышен. 

Что такое гармоника? Определение от WhatIs

Что такое гармоника?

Гармоника – это волна или сигнал, частота которого является целым (целым числом) кратным частоте того же опорного сигнала или волны. Как часть гармонического ряда, термин может также относиться к отношению частоты такого сигнала или волны к частоте опорного сигнала или волны.

Основная частота или исходная волна известна как первая, или 1 -я, -я гармоника.Следующие ниже гармоники называются высшими гармониками. Основная частота всех гармоник является периодической, и общее количество гармоник также является периодическим на этой конкретной частоте.

Термин «гармоника» используется в различных областях, таких как электронная передача энергии, музыка, радио и все технологии, использующие волны в других формах. Их частоты всегда относятся к этим волнам и всегда находятся в целых кратных числах.

Например, f представляет основную или основную частоту сигнала переменного тока, электромагнитного поля или звуковой волны. Эта частота измеряется в герцах и является частотой, на которой она содержит большую часть энергии. Он также может обозначать, когда определено, что сигнал возникнет. Если сигнал отображается на осциллографе, форма сигнала будет повторяться с частотой, соответствующей f Гц.

Как измеряется длина волны.

Для сигнала с основной частотой f вторая гармоника имеет частоту 2 f . Третья гармоника имеет частоту 3 f и так далее.Кроме того, w представляет длину волны сигнала или волны в указанной среде. Вторая гармоника имеет длину волны Вт /2, а третья гармоника имеет длину волны Вт /3. Сигналы, возникающие на частотах 2 f , 4 f , 6 f и более, называются четными гармониками. Сигналы на частотах 3 f , 5 f и 7 f называются нечетными гармониками. Теоретически сигнал может иметь бесконечное количество гармоник.

Почти все сигналы содержат энергию на гармонических частотах в дополнение к энергии на основной частоте. Если он содержит всю энергию сигнала на основной частоте, то этот сигнал представляет собой идеальную синусоидальную волну. Если сигнал не является идеальной синусоидальной волной, тогда некоторая энергия содержится в гармониках. Некоторые формы волны содержат большое количество энергии на гармонических частотах, например прямоугольные волны, пилообразные волны и треугольные волны.

Распространенные формы сигналов.

В беспроводной связи и радиовещании передатчики были спроектированы так, чтобы излучать минимум энергии на гармонических частотах. Обычно беспроводные устройства используют только одну частоту. Выходной сигнал на гармонических частотах может вызвать помехи для других протоколов связи или вещания.

Например, широковещательный сигнал на частоте 90,5 мегагерц (МГц) в стандартном диапазоне FM будет иметь вторую гармонику на частоте 181 МГц, третью гармонику на частоте 271,5 МГц, четвертую гармонику на частоте 362 МГц и так далее.Некоторые или все эти гармонические сигналы, в зависимости от их силы, могут нарушить работу других беспроводных служб.

Другие применения гармоники

Гармоника имеет несколько дополнительных значений, в том числе:

Что такое гармонические искажения?

В электрических распределительных сетях гармонические искажения – это стандартные изменения напряжения и тока, возникающие в результате изменений частоты. Например, это может быть отклонение от типичных синусоидальных колебаний напряжения или тока.

Что такое гармоническое движение?

В физике гармоническое движение или простое гармоническое движение представляет собой повторяющееся движение – вперед и назад – через центральное или позиционное равновесие. В этом случае максимальное смещение с одной стороны равно общему смещению с противоположной стороны.

Интервал каждой завершенной вибрации всегда одинаков. Сила, создающая движение, всегда направлена ​​в центральное положение или положение равновесия. Оно всегда прямо пропорционально расстоянию от него.

Что такое гармонический балансир?

В автомобилях гармонический балансир – это компонент привода, который соединяется с коленчатым валом двигателя. Гармонический балансир, который часто называют демпфером коленчатого вала, гасителем крутильных колебаний или гасителем колебаний, помогает снизить вибрацию двигателя. Иногда гармонический балансир также работает как шкив для приводных ремней.

Что такое гармонический ряд?

В математике гармонический ряд описывает расходящуюся бесконечную серию обертонов или гармоник в музыке.В этом сценарии длины волн обертонов колеблющейся струны составляют 12, 13, 14 и т. Д. основной длины волны струны.

Что такое гармоника в электрическом контексте?

Гармоники описывают искажение нормальной формы волны электрического тока. Обычно они передаются нелинейными нагрузками.

Примеры нелинейных нагрузок:

  • Зарядные устройства
  • Персональные компьютеры
  • Лазерные принтеры
  • Электродвигатели и приводы с регулируемой скоростью
  • Импульсные источники питания (ИИП)

Узнайте все о Wi-Fi 6 и 5G на предприятии .Узнайте, почему тактика маршрутизации оптических сетей может изменить правила игры и ознакомьтесь с передовыми методами проектирования Wi-Fi .

Что такое гармоники? | Изучение ткани музыки – Блог

Иллюстрация: Franco Égalité

Гармоники могут не быть в центре нашего внимания, когда мы играем на музыкальном инструменте или сочиняем музыку.

Однако они являются фундаментальным аспектом звука, который доходит до объяснения самой сути музыки – почему музыка – это . Сегодня давайте узнаем, что такое гармоники, и чем вы можете извлечь пользу из понимания их как музыканта.

Самый простой звук

Чтобы понять гармоники, нам нужно сначала изучить простейший из всех звуков: синусоидальную волну . Если вы когда-либо играли синусоидальную волну, глядя на многополосный эквалайзер, вы увидите, что вся энергия сосредоточена вокруг одной частоты, соответствующей воспроизводимой ноте:

Частотный спектр для синусоидальной волны, воспроизводимой D4

Звук, который мы слышим

Между тем, если вы сыграете ту же ноту, используя прямоугольную волну, вы увидите нечто совсем другое; в ~ 293 Гц (частота, соответствующая D4) по-прежнему больше частотного содержания, чем где-либо еще, но и над ним происходит гораздо больше:

Частотный спектр прямоугольной волны при воспроизведении D4

Звук, который мы слышим

Все более мягкие частоты, наблюдаемые в спектре прямоугольной волны, – это то, что мы называем ее гармониками, и они позволяют нам слышать прямоугольную волну и распознавать ее как нечто отличное от синусоидальной волны, даже если они играют одну и ту же ноту. Гармоники существуют в разной степени для каждого тонального звука (кроме синусоидальных волн), и поэтому многие люди называют синусоидальную волну «простейшим звуком».

Так что же такое гармоники?

Проведенное выше исследование подводит нас к следующему пункту: всякий раз, когда вы слышите высоту звука, вы почти никогда не слышите только этой высоты – скорее, вы слышите ее плюс – смесь множества других более высоких и более тихих звуков. , которые известны как гармоники .

Гармоники возникают на целых кратных основной частоте , которая является самой громкой высотой звука, которую в конечном итоге воспринимают наши уши (в нашем предыдущем примере прямоугольной волны основная частота была бы 293 Гц).

Так, например, если у нас есть основная частота 100 Гц, гармоники будут существовать на 200 Гц, 300 Гц, 400 Гц, 500 Гц и т.д. обратитесь к ним).

Гармоники и тембр

Независимо от того, слышите ли вы прямоугольную волну, фортепиано, скрипку или любой другой звук, при условии, что играемая нота является последовательной, все они будут иметь одну и ту же основную частоту. Как предполагалось ранее, то, что позволяет каждому инструменту различать свой собственный уникальный звуковой характер, или тембр , , – это громкость или мягкость каждой из гармоник.

Прямоугольная волна имеет очень математический метод определения баланса ее гармоник. Он состоит только из нечетных целых чисел, полностью исключая четные. Кроме того, амплитуда каждого обертона уменьшается в зависимости от того, где он находится в серии (например, третья гармоника будет иметь только треть амплитуды основной частоты, пятая гармоника будет иметь одну пятую амплитуды основной частоты и т. Д.).

Между тем, более органичный звук, такой как человеческий голос, будет иметь гораздо менее линейный и более сложный разброс гармоник. В отличие от синусоидальных и прямоугольных волн, большинство звуков также не являются идеально периодическими по своей природе, с нюансами тембра, изменяющимися по мере того, как нота поддерживается – это означает, что в большинстве случаев точный баланс гармоник звука также постоянно колеблется.

Применение понимания гармоник в музыке

Если вы понимаете, что гармоники – это то, что лежит в основе тембра всех звуков, вы можете очень гибко использовать эти знания, когда дело касается звукового дизайна.Например, если вы хотите, чтобы инструмент звучал более «синусоидально», вы можете использовать встроенный эквалайзер DAW, чтобы повысить основную частоту или уменьшить гармоническое содержание, расположенное над ней. Если вы хотите, чтобы звук казался менее тональным и более «шумным», вы можете подумать об искажении сигнала, чтобы ввести больше негармонических составляющих – обертонов, которые не находятся в ожидаемых целых кратных основной гармонике.

Если вы хотите вывести вещи на новый уровень, есть также несколько специальных плагинов и инструментов, которые позволяют вам управлять гармониками тонким образом.Например, Arutria’s Pigments 3 имеет специальный движок Harmonic, который отображает обертонное содержание синтезированных звуков с помощью динамической и увлекательной визуализации. Используя такие параметры, как Tilt Offset и Parity, вы можете хирургическим путем манипулировать балансом между четными и нечетными обертонами, скоростью их начала и т. Д., Что открывает совершенно новый подход к звуковому дизайну:

Узнайте больше о полном спектре вариантов синтеза в пигментах 3 из нашего руководства по функциям

Явление природы

Одна из самых крутых особенностей гармоник заключается в том, что их не изобрели люди, а, скорее, они представляют собой акустический принцип, существующий с незапамятных времен.Однако, если вы внимательно посмотрите на то, как гармоники распределены в сериях, вы начнете понимать, что целые числа, кратные основной гармонике, определяют множество интервалов, которые являются ключевыми для музыки, которую мы знаем и любим – первый обертон ровно на октаву выше, чем основной, второй обертон – это совершенная квинта, четвертый обертон – это другая октава, пятый обертон – мажорная треть и так далее.

Этот феномен подразумевает, что древние цивилизации могли бессознательно реконструировать музыку природы задолго до того, как мы поняли математику, лежащую в основе волновых форм. Такие понятия, как созвучие и музыкальные гаммы, в некотором роде являются общественными, различаются между культурами и периодами времени, но в некотором смысле они также интуитивны и универсальны, судя по тому, как вы можете проследить их происхождение до частотных отношений, существующих в гармониках. Гармоники открывают нам, что музыка одновременно и остро математична, и неописуемо мистична – и возможность перемещаться по этому перекрестку в качестве создателей музыки – это действительно особый опыт.


Погрузитесь глубже в мир гармоник с Arturia’s Pigments 3:

22 мая 2021 г.

Что такое гармоники и как они влияют на…

Гармоники – это часть сигнала, частоты которой являются целыми кратными основной частоты системы.Например, при основной частоте 50 Гц мы можем ожидать гармоники на частоте 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц и так далее. Определив его, мы теперь увидим его актуальность в электрических системах. Когда мы говорим о переменных напряжениях или токах, мы предполагаем, что они имеют синусоидальную форму. Но истинная синусоида идеальна, и в реальности создать такую ​​форму волны практически невозможно. Все формы сигналов переменного тока имеют тенденцию отклоняться от идеальной синусоидальной формы, хотя степень отклонения может варьироваться от очень небольшой до большей.Мы называем такие формы сигналов искаженными, или комплексными формами сигналов.

Как мы представляем разные гармоники?

Эти сложные периодические формы волны визуализируются как созданные в результате наложения синусоидальных волн разных частот. При анализе с помощью ряда Фурье видно, что комплексная волна по существу состоит из:

  1. A основной волны с самой низкой частотой (основной частотой f).
  2. Ряд других синусоидальных волн, частота которых равна целым кратным частоте основной волны, например 2f, 3f, 4f и т. Д.

Где,

f ( ωt ) – Заданная сложная форма волны с основной угловой частотой ω = 2π f .
A 0 – Среднее значение сигнала .
A 1 , A 2 , A 3 , ………., A n – (коэффициент при косинусных членах в n-м порядке гармоники).
B 1 , B 2 , B 3 , …………, B n – (коэффициент синусоидальных членов в n-м порядке гармоники).

Сама основная волна называется первой гармоникой. Вторая гармоника имеет частоту вдвое больше основной частоты, третья имеет частоту в три раза больше основной частоты и так далее, как показано ниже. 3-я гармоника, 5-я гармоника и 7-я гармоника являются одними из типичных гармоник в электрических системах.

Вот несколько примеров сигналов, содержащих гармоники i.е., сложные формы волны, выраженные как комбинации синусоид.

Этот сигнал содержит вторую гармонику. Этот сигнал содержит третью гармонику.

Что вызывает гармоники в электрической системе?

С таким пониманием гармоник мы можем теперь перейти к пониманию того, что порождает эти гармоники. Все электрические нагрузки делятся на две категории. Одна из них – это линейная нагрузка, которая потребляет напряжение и ток синусоидальной формы, но может иметь фазовый сдвиг. Под эту категорию попадают резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы и их комбинации.Другой – нелинейная нагрузка, которая потребляет ток резкими импульсами, а не гладкой синусоидой, указывающей на искаженный ответ. Под эту категорию попадает современная силовая электроника, состоящая из инвертирующих, выпрямительных, зарядных и разрядных цепей и т. Д. Именно эта нелинейная нагрузка порождает гармоники.

Некоторые из источников гармоник, которые мы видим в нашей повседневной жизни, включают КЛЛ / люминесцентные лампы, электронные балласты, регуляторы вентиляторов, ИБП и инверторы, сварочные аппараты дугового разряда, трансформаторы без нагрузки / малой нагрузки и солнечные энергосистемы.

Почему плохие гармоники?

Обычно искажение напряжения нежелательно, поскольку оно может привести к увеличению эффективного пикового значения напряжения, а также может изменить среднеквадратичное значение тока и привести к увеличению потерь. В линиях передачи паразитные емкости, которые обычно малы на стандартной частоте, резко возрастают из-за более высоких частотных гармоник (емкостное реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте), что приводит к низкому качеству подаваемой мощности из-за более низкого коэффициента мощности.

В трансформаторах потери в стали обычно зависят от квадрата частоты. Из-за наличия высших частотных гармоник потери в стали в трансформаторе увеличиваются. Это также может привести к резонансу между индуктивностью и емкостью трансформатора, что может привести к нежелательным вибрациям сердечника трансформатора.

То же, что и для двигателей и генераторов. Поток гармоник в статоре создает паразитный поток, который может привести к нагреву ротора, пульсации крутящего момента, возникновению шума, что влияет на общий срок службы.Помимо этого, гармоники также влияют на работу измерительных устройств, реле, а также могут иногда мешать работе сетей связи.

Несмотря на то, что для удаления гармоник доступны различные фильтры, в определенных ситуациях это все еще является головной болью. Итак, когда вы в следующий раз увидите, что ваш потолочный вентилятор издает странные звуки при работе от инвертора, укажите на него и скажите: «ЭТО ГАРМОНИКА !!».

3.3 Гармоники серии I: тембр и октавы

Вы когда-нибудь задумывались, как труба играет так много разных нот с помощью всего лишь трех клапанов, или как рожок играет разные ноты без каких-либо клапанов? Вы когда-нибудь задумывались, почему гобой и флейта звучат так по-разному, даже если они играют одну и ту же ноту? Что делает струнная, когда играет на «гармониках»? Почему одни ноты хорошо звучат вместе, а другие, кажется, конфликтуют друг с другом? Ответы на все эти вопросы связаны с гармоническим рядом.

Физика, гармоники и цвет

Большинство музыкальных нот – это звуки определенной высоты. Высота звука зависит от основной частоты звука; Чем выше частота и короче длина волны звуковых волн, тем выше высота звука. Но музыкальные звуки не имеют одной частоты. Звуки, которые имеют только одну частоту, не очень интересны или красивы. У них не больше музыкальной окраски, чем звуковой сигнал будильника. С другой стороны, звуки со слишком большим количеством частот, такие как звук разбития стекла или ударов океанских волн о пляж, могут быть интересными и даже приятными.Но у них нет определенной высоты звука, поэтому они обычно не считаются музыкальными нотами.

Рисунок 3.13. Частота и высота звука

Чем короче длина волны и выше частота, тем выше звучание ноты.

Когда кто-то играет или поет музыкальный тон, слышен только очень определенный набор частот. Каждая нота, исходящая из инструмента, на самом деле представляет собой плавную смесь множества различных высот. Эти разные высоты звука называются гармониками и , и они настолько хорошо смешаны друг с другом, что вы вообще не слышите их как отдельные ноты.Вместо этого гармоники придают ноте ее цвет.

Какого цвета звук? Допустим, гобой играет среднюю до. Затем флейта играет ту же ноту на том же динамическом уровне, что и гобой. Эти две ноты по-прежнему легко отличить, потому что гобой звучит иначе, чем флейта. Эта разница в звуках – это цвет или тембр (произносится «ТАМ-бер») нот. Подобно цвету, который вы видите, цвет звука может быть ярким и жирным или глубоким и насыщенным. Он может быть тяжелым, светлым, темным, тонким, гладким, мутным или прозрачным.Некоторые другие слова, которые музыканты используют для описания тембра звука: тростниковый, медный, пронзительный, мягкий, полый, сфокусированный, прозрачный, хриплый (произносится BRETH-ee) или полный. Слушайте записи скрипки и альта. Хотя эти инструменты очень похожи, альт имеет заметно более «глубокий» звук, а скрипка – заметно более «яркий» звук, и дело не только в том, что скрипка играет более высокие ноты. Теперь послушайте ту же фразу, которую играет электрогитара, акустическая гитара с двенадцатью стальными струнами и акустическая гитара с шестью нейлоновыми струнами.Слова, которые музыканты используют для описания тембра, в некоторой степени субъективны, но большинство музыкантов согласятся с утверждением, что по сравнению друг с другом первый звук мягкий, второй яркий, а третий насыщенный.

Упражнение 3.3.1. (Перейти к решению)

Слушайте записи различных инструментов, играющих в одиночку или играющих очень заметно над группой. Некоторые предложения: соната для скрипки или виолончели без аккомпанемента, флейта, гобой, концерт для трубы или валторны, азайская или индейская флейтовая музыка, классическая гитара, волынки, стальные барабаны, свирели или орган.Какие «цветные» слова вы бы использовали для каждого инструмента, чтобы описать тембр каждого инструмента? Используйте как можно больше слов, которые кажутся подходящими, и постарайтесь вспомнить те, которые не перечислены выше. Действительно ли какой-либо из инструментов заставляет вас думать о конкретных оттенках цвета, например, о красном пожарном или небесно-голубом?

Откуда берутся гармоники и тембр? Когда струна вибрирует, основная высота звука, которую вы слышите, возникает из-за вибрации всей струны вперед и назад. Это основная гармоника или первая гармоника. Но струна также колеблется пополам, третям, четвертям и так далее. (Пожалуйста, см. «Стоячие волны» и «Музыкальные инструменты» для получения дополнительной информации о физике того, как создаются гармоники.) Каждая из этих фракций также производит гармонику. Струна, колеблющаяся пополам, дает вторую гармонику; вибрация в третях дает третью гармонику и так далее.

Примечание

Этот метод наименования и нумерации гармоник является наиболее простым и наименее запутанным, но есть и другие способы наименования и нумерации гармоник, и это может вызвать путаницу.Некоторые музыканты не считают фундаментальную гармонику; это просто фундамент. В этом случае половинки струны дадут первую гармонику, трети струны дадут вторую гармонику и так далее. Когда основная гармоника включается в вычисления, она называется первой частичной , а остальные гармоники – второй, третьей, четвертой частями и так далее. Также некоторые музыканты используют термин обертонов как синоним гармоник. Для других, однако, обертон – это любая частота (не обязательно гармоника), которую можно услышать, резонирующую с основной гармоникой.Звук гонга или тарелок будет включать обертоны, не являющиеся гармониками; вот почему звук гонга, кажется, не имеет такой определенной высоты, как у вибрирующей струны. Если вы не уверены, что кто-то имеет в виду, говоря о «второй гармонике» или «обертонах», попросите пояснений.

Рисунок 3.14. Вибрирующая струна

Основная высота звука создается колебаниями всей струны вперед и назад. Но струна также колеблется в половинках, третях, четвертях, квинтах и ​​так далее, производя гармоник .Все эти вибрации происходят одновременно, создавая богатый, сложный, интересный звук.

Столб воздуха, колеблющийся внутри трубки, отличается от вибрирующей струны, но столб воздуха также может колебаться в половинах, третях, четвертях и т. Д. От основной гармоники, поэтому гармонический ряд будет таким же. Так почему же у разных инструментов разные тембры? Разница заключается в относительной громкости всех различных гармоник по сравнению друг с другом. Когда кларнет играет ноту, возможно, нечетные гармоники наиболее сильны; когда валторна играет ту же ноту, возможно, пятая и десятая гармоники являются самыми сильными.Это то, что вы слышите, что позволяет вам распознать, что играет кларнет или валторна. Относительная сила гармоник также меняется от ноты к ноте на одном и том же инструменте; это разница, которую вы слышите между звуком кларнета, играющего низкие ноты, и тем же самым кларнетом, играющим высокие ноты.

Гармонический ряд может иметь любую ноту в качестве основной, поэтому существует много различных гармонических рядов. Но соотношение частот гармонического ряда всегда одно и то же.Вторая гармоника всегда имеет ровно половину длины волны (и вдвое большую частоту) основной гармоники; третья гармоника всегда имеет ровно одну треть длины волны (и, следовательно, в три раза больше частоты) основной гармоники и так далее. Дополнительные сведения о длинах волн и частотах см. В разделе «Акустика для теории музыки».

Рисунок 3.15. Длины волн и частоты серии гармоник

Вторая гармоника имеет половину длины волны и вдвое большую частоту первой.Третья гармоника имеет треть длины волны и в три раза большую частоту первой. Четвертая гармоника имеет четверть длины волны и в четыре раза большую частоту первой и так далее. Обратите внимание, что четвертая гармоника также вдвое превышает частоту второй гармоники, а шестая гармоника также вдвое превышает частоту третьей гармоники.

Допустим, кто-то играет ноту средней C. Теперь кто-то другой играет ноту, которая в два раза превышает частоту средней C. Поскольку эта вторая нота уже была гармоникой первой ноты, звуковые волны двух нот усиливают друг друга. и хорошо звучат вместе.Если бы второй человек вместо этого сыграл ноту, которая была лишь немного более чем вдвое превышающей частоту первой ноты, гармонический ряд двух нот вообще не соответствовал бы друг другу, и две ноты не звучали бы вместе так хорошо. Существует множество комбинаций нот, которые разделяют некоторые гармоники и вместе создают приятное звучание. Они считаются согласными. Другие комбинации имеют меньше гармоник или не имеют их и считаются диссонирующими или, когда они действительно конфликтуют, просто «расстроенными» друг с другом.Масштабы и гармонии большинства мировых музыкальных произведений основаны на этих физических фактах.

Примечание

В реальной музыке консонанс и диссонанс также зависят от стандартных практик музыкальной традиции, особенно ее гармонии и настройки, но они также часто связаны с гармоническими сериями.

Например, нота, которая вдвое превышает частоту другой ноты, на октаву выше первой ноты. Итак, на рисунке выше вторая гармоника на октаву выше первой; четвертая гармоника на октаву выше второй; а шестая гармоника на октаву выше третьей.

Упражнение 3.3.2. (Перейти к решению)

  1. Какая гармоника будет на октаву выше четвертой гармоники?

  2. Предскажите следующие четыре набора октав в гармоническом ряду.

  3. Какой паттерн предсказывает, какие ноты гармонического ряда будут разнесены на одну октаву?

  4. Ноты, разнесенные на одну октаву, имеют одно и то же имя. Таким образом, если первая гармоника – это «ля», вторая и четвертая также будут «ля». Назовите три другие гармоники, которые также будут A.

Математический способ сказать это: «если две ноты разнесены на октаву, их частота будет равна двум к одному (2: 1)». Хотя сами ноты могут иметь любую частоту, соотношение 2: 1 одинаково для всех октав. Другие соотношения частот между двумя нотами также приводят к определенным отношениям высоты тона между нотами, поэтому мы вернемся к гармоническим сериям позже, после того как научимся называть эти отношения высоты тона или интервалы.

Насколько гармоничны гармоники?

Для заключительной части эксперимента возьмите поклон и поклонитесь негармонической нить. 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 – это 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, поэтому после одной вибрации основной гармоники (после времени T) вторая гармоника имела ровно два колебания, поэтому две волны готовы начать снова с точно такой же относительной позиции к друг друга, поэтому они будут производить 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 не являются гармоническими по своей природе. Идеальный, однородный, бесконечно тонкая или бесконечно гибкая струна имеет точно гармонические моды вибрации. То же самое и с идеальной однородной бесконечно тонкой трубой. Настоящий струнных и дудок нет. В эксперименте мы видели, что добавление массы – делает струну неоднородной – делает струну негармоничной.(От Кстати, изношенные или грязные струны также негармоничны, и их труднее настроить. Помочь может 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 более высокие моды больше, чем нижняя, поэтому гармоники растянуты на .Сплошные струны хуже, чем намотанные струны, стальные струны хуже других, пианино – особенно пианино – хуже арф. Негармоничность исчезает, когда струны натянуты, 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 синхронизацией 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 частота его гармоник не может быть измерена 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 .

Mic Dictionary – Что такое гармонические обертоны?

Гармонические обертоны

Комплексные тона – это периодические сигналы, состоящие из основной частоты с соответствующими гармоническими обертонами.Эти сигналы, среди прочего, характерны для музыкальных инструментов. В музыкальном контексте обертоны называются гармониками или партиалами (хотя партиалы не всегда являются чисто гармоническими). Частота тона на самом деле является частотой основной частоты.

Частота гармонических обертонов кратна частоте основного тона. Если частота основного тона 100 Гц, то частота второй гармоники (второго обертона) составляет 200 Гц, третьей гармоники 300 Гц, четвертой гармоники 400 Гц и т. Д.

Помимо частоты и амплитуды, мы также используем фазу для описания сложного тона. Фазовая составляющая сигнала выражает задержку синусоиды по сравнению с эталонной синусоидой той же частоты. Фаза актуальна только в том случае, если она относится к ссылке.

Фаза описывается углом (0⁰-360⁰), так как здесь мы также называем единичный круг, термин из тригонометрии. Если две синусоидальные волны одинаковой частоты находятся «в фазе», это означает, что между ними нет задержки – фазовый угол = 0⁰.Если два синуса «не в фазе», фазовый угол составляет 0⁰; один задерживается по сравнению с другим.

Иногда термин «не в фазе» неправильно понимается как означающий два противоположно фазированных сигнала, один из которых является инвертированной версией другого. Однако между ними нет никакой задержки. Говорят, что фазовый угол составляет 180 °, или один сигнал имеет инвертированную полярность другого. На входной секции многих микшерных пультов есть греческая буква «Φ» (фи). Эта кнопка инвертирует входной сигнал, поэтому полярность меняется.

В общем, при анализе звуковых сигналов (или сигналов вибрации) частота и величина называются «действительной частью», а фаза – «мнимой частью».


Рис. 1. Фаза всегда относительно опорной.


Рисунок 2. Слева показаны пять чистых тонов, соответствующих основному тону, связанному с ним обертону второй гармоники (с амплитудой = 1/2 ´ основного тона), обертону третьей гармоники (с амплитудой = 1/3 ´ основного тона), обертона четвертой гармоники (амплитуда = 1/4 ´ основного тона) и обертона пятой гармоники (амплитуда = 1/5 ´ основного тона).Внизу эти пять чистых тонов создают форму волны, которая приближается к пилообразной форме волны. Обратите внимание, что все кривые начинаются с 0 °. Если фазовые углы разные, то результирующая форма волны также будет иметь другой вид, как показано справа: сдвиг фазы на 180 ° вводится в гармонику 2 и . Теперь результирующая форма волны отличается, несмотря на то, что частоты и их значения идентичны.

Специальные формы сигналов
Среди периодических сигналов есть характерные формы сигналов, такие как синусоида, пилообразная, квадратная, треугольная и последовательность импульсов (или последовательность импульсов).

Пилообразная волна содержит основную частоту и все гармоники в определенной пропорции, соответствующей инверсии номера гармоники; (т.е. гармоника 2 имеет ½ ´ амплитуды основной частоты, гармоника 3 имеет амплитуду 1/3 ´ основной частоты и т. д.). Далее все гармоники складываются по фазе; при переходе через нуль формы волны комплексного тона все отдельные гармонические тона также пересекают ноль (см. рис. 2).

Прямоугольная волна содержит основную частоту и все нечетные гармоники в той же убывающей пропорции, что и пилообразная волна. Далее, как и в случае с пилообразной волной, все гармоники находятся в фазе.

Прямоугольная волна известна, среди прочего, из электроакустического оборудования, которое перегружено и, таким образом, «срезает» пики (положительные и отрицательные) формы волны. Ограничение – это один из способов возникновения гармонических искажений. Величины создаваемых гармонических обертонов указываются со ссылкой на основную частоту и количественно выражаются в процентах от основной частоты (т.е., общий коэффициент гармонических искажений (THD) равен xx%).

Треугольная волна содержит основную частоту и все нечетные гармоники. Однако полярность каждой секунды присутствующих гармоник (3-я -я гармоника, 7-я -я гармоника, 11-я -я гармоника и т. Д.) Инвертируется. Снижение уровня гармоник соответствует обратному квадрату номера гармоники (т. Е. 1/9 ´ 3 -я гармоника , 1/25 ´ 5 -я гармоника , 1/49 ´ 7 -я гармоника , и так далее).


Рисунок 3 . Специальные периодические, непрерывные формы сигналов: пилообразные, квадратные, треугольные и импульсные.

Гармонические искажения – нечетные и четные гармоники

Гармонические искажения – нечетные и четные гармоники

Что такое гармонические искажения, а что – нечетные и четные гармоники. Важный предмет, включающий в себя все, что связано с лампами, твердотельными электродами, усилителями и т. Д.

Динамические процессоры

Приобретая это руководство, вы получите немедленный доступ – ваша покупка помогает создавать новый интересный контент, и этот сайт выживает!

£ 2.00В корзину


Harmonic Distortion – Odd and Even Harmonics Видеоурок объясняет, что такое гармонические искажения и как нечетные и четные гармоники генерируются в музыкальных приложениях.

Я уверен, что вы слышали термин «гармонические искажения», который широко используется в индустрии, когда они задают себе вопросы об искажениях, насыщенности и т. Д., И я уверен, что это в какой-то степени сбило вас с толку. Черт, даже мы, профессионалы, время от времени немного запутываемся. Таким образом, это помогает объяснить предмет как легко, так и наглядно, и я попытался сделать это здесь.

Что такое гармонические искажения

В аналоговой системе перегрузка достигается за счет добавления большого усиления к части цепи. Эта форма искажения чаще связана с перегрузкой нелинейного устройства. Но на этом все не заканчивается, так как любые изменения, вносимые в звук, подаваемый в нелинейное устройство, считаются искажением, хотя этот термин довольно расплывчатый и не слишком полезен. Идея состоит в том, чтобы создать гармоническое искажение.

Гармоническое искажение означает, что к исходным гармоникам подаваемого звука добавляются дополнительные гармоники. Поскольку весь звук несет в себе гармоническое содержание, и это то, что определяет его тембр, имеет смысл, что любые дополнительные гармоники значительно изменят звук. Гармонические искажения музыкально связаны с обрабатываемым исходным сигналом, и сумма добавленных и исходных гармоник составляет результирующие гармоники. Уровень и относительное количество добавленных гармоник придают звуку его характер, и для этого нам нужно рассмотреть два основных типа гармонических искажений: нечетные и четные гармоники.

Гармоники просто кратны основной частоте звука, а добавление гармоник в звук определяет тембр и характер звука. Гармоники четного порядка кратны частоте источника (2, 4, 6, 8 и т. Д.), А гармоники нечетного порядка (3, 5, 7, 9 и т. Д.) Кратны частоте источника (основной).

Гармоники четного порядка (2, 4, 6 и т. Д.) Имеют тенденцию звучать более музыкально и, следовательно, более естественно и приятны для уха, и можно использовать более высокие уровни этого звука, поскольку ухо все еще распознает «музыкальное» содержание. Гармоники нечетного порядка имеют тенденцию звучать немного грубее, глубже и богаче, и более высокие уровни этого не могут использоваться так же широко, как гармоники четного порядка, поскольку ухо распознает негармоническое содержание, и это приводит к неприятному эффекту. Но у обоих есть применение, и в зависимости от того, как обрабатывать гармоники, могут быть достигнуты замечательные результаты.

Генерация нечетных и четных гармоник

Чтобы полностью понять этот предмет, вероятно, лучше всего использовать плагин генератора гармоник в вашей музыке и выяснить, как различные гармоники влияют на звук.Есть несколько бесплатных генераторов гармоник, и некоторые из них очень хороши. Hornet Harmonics очень полезен, но если вы хотите использовать генератор гармоник, чтобы учиться, то плагин Chris Budde Christortion безраздельно властвует. Однако убедитесь, что он будет работать в вашей системе, поскольку плагин довольно старый.

Christortion позволяет смешивать и смешивать различные гармоники с основной гармоникой, но его реальная сила проявляется в форме графического интерфейса пользователя. В реальном времени вы можете увидеть, как гармоники влияют на форму волны.Кроме того, вы можете инвертировать гармоники, что обеспечивает другой уровень обработки.

НО, как всегда, я верю в объединение некоторой теории с большим количеством приложений и демонстрацию ее вам визуально и с работой до и после аудио примеров.

В видеофильме «Гармонические искажения – четные и нечетные гармоники» я подробно объясняю предмет гармонических искажений, показывая вам, как генерировать как нечетные, так и четные гармоники. Я покажу вам, как применять различные гармоники к звуку, и подробно объясню настройки.

Плагины, используемые в этом видео:

Sound Forge

Budde’s Christortion

В этом видео рассматриваются следующие темы:

  • Что это такое, как это работает, что такое нечетные и четные гармоники
  • Основная
  • Phase
  • Дополнительные гармоники
  • Перегрузка
  • А
  • Генерировать

Если это руководство было полезно, возможно, они также принесут пользу:

Насыщенность ленты – что это такое и как вы ее используете

Клапаны / трубки – что каковы они и как они работают

Топологии компрессоров шины микширования – какой компрессор использовать на главной шине

Обработка бас-барабана EDM с использованием клапанов / трубок

Мастер-класс по студийным и мультиэффектам

Стратегии MixBus

Creative Effects

Микширование Хип-хоп


.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.