Az Elektromágneses Spektrum és a Frekvenciaanalízis

Az elektromágneses spektrum az univerzumban megtalálható különféle típusú EM-sugárzás szervezésének egyik módja. Ez egy folyamatos spektrum, azaz ahol az egyik rész befejeződik, a másik rések nélkül kezdődik. Az EM spektrum mindegyikének van egy közös vonása: valamennyien azonos sebességgel haladnak. Minden a hullámok utazás 3 x 10⁸ m/s vagy 300,000,000 m/s. Minden egyes alkatrész eltérő felhasználással és veszélyekkel rendelkezik, amelyek hullámhosszukhoz és frekvenciájukhoz kapcsolódnak. A frekvencia növekedésével (és a hullámhossz csökkenésével) a hullámok energiája növekszik. A hullámok frekvenciáját és hullámhosszát v = fλ felhasználásával kell összekapcsolni, ahol v a m/s-ban mért sebesség, f a Hertzben mért frekvencia, és λ az m-ben mért hullámhossz.

Minél nagyobb az elektromágneses sugárzás frekvenciája, annál nagyobb energiával rendelkezik a sugárzás - a Planck-féle összefüggés értelmében a fotonok E energiája arányos az elektromágneses sugárzás f frekvenciájával: E=hf, ahol h = 6,63×10^-34 Js a Planck-állandó. Az elektromágneses sugárzásra ugyancsak érvényes a hullámoknál már tárgyalt, terjedési sebességet (c), frekvenciát (f) és hullámhosszat (λ) összekapcsoló c = λ · f összefüggés, így egy adott közegben a kisebb hullámhosszú elektromágneses sugárzáshoz nagyobb frekvencia társítható. Az egyes típusoknak egyedi felhasználásai és kockázatai vannak.

Az Elektromágneses Spektrum Főbb Tartományai

Az elektromágneses spektrum az összes elektromágneses sugárzás típusát magában foglalja, hullámhossz vagy frekvencia szerint osztályozva. A nagyon hosszú hullámhosszú rádióhullámoktól (kilométeres hosszúság) a rendkívül rövid hullámhosszú gammasugarakig (pikométeres) terjed. Az elektromágneses spektrumon belül a következő főbb hullámhossztartományokat szokás megkülönböztetni: rádióhullámok, mikrohullámú sugárzás, infravörös (vagy hő-) sugárzás, látható fény, ultraibolya sugárzás, röntgensugarak és gamma-sugarak. A látható spektrum csak egy szűk szeletét foglalja el ennek a kontinuitásnak, mégis alapvető jelentőségű, mivel egyedülálló módon lép kölcsönhatásba biológiai és technológiai rendszerekkel.

Rádióhullámok

A rádióhullámok a leghosszabb hullámhosszúak, a legalacsonyabbak és a legalacsonyabb energiájúak. Ezenkívül nincsenek valódi veszélyei, mert energiájuk alacsony. A rádióhullámokat sugárzásra és kommunikációra használják. A hosszú-, rövid- és középhullámokat a rádiótechnikában használják, az ultrarövidhullámokat egyaránt alkalmazza a rádiós és a televíziós kommunikáció, valamint a radartechnika. A mágnesesrezonancia-tomográfiában (MRI) ultrarövid és deciméteres hullámokat használnak, a mobiltávközlés ugyancsak deciméteres hullámhossztartományban történik. Rádióhullámokat használ a legtöbb radar.

Mikrohullámok

A mikrohullámok a második leghosszabb hullámhosszúak. Leginkább a mikrohullámú sütőben való felhasználásukról ismertek. A mikrohullámú készülékeket a mobiltelefonokban is használják, lehetővé téve számunkra, hogy az emberekkel kommunikáljunk szerte a világon. A mikrohullámok veszélyesek lehetnek. Ha egy embert mikrohullámú sütőbe helyez, akkor az felmelegíti a testben levő vízmolekulákat, és főzi a belső szöveteket. Mikrohullámokat alkalmaznak gyógyászati célokra is, ugyanis a szövetek belső melegítése, a vérellátás fokozása jótékony hatású bizonyos mozgásszervi megbetegedéseknél. A mikrohullámú sütőben a dipólusos molekulákat (pl. víz) a változó elektromágneses mező forgásra kényszeríti, és a forgásuk során fellépő dielektromos veszteségek miatt hő fejlődik.

Kárbejelentés Aegon biztosítónál

Infravörös sugárzás

Az infravörös érzést melegen vagy hőn érezzük emberként. Hőkép- és éjjellátó technológiában használják. Az infravörös rendszert az optikai szál kommunikációban is használják. A túl sok infravörös égési sérülést okozhat a bőrén. Az infravörös sugárzás hullámhossza nagyobb, mint a látható fényé. Ugyan szemünkben nem vált ki ingerületet, hőhatása révén bőrünk érzékeli. A termográfia módszere megfelelő detektorok segítségével a tárgyak, élőlények infravörös tartományba eső kisugárzását jeleníti meg. Ezt a gyógyászatban lokális gyulladások, daganatok korai felismerésére, illetve az építőipar és az energetika területén a lakóházak hőszigetelésének vizsgálatára használják. Egyes ragadozók észlelik a zsákmányállat által kibocsátott infravörös sugarakat, és az éjjellátó készülékek is ebben a hullámhossztartományban működnek. Infravörös sugarakat bocsátanak ki a távirányítók, ahol nem látható fényű LED található, hanem infra LED.

Látható fény

A látható fény az EM sugárzás szűk tartománya, amelyet láthatunk. A látható spektrum az elektromágneses spektrum azon szegmense, amelyet az emberi szem érzékelni tud, általában 380 nanométer (nm) és 750 nanométer (nm) közötti hullámhosszakra terjed ki. Ez a keskeny elektromágneses sugárzási sáv teszi lehetővé a színek gazdag világát, amelyet megtapasztalunk, és alapja a látásnak, a színtudománynak, a világításnak, képalkotó rendszereknek és sok technológiának az ipar számos területén. Nincsenek azzal valódi veszélyek, de a túl sok látható fény károsíthatja a szemet. A látható fény olyan elektromágneses sugárzás, amely 380 nm és 780 nm közötti hullámhosszával az infravörös és az ultraibolya sugárzások tartományai közé esik. A fényintenzitás az elektromos és mágneses térerősség-komponensek amplitúdójával van összefüggésben, és az emberi szem fényerőként, fényességként érzékeli. A fény frekvenciája vagy hullámhossza határozza meg a fény színét. A fény polarizációján a rezgés irányát értjük, amelyet az emberi szem normál körülmények között nem érzékel. A fény polarizálhatósága arra bizonyíték, hogy az elektromágneses sugárzás transzverzális hullám.

A fehér fény 7 színből áll: piros, narancs, sárga, zöld, kék, indigó, ibolya. Ezt a fényt prizma segítségével fel lehet osztani minden színre vagy szétszórhatja. Jó emlékezés erre, ha gondolunk a nevet adó betűkre - Roy G. Biv. Ezen tartományon belül a fényt színekként érzékeljük, amelyek fokozatosan váltanak az ibolyától (a legrövidebb hullámhosszaknál) kéken, zöldön, sárgán és narancson át a vörösig (a leghosszabb hullámhosszaknál). A színek az emberi szem fotoreceptorsejtjeinek különböző hullámhosszú látható fény általi ingerléséből származnak. Amely színek nem találhatók meg a látható tartományban (például rózsaszín, barna), azok mind kevert színek, vagyis több különböző frekvenciájú fényből állnak össze.

A színérzékelés tudománya

A színérzékelés a fizikai fénytulajdonságok és az emberi látórendszer kölcsönhatásából származik. A retina tartalmaz pálcikákat (gyenge fényhez) és háromféle csapsejtet, amelyek a színlátásért felelősek: S-csapsejtek (rövid hullámhossz, csúcs ~420 nm - kék), M-csapsejtek (közepes hullámhossz, csúcs ~534 nm - zöld), L-csapsejtek (hosszú hullámhossz, csúcs ~564 nm - vörös). Az agy ezen csapsejtek jeleit értelmezi, lehetővé téve a színek millióinak érzékelését additív keveréssel. Az egyéni eltérések, a genetika, életkor és egészség befolyásolhatja a színérzékelést. A színlátási zavarok (pl. vörös-zöld színvakság) akkor fordulnak elő, ha egy vagy több csapsejttípus hiányzik vagy hibásan működik. Az észlelt színt módosíthatja az intenzitás, a környezet és a megvilágítási viszonyok.

Alkalmazások

A látható fénynek számos felhasználási területe van, beleértve az optikai teleszkópiát és az optikai mikroszkópiát. A mesterséges fényforrásokat (izzólámpa, fénycső, LED) úgy tervezik, hogy a látható spektrumon belül bocsássanak ki fényt, a színhőmérsékletet és színvisszaadásukat az emberi igényekhez igazítva. Minden modern kijelzőtechnológia a vörös, zöld és kék alpixelek additív keverését alkalmazza a színek visszaadására. A kamerák szenzorait a megfelelő spektrális válaszhoz hangolják. Az optikai szálas kommunikáció nagy sebességű adatátvitelt tesz lehetővé nagy távolságon, minimális veszteséggel. A spektroszkópia az anyagok vizsgálata a látható fény elnyelésének, kibocsátásának vagy visszaverődésének mérésével tárja fel a kémiai összetételt és tulajdonságokat. A légügyi világítás, mint például a kifutópálya és gurulóút fényei, szigorú kromatikus és intenzitási előírások szerint (pl. ICAO Annex 14) tervezettek a maximális láthatóság és biztonság érdekében. A művészek és tervezők a látható spektrum ismeretét használják harmonikus színösszeállítások és vizuális hatások létrehozásához. A szín kulcsfontosságú kommunikációs elem, amelynek pszichológiai asszociációi befolyásolják a viselkedést és az észlelést. A fotoszintézis, a látás és alkalmazkodás, valamint a cirkadián ritmusok is a látható fénnyel vannak összefüggésben.

A DEKRA kárbejelentő nyomtatványa

Ultraibolya sugárzás

Az ultraibolya sugárzás a bőr barnulását okozza, és a szoláriumokban használják. A hamis számlák ellenőrzésére is felhasználják. Az UV felhasználható az ivóvíz sterilizálására is, mivel a DNS megrontásával elpusztíthatja a káros mikroorganizmusokat. A magas ultraibolya expozíció a bőrrák fokozott kockázatához is vezethet, ezért az orvosok azt javasolják, hogy napsütéses napon viseljen fényvédő krémet. Az UV-B tartomány fotonjai már olyan nagy energiájúak, hogy a DNS-beli kötéseket képesek felszakítani, így a bőrrák kialakulásáért az erős UV-B sugárzás felelős. Egyébként a bőrünk barnulása is az UV-B hatására következik be, emiatt nem lehet a szobába, az ablak mögött lebarnulni, és emiatt kell a szoláriumban UV-B-sugárzásnak lennie. Továbbá UV-B sugárzás szükségs a D-vitamin termeléshez is. Az UV-C tartomány a földfelszínt nem éri, mert a Napból jövő UV-C-t a légkör kiszűri. A higanygőz lámpákban elsősorban 254 nm-es hullámhosszúságú UV-C sugárzás keletkezik. Ha ezt kvarcüveg búrába hozzuk létre az átengedi (míg a normál üveg elnyeli), így keletkezik a kvarclámpa, mely erősen károsítja az örökítőanyagot, ezért mikroorganizmusok elpusztítására, sterilizálásra használják.

Röntgensugarak

A röntgenfelvételeket általában a képalkotásban használják az orvostudomány és a biztonság területén. A röntgen nagyon áthatol, ami azt jelenti, hogy nehéz megállítani; ez lehetővé teszi számukra a csontok képeinek elkészítését. Csak egy sűrű anyag, például a csont és a fém veszi fel őket, és könnyen továbbjuthatnak a lágy szöveteken. Ezeket a repülőtéri biztonságban is használják. A röntgen sugarak ionizálódnak és rákot okozhatnak. A röntgensugárzás több módon adja le az energiáját, amikor anyagon halad át. A röntgengépekben 30-200 kV feszültéggel felgyorsított elektronok csapódnak az anód volfrám fémtömbjébe, tehát a Rtg-sugárzás nagy rendszámú elemek elektronfelhőjében keletkezik. A fotoeffektusnak a valószínűsége Zⁿ-nel arányos, ahol Z az elnyelő anyag rendszáma, n pedig egy 4-5 körüli szám, ezért a röntgensugárzás a relatíve nagy (20-as) rendszámú Ca-ot tartalmazó csontokban sokkal erősebben nyelődik el, mint a lágy szövetekben. Nagyobb mennyiségű röntgensugérzás már károsítja az élő szöveteket, ami ellen nagy rendszámú (a Rtg-sugarakat jól elnyelő) anyagból készült réteggel védekezhetünk (ólomköpeny, ólomtéglákból épített fal). Röntgensugarakat használnak a CT-gépek (computer tomográf) és kristályos anyagok szerkezetvizsgálataiban is.

Gammasugarak

A gammasugarak a legmagasabb energiájú EM hullámok. A legrövidebb hullámhosszú és legmagasabb frekvenciájuk van. Rendkívül ionizáló és áthatoló. Nagyon veszélyesek lehetnek az emberi egészségre, és a rák kialakulásához kapcsolódhatnak. De rák kezelésére is felhasználhatók. A gammasugarak károsítják a sejteket, és amikor a rákos sejteket gamma-sugárzásnak teszik ki, azok megsérülnek és elpusztíthatók. Ez segíthet megakadályozni a rák terjedését. A gamma fotonok atommagreakciókban keletkeznek, és magreakciók kiváltására is alkalmasak, emellett anyagban haladva az elektronokkal is kölcsönhatnak (a kémiai kötéseket felszakítják, ionizálnak), így az élő szöveteket károsítják. A gammasugárzás tulajdonságaiban a kemény röntgensugárzáshoz hasonlít, sőt, tartományaik részben át is fedik egymást.

Frekvenciaanalízis Technikai Aspektusai

A frekvenciatartománybeli méréstechnika rohamos fejlődésével egyre több szakember találkozik azzal a kérdéssel: spektrum analizátor vagy hálózati analizátor szükséges-e az adott mérési feladathoz? Általános értelemben valamely fizikai mennyiség energia szerinti eloszlását spektrumnak nevezzük. Ennek megfelelően az elektromágneses spektrum is felosztható különböző tartományokra a sugárzás (foton)energiája szerint, azonban a gyakorlatban inkább az energiának megfeleltethető hullámhossz vagy frekvencia szerinti kategorizálással élünk.

Frekvenciaanalízis Szűrőkkel

Egy rögzített középfrekvenciájú szűrő válasza a bemenő jelre a bemenő jel és a szűrő (mint átviteli tag) súlyfüggvényének konvolúciója, amint az a rendszertechnikából ismert. Ennek az időtartománybeli folyamatnak, a Laplace transzformációs szabályok szerint, az operátor térben két komplex függvény szorzata felel meg, nevezetesen a bemenőjel Laplace transzformáltjának és a szűrő-súlyfüggvény Laplace transzformáltjának szorzata. A „frekvencia térben” ezért úgy tekinthetjük, hogy a szűrőn átengedett jel amplitúdó spektruma két individuális jel amplitúdó spektrumának szorzata. A vizsgált jel teljes spektrumát csak úgy kaphatjuk meg, ha a szűrő középfrekvenciát léptetjük, esetleg célszerűen választott sebességgel „csúsztatjuk” a kérdéses frekvencia tartományban. A léptetés, illetve csúsztatás sebességét a tömbvázlatban látható átviteli tagok jelet késleltető tulajdonságai határozzák meg.

A Járműmérnöki Képzés részletei

Szűrőtípusok

Alapvetően meg kell különböztetni konstans abszolút sávszélességű és konstans relatív (százalékos) sávszélességű szűrőket. A konstans relatív sávszélességet mindig a hangolható középfrekvencia bizonyos meghatározott százalékában kapjuk. A konstans sávszélesség nagyjából egységes felbontást biztosít a lineáris frekvencia skálán, ami akkor előnyös, ha a harmonikus komponensek egyforma felbontását és elkülöníthetőségét kell biztosítani. Megjegyezzük, hogy a régi analóg regisztrálók és megjelenítők sajátosságai miatt, lineáris skála esetében, a lineáris frekvencia skála erősen korlátozta a vizsgált frekvenciatartomány nagyságát. A korszerű, digitális adatrögzítés ezt a problémát kiküszöbölte, mert a tárolt adatokból a tetszőlegesen választott frekvencia tartomány kiemelhető.

A konstans relatív sávszélesség egyenletes felbontást eredményez a logaritmikus frekvencia skálán, és ezért a nyomtatott protokollok esetében (pl. műszer kalibrálás) egy nagyobb frekvencia tartomány megjelenítése sem okoz gondot. A konstans relatív sávszélesség másik előnye az, hogy a jósági tényezővel (Q) közvetlen kapcsolatban áll. A Q faktor a rezonancia csúcsok nagyságát (magasságát) jellemzi. Ezért olyan spektrumok elemzése során, amelyeknél várhatóan számos rezonancia csúcs fog megjelenni, és ezek kiértékelése fontos a feladat szempontjából, célszerű konstans relatív sávszélességű analízist végezni. Megkülönböztetett figyelmet érdemel a konstans relatív sávszélességű szűrők két csoportja, mert ezeket az akusztika és a rezgésvizsgálat területén rendszeresen alkalmazzák, ezek az oktáv- és tercszűrők. Az oktávszűrő esetében a szűrő áteresztő sávjának felső határfrekvenciája kétszerese az alsó határfrekvenciának, ami relatív sávszélességként 70.7 %-ot eredményez. Látható, hogy ilyen módon három frekvencia dekáddal és ezeken belül 10 oktáv sávval az akusztikában fontos frekvenciasáv lefedhető (itt: 22.5 Hz - 22.5 kHz). A szűrés finomítható a terc sávok létrehozásával, amelynek során minden oktávsávban három aláosztott, un. terc sáv jön létre.

Szűrők Jellemzői

Bevezetőben meg kell említeni a szűrők B_eff „effektív zaj sávszélességét” is. Az effektív zaj sávszélesség másként fogalmazva az a frekvenciasáv, amely egy olyan ideális szűrőhöz tartozik, amely az ideális fehér zajból ugyanakkora teljesítményt enged át, mint az azonos referencia szinttel rendelkező valós szűrő. Ennek a jellemzőnek fontos szerepe van a véges idejű jelminták analízise során. Egy másik sávszélességet is szokás a szűrőkkel kapcsolatban emlegetni, ez pedig a 3 dB sávszélesség. Ez a sávszélesség ahhoz a teljesítmény szinthez tartozik, amely 3 dB értékkel van a szűrő átengedő sávjának csúcsértéke alatt. Tekintettel arra, hogy ennek értéke igen közel van az effektív zaj sávszélességhez, és könnyebben mérhető is, a gyakorlatban előszeretettel alkalmazzák ezt az értéket a szűrő jellemzőjeként. A szelektivitást az „alaktényezővel” szokás jellemezni. Rendeljük egyszerűség kedvéért a szűrő átengedési sávjának maximumához a 0 dB értéket (1:1 átvitel). Az alaktényezőt általában, mint a szűrő -60 dB átviteli szintjéhez tartozó sávszélességének és a 3 dB sávszélességének arányát szokták definiálni. A konstans relatív sávszélességű szűrők jellemzésére, amelyek karakterisztikája a logaritmikus frekvencia tengelyre nézve szimmetrikus, az oktáv, vagy terc szelektivitás fogalmakat alkalmazzák.

Szűrők Válaszideje

Ha a jel „hirtelen” kerül a szűrő bemenetére, az energiatárolók miatt, nyilvánvalóan idő szükséges ahhoz, hogy a kimeneten a válasz megjelenjen. Legyen a jel harmonikus, és frekvenciája a szűrő átengedési sávján belüli. A szűrő „TR válaszideje” mellett, szokás még a szűrő „felfutási idejéről” és „beállási idejéről” is beszélni, de ez utóbbinak csak akkor van jelentősége, ha a szűrő válaszában van egy jelentősebb lappangási idő is. Ha olyan analóg szűrőt alkalmaznak, amelynél az analízis „csúsztatással” történik, tehát a szűrő átviteli sávját meghatározott sebességgel mozgatják a frekvencia tengely „mentén”, a gerjesztés nem ugrásszerű.

Spektrum Analizátorok

A B&K cég napjainkban már mintegy 70 éves múltra tekinthet vissza, és vezető a hang-és rezgésmérés mérőeszközeinek gyártásában.

Rögzített Középfrekvenciájú Sávszűrők

A rögzített középfrekvenciájú sávszűrőkkel felépített analizátor tömbvázlatában a jel a kondicionálás (erősítő fokozat) után közvetlenül egy sorozat párhuzamosan kapcsolt sávszűrőre kerül, amelyek együttesen lefedik az analízis szempontjából érdekes frekvencia tartományt. A detektort szekvenciálisan kapcsolják a sávszűrőhöz, amely sorban egymás után méri a sávszűrők kimenetén megjelenő jelet. Az egyes sávokban való tartózkodás idejét az analizálandó jel becsült spektruma alapján kellett beállítani, hasonlóképpen tekintettel kellett lenni a detektorok „feléledési” idejére is.

Hangolható Középfrekvenciájú Szűrő

A keskenysávú analízis céljaira sokkal jobban megfelel a hangolható középfrekvenciájú szűrő. Az átlagolási idő és a szűrő sávszélessége befolyásolják az analízissel kapott eredmény bizonytalanságát (pontosságát), amit az „s” empirikus szórás jellemez. Az analízis eredménye a helyes értéket annál jobban megközelíti, minél nagyobb az átlagolási idő. Végső soron ez az egyetlen paraméter, amellyel az empirikus szórást befolyásolni lehet.

Real-time Analizátorok

Ez az analizátor típus lehetővé teszi, hogy a vizsgált jelről folyamatosan, és egyszerre kapjunk spektrumképet. Lényegesen gyorsabb a vizsgálat, és természetesen jobban igazodik a jel gyors változásaihoz. Az analóg real-time analizátorokat a digitális szűrési technika „legyőzte” ugyan, de elszórtan még lehet ilyen eszközökkel munkahelyeken találkozni. A tercsávos real-time analizátorok a megvalósíthatóság szempontjából még éppen a technikai ésszerűség határán helyezkednek el. A frekvencia sávot tovább csökkentve, keskenysávú analizátort párhuzamos szűrőkkel és detektorokkal építeni egyszerűen nem lenne gazdaságos, a készülék a magas ár miatt nem lett volna piacképes.

Idő-kompressziós Módszer

A rendszer működésének alapja az, hogy a vizsgálandó jelet rögzítik (régen FM magnetofonokkal, manapság természetesen korszerű jelrögzítőkkel, illetve számítógépben), majd a felvett jelet ismert sebességre felgyorsítva analizálják a folyamatot, tercsávos párhuzamos analizátorokkal. Az idő-kompressziós módszerrel a csatornánkénti TD időt is lehet csökkenteni, mégpedig úgy, hogy virtuálisan megnöveljük a „B” sávszélességet. Ennek eredményeként viszont a TD időt osztani lehet M-mel, ami virtuálisan annak felel meg, mintha az analízist M-szer gyorsabban végeztük.

Spektrum Analizátor vs. Hálózati Analizátor

Bár a két műszer hasonló környezetben használatos, céljuk, működésük és mérési képességeik között alapvető különbségek vannak. A spektrum analizátor (Spectrum Analyzer) egy olyan műszer, amely a bemeneti jel frekvencia szerinti teljesítményeloszlását jeleníti meg. Segítségével láthatjuk, hogy milyen frekvenciák vannak jelen egy adott jelben, milyen amplitúdóval. A hálózati analizátor (Vector Network Analyzer - VNA) olyan műszer, amely komplex frekvenciaválaszt jellemzőket (pl. átvitel, reflexió) mér. A mai spektrum analizátorok és VNA-k között már sok az átfedés. Sok laborban és fejlesztési környezetben mindkét műszer jelen van. A spektrum analizátor és hálózati analizátor nem egymást helyettesítő, hanem egymást kiegészítő eszközök. A megfelelő választáshoz mindig a mérési célból induljunk ki, ne csak az ár vagy a márkanév alapján döntsünk.

tags: #gepjarmu #frekvencia #spektrum #információ

• Olajcsere nullázás útmutató (Ford Focus 2011)
• Új Mazda kulcs árak
• Alkatrészek Chicago Pneumatic gépekhez
• Milyen jelei vannak az Opel kuplungtárcsa hibájának?
• Mazda logó: a jelentés és evolúció