混合周波数AC信号の概要
これまでのAC回路の研究では、単一周波数の正弦波電圧波形によって電力が供給される回路を調査しました。ただし、電子機器の多くのアプリケーションでは、単一周波数信号は規則ではなく例外です。
電圧の複数の周波数が同時に共存する回路に遭遇することがよくあります。また、回路波形は正弦波以外のものである可能性があります。その場合、それらを非正弦波と呼びます。 波形 。
さらに、DCがACと混合される状況、つまり波形が定常（DC）信号に重畳される状況に遭遇する可能性があります。
このような混合の結果、信号の強度は変化しますが、極性が変化したり、極性が非対称に変化したりすることはありません（たとえば、負よりも正の時間が長くなります）。
DCはACのように交番しないため、その「周波数」はゼロと呼ばれ、さまざまな強度（AC）の信号とともにDCを含む信号は、当然のことながら混合周波数信号と呼ばれることもあります。
同じ回路に周波数が混在しているこれらのケースのいずれにおいても、分析はこれまでに見たものよりも複雑です。
カップリング
混合周波数の電圧信号と電流信号が誤って作成されることがあります。これは、カップリングと呼ばれる回路間の意図しない接続の結果である可能性があります。 —これらの回路の導体間の浮遊容量および/またはインダクタンスによって可能になります。
結合現象の典型的な例は、DC信号配線がAC電源配線のすぐ近くに配置されている業界で頻繁に見られます。近くに高いAC電圧と電流が存在すると、信号配線の長さに「外部」電圧がかかる可能性があります。
電力導体を信号導体から分離する電気絶縁によって形成される浮遊容量は、電力導体からの電圧（アースグラウンドに対して）を信号導体に印加する可能性がありますが、導管内のワイヤの並列配線によって形成される浮遊インダクタンスは、電力導体は、信号導体に沿って電磁的に電圧を誘導します。
その結果、信号負荷でDCとACが混在します。次の回路図は、AC「ノイズ」ソースが導体の長さに沿った相互インダクタンス（Mstray）と静電容量（Cstray）を介してDC回路に「結合」する方法を示しています。 （下の図）
浮遊インダクタンスと浮遊容量は、浮遊ACを目的のDC信号に結合します。
「ノイズ」ソースからの漂遊AC電圧が、信号配線に沿って伝導されるDC信号と混ざり合う場合、通常、結果は望ましくありません。このため、電源配線と低レベル信号配線は常に 分離された専用の金属製コンジットを介してルーティングされ、信号は、単一のワイヤとアース接続ではなく、2芯の「ツイストペア」ケーブルを介して伝送される必要があります:(下の図）
シールド付きツイストペアはノイズを最小限に抑えました。
接地されたケーブルシールド（2つの絶縁導体に巻き付けられたワイヤブレードまたは金属箔）は、外部電界を遮断することによって両方の導体を静電（容量）結合から分離し、2つの導体が平行に近接すると、電磁的（相互に誘導性）を効果的にキャンセルします。誘導されたノイズ電圧は、両方の導体に沿って大きさがほぼ等しく、位相が逆になり、正味の（差動）ノイズ電圧がほぼゼロになると、受信側で互いに打ち消し合うため、結合します。
信号導体の長さの各誘導部分の近くに配置された極性マークは、誘導電圧が互いに打ち消し合うように位相調整されていることを示しています。
AC信号を伝送する2組の導体間でも結合が発生する可能性があります。その場合、両方の信号が互いに「混合」される可能性があります。
並列導体間のAC信号の結合。
結合は、異なる周波数の信号がどのように混合されるかの一例にすぎません。 ACがDCと混合されている場合でも、2つのAC信号が互いに混合されている場合でも、浮遊インダクタンスと静電容量を介した信号結合は通常、偶発的で望ましくありません。
その他の場合、混合周波数信号は意図的な設計の結果であるか、信号の本質的な品質である可能性があります。一般に、混合周波数信号源を作成するのは非常に簡単です。おそらく最も簡単な方法は、電圧源を直列に接続することです:(下の図）
電圧源の直列接続は信号を混合します。
一部のコンピュータ通信ネットワークは、60 Hzの電力線導体に沿って高周波電圧信号を重ね合わせて、既存の長さの電力ケーブルに沿ってコンピュータデータを伝送するという原則に基づいて動作します。
この技術は、高圧送電線に沿って負荷データを通信するために、配電ネットワークで長年使用されてきました。確かに、これらは意図的に確立された条件下での混合周波数AC電圧の例です。
場合によっては、混合周波数信号が単一の電圧源によって生成されることがあります。これは、可聴周波数の気圧波を対応する電圧波形に変換するマイクの場合です。
マイクロフォンによって出力される電圧信号の周波数の特定の組み合わせは、再生されるサウンドに依存します。音波が単一の純粋な音または音で構成されている場合、電圧波形も同様に単一周波数の正弦波になります。
音波が複数の音の和音または他の調和である場合、マイクロフォンによって生成される結果の電圧波形は、それらの周波数が混合されて構成されます。単一の純粋な正弦波振動で構成される自然音はほとんどありませんが、さまざまな振幅のさまざまな周波数振動が混在しています。
基本周波数と高調波周波数
ミュージカルコード 1つの周波数を最初の特定の分数倍数の他の周波数とブレンドすることによって生成されます。
ただし、もう少し調べてみると、1つのピアノ音（撥弦楽器によって生成される）でさえ、1つの主要な周波数と他のいくつかの周波数が混在しており、各周波数は最初の周波数の整数倍（倍音<と呼ばれる）で構成されていることがわかります。 / em> 、最初の周波数は基本と呼ばれます 。
これらの用語の図は、基本周波数が1000 Hz（この例では任意の数値）である下の表に示されています。
1000 Hzの「基本」周波数の場合：
オーバートーン
「倍音」という用語は、楽器によって生成される倍音周波数を表すために使用されることがあります。
「最初の」倍音は、より大きい最初の倍音周波数です。 基本。上記の表に示す高調波周波数の全範囲を生成する機器がある場合、最初の倍音は2000 Hz（2次高調波）になり、2番目の倍音は3000 Hz（3次高調波）になります。
>ただし、この「倍音」という用語の適用は、特定の楽器に固有のものです。
たまたま、特定の楽器が特定の種類の高調波周波数を生成できないことがあります。
たとえば、一方の端が開いていてもう一方の端が閉じているチューブで作られた楽器（たとえば、開口部に空気が吹き付けられたときに音を出すボトルなど）は、偶数次の高調波を生成できません。
1000 Hzの基本周波数を生成するように設定されたこのような機器は、3000 Hz、5000 Hz、7000 Hzなどの周波数も生成しますが、 2000 Hz、4000 Hz、6000 Hz、またはその他の基本周波数の偶数倍の周波数を生成します。
したがって、このような機器の最初の倍音（基本波よりも大きい最初の周波数）は3000 Hz（3次高調波）であり、2番目の倍音は5000 Hz（5次高調波）であると言えます。 。
高調波がまったくない純粋な正弦波（単一周波数）は、人間の耳には非常に「フラット」で「特徴がない」ように聞こえます。
ほとんどの楽器は、これほど単純な音を出すことができません。各楽器に独特の音色を与えるのは、各人に独特の声を与えるのと同じ現象です。音を生成する各固有のオブジェクトの動きの物理学によって記述される、各基本音との調和波形の独自のブレンドです。
金管楽器は、木管楽器と同じ「倍音」を持たず、弦楽器と同じ倍音を生成しません。周波数の独特のブレンドは、楽器にその特徴的な音色を与えるものです。
ギターを弾いたことのある人なら誰でもわかるように、スチール弦はナイロン弦とは音が異なります。また、ギターの弦の音色は、その長さのどこで弾くかによって変化します。
これらの音色の違いも、楽器の部品の機械的振動の違いによって生成されるさまざまな倍音成分の結果です。
これらの楽器はすべて、1つの音を弾くと倍音周波数（基本周波数の整数倍）を生成しますが、これらの倍音周波数の相対的な振幅は楽器ごとに異なります。音楽用語では、トーンの倍音コンテンツの測定値は音色と呼ばれます。 または色 。
楽器の共鳴要素が1次元の弦ではなく、2次元の表面である場合、楽音はさらに複雑になります。
弦の振動（ギター、ピアノ、バンジョー、リュート、ダルシマーなど）またはチューブ内の空気の柱（トランペット、フルート、クラリネット、チューバ、パイプオルガンなど）の振動に基づく楽器は、音を出す傾向があります単一の周波数（「基本」）とハーモニックの混合で構成されています。
ただし、平板の振動に基づく楽器（スチールドラム、および一部の種類のベル）は、基本波の整数倍に限定されず、はるかに広い範囲の周波数を生成します。その結果、一部の人々は音響的に不快だと感じる独特のトーンになります。
ご覧のとおり、音楽は混合周波数とその効果に関する豊富な研究分野を提供します。この章の後半のセクションでは、より詳細に分析するための波形のソースとして楽器について説明します。
レビュー：
- 正弦波 波形は正弦波とまったく同じ形をしています。
- 非正弦波 波形は、歪んだ正弦波の形から方形波のようなまったく異なるものまで、何でもかまいません。
- 混合周波数波形は、誤って作成されたり、意図的に作成されたり、あるいは単に必要に応じて存在したりする可能性があります。たとえば、ほとんどの楽音は単一周波数の正弦波で構成されていませんが、さまざまな周波数の豊富なブレンドです。
- 複数の正弦波形が混在している場合（音楽でよくあることですが）、最も低い周波数の正弦波は基本と呼ばれます。 、および周波数が基本波の整数倍である他の正弦波は、高調波と呼ばれます。 。
- オーバートーン 特定のデバイスによって生成される高調波です。 「最初の」倍音は基本波よりも大きい最初の周波数であり、「2番目の」倍音は次に生成される周波数です。連続する倍音は、混合周波数を生成するデバイスに応じて、増分高調波に対応する場合と対応しない場合があります。一部のデバイスおよびシステムでは、特定の高調波の確立が許可されていないため、それらの倍音には、一部の（すべてではない）高調波周波数のみが含まれます。
関連するワークシート：
- 混合周波数信号ワークシート
- 相互インダクタンスワークシート
産業技術