Из серии "Физические основы звука" , посвященной объяснению основ физических процессов, с которыми приходится сталкиваться музыкантам и просто любителям музыки. Материал дается языком, доступным для людей далеких от техники и сегодня мы рассмотрим фазу сигнала и фазовый сдвиг.
Мы вплотную подошли к тому, чтобы рассказать, что же такое фаза.
Посмотрим на формулу, описывающую синусоидальное колебание:
S(t)=Amp*sin(Ф) ,
где S(t) - это значение сигнала (уровень звукового давления, величина семпла,
уровень напряжения на входе колонок) в момент времени t;
Amp - амплитуда сигнала (максимально возможное значение для этого колебания);
sin - синусоидальная функция.
Ф - фаза сигнала равна:
Ф=2*PI*f+ф/360*2*PI
PI - число «пи»;
f - частота (высота тона) сигнала в Герцах;
ф - сдвиг фазы сигнала в градусах.
Фаза в течении периода колебания меняется от 0 до 360 градусов . Потом опять - от 0 до 360, и так далее. Поскольку фаза однозначно связана с уровнем колебания в точке периода, соответствующего фазе, то:
Фазу, с некоторым допущением, можно рассматривать, как мгновенный уровень сигнала в определенной точке времени внутри периода.
При значении фазы 0 градусов - уровень сигнала (синусоиды) равен 0.
При значении фазы 90 градусов - 1 Па.
При значении фазы 180 градусов - снова 1 Па.
При значении фазы 360 градусов (все равно, что 0 градусов следующего периода) - снова 0 Па.
С течением времени уровень сигнала изменяется по определенному закону, поэтому грубо можно сказать и так:
ФАЗА СИГНАЛА - это уровень сигнала в текущий момент времени.
ФАЗА СИГНАЛА - это уровень звукового давления в текущий момент времени в нашей точке пространства.
Теперь о том, как такое виртуальное понятие, как ФАЗА СИГНАЛА влияет на реальную жизнь.
Допустим две колонки порождают в точке нахождения слушателя переменные звуковые давления, которые складываются друг с другом. Эти давления то нарастают, то убывают. А если мы предположим, что давления от обоих колонок изменяются одинаково, но всегда в противоположную сторону. То есть,
давление от первой колонки 0,5 Па (паскалей), а от второй минус 0,5 Па,
от первой минус 1 Па, от второй 1 Па.
Такое явление называется противофазой . Суммарная громкость звука в точке слушателя - всегда равна нулю.
Что же такое противофаза по формуле синусоидального колебания?
S(t)=Amp*sin(2*PI*f+ф/360*2*PI)
Это когда в одной колонке сигнал изменяется по формуле
S(t)=Amp*sin(2*PI*f+0) , фазовый сдвиг ф=0 градусов.
А в другой колонке сигнал изменяется по формуле (сигналы по форме одинаковые, но с задержкой по времени)
S(t)=Amp*sin(2*PI*f+180/360*2*PI) , фазовый сдвиг ф=180 градусов.
360 градусов - длина периода сигнала, 180 градусов - половина периода сигнала.
Иными словами колебание во второй колонке задержано на половину периода (на 180 градусов).
Если задержка равна нулю , то уровень сигнала наоборот увеличивается, т.к. давление от первой колонки - 1 Па, от второй 1 Па, в сумме 1+1=2 Па. В этом случае говорят, что сигналы в фазе (фазовый сдвиг равен 0 градусов).
При значениях фазового сдвига от 0 до 180 градусов - суммарный уровень громкости становится меньше , пока не станет равным нулю при значении фазового сдвига 180 градусов .
Если фазовый сдвиг становится больше 180 градусов , то суммарный уровень громкости опять возрастает .
ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...
Но т.к. витки сдвинуты в пространстве, то наводимая в них ЭДС будет достигать амплитудных и нулевых значений не одновременно.
В начальный момент времени ЭДС витка будет:
В этих выражениях углы и называются фазными , или фазой . Углы и называются начальной фазой . Фазный угол определяет значение ЭДС в любой момент времени, а начальная фаза определяет значение ЭДС в начальный момент времени.
Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одинаковой частоты и амплитуды называется углом сдвига фаз
Разделив угол сдвига фаз на угловую частоту, получим время, прошедшее с начала периода:
Графическое изображение синусоидальных величин
U = (U 2 a + (U L - U c) 2)
Таким образом, из-за наличия угла сдвига фаз напряжение U всегда меньше алгебраической суммы U a + U L + U C . Разность U L - U C = U p называется реактивной составляющей напряжения .
Рассмотрим, как изменяются ток и напряжение в последовательной цепи переменного тока.
Полное сопротивление и угол сдвига фаз. Если подставить в формулу (71) значения U a = IR; U L = lL и U C =I/(C), то будем иметь: U = ((IR) 2 + 2), откуда получаем формулу закона Ома для последовательной цепи переменного тока:
I = U / ((R 2 + 2)) = U / Z (72)
где Z = (R 2 + 2) = (R 2 + (X L - X c) 2)
Величину Z называют полным сопротивлением цепи , оно измеряется в омах. Разность L — l/(C) называют реактивным сопротивлением цепи и обозначают буквой X. Следовательно, полное сопротивление цепи
Z = (R 2 + X 2)
Соотношение между активным, реактивным и полным сопротивлениями цепи переменного тока можно также получить по теореме Пифагора из треугольника сопротивлений (рис. 193). Треугольник сопротивлений А’В’С’ можно получить из треугольника напряжений ABC (см. рис. 192,б), если разделить все его стороны на ток I.
Угол сдвига фаз определяется соотношением между отдельными сопротивлениями, включенными в данную цепь. Из треугольника А’В’С (см. рис. 193) имеем:
sin ? = X / Z; cos? = R / Z; tg? = X / R
Например, если активное сопротивление R значительно больше реактивного сопротивления X, угол сравнительно небольшой. Если в цепи имеется большое индуктивное или большое емкостное сопротивление, то угол сдвига фаз возрастает и приближается к 90°. При этом, если индуктивное сопротивление больше емкостного, напряжение и опережает ток i на угол; если же емкостное сопротивление больше индуктивного, то напряжение и отстает от тока i на угол.
Идеальная катушка индуктивности, реальная катушка и конденсатор в цепи переменного тока.
Реальная катушка в отличии от идеальной имеет не только индуктивность, но и активное сопротивление, поэтому при протекании переменного тока в ней сопровождается не только изменением энергии в магнитном поле, но и преобразованием электрической энергии в другой вид. В частности, в проводе катушки электрическая энергия преобразуется в тепло в соответствии с законом Ленца — Джоуля .
Ранее было выяснено, что в цепи переменного тока процесс преобразования электрической энергии в другой вид характеризуется активной мощностью цепи Р , а изменение энергии в магнитном поле — реактивной мощностью Q .
В реальной катушке имеют место оба процесса, т. е. ее активная и реактивная мощности отличны от нуля. Поэтому одна реальная катушка в схеме замещения должна быть представлена активным и реактивным элементами.
На якоре генератора укреплены два одинаковых витка 1 и 2, сдвинутых в пространстве (рис. 5-6). При вращении якоря в витках будут наводиться э. д. с. одной частоты и с одинаковыми амплитудами; так как витки вращаются с одинаковой угловой скоростью в одном и том же магнитном поле.
Вследствие сдвига витков в пространстве, витки неодновременно проходят под серединами полюсов и э. д. е. неодновременно достигают амплитудных значений.
При вращении якоря с угловой скоростью и в направлении, обратном ходу часовой стрелки, в момент начала отсчета времени витки расположены под углами к нейтральной плоскости (рис. 5-6).
Рис. 5-6. Два витка обмотки якоря генератора.
Рис. 5-7. Графики двух переменных э. д. с.
Наведенные в витках э. д. с.
где угол называется фазным углом или просто фазой, так что мгновенное значение синусоидальной величины определяется амплитудой и фазой.
Графики этих э. д. с. построены на рис. 5-7.
В начальный момент времени наводимые в витках э. д. с.
На рис. 5-7 они изображены начальными ординатами. Электрические углы , определяющие значения э. д. с. в начальный момент времени, называются начальными фазными углами или просто начальными фазами.
Таким образом, синусоидальная величина характеризуется: 1) амплитудой, 2) частотой или периодом и 3) начальной фазой.
Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одной частоты называется углом сдвига фаз (сдвигом фаз):
Сдвиг фаз показывает, на какую часть периода или на какой промежуток времени одна синусоидальная величина достигает начала периода раньше другой величины.
За начало периода считают момент времени, в который синусоидальная величина проходит через нулевое значение, после которого она положительна. Та величина, у которой начало периода достигается раньше, чем у другой, считается опережающей по фазе, а та, у которой то же значение достигается позже - отстающей по фазе.
Две синусоидальные величины, имеющие одинаковые начальные фазы, совпадают по фазе. Две синусоидальные величины, угол сдвига фаз которых равен 180°, изменяются в противофазе.
Пример 5-3. Две э. д. с. заданы уравнениями
Проделаем следующий опыт. Возьмем описанный в § 153 осциллограф с двумя петлями и включим его в цепь так (рис. 305,а), чтобы петля 1 была включена в цепь последовательно с конденсатором, а петля 2 параллельно этому конденсатору. Очевидно, что кривая, получаемая от петли 1, изображает форму тока, проходящего через конденсатор, а от петли 2 дает форму напряжения между обкладками конденсатора (точками и ), потому что в этой петле осциллографа ток в каждый момент времени пропорционален напряжению. Опыт показывает, что в этом случае кривые тока и напряжения смещены по фазе, причем ток опережает по фазе напряжение на четверть периода (на ). Если бы мы заменили конденсатор катушкой с большой индуктивностью (рис. 305,б), то оказалось бы, что ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода (на ). Наконец, таким же образом можно было бы показать, что в случае активного сопротивления напряжение и ток совпадают по фазе (рис. 305,в).
Рис. 305. Опыт по обнаружению сдвига фаз между током и напряжением: слева – схема опыта, справа – результаты
В общем случае, когда участок цепи содержит не только активное, но и реактивное (емкостное, индуктивное или и то и другое) сопротивление, напряжение между концами этого участка сдвинуто по фазе относительно тока, причем сдвиг фаз лежит в пределах от до и определяется соотношением между активным и реактивным сопротивлениями данного участка цепи.
В чем заключается физическая причина наблюдаемого сдвига фаз между током и напряжением?
Если в цепь не входят конденсаторы и катушки, т. е. емкостным и индуктивным сопротивлениями цепи можно пренебречь по сравнению с активным, то ток следует за напряжением, проходя одновременно с ним через максимумы и нулевые значения, как это показано на рис. 305,в.
Если цепь имеет заметную индуктивность , то при прохождении по ней переменного тока в цепи возникает э. д. с. самоиндукции. Эта э. д. с. по правилу Ленца направлена так, что она стремится препятствовать тем изменениям магнитного поля (а следовательно, и изменениям тока, создающего это поле), которые вызывают э. д. с. индукции. При нарастании тока э. д. с. самоиндукции препятствует этому нарастанию, и потому ток позже достигает максимума, чем в отсутствие самоиндукции. При убывании тока э. д. с. самоиндукции стремится поддерживать ток и нулевые значения тока будут достигнуты в более поздний момент, чем в отсутствие самоиндукции. Таким образом, при наличии индуктивности ток отстает по фазе от тока в отсутствие индуктивности, а следовательно, отстает по фазе от своего напряжения.
Если активным сопротивлением цепи можно пренебречь по сравнению с ее индуктивным сопротивлением , то отставание тока от напряжения по времени равно (сдвиг фаз равен ), т. е. максимум совпадает с , как это показано на рис. 305,б. Действительно, в этом случае напряжение на активном сопротивлении , ибо , и, следовательно, все внешнее напряжение уравновешивается э. д. с. индукции, которая противоположна ему по направлению: . Таким образом, максимум совпадает с максимумом , т. е. наступает в тот момент, когда изменяется быстрее всего, а это бывает, когда . Наоборот, в момент, когда проходит через максимальное значение, изменение тока наименьшее , т. е. в этот момент .
Если
активное сопротивление цепи не настолько мало, чтобы им можно
было пренебречь, то часть внешнего напряжения падает на сопротивлении , а остальная
часть уравновешивается э. д. с. самоиндукции: 
. В этом случае максимум отстоит от
максимума по
времени меньше, чем на (сдвиг фаз меньше ), как это
изображено на рис. 306. Расчет показывает, что в этом случае отставание по фазе
может
быть вычислено по формуле
. (162.1)
При имеем и , как это объяснено выше.
Рис. 306. Сдвиг фаз между током и напряжением в цепи, содержащей активное и индуктивное сопротивления
Если цепь состоит из конденсатора емкости , а активным сопротивлением можно пренебречь, то обкладки конденсатора, присоединенные к источнику тока с напряжением , заряжаются и между ними возникает напряжение . Напряжение на конденсаторе следует за напряжением источника тока практически мгновенно, т. е. достигает максимума одновременно с и обращается в нуль, когда .
Зависимость между током и напряжением в этом случае показана на рис. 307,а. На рис. 307,б условно изображен процесс перезарядки конденсатора, связанный с появлением переменного тока в цепи.
Рис. 307. а) Сдвиг фаз между напряжением и током в цепи с емкостным сопротивлением в отсутствие активного сопротивления. б) Процесс перезарядки конденсатора в цепи переменного тока
Когда конденсатор заряжен до максимума (т. е. , а следовательно, и имеют максимальное значение), ток и вся энергия цепи есть электрическая энергия заряженного конденсатора (точка на рис. 307,а). При уменьшении напряжения конденсатор начинает разряжаться и в цепи появляется ток; он направлен от обкладки 1 к обкладке 2, т. е. навстречу напряжению . Поэтому на рис. 307,а он изображен как отрицательный (точки лежат ниже оси времени). К моменту времени конденсатор полностью разряжен ( и ), а ток достигает максимального значения (точка ); электрическая энергия равна нулю, и вся энергия сводится к энергии магнитного поля, создаваемого током. Далее, напряжение меняет знак, и ток начинает ослабевать, сохраняя прежнее направление. Когда (и ) достигнет максимума, вся энергия вновь станет электрической, и ток (точка ). В дальнейшем (и ) начинает убывать, конденсатор разряжается, ток нарастает, имея теперь направление от обкладки 2 к обкладке 1, т. е. положительное; ток доходит до максимума в момент, когда (точка ) и т. д. Из рис. 307,а видно, что ток раньше, чем напряжение, достигает максимума и проходит через нуль, т. е. ток опережает напряжение по фазе., как это объяснено выше.
Рис. 308. Сдвиг фаз между током и напряжением в цепи, содержащей активное и емкостное сопротивления
