音频信号的基波谐波

Posted 2021-12-03 “逛丢一只鞋”

基波 谐波

在振动学里认为一个振动产生的波是一个具有一定频率的振幅最大的正弦波叫基波。 这些高于基波频率的小波就叫作谐波。

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频（50Hz）相同的分量。

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。

谐波研究的意义，道德是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

在复杂的周期性振荡中，包含基波和谐波。

和该振荡最长周期相等的正弦波分量称为基波（比如中国家庭用电，220v，50hz，50hz的正弦震荡即为基波，但因为家庭用电的复杂性，比如大功率家用电器的突然开启，会拉低电压的赋值，对电压产生污染，产生谐波）。

相应于这个周期的频率称为基本频率。频率等于基本频率的整倍数的正弦波分量称为谐波；

从傅里叶级数可以知道任何周期信号可以分解为：

  a0+a1cosw0t+a2cosw0t+'''''''''''''''+b1sinwot+b2sinwot+'''''''' 的形式

其中：

a0为直流分量（0次谐波）

1.基波（一次谐波）：其频率是信号的主要频率(基频)，在音频中，它是一个声音中最低得频率，基波决定了声音的音调

2.谐波：其频率比信号的主要频率高，如基频为50Mhz(一次谐波的频率),则谐波出现在100Mhz,150Mhz…，音频中，谐波的作用就是美化声音赋予色彩

一般对于大多数人声或乐器，适当提升基波低端频率处的均衡量，可以获得温暖感与丰满度，同理，如果声音太沉闷，也可以衰减基波频率的均衡量

而提升谐波频率处，能够增强声音的现场感与清晰度，同理，如果太刺耳，也可以衰减谐波频率处的均衡量

常用各乐器人声基谐波参考范围

【单位：Hz】

●男高音：基波131-494、谐波1k-12k

●中高音：基波175-698、谐波2k-12k

●女高音：基波247-1175、谐波2k-12k

●低音人声：基波28-4196、谐波1k-12k

●钢琴：基波28-4196、谐波5k-8k

●电吉他：基波82-1319、谐波1k-15k

●原声吉他：基波82-988、谐波1.5k-15k

●电贝司：基波41-294、谐波0.7k-7k

●原声贝司：基波41-294、谐波0.7k-5k

●大提琴：基波65-698、谐波1k-6.5k

●中提琴：基波131-1175、谐波2k-8/5k

●小提琴：基波196-3136、谐波4k-15k

●底鼓：基波30-147、谐波1k-6k

●军鼓：基波100-200、谐波1k-20k

●镲片：基波300-587、谐波1k-15k

●长笛：基波261-2349、谐波3k-8k

●双簧管：基波261-1568、谐波2k-12k

●单簧管：基波261-1568、谐波2k-10k

●巴松管：基波62-587、谐波1k-7k

●小号：基波165-988、谐波1k-7.5k

●圆号：基波87-880、谐波1k-6k

●长号：基波73-587、谐波1k-7.5k

●大号：基波49-587、谐波1k-4k

谐波次数

频率为主要频率奇数倍的谐波称为奇次谐波，如50Mhz,150Mhz

总的来说，谐波就是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与基波频率相同的分量，还得到一系列大于基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1） 称为谐波次数。谐波实际上是一种干扰；

n=fnf1=f谐f基
n=fnf1=f谐f基

需要注意的是谐波的频率没有小于基频的。

“谐波”一词起源于声学。泛音是声学上的谐波，但次数的定义稍许有些不同，基波频率2倍的音频称之为一次泛音，基波频率3倍的音频称之为二次泛音，以此类推。

谐波抑制

为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：

一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；

另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

一些概念

谐波吸收器，调谐的

由一个扼流线圈和一个电容器串联组成的谐振电路并调谐为对谐波电流具有极小的阻抗。该调谐的谐振电路用于精确地清除配电网络中的主要谐波成分。

谐波吸收器，非调谐的

由一个扼流线圈和一个电容器串联组成的谐振电路并调谐为低于最低次谐波的频率以防止谐振。

谐波电流

谐波电流是由设备或系统引入的非正弦特性电流。谐波电流叠加在主电源上。

谐波

其频率为配电系统工作频率倍数的波形。按其倍数称为 n 次（ 3 、 5 、 7 等）谐波分量。

谐波电压

谐波电压是由谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降。

阻抗

阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻。阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备，以及所采用导体的截面积和长度。

阻抗系数

阻抗系数是 AF （载波）阻抗相对于 50Hz （基波）阻抗的比率。

并联谐振频率

网络阻抗达到最大值的频率。在并联谐振电路中，电流分量 I L 和 I C 大于总电流 I 。

无功功率

电动机和变压器的磁能部分，以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率 Q 。与有功功率不同，无功功率并不做功。计量无功功率的单位是 Var 或 kvar 。

无功功率补偿

供电部门规定一个最小功率因数以避免电能浪费。如果一个工厂的功率因数小于这个最小值，它要为无功功率的部分付费。否则它就应该用电容器提高功率因数，这就必须在用电设备上并联安装电容器。

谐振

在配电系统里的设备，与它们存在的电容 ( 电缆，补偿电容器等 ) 和电感 ( 变压器，电抗线圈等 ) 形成共振电路。后者能够被系统谐波激励而成为谐振。配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性。在这种情况下主要的谐波是 3 次的；它在全部 导体内与单相分量具有相同的长度，因而在星形点上不能消除。

谐振频率

每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率的谐振电路。一个网络有几个电感和电容就有几个谐振频率。

串联谐振谐电路

由电感（电抗器）和电容 ( 电容器 ) 串联的电路。

串联谐振频率

网络的阻抗水平达到最小的频率。在串联谐振电路内分路电压 U L 和 U C 大于总电压 U 。

分量谐波

频率不是基波分量倍数的正弦曲线波。