頻譜

頻譜是頻率譜密度的簡稱，是頻率的分布曲線。複雜振盪分解為振幅不同和頻率不同的諧振盪，這些諧振盪的幅值按頻率排列的圖形叫做頻譜。頻譜廣泛套用於聲學、光學和無線電技術等方面。頻譜將對信號的研究從時域引入到頻域，從而帶來更直觀的認識。把複雜的機械振動分解成的頻譜稱為機械振動譜，把聲振動分解成的頻譜稱為聲譜，把光振動分解成的頻譜稱為光譜，把電磁振動分解成的頻譜稱為電磁波譜，一般常把光譜包括在電磁波譜的範圍之內。分析各種振動的頻譜就能了解該複雜振動的許多基本性質，因此頻譜分析已經成為分析各種複雜振動的一項基本方法。

基本介紹

• 中文名：頻譜
• 外文名：Spectrum
• 別稱：振動譜
• 套用學科：物理，數學
• 適用領域範圍：光學，音樂
• 頻率單位：赫茲

曲線介紹

使用情況

頻譜，又稱振動譜。反映振動現象最基本的物理量就是頻率，簡單周期振動只有一個頻率。複雜運動不能用一個頻率描寫它的運動情況，如下圖1、圖2中左圖所示，而且我們也無法從振動圖形上定量描寫它們的特點，通常採用頻譜來描寫一個複雜的振動情況。任何複雜的振動都可以分解為許多不同振幅不同頻率的簡諧振動之和。為了分析實際振動的性質，將分振動振幅按其頻率的大小排列而成的圖象稱為該複雜振動的頻譜。振動譜中，橫坐標表示分振動的圓頻率，縱坐標則表示分振動振幅。對周期性複雜振動，其頻率為f，則按照傅立葉定理，由它所分解的各簡諧振動的頻率是f的整數倍，即為f，2f，3f，4f，…，其振動譜是分立的線狀譜，圖中每一條線稱為譜線。對於非周期性振動(如阻尼振動或短促的衝擊)，按照傅立葉積分，它可以分解為頻率連續分布的無限多個簡諧振動之和。由於譜線變得無限多，這時振動譜不再是分立的線狀譜，各譜線密集使其頂端形成一條連續曲線，即形成所謂的連續譜，連續譜曲線即為各種譜線的包絡線;而它也有可能分解為頻率不可通約的許多簡諧振動而形成分立譜。

圖1表示鋸齒形振動及振動譜。圖2表示阻尼振動及振動譜。

視頻講解

信號頻譜概念微課講解視頻。

信號頻譜的概念既包含有很強的數學理論（傅立葉變換、傅立葉級數等）；又具有明確的物理涵義（包括諧波構成、幅頻相頻等）。該視頻（不到20分鐘）囊括了信號頻譜的由來、發展、理論基礎、實際套用等，可自成一體。該視頻適合於不同背景的各類從業人員，幫助其在較短時間裡領略信號頻譜的精髓。

頻譜利用率

頻譜利用率定義為：每小區每MHz支持的多少對用戶同時打電話；而對於數據業務來講，定義為每小區每MHz支持的最大傳輸速率。在這裡，小區的頻率復用係數f非常重要：f越低，則意味著每小區可選的頻率自由度越大。在CDMA系統中，每個小區都可以重複使用同一頻帶(f=1)。在一個小區內對每個移動台的總干擾是同區內其他移動台干擾加上所有鄰區內移動台干擾之和。

頻譜

光學頻譜

定義

模擬的自然光光譜圖案光譜，全稱為光學頻譜，是複色光通過色散系統（如光柵、稜鏡）進行分光後，依照光的波長（或頻率）的大小順次排列形成的圖案。光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的一部分，在這個波長範圍內的電磁輻射被稱作可見光。光譜並沒有包含人類大腦視覺所能區別的所有顏色，譬如褐色和粉紅色。

輸出信號的頻譜圖

原理

複色光中有著各種波長（或頻率）的光，這些光在介質中有著不同的折射率。因此，當複色光通過具有一定幾何外形的介質（如三稜鏡）之後，波長不同的光線會因出射角的不同而發生色散現象，投映出連續的或不連續的彩色光帶。

日光被三稜鏡分色這個原理亦被套用於著名的太陽光的色散實驗。太陽光呈現白色，當它通過三稜鏡折射後，將形成由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫順次連續分布的彩色光譜，覆蓋了大約在390到770nm（納米）的可見光區。歷史上，這一實驗由英國科學家艾薩克·牛頓爵士於1665年完成，使得人們第一次接觸到了光的客觀的和定量的特徵。

光譜分類

按波長區域

在一些可見光譜的紅端之外，存在著波長更長的紅外線；同樣，在紫端之外，則存在有波長更短的紫外線。對於紅外線和紫外線，我們視神經的共振頻率達不到這兩個極限，所以紅外線和紫外線都不能為肉眼所覺察，但可通過儀器加以記錄。因此，除可見光譜，光譜還包括有紅外光譜與紫外光譜。

擴展頻譜模式(ssm)

按產生方式

按產生方式，光譜可分為發射光譜、吸收光譜和散射光譜。

有的物體能自行發光，由它直接產生的光形成的光譜叫做發射光譜。

發射光譜可分為三種不同類別的光譜：線狀光譜、帶狀光譜和連續光譜。線狀光譜主要產生於原子，由一些不連續的亮線組成；帶狀光譜主要產生於分子由一些密集的某個波長範圍內的光組成；連續光譜則主要產生於白熾的固體、液體或高壓氣體受激發發射電磁輻射，由連續分布的一切波長的光組成。

太陽光光譜是典型的吸收光譜。因為太陽內部發出的強光經過溫度較低的太陽大氣層時，太陽大氣層中的各種原子會吸收某些波長的光而使產生的光譜出現暗線。在白光通過氣體時，氣體將從通過它的白光中吸收與其特徵譜線波長相同的光，使白光形成的連續譜中出現暗線。此時，這種在連續光譜中某些波長的光被物質吸收後產生的光譜被稱作吸收光譜。通常情況下，在吸收光譜中看到的特徵譜線會少於線狀光譜。

擴展頻譜+ael

當光照射到物質上時，會發生非彈性散射，在散射光中除有與激發光波長相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發光波長長的和短的成分，後一現象統稱為拉曼效應。這種現象於1928年由印度科學家拉曼所發現，因此這種產生新波長的光的散射被稱為拉曼散射，所產生的光譜被稱為拉曼光譜或拉曼散射光譜。

按產生本質

按產生本質，光譜可分為分子光譜與原子光譜。

ofdm頻譜

在分子中，電子態的能量比振動態的能量大50～100倍，而振動態的能量又比轉動態的能量大50～100倍。因此在分子的電子態之間的躍遷中，總是伴隨著振動躍遷和轉動躍遷的，因而許多光譜線就密集在一起而形成分子光譜。因此，分子光譜又叫做帶狀光譜。

在原子中，當原子以某種方式從基態提升到較高的能態時，原子內部的能量增加了，這些多餘的能量將被以光的形式發射出來，於是產生了原子的發射光譜，亦即原子光譜。因為這種原子能態的變化是非連續量子性的，所產生的光譜也由一些不連續的亮線所組成，所以原子光譜又被稱作線狀光譜。

無線電頻譜

無線電的頻譜資源也稱為頻率資源，通常指長波、中波、短波、超短波和微波。一般指9KHz－3000GHz頻率範圍內發射無線電波的無線電頻率的總稱。無線電頻率以Hz（赫茲）為單位，其表達方式為：

生物電阻抗頻譜測量系統

―― 3 000kHz以下（包括3 000kHz），以kHz(千赫茲)表示；

―― 3MHz以上至3 000MHz（包括3 000MHz），以MHz(兆赫茲)表示；

―― 3GHz以上至3 000GHz（包括3 000GHz），以GHz(吉赫茲)表示。

無線電頻譜劃分

無線電頻譜和波段劃分

聲音頻譜

高音頻段

HF(high frequency)

這個頻段的聲音幅度影響音色的表現力。如果這個頻段的泛音幅度比較豐滿，那么音色的個性表現良好，音色的解析能力強，音色的彩色比較鮮明。這個頻段在聲音的成分中幅度不是很大，也就是說，強度不是很大，但是它對音色的影響很大，所以說它很寶貴、很重要。

比如，一把小提琴拉出a'——440Hz的聲音，雙簧管也吹出a'——440Hz的聲音，它們的音高一樣，音強也可以一樣，但是一聽就能聽出哪個聲音是小提琴，哪個聲音是雙簧管，其原因就是，它們各自的高頻泛音成分各不相同。一首歌曲也是一樣，例如韋唯演唱一首"愛的奉獻"，田震也演唱一首"愛的奉獻"。兩首歌調一樣，響度也一樣，而人們一聽使知哪個是田震唱的，哪個是韋唯唱的。這就說明，兩個歌手各自的高頻泛音不同，高頻成分的幅度不同，所以說兩個人的音色個性也就不同。如果這個頻段成分過小了，那么音色的個性就減色了，韻味也就失掉了，聲音就有些尖噪，出現沙啞聲，有些刺耳的感覺了。因此，高頻段成分不要過量。然而又絕對不能沒有，否則聲音會失去個性。

中高音頻段

這個頻段是人耳聽覺比較靈敏的頻段，它影響音色的明亮度、清晰度、透明度。如果這個頻段的音色成分太少了，則音色會變和黯淡了，朦朦朧朧的好像聲音被罩上一層面紗一樣；如果這頻段成分過高了，音色就變得尖利，顯得呆板、發楞。

中低音頻段

這個頻段是人聲和主要樂器的主音區基音的頻段。這個頻段音色比較豐滿，則音色將顯得比較圓潤、有力度。因為基音頻率豐滿了，音色的表現力度就強，強度就大，聲音也變強了。如果這個頻段缺乏，其音色會變得軟弱無力、空虛，音色發散，高低音不合攏；而如果這段頻率過強，其音色就會變得生硬、不自然。因為基音成分過強，相對泛音的強度就變弱了，所以音色缺乏潤滑性。

低音頻段

如果低音頻段比較豐滿，則音色會變得混厚，有空間感，因為整房間都有共振頻率，而且都是低頻區域；如果這個頻率成分多了，會使人自然聯想到房間的空間聲音傳播狀態。如果這個頻率的成分缺乏，音色就會顯得蒼白、單薄，失去了根音乏力；如果這個頻率的成分在音色中過多了，單元音就會顯得渾濁不清了，因而降低了語音的清晰度。

音色影響

16~20KHz

這段頻率範圍實際上對於人耳的聽覺器官來說，已經聽不到了，因為人耳聽覺的最高頻率是15.1KHz。但是，人可以通過人體和頭骨、顱骨將感受到的16~20KHz頻率的聲波傳遞給大腦的聽覺腦區，因而感受到這個聲波的存在。這段頻率影響音色的韻味、色彩、感情味。如果音響系統的頻率回響範圍達不到這個頻率範圍，那么音色的韻味將會失落；而如果這段頻率過強，則給人一種宇宙聲的感覺，一種幻覺，一種神秘莫測的感覺，使人有一種不穩定的感覺。因為這些頻率大多數是基音的不諧和音頻率，所以會產生一種不安定的感受。這段頻率在音色當中強度很小。但是很重要，是音色的表現力部分，也是常常被人們忽略的部分，甚至有些人根本感覺不到它的存在。

12~16KHz

這是人耳可以聽到的高頻率聲波，是音色最富於表現力的部分，是一些高音樂器和高音打擊樂器的高頻泛音頻段，例如鑔、鈴、鈴鼓、沙錘、銅刷、三角鐵等打擊樂器的高頻泛音，可給人一種"金光四射"的感覺，強烈地表現了各種樂器的個性。如果這段頻率成分不足，則音色將會會失掉色彩，失去個性；而如果這段頻率成分過強，如激勵器激勵過強，音色會產生"毛刺"般尖噪、刺耳的高頻噪聲，對此頻段應給予一定的適當的衰減。

10~12KHz

這是高音木管樂器的高音銅管樂器的高頻泛音頻段，例如長笛、雙簧管、小號、短笛等高音管樂器的金屬聲非常強烈。如果這段頻率缺乏，則音色將會失去光澤，失去個性；如果這段頻率過強，則會產生尖噪，刺耳的感覺。

8~10KHz

這段頻率s音非常明顯，影響音色的清晰度和透明度。如果這頻率成分缺少，音色則變得平平淡淡；如果這段頻率成分過多，音色則變得尖銳。

6~8KHz

這段頻率影響音色的明亮度，這是人耳聽覺敏感的頻率，影響音色清晰度。如果這段頻率成分缺少，則音色會變得暗淡；如果這段頻率成分過強，則音色顯得齒音嚴重。

5~6KHz

這段頻率最影響語音的清晰度、可懂度。如果這段頻率成分不足，則音色顯得含糊不清；如果此段頻率成分過強，則音色變得鋒利，易使人產生聽覺上的疲勞感。

4~5KHz

這段頻率對樂器的表面響度有影響。如果這段頻率成分幅度大了，樂器的響度就會提高；如果這段頻率強度變小了，會使人聽覺感到這種樂器與人耳的距離變遠了；如果這段頻率強度提高了，則會使人感覺樂器與人耳的距離變近了。

4KHz

這個頻率的穿透力很強。人耳耳腔的諧振頻率是1~4KHz所以人耳對這個頻率也是非常敏感的。如果空虛頻率成分過少，聽覺能力會變差，語音顯得模糊不清了。如果這個頻率成分過強了，則會產生咳聲的感覺，例如當收音機接收電台頻率不正時，播音員常發出的咳音聲。

2~3KHz

這段頻率是影響聲音明亮度最敏感的頻段，如果這段頻率成分豐富，則音色的明亮度會增強，如果這段頻率幅度不足，則音色將會變得朦朦朧朧；而如果這段頻率成分過強，音色就會顯得呆板、發硬、不自然。

1~2KHz

這段頻率範圍通透感明顯，順暢感強。如果這段頻率缺乏，音色則鬆散且音色脫節；如果這段頻率過強，音色則有跳躍感。

800Hz

這個頻率幅度影響音色的力度。如果這個頻率豐滿，音色會顯得強勁有力；如果這個頻率不足，音色將會顯得鬆弛，也就是800Hz以下的成分特性表現突出了，低頻成分就明顯；而如果這個頻率過多了，則會產生喉音感。人人都有一個喉腔，人人都有一定的喉音，如果音色中的喉音成分過多了，則會失掉語音的個性、失掉音色美感。因此，音響師把這個頻率稱為"危險頻率"，要謹慎使用。

500Hz~1KHz

這段頻率是人聲的基音頻率區域，是一個重要的頻率範圍。如果這段頻率豐滿，人聲的輪廓明朗，整體感好；如果這段頻率幅度不足，語音會產生一種收縮感；如果這段頻率過強，語音就會產生一種向前凸出的感覺，使語音產生一種提前進人人耳的聽覺感受。

300~500Hz

這段頻率是語音的主要音區頻率。這段頻率的幅度豐滿，語音有力度。如果這段頻率幅度不足，聲音會顯得空洞、不堅實；如果這段頻率幅度過強，音色會變得單調，相對來說低頻成分少了，高頻成分也少了，語音會變成像電話中聲音的音色一樣，顯得很單調。

150~300Hz

這段頻率影響聲音的力度，尤其是男聲聲音的力度。這段頻率是男聲聲音的低頻基音頻率，同時也是樂音中和弦的根音頻率。如果這段頻率成分缺乏，音色會顯得發軟、發飄，語音則會變得軟綿綿；如果這段頻率成分過強，聲音會變得生硬而不自然，且沒有特色。

100~150Hz

這段頻率影響音色的豐滿度。如果這段頻率成分增強，就會產生一種房間共鳴的空間感、混厚感；如果這段頻率成分缺少，音色會變得單薄、蒼白；如果這段頻率成分過強，音色將會顯得渾濁，語音的清晰度變差。

60~100Hz

這段頻率影響聲音的混厚感，是低音的基音區。如果這段頻率很豐滿，音色會顯得厚實、混厚感強。如果這段頻率不足，音色會變得無力；而如果這段頻率過強，音色會出現低頻共振聲，有轟鳴聲的感覺。

20~60Hz

這段頻率影響音色的空間感，這是因為樂音的基音大多在這段頻率以上。這段頻率是房間或廳堂的諧振頻率。如果這段頻率表現的充分，會使人產生一種置身於大廳之中的感受；如果這段頻率缺乏，音色會變得空虛；而如果這段頻率過強，會產生一種嗡嗡的低頻共振的聲音，嚴重地影響了語音的清晰度和可懂度。