هرتز چیست و چگونه تولید میشود؟
مقدمه
در دنیای علم و فناوری، واژگانی وجود دارند که هرچند ساده به نظر می‌رسند، نقش بنیادین در توصیف پدیده‌ها و ارتباطات ما با جهان ایفا می‌کنند. یکی از این واژگان کلیدی، “هرتز” است؛ واحدی برای اندازه‌گیری تواتر یا بسامد که در علم فیزیک، مهندسی برق، صوت، مخابرات و حتی زندگی روزمره ما بسیار کاربرد دارد. اما هرتز چیست؟ چگونه تولید میشود و چه اهمیتی در فناوری‌ها و علوم مختلف دارد؟ در این مقاله، به بررسی دقیق این واحد و کاربردهایش می‌پردازیم.
هرتز؛ تعریف و تاریخچه
تعریف هرتز
هرتز (Hertz) واحد اندازه گیری فرکانس یا بسامد در سیستم SI (سیستم بین‌المللی یکاها) است. به بیان ساده، فرکانس تعداد دفعات تکرار یک رویداد در یک ثانیه است و هرتز واحد شمارش این تکرارها می‌باشد. یک هرتز، معادل یک بار وقوع رویداد در هر ثانیه است. علامت اختصاری آن “Hz” است.
فرمول بسامد:
f=Ntf=tN
که در آن:
- ff: فرکانس (هرتز)
- NN: تعداد رویداد تکراری (مثل ارتعاش، موج، پالس)
- tt: مدت زمانی که اندازه‌گیری انجام میشود (ثانیه)
ریشه‌یابی واژه “هرتز”
نام واحد هرتز از نام فیزیکدان آلمانی، “هاینریش هرتز” (Heinrich Hertz)، گرفته شده که نخستین بار وجود امواج الکترومغناطیسی را ثابت کرد. در سال ۱۹۳۰ این واحد به‌طور رسمی در سیستم SI به جای “سیکل بر ثانیه” (CPS یا Cycles Per Second) پذیرفته شد.
هرتز در حوزه‌های مختلف علم
۱. فیزیک
در فیزیک، هرتز برای اندازه‌گیری بسامد هر پدیده تکرار شونده همچون ارتعاش، موج‌های الکترومغناطیسی، حرکت نوسانی و صوت استفاده میشود. مثلاً حرکت تناوبی یک جسم متحرک حول نقطه ثابتی با یک فرکانس خاص قابل توصیف است.
۲. الکترونیک و مخابرات
در دنیای الکترونیک، سیگنال‌های متناوب و موج‌های رادیویی با فرکانس خاصی نوسان می‌کنند. بسامد این سیگنال‌ها، که با هرتز اندازه‌گیری میشود، تعیین‌کننده‌ی نوع کاربرد آن‌هاست (مثلاً سیگنال صوتی، رادیویی، تلویزیونی یا مخابراتی).
۳. صدا و موسیقی
در آکوستیک، بسامد ارتعاشات صوتی (هرتز) تعیین می‌کند صدای ایجاد شده زیر یا بم است. محدوده شنوایی انسان عموماً از ۲۰ هرتز تا ۲۰٬۰۰۰ هرتز است.
۴. فناوری اطلاعات
در رایانه و الکترونیک دیجیتال، هرتز واحدی برای بیان سرعت پردازشگرها (CPU Frequency) یا نرخ تازه‌سازی صفحه نمایش است. مثلاً پردازنده ۳ گیگاهرتز می‌تواند ۳ میلیارد سیکل در ثانیه پردازش انجام دهد.
هرتز؛ از کجا برمی‌خیزد؟
چگونه “بسامد” یا “فرکانس” پدید می‌آید؟
هر زمان که پدیده‌ای به صورت تناوبی تکرار شود، می‌توان فرکانس آن را توصیف کرد. منشأ این تکرارها می‌تواند فیزیکی، شیمیایی، الکتریکی یا حتی بیولوژیکی باشد.
مثال‌های ساده:
- آونگ ساعت: با هر رفت و برگشت کامل، یک چرخه اتفاق می‌افتد. اگر آونگ در یک ثانیه ۲ بار حرکت رفت و برگشت انجام دهد، فرکانس آن ۲ هرتز است.
- امواج صوتی: پرده بلندگو به جلو و عقب می‌لرزد و هوا را متراکم و رقیق می‌کند. این تغییرات فشار در ثانیه، بسامد موج صوتی را مشخص می‌سازد.
- جریان متناوب برق (AC): ولتاژ در هر ثانیه چندین بار قطب خود را تغییر می‌دهد، فرکانس برق شهری در ایران ۵۰ هرتز و در آمریکا ۶۰ هرتز است؛ یعنی ۵۰ یا ۶۰ بار در ثانیه مسیر جریان عوض میشود.
روش‌های تولید هرتز (بسامد مشخص)
۱. ارتعاش مکانیکی
هر نوع سیستم ارتعاشی یا نوسانی می‌تواند بسامد خاصی ایجاد کند:
الف) سیم یا فنر: اگر سیم یک گیتار را به ارتعاش درآورید، مثلاً ۴۴۰ بار در ثانیه، صدایی با فرکانس ۴۴۰ هرتز که همان “لای استاندارد” (A440) در موسیقی است، ایجاد خواهد شد.
ب) آونگ یا جرم-فنر: فرکانس نوسان این سیستم، به جرم و سختی فنر بستگی دارد و با فرمول اختصاصی محاسبه میشود. (فرکانس طبیعی)
۲. منبع الکتریکی
در الکترونیک و فناوری‌های مدرن، تولید فرکانس یا هرتز به مجموعه‌ای از روش‌ها وابسته است:
الف) نوسانگرها (Oscillators): مدارات خاصی هستند که سیگنال الکتریکی با شکل موج (معمولاً سینوسی، مربعی یا دندانه‌ای) با فرکانس معین تولید می‌کنند:
- کریستال کوارتز: پر کاربردترین نوسانگر در رایانه‌ها و ساعت‌های دقیق است؛ با بهره‌برداری از خاصیت پیزوالکتریک (تولید ولتاژ هنگام فشار مکانیکی) کریستال به لرزش در فرکانس مشخص و بسیار دقیقی در می‌آید.
- نوسانگر RC و LC: مدارات الکترونیکی که با مقاومت، القاگر (سلف) و خازن قابل تنظیم برای تولید فرکانس‌های مختلف هستند.
ب) مدارهای منطقی (Clock Generators): در رایانه‌ها سیگنال کلاک (پالس زمانی) با دقت بالا برای هماهنگی اجرای عملیات در هر ثانیه تولید میشود.
۳. منابع طبیعی
حتی طبیعت نیز با تولید موج و ارتعاش، هرتز خلق می‌کند:
- امواج صوتی (مانند صدای حیوانات، انسان، باد)
- امواج لرزه‌ای زلزله
- امواج نوری (هر رنگ نوری فرکانس مختص خود را دارد)
- ضربان قلب و دیگر پدیده‌های زیستی
کاربردهای اساسی هرتز
الف) فناوری و صنعت
- برق شهری: مقدار فرکانس برق (۵۰/۶۰Hz) برای هماهنگی تجهیزات خانگی و صنعتی تعیین‌کننده است.
- مخابرات: هر نوع فرستنده و گیرنده (رادیو، تلویزیون، وای‌فای) در یک فرکانس مشخص کار می‌کند.
- صوت و موسیقی: نت‌های موسیقی براساس فرکانس (Hz) تعریف شده‌اند.
- پزشکی: دستگاه‌های سونوگرافی، نوار قلب (ECG/EKG) و تحلیل امواج مغزی (EEG) بسامدهای مشخصی دارند.
ب) زندگی روزمره
- CPU رایانه، موبایل و تبلت سریع‌تر با هرتز بالاتر
- تلویزیون و مانیتور با نرخ تازه‌سازی (Refresh Rate) مثل ۶۰، ۱۲۰ یا ۲۴۰ هرتز
- دوربین‌های اسلوموشن با فریم ریت بالا (یعنی چندصدهرتز یا هزار هرتز)
ج) علم و پژوهش
- تحلیل ارتعاشات ماشین‌آلات (Vibration Analysis)
- شناسایی امواج زلزله (Seismology)
- بررسی امواج نور و اسپکترومترها در فیزیک اپتیک
بازه‌های متداول هرتز در علوم مختلف
بازه فرکانسی (Hz)نوع موجکاربرد/مثال
| 0.1 تا 10 | موج‌های مغزی (EEG) | بررسی سلامتی مغز |
| 20 تا 20,000 | موج صوتی (آکوستیک) | موسیقی، صدا، شنوایی انسان |
| 50 یا 60 | برق متناوب | برق شهری |
| 100k تا 300GHz | امواج رادیویی و مایکروویو | تلویزیون، رادیو، GSM |
| 400تریلیون به بالا | نور مرئی و ماورا | رنگ‌های بینایی، لیزر |
تفاوت هرتز با واحدهای مشابه
قبل از استاندارد شدن SI، برای فرکانس از “cps” (cycle per second) استفاده می‌شد که دقیقاً معادل هرتز است. اما در بسامدهای بالا، پیشوندهایی به کار می‌رود. مثلاً:
- کیلوهرتز (kHz): هزار هرتز (۱kHz = ۱,۰۰۰Hz)
- مگاهرتز (MHz): یک میلیون هرتز
- گیگاهرتز (GHz): یک میلیارد هرتز
امروزه اکثر دستگاه‌ها (رادیو، تلفن، وای‌فای، GPS، پردازنده رایانه، حتی تجهیزات پزشکی) هرتز و مضارب آن را به‌عنوان پارامتر کلیدی درج می‌کنند.
نتیجه‌گیری
هرتز یک واحد بنیادین در سنجش و بیان تکرار رویدادها در علوم مختلف است. هر جایی که پدیده‌ای تکرارشونده رخ دهد، هرتز راهی برای اندازه‌گیری منظم بودن آن پدیده فراهم می‌آورد. تولید هرتز ممکن است از منابع طبیعی، مدارهای الکترونیکی یا دستگاه‌های نوسانگر باشد. اهمیت هرتز فراتر از مفهومی ریاضی و فیزیکی‌ست؛ زیرا در فناوری، سلامت انسان و حتی زندگی روزمره نیز جای دارد. آشنایی با این واحد و کاربردهای ناشی از آن، درک ما را از جهان پیرامون افزایش می‌دهد و امکان کنترل و گسترش فناوری‌های نوین را مهیا می‌کند.
دیدگاه خود را بنویسید