频谱

物理学术语

频谱是频率谱密度的简称，是频率的分布曲线。复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。频谱广泛应用于光学和无线电技术等方面。频谱将对信号的研究从时域引入到频域，从而带来更直观的认识。把复杂的机械振动分解成的频谱称为机械振动谱，把声振动分解成的频谱称为声谱，把光振动分解成的频谱称为光谱，把电磁振动分解成的频谱称为电磁波谱，一般常把光谱包括在电磁波谱的范围之内。分析各种振动的频谱就能了解该复杂振动的许多基本性质，因此频谱分析已经成为分析各种复杂振动的一项基本方法。

曲线介绍

使用情况

频谱，又称振动谱。反映振动现象最基本的物理量就是频率，简单周期振动只有一个频率。复杂运动不能用一个频率描写它的运动情况，如下图1、图2中左图所示，而且我们也无法从振动图形上定量描写它们的特点，通常采用频谱来描写一个复杂的振动情况。任何复杂的振动都可以分解为许多不同振幅不同频率的简谐振动之和。为了分析实际振动的性质，将分振动振幅按其频率的大小排列而成的图象称为该复杂振动的频谱。振动谱中，横坐标表示分振动的圆频率，纵坐标则表示分振动振幅。对周期性复杂振动，其频率为f，则按照傅里叶定理，由它所分解的各简谐振动的频率是f的整数倍，即为f，2f，3f，4f，…，其振动谱是分立的线状谱，图中每一条线称为谱线。对于非周期性振动(如阻尼振动或短促的冲击)，按照傅里叶积分，它可以分解为频率连续分布的无限多个简谐振动之和。由于谱线变得无限多，这时振动谱不再是分立的线状谱，各谱线密集使其顶端形成一条连续曲线，即形成所谓的连续谱，连续谱曲线即为各种谱线的包络线;而它也有可能分解为频率不可通约的许多简谐振动而形成分立谱。

图1表示锯齿形振动及振动谱。图2表示阻尼振动及振动谱。

视频讲解

信号频谱概念微课讲解视频。

信号频谱的概念既包含有很强的数学理论（傅里叶变换、傅里叶级数等）；又具有明确的物理涵义（包括谐波构成、幅频相频等）。该视频（不到20分钟）囊括了信号频谱的由来、发展、理论基础、实际应用等，可自成一体。该视频适合于不同背景的各类从业人员，帮助其在较短时间里领略信号频谱的精髓。

频谱利用率

频谱利用率定义为：

每小区每MHz支持的多少对用户同时打电话；而对于数据业务来讲，定义为每小区每MHz支持的最大传输速率。在这里，小区的频率复用系数f非常重要：f越低，则意味着每小区可选的频率自由度越大。在CDMA系统中，每个小区都可以重复使用同一频带(f=1)。在一个小区内对每个移动台的总干扰是同区内其他移动台干扰加上所有邻区内移动台干扰之和。

电磁波频谱

光学频谱

模拟的自然光光谱图案光谱，全称为光学频谱，是复色光通过色散系统（如光栅、棱镜）进行分光后，依照光的频率（或波长）的大小顺次排列形成的图案。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个频率范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和灰色。

原理

复色光中有着各种频率（或波长）的光，这些光在介质中有着不同的折射率。因此，当复色光通过具有一定几何外形的介质（如三棱镜）之后，频率不同的光线会因出射角的不同而发生色散现象，投映出连续的或不连续的彩色光带。

日光被三棱镜分色这个原理亦被应用于著名的太阳光的色散实验。太阳光呈现白色，当它通过三棱镜折射后，将形成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺次连续分布的彩色光谱，覆盖了大约在300~750THz的可见光区。历史上，这一实验由英国科学家艾萨克·牛顿爵士于1665年完成，使得人们第一次接触到了光的客观的和定量的特征。

光谱分类

1.按频率区域

在一些可见光谱的红端之外，存在着频率更低的红外线；同样，在紫端之外，则存在有频率更高的紫外线。对于红外线和紫外线，我们视神经的共振频率达不到这两个极限，所以红外线和紫外线都不能为肉眼所觉察，但可通过仪器加以记录。因此，除可见光谱，光谱还包括有红外光谱与紫外光谱。

2.按产生方式

按产生方式，光谱可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱。

有的物体能自行发光，由它直接产生的光形成的光谱叫做发射光谱。

发射光谱可分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱主要产生于原子，由一些不连续的亮线组成；带状光谱主要产生于分子由一些密集的某个频率范围内的光组成；连续光谱则主要产生于白炽的固体、液体或高压气体受激发发射电磁辐射，由连续分布的一切频率的光组成。

太阳光光谱是典型的吸收光谱。因为太阳内部发出的强光经过温度较低的太阳大气层时，太阳大气层中的各种原子会吸收某些频率的光而使产生的光谱出现暗线。在白光通过气体时，气体将从通过它的白光中吸收与其特征谱线频率相同的光，使白光形成的连续谱中出现暗线。此时，这种在连续光谱中某些频率的光被物质吸收后产生的光谱被称作吸收光谱。通常情况下，在吸收光谱中看到的特征谱线会少于线状光谱。

当光照射到物质上时，会发生非弹性散射，在散射光中除有与激发光频率相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光频率高和低的成分，后一现象统称为拉曼效应。这种现象于1928年由印度科学家拉曼所发现，因此这种产生新频率的光的散射被称为拉曼散射，所产生的光谱被称为拉曼光谱或拉曼散射光谱。

3.按产生本质

按产生本质，光谱可分为分子光谱与原子光谱。

在分子中，电子态的能量比振动态的能量大50～100倍，而振动态的能量又比转动态的能量大50～100倍。因此在分子的电子态之间的跃迁中，总是伴随着振动跃迁和转动跃迁的，因而许多光谱线就密集在一起而形成分子光谱。因此，分子光谱又叫做带状光谱。

在原子中，当原子以某种方式从基态提升到较高的能态时，原子内部的能量增加了，这些多余的能量将被以光的形式发射出来，于是产生了原子的发射光谱，亦即原子光谱。因为这种原子能态的变化是非连续量子性的，所产生的光谱也由一些不连续的亮线所组成，所以原子光谱又被称作线状光谱。

无线电频谱

无线电的频谱资源也称为频率资源，通常指长波、中波、短波、超短波和微波。一般指9KHz－3000GHz频率范围内发射无线电波的无线电频率的总称。无线电频率以Hz（赫兹）为单位，其表达方式为：

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

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

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

无线电频谱划分

机械波(声)频谱