Tần số là gì? Công thức tính và ứng dụng trong thực tế

Tần số là thuật ngữ quen thuộc trong ngành điện, âm thanh hay trong toán học. Đây là thuật ngữ đo lường số lần lặp lại của một hiện tượng nào đó. Trong bài viết sau đây, BTB Electric cùng bạn tìm hiểu khái niệm liên quan đến tần số, công thức tính toán và cách tần số được ứng dụng trong thực tế.

Tần số là gì?

Tần số (frequency) được định nghĩa là số lần lặp lại của một hiện tượng trong một đơn vị thời gian. Cách đo tần số sẽ đếm số lần xuất hiện của hiện tượng và chia cho khoảng thời gian đã chọn. Đơn vị của tần số là Hz, theo tên nhà vật lý Đức, Heinrich Rudolf Hertz. IEC là đặt tên cho đơn vị này vào năm 1930 để vinh danh ông, người đã có công tìm ra sóng điện từ.

Một số đơn vị khác của tần số:

• Số vòng quay một phút (rpm) (revolutions per minute): sử dụng để đo tốc độ động cơ,…
• Số nhịp đập một phút (bpm) (beats per minute): sử dụng để đo nhịp tim, nốt nhạc trong âm nhạc,…

Công thức tính tần số từ các đại lượng khác

Trong các lĩnh vực toán học, tần số có mối quan hệ chặt chẽ với thời gian và các đại lượng liên quan như chu kì, bước sóng hay tần số góc. Từ đó có thể xây dựng công thức tính tần số theo các đại lượng này.

Từ tần số góc

Ký hiệu của tần số là f, ký hiệu của chu kì là T. Trong toán học, tần số và chu kì nghịch đảo cho nhau:

Trong đó chu kỳ (T) có đơn vị là s (giây)

Cùng với đó, tần số và thời gian là hai khái niệm ngược nhau. 1Hz cho biết số lần lặp lại của sự kiện là 1 lần trong mỗi giây. Mối quan hệ đấy là:

Từ bước sóng

Trong chuyển động sóng, tần số được hiểu là số lần tạo đỉnh sóng tại một điểm trong một đơn vị thời gian. Bước sóng của sóng được tính bằng chu kỳ nhân với vận tốc sóng. Do đó tần số bằng vận tốc sóng chia cho bước sóng:

Trong đó:

• v: vận tốc, đơn vị phổ biến là m/s (mét/giây)
• λ (lamda): bước sóng, đơn vị phổ biến là m (mét)

Khi sóng đi qua các môi trường khác nhau không làm thay đổi tần số, tuy nhiên 2 đại lượng còn lại có thể thay đổi theo tỷ lệ thuận.

Từ tần số góc

Tần số góc (ký hiệu là ω – omega) là đại lượng đo bằng góc mà bán kính của chuyển động tròn quét được trong một đơn vị thời gian. Dựa trên tần số góc có thể tính toán được tần số:

Trong đó:

• π là hằng số pi, tương đương giá trị 3,14
• ⍵ là tần số góc, có đơn vị đo là rad/s (radian/giây)

Từ sóng điện từ trong chân không

Trong môi trường chân không, vận tốc sóng điện từ không bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố khác. Khi đó vận tốc sóng sẽ ngang với vận tốc ánh sáng. Công thức tính tần số trong môi trường này như sau:

Trong đó:

• C: vận tốc ánh sáng là hằng số tương đương 299,792,458 m/s (mét/giây)
• λ (lamda): bước sóng, đơn vị phổ biến là m (mét)

Đọc thêm: Công suất là gì? Ký hiệu, đơn vị và công thức tính toán

Những dải tần số phổ biến

• Dải tần số âm thanh con người nghe được: 20Hz – 20kHz
• Dải tần số vô tuyến: 30 – 300kHz
• Dải tần số thấp: 300kHz – 3 MHz
• Dải tần số trung bình: 3 – 30MHz
• Dải tần số cao: 30 – 300MHz
• Tần số dòng điện phổ biến: 50Hz hoặc 60Hz

Ứng dụng thực tế của tần số

Trong thực tế tần số được sử dụng để đo lường chất lượng của âm thanh hay các thiết bị vật lý.

Tần số trong ngành điện

Trong mạng điện dân dụng, tần số sử dụng là 50Hz hoặc 60Hz. Ví dụ với tần số 50Hz được hiểu là trong 1/50 giây, dòng điện sẽ đảo chiều, đồng nghĩa dòng điện sẽ lặp lại 50 lần trong 1 giây.

Trong dòng một chiều DC, dòng điện chỉ theo 1 hướng nhất định nên tần số bằng 0. Ngược lại trong dòng xoay chiều AC, biên độ dòng điện có hình sin, đối xứng hai nửa chu kỳ âm dương nên sẽ có tần số. 

Tần số quét của màn hình

Tần số quét của màn hình thể hiện số lượng khung hình có thể phát trong 1 giây của màn hình. Các đoạn phim trên màn hình được phát bằng cách lật khung hình. Số khung hình lật càng nhiều, tốc độ lật càng nhanh đồng nghĩa chất lượng màn hình càng cao. 

Hoặc tần số quét có thể hiểu là tốc độ phản ứng của màn hình khi nhận lệnh từ thiết bị điều khiển. Các mức tần số quét màn hình phổ biến hiện nay là 30Hz, 60Hz, 90Hz, 120Hz, 240Hz,…. 1Hz tương đương 1 khung hình chạy trên màn hình trong 1 giây.

Các loại thiết bị điện tử có màn hình như máy tính, điện thoại, TV, màn hình điều khiển,… đều có tần số quét, cho dù là màn LED, LCD hay các loại khác.

Tần số sóng âm thanh

Tần số âm thanh con người nghe được trong khoảng 20Hz đến 20kHz. Vượt ngưỡng âm thanh này con người không thể nghe thấy, nhưng các loài động vật và thiết bị đo lường có thể nghe thấy.

Sóng hạ âm có tần số dưới 20Hz, có thể nghe được bởi voi, hà mã, tê giác, cá sấu,… Loại sóng này được ứng dụng trong các ngành địa chấn học, khí tượng học, giám sát môi trường và cả quân sự và công nghiệp.

Sóng siêu âm có tần số trên 20kHz, có thể nghe được bởi cá voi, dơi, cá heo. Loại sóng này được ứng dụng trong y tế, thám hiểm địa chất, công nghiệp hóa học, nông nghiệp,…

Tần số viễn thông

Tần số là yếu tố then chốt trong việc truyền tải sóng viễn thông ngày nay. Các sóng truyền hình, sóng radio, sóng mạng di động đều sử dụng những dải tần số cố định để ổn định đường truyền và tránh xung đột, nhiễu sóng giữa các hệ thống.

Mạng Wifi thường được truyền tải với tần số 2.4GHz hoặc 5GHz, 6GHz. Công nghệ Bluetooth sử dụng tần số 2.4GHz. Công nghệ GPS thông dụng dùng tần số L1 1,575.42MHz trong dải tần số cực cao UHF. Trong mạng di động, sóng 4G sử dụng băng tần 1800MHZ và 2600MHz; trong khi sóng 5G được truyền tải chủ yếu trong băng tần 2600MHz.

Tìm hiểu thêm về các thuật ngữ ngành điện khác tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/thuat-ngu-nganh-dien/