[科普中国]-传输频率

传输带宽指传输信号覆盖的频谱宽度。

传输频率和传输速率是在综合布线系统设计中接触最多的两个基本概念。

简介线缆的频带带宽（MHz）和线缆上传输的数据速率（Mbps）是两个截然不同的概念。MHz表示的是单位时间内线路中传输的信号振荡的次数，是一个表征频率的物理量，而Mbps表示的是单位时间内线路中传输的二进制的数量，是一个表征速率的物理量。传输频率表示传输介质提供的信息传输的基本带宽，带宽取决于所用导线的质量、每一根导线的精确长度及传输技术。而传输速率则在特定的带宽下对信息进行传输的能力。 衡量器件传输性能的指示包括衰减和近端串扰，整体链路性能的指标则用衰减/串音比ACR来衡量。带宽越宽传输越流畅，容许传输速率越高。网络系统中的编码方式建立了MHz和Mbps之间的联系，某些特殊的网络编码方案能够在有限的频率带宽度上高速的传输数据。 关心特定传输介质在满足系统传输性能下的最高传输速率。

井筒内钻井液连续脉冲信号传输频率随钻测量的连续脉冲信号在井下传输的能量损失大部分来自于钻井液内部及其与管壁之间的摩擦。引入复频概率念，考虑到钻井液流体非牛顿流动特性，应用拉普拉斯变换，对脉冲信号在井筒内传输过程的衰减情况进行了频域分析，建立了钻井液连续脉冲信号传输频率相关摩阻模型；应用现场工程数据，分析了频率相关摩阻的影响因素及影响规律。1

管流频率相关摩阻模型对于高黏度流体介质在管内作非恒定流动，其剪切瞬态摩擦损失具有频率相关的特性，称为频率相关摩擦损失。此时的管内流体摩阻与流体脉动频率大小有关。

对流体在管道内的非恒定流动作如下假设：①流体在圆管中作层流流动，信号脉冲为小幅值扰动；②考虑到周向对称，轴对称的流速 uθ=0；③管道内径尺寸小于信号脉冲波长，且流体压力沿管截面均匀分布；④假设管道管壁是刚性的，不考虑流动过程中流固耦合作用的影响；⑤忽略流体压缩性对速度分布的影响。

在非恒定层流流动中，仅考虑恒定摩阻进行计算所引起的误差与流体黏性频率特性相关。1

连续脉冲信号传输过程频率相关摩阻模型管流频率相关摩阻模型适用于一般流体在管柱内非恒定流动瞬态摩阻的计算。但是，在连续脉冲信号井筒内传输过程中，传输介质 —钻井液是一种复杂的非牛顿流体，须考虑其非牛顿特性对传输摩阻的影响。因此对模型须进一步推导。

连续脉冲信号传输是利用信号发生器的回转阀门连续转动，使得钻井液瞬时压力发生周期性变化，产生一定频率和相位的压力波，并通过改变压力波的相位及频率来实现信号的传输 、编码和识别。连续脉冲信号传输属于调相传输模式，与正 、负脉冲信号传输的调幅传输模式有本质上的区别。1

根据连续脉冲产生原理，假设信号发生器阀门最大开度为θ0，最小开度为θ1，阀门流量系数为Cd，旋转频率为ω，压力波波速为c，钻井液初始稳态流速为u0，阀门开度最大时为起始位置，则可以得到阀门处脉冲压力波函数为

p0(t)=p0eiwt

连续脉冲信号频率特性的影响脉冲信号在低频段衰减强度较小，传输距离更远；在高频段，则传输稳定性更好。当信号频率达到0.6～1Hz后，信号衰减强度不再发生很大变化，可认为该频域为脉冲信号稳定传输域。对于不同的钻井液体系，其衰减强度也是不同的，这是由于钻井液流体特性的不同所带来的影响。钻井液黏度越小，脉冲信号的衰减幅度越小，其稳定传输域的范围越大。

对于各钻井液体系，随着连续脉冲信号频率的增加，频率相关摩阻先增大后减小，峰值出现于频域0.05～0.1Hz。当脉冲信号频率超过频率峰值后，频率相关摩阻急剧减小，其幅度远大于其在低频段增加的幅度。可见在高频段，频率相关摩阻对脉冲信号传输的影响程度随着频率增大而逐渐减小。

特性的影响逐渐减小，在低频段，这种影响表现得更为显著；在高频段，则影响不大，甚至可以忽略。在选取脉冲信号频率的过程中，应充分考虑频率相关摩阻的变化以及其对脉冲信号衰减的影响，以提高脉冲信号的传输距离和稳定性。1

钻井液流体特性的影响各钻井液体系的频率相关摩阻随黏度变化的趋势为逐渐增大出现的异动点说明钻井液流性指数和稠度系数同样对频率相关摩阻产生影响。当黏度一定时，频率相关摩阻随着钻井液流性指数和稠度系数的增大而增大，连续脉冲信号衰减也越剧烈。比较而言，钻井液黏度对频率相关摩阻的影响程度大于钻井液流性指数和稠度系数。另外，由于钻井液黏度的变化同样会引起流性指数和稠度系数的变化。因此优选钻井液体系时须在满足工程应用的基础上，同时考虑这三者对信号衰减的影响，以提高脉冲信号的传输距离。1

用SmaartLive测试扩声系统传输频率特性阐述了在室内使用扩声设备时，声波在传输过程中受建筑物声学参数的影响，致使其传输频率特性变差并提出了对其进行修正的必要性。详细介绍了用SmaartLive测试扩声系统传输频率特性和用均衡器对其进行定量修正的方法和步骤，并介绍了与测试相关的SmaartLive的使用方法。2

测试扩声系统的传输频率特性点击SmaartLive界面上的“Gen”按钮，开启信号发生器，点击“Gen”右边的上下箭头，调节信号发生器输出增益在－6～0dB之间。此时信号发生器输出粉红噪声信号，通过外置声卡送到测试调音台，配合调节声卡输出控制旋钮、测试调音台的in1通道推子及右输出通道推子，可看到SmaartLive参考信号输入通道Ref Sig有增益显示( 如不是这样，则需要对调声卡两个输入端的连接插头)，调节测试调音台右输出和in1通道推子，使Ref Sig输入电平为－12dB左右；如果测试需要插入较长的延时时间( 大于300ms，即测试点距扬声器100m以上)，则可使用Auto Lg( 大时间自动延时)，方法与 AutoSm相同。2

测试扩声系统传输频率特性，应多变动几次测试传声器的位置，观察随传声器位置变化，整个扩声系统的频响发生了怎样的变化，以免被某个位置的测试结果所误导，应将几个结果进行审视，在较为一致的结果当中选择一个作为参考轨迹。应该注意的是，每次移位后的测试，都不要忘记重新测量和插入延时这个步骤。2

用均衡器调整扩声系统的传输频率特性经过测量，扩声系统在室内的传输频率特性，往往并不是一条平坦的直线，而是呈现出在一些频段上具有凸起和凹陷的曲线，这是所不希望的。从物理意义上说，传输频率特性好，则说明系统对于从低音到高音的放大能力一致性好，有效工作频率范围就宽，这就要求在音频范围内，扩声系统的传输频率特性应为或接近于一条直线。前面说过，由建筑声学因素而造成扩声系统声波传输频率特性呈凸凹状态而需进行修正，使用均衡器就是依上所述用电子学的方法对凸凹的频段人为地给予衰减和提升，以抵消建筑声学因素造成的不良结果。2

保存参考轨迹后，将被测系统中的均衡器拆下并将该均衡器各调节推子置于0dB，接入测试系统，测试方法与前面所述测试扩声系统方法相同，只不过是用均衡器取代扩声系统而已。

对于双通道的均衡器，只需连接其中一个通道进行调整，完成调整后，可将另一通道予以相同的设置即可。完成对参考轨迹的覆盖后，保留刚才对均衡器的设置并将其装回被测扩声系统中去，扩声系统的传输频率特性即得到了修正。再对经修正后的扩声系统进行一次测试，便可看到结果。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所