.
(28)
Модуль является
чётной функцией дискретной переменной n (частоты), а аргумент
- нечётной:
,
.
Выражение (20) можно представить в следующем виде:
(29)
От комплексной формы ряда Фурье нетрудно перейти к тригонометрической форме. Выделим в ряде (29) пару слагаемых, соответствующих какому–либо фиксированному значению n:
.
Векторная диаграмма этих комплексных составляющих ряда представлена на рис. 1.1
Рис. 1.1
Векторы длиной вращаются с угловой
частотой
во взаимно
противоположных направлениях. Сумма проекций этих векторов на действительную
ось даёт вещественную функцию
,
а сумма проекций этих же векторов на мнимую ось равна нулю.
Поэтому, при переходе к тригонометрической форме ряд (29) следует записать следующим образом:
.
(30)
Ряд Фурье (30) можно представить и в следующем виде:
. (32)
Здесь .
Из сравнения выражений (30) и (32) видно, что
амплитуда n-й гармоники связана с
коэффициентом
ряда (30)
выражениями
,
а
,
. (33)
Для коэффициентов ряда и
, используя формулы (32)
и (33) можно записать:
,
(34)
.
(35)
Если сигнал -
чётная функция времени, т.е.
,
то в ряде (32) остаются только косинусоидальные члены, так как коэффициенты
в соответствии с
обращаются в нуль.
Для нечётной функции
, наоборот,
в нуль обращаются коэффициенты
,
и ряд состоит только из синусоидальных членов.
Амплитудная и фазовая характеристики, т.е. модули и аргументы комплексных коэффициентов ряда Фурье, полностью определяют структуру частотного спектра периодического сигнала.
Постоянная составляющая периодического сигнала – напряжения
.
(36)
Амплитуда n-ой гармоники напряжения
.
(37)
Действующее значение n-ой гармоники напряжения
.
(38)
При рассмотрении энергетических характеристик
периодического сигнала основной интерес представляют средняя мощность и распределение
этой мощности между отдельными гармониками. Средняя мощность сигнала, заданного
на всей временной оси, вследствие его периодичности, совпадает с мощностью,
средней за период. Поэтому можно воспользоваться формулой (22), в которой под
коэффициентами следует
подразумевать коэффициенты ряда (30), а под интервалом ортогональности
и квадратом нормы
- величину T [см. (13)].
Используя формулу и учитывая, что
и
, найдём мощность,
выделяемую на сопротивлении нагрузки в 1 Ом
.
Если представляет
собой ток
, то при прохождении
его через сопротивление r выделяется средняя мощность
),
(39)
где - постоянная
составляющая, а
амплитуда n-й гармоники
тока
.
Итак, полная средняя мощность периодического сигнала равна сумме средних мощностей, выделяемых отдельно постоянной составляющей и гармониками.
1.3. Примеры определения спектров периодических колебаний
Прямоугольные периодические импульсы (меандр).Так как (рис. 1.2)
является чётной функцией, то ряд содержит только косинусоидальные члены с
коэффициентами
:
.
(40)
Рис. 1.2
Спектр амплитуд чётной функции
показан на рис. 1.3.
Рис. 1.3
С увеличением числа суммируемых гармоник сумма ряда
приближается к функции всюду
кроме точек вблизи разрыва функции, где образуется выброс. При
величина этого выброса равна
, т.е. сумма ряда
отличается от заданной на 18%. Несмотря на то, что в рассматриваемом случае ряд
Фурье не сходится к разлагаемой функции
в точках её разрыва,
ряд сходится в среднем, поскольку при
выбросы являются
бесконечно узкими и не вносят никакого вклада в сумму (10).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.