4a. Кинетика. Теплота. Звук - Ричард Фейнман

В качестве упражнения предлагаем читателю найти ряд Фурье для функции, показанной на фиг. 50.3.

Фиг. 50.3. Ступенчатая фун­кция. f(t)=+1 для 0<t<T/2 ,

f(t)=-1 для T/2<t<T.

Поскольку эту функцию нельзя записать в точной алгебраической форме, то брать интеграл от 0 до Т обычным способом невозможно. Однако если разделить его на две части: по интервалу от 0 до T/2 [на котором функция f(t)=1] и по интервалу от T/2 до T [на ко­тором f(t) -1], то интеграл легко берется. В результате должно получиться

где w=2p/T. Таким образом, оказывается, что для нашей сту­пенчатой волны (со специально выбранной фазой) будут только нечетные гармоники, причем их амплитуды обратно пропор­циональны частотам.

Давайте проверим, что для некоторого значения t результат (50.19) действительно дает снова f(t). Возьмем f = T/4или wt=p/2. Тогда

Сумма этого ряда равна p/4, а, стало быть, f(T)=1 .

§ 5. Теорема об энергии

Энергия волны пропорциональна квадрату ее амплитуды.

Для сложной волны энергия за один период пропорциональна m

Эту энергию можно связать с коэффициентами Фурье.

Напишем

После раскрытия квадрата в правой части мы получим сумму всевозможных перекрестных членов типа a5cos5wtb7cos7wt. Однако выше мы уже показали [уравнения (50.11) и (50.12)], что интегралы от всех таких членов по одному периоду равны нулю, так что останутся только квадратные члены, подобные a25cos25wt. Интеграл от любого квадрата косинуса или синуса по одному периоду равен Т/2, так что получаем

Это уравнение называют «теоремой об энергии», которая гово­рит, что полная энергия волны равна просто сумме энергий всех ее фурье-компонент. Применяя, например, эту теорему к ряду (50.19), мы получаем

поскольку [f(t)]2=1. Таким образом мы узнали, что сумма квад­ратов обратных нечетных чисел равна p2/8. Точно так же, выпи­сав сначала ряд Фурье для функции и используя затем теорему об энергии, можно доказать результат, понадобившийся нам в гл. 45, т. е. что 1+1/24+1/34+... равно p4/90.

§ 6. Нелинейная реакция

Наконец, в теории гармоник есть одно очень важное явление, которое необходимо отметить, учитывая его практическую важ­ность, но это уже относится к области нелинейных эффектов. Во всех рассмотренных нами до сих пор системах все предпола­галось линейным; реакция на действие силы, например пере­мещение или ускорение, всегда была пропорциональна силам. Токи в электрической цепи были тоже пропорциональны на­пряжениям и т. д. Теперь мы хотим рассмотреть случаи, когда строгая пропорциональность отсутствует. Представим на ми­нуту устройство, реакция которого xвыход=xвых в момент t опре­деляется внешним воздействием xвход = xвх в тот же момент t.

Например, xвх может быть силой, а хвых— перемещением, или хвх— ток, а xвых— напряжение. Если бы устройство было ли­нейное, то мы бы получили

xвых(t)=Kxвх(t), (50.24)

где К — постоянная, не зависящая ни от t, ни от хек. Предполо­жим, однако, что устройство только приблизительно линейное, т. е. на самом деле нужно писать

xвых(t)=K[xвх(t)+ex2вх(t)]. (50.25)

где e мало по сравнению с единицей. Такие линейная и нелиней­ная реакции показаны на фиг. 50.4.

Фиг. 50.4. Реакции, а — линейная,

xвых=kxвх; б—нелинейная, xвых =k(хвх+ex2вх).

Нелинейная реакция приводит к нескольким важным прак­тическим следствиям. Некоторые из них мы сейчас обсудим. Посмотрим сначала, что получается, если пропустить через по­добное устройство «чистый» тон. Пусть xвх=coswt. Если мы по­строим график зависимости xвых от времени, то получим сплош­ную кривую, показанную на фиг. 50.5.

Фиг. 50.5. Реакция нелинейного устройства на входящий сигнал coswt.

Для сравнения показана линейная реак­ция.

Для сравнения там же проведена пунктирная кривая, представляющая реакцию ли­нейной системы. Мы видим, что на выходе получается уже не косинусообразная функция. Она более острая в вершине и более плоская в основании. Поэтому мы говорим, что выходной сигнал искажен. Однако, как известно, такая волна не будет уже чистым тоном, а приобретает какие-то высшие гармоники Можно найти эти гармоники. Подставляя xвх=coswt в уравнение (50.25), получаем

хвых=К(coswt+ecos2wt). (50.26) Используя равенство cos2q = 1/2(l-cos2q), находим

xвых=K(coswt+ e/2-e/2cos2wt) . (50.27)

Таким образом, в выходящей волне присутствует не только основ­ная компонента, которая была во входящей волне, но и некоторая доля второй гармоники. Кроме того, в выходящей волне появился постоянный член К(e/2), который соответствует сдви­гу среднего значения, показанному на фиг. 50.5. Эффект воз­никновения сдвига среднего значения называется выпрямлением. Нелинейное устройство будет выпрямлять и давать на выходе высшие гармоники. Хотя предположенная нами нелинейность только добавляет вторую гармонику, нелинейность высшего

порядка, например х3вхили x4вх, даст уже более высокие гармо­ники.

Другим результатом нелинейной реакции является моду­ляция. Если входящая функция содержит два (или больше) чистых тона, то на выходе получатся не только их гармоники, но и другие частотные компоненты. Пусть хвх=Аcosw1t+Bcosw2t, причем w1 и w2 не находятся в рациональном отношении друг к другу. Тогда в дополнение к линейному члену (равному произ­ведению К на входящую волну) на выходе мы получим

xвых=Ke(Acosw1t+Bcosw2t)2, (50.28)

хвых=Кe(А2cos2w1t+В2cos2w2t+2AB cosw1tcosw2t). (50.29)

Первые два члена в скобках уравнения (50.29) — старые зна­комые. Они дают нулевую и вторую гармоники, но последний член — это уже нечто новое.

На этот новый «перекрестный член» АВcosw1tcosw2t можно смотреть с двух сторон. Во-первых, если две частоты сильно отличаются друг от друга (например, w1 много больше w2), то мы можем считать, что перекрестный член представляет косинусообразные колебания с переменной амплитудой. Я имею в виду такую запись:

АВ cosw1tcosw2t=C(t)cosw1t, (50.30)

где

С(t)=АВсоsw2t. (50.31)

Мы говорим, что амплитуда колебаний cosw1 модулируется с частотой w2.

Во-вторых, этот же перекрестный член можно рассматри­вать с другой точки зрения:

ABcosw1tcosw2t= AB/2[cos (w1-w2) t+cos(w1 -+w2) t], (50.32)

т. е. можно сказать, что возникают две новые компоненты, одна из которых равна сумме частот w1+w2, а другая — разности

Таким образом, существуют два различных, но эквивалент­ных способа толкования одного и того же явления. В предель­ном случае w1>>w2 можно связать эти две различные точки зре­ния, заметив, что поскольку (w1+w2) и (w1-w2) близки друг к другу, то между ними должны наблюдаться биения. Но эти биения дают в результате модуляцию амплитуды колебаний со средней частотой w1, половинкой разности частот 2w2. Теперь вы видите, почему эти два описания эквивалентны.

Итак, мы обнаружили, что нелинейная реакция дает не­сколько эффектов: выпрямление, возникновение гармоник и модуляцию, т. е. возникновение компонент с суммой и разно­стью частот.