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关于谐波,方波最本质的解释!:)

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雪山飞狐D|  楼主 | 2009-5-7 21:32 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
什么是谐波?为什么说正弦波是单一频率而方波确不是?这是个困惑很多人的问题,我们来探讨一下,建立一个简化的模型。
    
    先来说说示波器,示波器测量的是什么?无论是模拟的还是数字的,它测量的是某一瞬时电压,就是电场,什么是电场?就是描述所有电子能量大小的表示,注意是“所有”。
    
    所谓所有,指的是全部频率的电子“瞬间”所显示出来的能量,可以想象一下,在导体里面,存在大量自由运动的电子,都在做上下的跳动,就像一个松开手的篮球,在地球重力场的作用下上下跳动,如果我们记录蓝球每时每刻的重力势能,就会发现,它的势能变化是一个正弦,无论它是否正处于衰减状态,它还是一个正弦,只不过它的弹起来的最高高度在不断降低,也就是是能量在减小,但,波形是正弦没变,地球的引力场加速度是恒定值,导体里面的每一个电子就像处于一个固定的场(各种能量作用于单个电子,所合成的受力场只有一个) ,每一个自由电子都在正弦振荡! 

    按照概率平均分布,电子振荡的频率从0Hz到无穷大的频率,每一个频率点都有那么一批电子在振荡,这就是噪声,系统的带宽越大,噪声也越大,因为所包含的振荡电子的数量也越大,总能量越大。

    一旦有那么一个选频放大电路,对某一批特定频率和相位的电子不断的正反馈,晶体管作用下电子数量的补充(放大),当这一批特定频率的电子数量,能量大到一定程度,示波器就可以探测出来。一个正弦波!

    到这里,假设只有一个电子在振荡,那么示波器所显示出来的曲线就是电子的势能,就是篮球的高度变化曲线,只有一个电子的时候是纯正弦,如果还有另外一个的电子呢?这时,总的势能就是两个篮球高度的瞬时叠加,两个篮球频率和相位如果一样,那么示波器所测的是正弦,没变!幅值增加了。如果是不一样的频率和相位,很容易就可以想到,原来那个篮球在下降的时候(就是正弦波形下滑的时候),另一个篮球正处在上升阶段,原来下滑的正弦被“顶”了起来,已经不是纯正弦!反过来想,要是示波器测出一个非正弦,那么一定是有其他频率的波形存在,即是谐波!
    有那么一种凑巧的情况: U = W1+W2+W3+W4+W5   5个倍频的电子叠加,呵呵,傅利叶出来了,方波出来了!
    可以下个方波的音频用耳朵好好听听,能听出有3,4个频率,因为我们的听觉中枢包含无数个感应特定频率的神经,世界的本质就是由正弦组成!

    下次有机会就用5个电子对传输线与阻抗建立个解释模型:)
    
     
    
    
    
    

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沙发
bg6nw| | 2009-5-7 22:05 | 只看该作者

生动形象

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板凳
dark_psycho| | 2009-5-7 23:41 | 只看该作者

太牛了

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地板
HWM| | 2009-5-8 09:09 | 只看该作者

“戏说”得不错,但可别太当真。

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5
chunk| | 2009-5-8 10:44 | 只看该作者

想用人类的语言把事情说清楚,

最好是“戏说”,因为听众乐于接受。想当真啊?玩真格的?那不能说人类的自然语言,要说人类发明的“数学语言”,用“方程式”说,用那一堆“符号”来说。

所以说这事得分跟谁说?听者为主说者适应之。

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6
雪山飞狐D|  楼主 | 2009-5-8 11:46 | 只看该作者

戏说???

   戏说?呵呵,只不过是简化了一个可以理解的模型,现在的科学也没有百分之百接近物质的最底层吧?抽象层一点,更好理解

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7
liulwn| | 2009-5-8 16:42 | 只看该作者

还是一头雾水.

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8
chunyang| | 2009-5-8 18:22 | 只看该作者

唉,真不知该怎么说……

    首先,肯定楼主为说清这个问题的努力,基于楼主的辛苦原创,加酷以示鼓励。
    不过——楼主的“戏说”实在“戏”的太离谱了,甚至违背了物理学基本常识,这一点不得不指出,既便楼主对此不悦,但应当尊重科学。

    引用:什么是电场?就是描述所有电子能量大小的表示……
    基本概念错误!
    电场是存在于电荷周围能传递电荷与电荷之间相互作用的物理场,其强度在不考虑向量叠加时仅与电荷量、距离和介电系数相关,至于电子能量的大小则用其运动速度来衡量。

    引用:在导体里面,存在大量自由运动的电子,都在做上下的跳动,就像一个松开手的篮球,在地球重力场的作用下上下跳动……导体里面的每一个电子就像处于一个固定的场(各种能量作用于单个电子,所合成的受力场只有一个) ,每一个自由电子都在正弦振荡! 

    理解完全错误!
    电子虽然有质量其运动会受引力场的影响,但电子的自由运动却与引力场无关而是热运动的表现,电子在导体内的定向运动是电子在电场中受力运动和热运动叠加的积分结果,与引力场完全无关,而且也不是在做正弦振荡,观察导体中任何单独的电子,其运动轨迹完全是随机的,只是在电场中沿其受力方向运动的矢量叠加概率较大而已。

    引用:按照概率平均分布,电子振荡的频率从0Hz到无穷大的频率,每一个频率点都有那么一批电子在振荡,这就是噪声,系统的带宽越大,噪声也越大,因为所包含的振荡电子的数量也越大,总能量越大。
    理论理解错误,自然推论就站不住脚。
    任何高于绝对零度的物质(指具有静质量的物质,下同)都存在热运动,运动中的电荷则会产生电磁辐射,而粒子热运动的速率是随机的,只是在特定区间(由温度决定)具有较大概率分布,这时对外的表现就是特定频率的“黑体辐射”,不符合该频率的电磁辐射会在物质内部(原子级)被吸收,这是一个量子过程。电子电路内的噪声一部分是热噪声,另一部分为电磁耦合,但热噪声不是黑体辐射影响的结果,因为常温下的黑体辐射频率已经高于绝大多数电子线路的工作频率,系统内部噪声是由于电荷定向运动叠加在热运动上,仍然是一个随机性的结果,该结果表现为电荷的定向运动实际上是起伏不定的,这就是“噪声”。另外,因所有物质都具有热运动,这将导致元件的电参数也随构成元件物质的热运动而相应改变,如电容器的极板距离事实上在不断的随机在一定程度内变化,于是电容量也在相应的做随机变化,这些都是系统的热噪声源,在有源器件中热噪声的影响更大。

    至于楼主其它的言论,恕我直言,只有一个地方是对的,就是对叠加的比喻,得罪,得罪!可惜是事实。虽然一些“观众”更愿意接受“戏说”,但戏说有其局限性,尤其对科学理论,因为科学理论并不符合人类自古以来的自然思维习性,只能通过长期的受教育和学习、研究方能掌握其中的一部分,戏说要戏到点上还不能有错才行,也正是因此,好的理论性科普著作往往只能出于大师之手。
 

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eaglezou01 + 1
9
雪山飞狐D|  楼主 | 2009-5-8 20:04 | 只看该作者

接受

   恩,接受“戏说”的说法,呵呵,前面的东西都引子,后面的才是关键点,电子受力是很复杂,不要拉出量子物理了把

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10
雪山飞狐D|  楼主 | 2009-5-8 20:13 | 只看该作者

呵呵

 引用:什么是电场?就是描述所有电子能量大小的表示……
    基本概念错误!
    电场是存在于电荷周围能传递电荷与电荷之间相互作用的物理场,其强度在不考虑向量叠加时仅与电荷量、距离和介电系数相关,至于电子能量的大小则用其运动速度来衡量。

这里是根据仪器来说的,示波器,电压表测的电压可不是什么场,而是实实在在的单位电阻单位时间通过的电子数量的多少,不同频率,不同相位的电子群通过电阻,电压就叠加了,数值上显示“场”而已,这里想补充的是电子的振荡是数量上的振荡,引用单个电子,是为了做个比喻

理解完全错误!
    电子虽然有质量其运动会受引力场的影响,但电子的自由运动却与引力场无关而是热运动的表现,电子在导体内的定向运动是电子在电场中受力运动和热运动叠加的积分结果,与引力场完全无关,而且也不是在做正弦振荡,观察导体中任何单独的电子,其运动轨迹完全是随机的,只是在电场中沿其受力方向运动的矢量叠加概率较大而已。

这个这个~~~,我没说是引力产对电子的作用,那个是忽略不计的

引用:按照概率平均分布,电子振荡的频率从0Hz到无穷大的频率,每一个频率点都有那么一批电子在振荡,这就是噪声,系统的带宽越大,噪声也越大,因为所包含的振荡电子的数量也越大,总能量越大。
    理论理解错误,自然推论就站不住脚。

按昭我自己的理解,热运动是有瞬时频率的,即使下一状态完全改变
单个电子的频率在不断改变,可是从全局概率统计来看,就是表现出频率的均衡分布,白噪声,实际的系统都是低通或者带通滤波器,所以噪声公式
Vn=(4kTRB)的开平方 
这个式子是描述理想电阻两端热噪声电势的,因为电阻的噪声是因为电阻体内部大量电子运动产生的电压脉冲之和,根据量子物理的原理推出了这个公式。推出的时候是从功率谱推出的,所以当然要考虑电阻工作的带宽。实际测量时,B就是测量的带宽。理论上单位频宽(1Hz带宽)的最大噪声功率是kT(k—波尔茨曼常数,T—绝对温标,K)。因为功率与电压的均方值平方成正比,所以Vn是电压均方值(即有效值)。 
    噪声是统计分布参数,你在100个人当中出现2米身高的数量,和10000个人当中出现2米身高的数量是不一样大的。带宽越大,你能看到大噪声电平的数量越大。你把这个值折算到一个人身上,他出现2米身高的几率,就是你看到的参数。 
    其实简单的说带宽越大,所能测到的最大能量的概率越大

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11
guosr| | 2009-5-8 21:13 | 只看该作者

之所以说正弦波是单一频率是因为它在形式上描述起来最简

    理论上只要你能在数学形式上构建一个“正交基”,那么任何波形都可以分解为正交基的各个分量,每一个分量都可以称之为“单一频率”,这个单一频率既可以是正弦,也可以是方波,还可以是其他任何形状(前提是满足“正交基”)。
    伽利略在研究振动时,分析了各种模式的振动,认为“简谐振动”是相对简单的振动。因为从数学形式上可以简单的表述出来。
    

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12
chunyang| | 2009-5-8 22:19 | 只看该作者

电学中最难的就是对基本定义和定律的准确理解

    楼主想要描述什么是清楚的,只是描述的准确性和推理过程有问题,其实解释谐波问题,楼主绕那么大一圈反而把问题复杂化了。
    什么是谐波?数学上,任何波形都能展开为一系列幅值不同但频率按整数倍级数排列的正弦波之和,反过来说,一系列幅值不同但频率按整数倍级数排列的正弦波可以合成任何波形,这里的“频率按整数倍级数排列的正弦波”就是谐波,这仅仅是数学上的定义而已,理解“合成”的概念就不难理解什么“基波”、“谐波”、“失真”什么的了,当然,谐波产生的机制则是完全不同的另一个命题。

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13
jiyiche| | 2009-5-8 22:57 | 只看该作者

不错,学习了

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14
雪山飞狐D|  楼主 | 2009-5-8 23:15 | 只看该作者

个人觉得

   
    所谓“合成”只不过是数字信号处理里面的“凑数”技巧,可是我们的耳朵却是实实在在听到自然界谐波的多种频率,同样音调,钢琴和小提琴我们一听就出来,因为我们耳朵里对应每一个频率都有一个“AD”,单一频率只有强弱之分,是正弦的,自然界没有方波,因为一听是有几个频率的,也可以试试人造方波,比如瞬间合上电池开关,我们听到的是劈一声。仔细一点听,不只一个频率,而是有一个比较大的基频 ,还有几个比较刺耳的奇次谐波》》》


   其实我想表达的是自然的振动都是一个个无数微小的正弦微元(那是一个个原子瞬时正弦振动),通过能量叠加而来,而至于为何是倍频,是相位差,中间的频率被“抵消”,恒定为零,在倍频处刚好则是相位峰值叠加,要在几百个字里从头推到尾是不可能的,所以,中间有跳越,有断层,有个大框架就可以了

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15
makebetter| | 2009-5-9 08:43 | 只看该作者

楼主的意思...

看看《信号与系统》上不是全有了吗。。。

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16
shalixi| | 2009-5-9 10:43 | 只看该作者

谐波,方波是数学,是各种现象的抽象,数学能戏说?

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17
dnzq2003| | 2009-5-9 12:42 | 只看该作者

五体投地的支持chunyang!

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18
小李志| | 2009-5-9 13:38 | 只看该作者

其实数学就是一种语言

傅利叶变换就告诉了我们抽样定理,各种矩阵网络告诉了我们一个器件的用法,要想说清楚,直接上公式

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19
hartcomm| | 2009-5-9 23:14 | 只看该作者

11楼 guosr 讲的很清楚了

以三角函数为基 方波信号可分解为正弦信号 

但如果一种叫做Walsh函数为基 正弦信号也可以分解为类似与方波信号

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20
hartcomm| | 2009-5-9 23:20 | 只看该作者

我不建议 对本源本质进行研究

因为远在我们能力之外 

我认为一般可从从人的目的性 从工具的使用角度去理解

比如不要去研究 负数是什么 虚数是什么 ......
而是研究 负数 虚数 有什么用? 为什么引入负数 虚数.....

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