התמרת פורייה וספקטרום תדרים
התמרת פורייה וספקטרום תדרים
פרק 2 - למידה מודרכת ותרגול מעמיק
בפרק זה נעמיק בלימוד התמרת פורייה וספקטרום תדרים, תוך פיתוח אינטואיציה פיזיקלית והנדסית לצד כלים חישוביים מתקדמים לפתרון בעיות מעשיות.
מטרות למידה מרכזיות:
1. מבוא, אינטואיציה ועקרונות יסוד: המעבר מטורים להטמרה רציפה
כאשר אנו מנתחים אותות לא-מחזוריים – כגון פולס רדאר בודד, גל קול חולף, או תגובת הלם של מבנה מכני לרעידת אדמה – טורי פורייה אינם מספיקים, מכיוון שהאות אינו חוזר על עצמו. הרעיון המבריק של פורייה היה להשאיף את זמן המחזור ל אינסוף). במעבר גבול זה, המרווח בין התדרים הבדידים שואף לאפס, והספקטרום הבדיד הופך לצפיפות ספקטרלית רציפה. התמרת פורייה מעבירה אות ממרחב הזמן למרחב התדר:
התמרה זו מהווה כלי אולטימטיבי בהנדסה משום שהיא ממירה פעולות מסובכות בזמן (כגון גזירה ואינטגרציה) לפעולות אלגבריות פשוטות בתדר (הכפלה ב- ). מעבר לכך, פעולת הקונבולוציה בזמן – המתארת את תגובת כל מערכת לינארית קבועה בזמן הופכת להכפלה ישירה של תגובת התדר בספקטרום הכניסה .
בפרק זה נלמד לחשב התמרות של אותות יסוד, נשתמש בתכונות הזזה, שינוי קנה מידה וגזירה, נשלוט במשפט הקונבולוציה, וננתח את משפט פלנשרל לשימור אנרגיה ויחסי אי-ודאות זמן-תדר.
2. תכונות יסוד, התמרות קלאסיות וגאוסיינים
התמרת פולס מלבני מייצרת פונקציית , בעוד גאוסיאן במרחב הזמן מותמר לגאוסיאן במרחב התדר. נפתח תכונות לינאריות, דואליות והזזות.
תרגיל 1
רמת קושי: בסיסינתון הפולס המלבני הסימטרי עבור ו-0 עבור . חשבו את התמרת פורייה והביעו אותה באמצעות פונקציית .
שלב 1: הצבה בהגדרת ההתמרה:
שלב 2: אינטגרציה:
שלב 3: כתיבה באמצעות פונקציית מנורמלת הנדסית :
תרגיל 2
רמת קושי: בסיסיעבור קבוע , מצאו את התמרת פורייה של כאשר היא פונקציית מדרגת היביסייד), וחשבו את ספקטרום האמפליטודה והפאזה .
שלב 1: חישוב ה מ-0 עד אינסוף:
מאחר ש- , הגבול באינסוף שואף לאפס, ומתקבל:
שלב 2: אמפליטודה ופאזה: