05 工程测试技术 第二章 第四讲.ppt
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1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1工程测试技术工程测试技术主讲教师:来五星博士、副教授李锡文博士、教授实验教师:黄弢高级工程师办公电话: 87557415 87559004移动电话:13349831325, 18971072799电子邮件: 办公地址:新大楼东楼B305 新大楼东楼C306华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2工程测试技术工程测试技术课件资料下载:课件资料下载:邮箱地址:邮箱地址: “机械工程测试机械工程测试”每个字拼音的第一个字母每个字拼音的第一个字母 密码:密码:111111注意下载时不要删除原始文件注意下载时不要删除原始文件 华中科技大学机械学院华中科技大学机
2、械学院3第二章、信号分析基础第二章、信号分析基础本章学习要求:本章学习要求:1. 掌握信号分类方法掌握信号分类方法 2. 了解信号分析中的常用函数了解信号分析中的常用函数3. 掌握信号分析中函数的运算(掌握信号分析中函数的运算(卷积卷积和相关)和相关)4. 掌握信号时域统计分析方法掌握信号时域统计分析方法5. 掌握信号时域波形分析方法掌握信号时域波形分析方法6. 掌握信号频域频谱分析方法掌握信号频域频谱分析方法7. 了解其它信号分析方法了解其它信号分析方法工程测试技术工程测试技术华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院42.6 卷积分卷积分第二章、信号分析基础第二章、信号分析基础信号的时域分解
3、与卷积积分信号的时域分解与卷积积分信号的时域分解信号的时域分解(1) (1) 预备知识预备知识p(t)1t022(a)f1(t)At022(b)问问 f1(t) = ? p(t)直观看出直观看出)(A)(1tptf华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院52.6 卷积分卷积分第二章、信号分析基础第二章、信号分析基础(2) (2) 任意信号分解任意信号分解“0”号脉冲高度号脉冲高度f(0) ,宽度为宽度为,用,用p(t)表示为表示为:f(0) p(t)“1”号脉冲高度号脉冲高度f() ,宽度为宽度为,用用p(t - - )表示为:表示为: f() p(t - - )“- -1”号脉冲高度号脉冲高
4、度f(- -) 、宽度为、宽度为,用,用p(t + +)表示为表示为: f ( - - ) p(t + + )nntpnftf)()()(d)()()()(lim0tftftf-10)(tf2f(-)f(0)1f()华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院62.6 卷积分卷积分第二章、信号分析基础第二章、信号分析基础1、卷积定义、卷积定义 卷积积分是一种数学方法。又名叠加积分、结合积分、加权游卷积积分是一种数学方法。又名叠加积分、结合积分、加权游动平均、动平均、Duhamel 积分、积分、Faltung 积分、积分、 Borels 定理等。定理等。)()()()()(thtxdthxty卷积的
5、物理意义非常明确,在信号与系统的理论研究中占有重卷积的物理意义非常明确,在信号与系统的理论研究中占有重要的地位。在系统分析中,系统输入输出和系统特性的作用关系要的地位。在系统分析中,系统输入输出和系统特性的作用关系在时间域就体现为卷积积分的关系。在时间域就体现为卷积积分的关系。卷积是沟通时域频域的一个桥梁,广泛应用于信号的时间域卷积是沟通时域频域的一个桥梁,广泛应用于信号的时间域与变换域分析。与变换域分析。 定义定义华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院7证明:令证明:令 z=t- , 则则 =t-z , d =-dz , 有:有:)()()()()()()(txthdzzhztxdzzhz
6、txty卷积与相关卷积的互换性卷积的互换性)(*)()()()()()()()(txthdtxhthtxdthxty2.6 卷积分卷积分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院80000, 0,)(, 0,)(TtTtAthTtTtAtxh(t)t0 x(t)0t2、卷积的计算图例、卷积的计算图例设:设:2.6 卷积分卷积分T0-T0T0-T0华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院9(1) t=0时时:y(t)2A2T02T0-2T00 x()T0-T0h(0-)T0-T0A2T0-T0t0002.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxtyy(0)=2A2T0华中科技大学机械学
7、院华中科技大学机械学院10 t= T0 /2时时:y(t)2A2T02T0-2T00 x()T0-T0h(T0/2- )T0-T0A2T0-T02.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxtyy(T0/2)=3A2 T0/2华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院11y(t)2A2T02T0-2T00 x()T0-T0h(T0- )T0-T0A2T0-T02.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxty t= T0时时:y(T0)=A2 T0华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院12y(t)2A2T02T0-2T00 x()T0-T0h(3T0/2- )T0-T0A2
8、T0-T02.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxty t= 3T0 /2时时:y(3T0/2)=A2 T0/2华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院13y(t)2A2T02T0-2T00 x()T0-T0h(2T0- )T0-T0A2T0-T02.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxty t= 2T0时时:y(2T0)=0华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院14y(t)2A2T02T0-2T00 x()T0-T0h(-T0/2- )T0-T0A2T0-T02.6 卷积分卷积分 t= -T0 /2时时:)()()()()(thtxdthxtyy(-T0/2
9、)=3A2 T0/2华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院15y(t)2A2T02T0-2T00 x()T0-T0h(-T0- )T0-T0A2T0-T02.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxty t= -T0时时:y(-T0)=A2 T0华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院16y(t)2A2T02T0-2T00 x()T0-T0h(-3T0/2- )T0-T0A2T0-T02.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxty t= -3T0 /2时时:y(-3T0/2)=A2 T0/2华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院17y(t)2A2T02T0-2T0
10、0 x()T0-T0h(-2T0- )T0-T0A2T0-T02.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxty t= -2T0时时:y(-2T0)=0华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院183、卷积的、卷积的物理意义物理意义 对于线性对于线性时不变时不变系统系统(LTI: Linear Time Invariant )而而言,言,系统的特性由其脉冲相应函数来描述。系统的特性由其脉冲相应函数来描述。2.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxtyx(t)h(t) y(t) 系统的输出系统的输出y(t)是任意输入是任意输入x(t)与系统脉冲响应函数与系统脉冲响应函数h(
11、t)的卷积。的卷积。根据根据h(t)的定义:的定义:(t) h(t) 由时不变性:由时不变性:(t - -)h(t - -)华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院19(1)将信号)将信号x(t)分解分解为许多宽度为为许多宽度为 t 的窄条面积之和,的窄条面积之和,t= n t 时的第时的第n个窄条的高度为个窄条的高度为x(n t ),在,在 t 趋近于趋近于零的情况下,窄条可以看作是强度等于窄条面积的脉冲。零的情况下,窄条可以看作是强度等于窄条面积的脉冲。tx(t)n t x(n t ) t 2.6 卷积分卷积分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院20(2)根据线性系统特性,在)根据线性
12、系统特性,在t=n t时刻,窄条脉冲引起的时刻,窄条脉冲引起的 响应为响应为: x(n t) t h(t- n t)tx(nt) t h(t- nt)02.6 卷积分卷积分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院21(3)根据线性系统的叠加原理,各脉冲引起的响应之和)根据线性系统的叠加原理,各脉冲引起的响应之和 即为输出即为输出y(t)0)()()(ntnthttnxtyty(t)02.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxty华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院22卷积运算的几何作图法任意给定某个t0,卷积运算图解步骤为: 第一步 换元先把两个信号的自变量变为,即两个信号变
13、为x()与h()。 第二步 反折将h()以纵轴为中心轴翻转180, h(-); 第三步平移给定一个t0值,将h(-)波形沿轴平移|t0|。在t00时,波形往右移。这样就得到了h(t0 - )的波形; 第四步 相乘将x()和h(t0-)相乘,得到卷积积分式中的被积函数x()h(t0 - ) ;4、卷积运算的步骤、卷积运算的步骤2.6 卷积分卷积分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院23 第五步 叠加(积分)计算乘积信号x()h(t0-)波形与 轴之间包含的净面积,便是式 卷积在t0时刻的值y(t0)。 第六步 重复 令变量t0在(-,)范围内变化,重复第三、四、五步操作,最终得到卷积信号x(
14、) *h()。dthx )()(0换积分变量换积分变量 反折反折平移平移相乘相乘叠加(积分)叠加(积分)4、卷积运算的步骤、卷积运算的步骤2.6 卷积分卷积分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院24h(t)t00h(-)(1)反折x(t)0t卷积运算的几何图形表示卷积运算的几何图形表示(2)平移0h(t1 -)x(t)(3)相乘0h(t1 -)0tx(t)0t(4)积分(1)换元换元 反折;反折;(2)平移;平移;(3)相乘;相乘;(4)积分。积分。2.6 卷积分卷积分)()()()()(thtxdthxty华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院25图解法图解法一般比较繁琐一般比较繁琐,
15、确定积分的上下限是关键。确定积分的上下限是关键。 举例举例)()(ete或01211或t)(h021()变量替换后,将其中一信号反折()变量替换后,将其中一信号反折()平移(左移到与另一信号没有重合后()平移(左移到与另一信号没有重合后,再右移再右移)*解解:)()(hth或021或tt-22.6 卷积分卷积分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院26( )121bt )(e0t1)(th211231)(tc16343)(211)(*)(121tdtthte1( )12bt 16144)(211)(*)(221tdtthtet)(e0t1)(th211231)(tc()相乘()相乘1( )2
16、at 0)(*)(thte)(e0t1)(th21121)(ta2.6 卷积分卷积分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院27)(e0t1te3)()(th211323)(td)(e0t1)(th211323)(td4324)(211)(*)(212ttdtthtette3)(0)(*)(thte()相乘()相乘2.6 卷积分卷积分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院28(4)相加:)相加:以上各图中的以上各图中的阴影面积阴影面积,即为,即为相乘积分的结果相乘积分的结果 若以若以t为横坐标,将与为横坐标,将与t对应积分值描成曲线,就是卷积对应积分值描成曲线,就是卷积积分积分e(t)*h(
17、t)函数图像。函数图像。)(*)(thte023169t)(th211161523卷积积分结果2.6 卷积分卷积分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院29图解法图解法一般比较繁琐,一般比较繁琐,确定积分确定积分的上下限是关键。的上下限是关键。但若只求某一但若只求某一时刻卷积值时还是比较方便的。时刻卷积值时还是比较方便的。例:例:f1(t)、 f2(t)如图所示,已知如图所示,已知f(t) = f2(t)* f1(t),求,求f(2) =?tf 2( t )-1131-1f 1( t )t2-22f1(- -)f1(2- -)解解:d)2()()2(12fff(1)换元)换元(2) f1(
18、)得得f1( )(3) f1( )右移右移2得得f1(2 )(4) f1(2 )乘乘f2( )(5)积分,得)积分,得f(2) = 0(面积为(面积为0)2.6 卷积分卷积分华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院30f ( t )t0211th ( t )220f (- )f (t - )t-1 tt-1 t t-1 ttyf (t )20134143tt-1 tt-1h( )f (t - )2013例:例: f (t) ,h(t) 如图所示,求yzs(t)= h(t) * f (t) 。解:采用图形卷积。 f ( t - -)f ()反折反折 f (- -)平移平移t t 0时时 , f
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