Rezg´ esek ¨ osszetev´ ese ´ es felbont´ asa

Line´aris rendszerekben ´erv´enyes a szuperpoz´ıci´o elve, azaz ha a rendszert t¨obb ha-t´as ´eri, akkor a kialakul´o mozg´as az egyes hat´asok ´altal keltett mozg´asok ¨osszege. Nem t´ul nagy kit´er´es eset´en a rezg˝o rendszereket line´aris differenci´alegyenletek ´ırj´ak le, ´ıgy rezg´eseket egyszer˝uen ¨osszegezhet¨unk, illetve felbonthatunk. Ezt alkalmaztuk m´ar p´ el-d´aul a k´enyszerrezg´es eset´eben, ahol a megold´ast a tranziens tag ´es az ´alland´osult tag

¨osszegek´ent ´all´ıtottuk el˝o.

Egyir´any´u rezg´esek ¨osszetev´ese

Ha k´et azonos ir´any´u rezg´est szuperpon´alunk, akkor a kit´er´es–id˝o f¨uggv´enyek egy-szer˝uen ¨osszead´odnak. Harmonikus f¨uggv´enyek ¨osszegz´ese szeml´eletesen vizsg´alhat´o az

´

ugynevezett forg´ovektoros m´odszerrel. A 9.14(a) ´abr´an l´athat´o A hossz´us´ag´u vektor ω sz¨ogsebess´eggel forog, v´ızszintes vet¨ulete:

x(t) =Acos(ωt+ϕ),

azaz egy A amplit´ud´oj´u, ω k¨orfrekvenci´aj´u harmonikus rezg´es. A vektor ir´anya kifejezi a rezg´es f´azis´at, ez´ert szok´as fazornak is nevezni.

(a) Fazor (b) K´et rezg´es ¨osszegz´ese

9.14. ´abra. Forg´ovektoros m´odszer

Ha k´et azonos frekvenci´aj´u rezg´est ¨osszegez¨unk, akkor a k´et vektor azonos sz¨ ogse-bess´eggel forog. Vizsg´aljuk a mozg´ast a vektorokkal egy¨utt forg´o koordin´ata-rendszerben (9.14(b) ´abra). Az egyes rezg´esek amplit´ud´oj´at ´es kezd˝of´azis´at a k´et forg´ovektor jellem-zi, az ered˝o rezg´es forg´ovektora ezek vektori´alis ¨osszege. Az ered˝o rezg´es amplit´ud´oja ´es kezd˝of´azisa ebb˝ol k¨onnyen kifejezhet˝o (a sz´am´ıt´as elv´egz´es´et az olvas´ora b´ızzuk):

A= q

A²₁+A²₂ + 2A₁A₂cos (ϕ₂−ϕ₁) ϕ= arctg A₁sinϕ₁+A₂sinϕ₂

A₁cosϕ₁+A₂cosϕ₂ .

(9.24)

Sz´am´ıt´as n´elk¨ul is l´athat´o, hogy az ered˝o amplit´ud´ora teljes¨ul:

|A₁−A₂| ≤A≤A₁+A₂.

Az amplit´ud´o t´enyleges nagys´aga a f´azisviszonyokt´ol f¨ugg: ha a k´et rezg´es f´azisa meg-egyezik, akkor az amplit´ud´o maxim´alis, ha pedig ellent´etes, akkor minim´alis (egyenl˝o amplit´ud´ok eset´en nulla) lesz.

Ha a szuperpon´alt rezg´esek k¨orfrekvenci´ai k¨ul¨onb¨oznek, akkor a k´et rezg´es relat´ıv f´azisa folyamatosan v´altozik, ´es ´ıgy az ered˝o vektor hossza is periodikusan v´altozni fog a minim´alis ´es maxim´alis ´ert´ek k¨oz¨ott. Ez k¨ul¨on¨osen l´atv´anyos, ha a k´et k¨orfrekvencia csak kicsit t´er el egym´ast´ol.

Vizsg´aljuk meg azt a speci´alis esetet, amikor a k´et amplit´ud´o megegyezik:

x₁(t) = Acosω₁t x₂(t) = Acosω₂t .

(A kezd˝of´azisokat null´anak v´alasztottuk: kezdj¨uk az id˝om´er´est akkor, amikor a k´et rezg´es f´azisa ´eppen egyenl˝o.) A k´et rezg´es szuperpoz´ıci´oja:

x(t) =x₁(t) +x₂(t) = A(cosω₁t+ cosω₂t) = 2Acosω₁−ω₂

2 t·cosω₁+ω₂ 2 t . Ha a k´et k¨orfrekvencia csak kicsit t´er el egym´ast´ol:

|ω1−ω2| ω1+ω2, ω₁+ω₂

2 =ω≈ω1 ≈ω2, ω₁−ω₂

2 =ω_Lω . Ezekkel a jel¨ol´esekkel a f¨uggv´eny:

x(t) = 2Acosω_Lt·cosωt . (9.25) A kialakul´o rezg´es felfoghat´o egy lassan v´altoz´o amplit´ud´oj´u harmonikus rezg´esnek, ahol az amplit´ud´o nagys´aga szint´en harmonikus f¨uggv´eny szerint v´altozik. A f¨uggv´eny grafikonja a 9.15 ´abr´an l´athat´o. A jelens´eg neve lebeg´es. A lebeg´es peri´odusideje ´es frek-venci´aja:

T_L = 2π ωL

´es f_L = 1 TL

= ω_L

2π = f₁−f₂

2 .

9.15. ´abra. Lebeg´es

K´ıs´erlet: Lebeg´es

K´et egyforma hangvilla egyik´et a sz´ar´ara szerelt kicsiny nehez´ek mozgat´ a-s´aval kism´ert´ekben elhangoljuk. A k´et k¨ul¨on-k¨ul¨on megsz´olaltatott hangvilla hangja k¨oz¨ott nem lehet meghallani a k¨ul¨onbs´eget, ha azonban egyszerre sz´ o-laltatjuk meg, akkor periodikusan er˝os¨od˝o ´es gyeng¨ul˝o hangot hallunk. Ez a lebeg´es. Az er˝os¨od´esek frekvenci´aja a k´et frekvencia k¨ul¨onbs´ege (a lebeg´esi frekvencia k´etszerese, hiszen egy lebeg´esi peri´oduson bel¨ul k´etszer maxim´ a-lis az amplit´ud´o). Seg´ıts´eg´evel nagyon pontosan egym´ashoz lehet hangolni hangszereket: ha a k´et frekvencia megegyezik, a lebeg´es megsz˝unik.

Mer˝oleges rezg´esek ¨osszetev´ese

Azonos frekvenci´aj´u, egym´asra mer˝oleges rezg´esek szuperpoz´ıci´oja j´ol szeml´eltethet˝o egy fon´aling´aval: az inga ugyan´ugy mozog azx´es azy ir´anyban kit´er´ıtve is. Ha az ing´at mindk´et ir´anyban kit´er´ıtj¨uk vagy megl¨okj¨uk, akkor a k´et mozg´as egyszerre t¨ort´enik, az ingatest az xy s´ıkban fog mozogni:

x(t) = A1cosωt

y(t) = A₂cos(ωt+ϕ). A kialakul´o p´alya ´altal´anos esetben egy ellipszis.

A 9.16 ´abr´an A₁ = A₂ esetben l´athat´o a p´alya a f´azisk¨ul¨onbs´eg n´eh´any k¨ul¨onb¨oz˝o

´

ert´eke eset´en. Azonos (´es ellent´etes) f´azis eset´en a mozg´as egy 45^◦-os egyenes, π/2 (´es 3π/2) f´azisk¨ul¨onbs´eg eset´en k¨or, egy´eb esetekben pedig egy ferde tengely˝u ellipszis.

Mer˝oleges rezg´esek ¨osszetev´es´et k´enyelmesebben tanulm´anyozhatjuk egyoszcilloszk´op k´eperny˝oj´en. Az oszcilloszk´opban az elektronsug´ar v´ızszintes ´es f¨ugg˝oleges elt´er´ıt´es´et k´et k¨ul¨onb¨oz˝o elektromos jel vez´erli. Az elektronsug´ar kirajzolja a k´et mer˝oleges rezg´es szuperpoz´ıci´ojak´ent kialakul´o p´aly´at.

9.16. ´abra. K´et azonos frekvenci´aj´u mer˝oleges rezg´es szuperpoz´ıci´oja

Ha a k´et mer˝oleges rezg´es frekvenci´aja k¨ul¨onb¨oz˝o, akkor a kialakul´o p´alya bonyo-lult lesz. ´Altal´anos esetben az elektronsug´ar az amplit´ud´ok ´altal meghat´arozott t´eglalap eg´esz´et bej´arja, ´ıgy a mozg´asb´ol semmit nem l´atunk.

9.17. ´abra. Lissajous-g¨orb´ek

Ha a frekvenci´ak ar´anya kis eg´esz sz´amok ar´any´aval egyezik meg, akkor az ´abra leegyszer˝us¨odik. A 9.17 ´abr´an l´athat´o Lissajous-g¨orb´ek alakja a frekvenciaar´anyt´ol ´es a f´azisk¨ul¨onbs´egt˝ol f¨ugg. (A frekvenciaar´any ´altal´aban kicsit elt´er az ide´alist´ol, ´ıgy a f´azisk¨ul¨onbs´eg lassan v´altozik, ami a g¨orb´ek l´atv´anyos mozg´as´at eredm´enyezi.) [42]

Rezg´esek felbont´asa

Ha egy f¨uggv´eny periodikus (peri´odusideje T = 2π/ω), akkor fel´ırhat´o harmonikus f¨uggv´enyek v´egtelen sorak´ent:

x(t) =A₀ +

∞

X

i=1

A_isin (iωt+ϕ_i) =A₀+

∞

X

i=1

(B_isiniωt+C_icosiωt) , (9.26) ahol az A₀, A_i ´es ϕ_i, illetve a B_i ´es C_i egy¨utthat´ok egy´ertelm˝uen meghat´arozhat´ok.

Ez a Fourier-sor. [45] A sorban szerepl˝o harmonikus f¨uggv´enyek frekvenci´ai a vizsg´alt periodikus f¨uggv´eny frekvenci´aj´aval azonosak (alap harmonikus), valamint ennek eg´esz sz´am´u t¨obbsz¨or¨osei (felharmonikusok). Az egy¨utthat´ok megadj´ak a f¨uggv´eny Fourier-spektrum´at, azaz megmutatj´ak, hogy melyik felharmonikus milyen amplit´ud´oval (´es f´ a-zissal) vesz r´eszt a f¨uggv´eny fel´ep´ıt´es´eben. A spektrum periodikus f¨uggv´eny eset´eben csak diszkr´et ´ert´ekekn´el (ω eg´esz sz´am´u t¨obbsz¨or¨osein´el) ´ertelmezett.

Ha a f¨uggv´eny nem periodikus, akkor a frekvenciaspektrum folytonos, a f¨uggv´eny v´ eg-telen sor helyett integr´allal ´ırhat´o fel. Az egy¨utthat´okat szok´as komplex alakban megadni (ami kifejezi az amplit´ud´ot ´es a f´azist is), az integr´alt is ilyen alakban ´ırjuk fel:

x(t) = 1 2π

∞

Z

−∞

F(ω)e^iωtdω , (9.27)

ahol az F(ω) f¨uggv´eny a (komplex) frekvenciaspektrum, ipedig a k´epzetes egys´eg.

A frekvenciaspektrumot az id˝of¨uggv´enyb˝ol a Fourier-transzform´aci´o seg´ıts´eg´evel le-het el˝o´all´ıtani. [46] V´eges sok m´er´esi pontb´ol ´all´o f¨uggv´eny Fourier-transzform´aci´oj´ahoz a legt¨obb adatkezel˝o programban rendelkez´esre ´allnak numerikus eszk¨oz¨ok (FFT: Fast Fourier Transform).