机械工程测试技术基础(第三版)课后答案全集
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机械工程测试技术基础习题解答1-1 求周期方波（见图1-4）的傅里叶级数（复指数函数形式），划出|c n |–ω和φn–ω图，并与表1-1对比。
解答：在一个周期的表达式为00 (0)2() (0)2T A t x t T A t ⎧--≤<⎪⎪=⎨⎪≤<⎪⎩.积分区间取（-T/2，T/2）00000002202002111()d =d +d =(cos -1) (=0, 1, 2, 3, ) T T jn tjn tjn t T T n c x t et Aet Ae tT T T Ajn n n ωωωππ-----=-±±±⎰⎰⎰所以复指数函数形式的傅里叶级数为001()(1cos )jn tjn t n n n Ax t c ejn e n∞∞=-∞=-∞==--∑∑ωωππ，=0, 1, 2, 3, n ±±± 。
(1cos ) (=0, 1, 2, 3, )0nInR A c n n n c ⎧=--⎪±±±⎨⎪=⎩ ππ2221,3,,(1cos )00,2,4,6, n nR nI An A c c c n n n n ⎧=±±±⎪=+=-=⎨⎪=±±±⎩πππ 图1-4 周期方波信号波形图0 tx (t ) T 02-T 020T -……A-AT 01,3,5,2arctan1,3,5,200,2,4,6,nI n nRπn c πφn c n ⎧-=+++⎪⎪⎪===---⎨⎪=±±±⎪⎪⎩没有偶次谐波。
其频谱图如下图所示。
1-3 求指数函数()(0,0)atx t Ae a t -=>≥的频谱。
解答：(2)22022(2)()()(2)2(2)a j f tj f tat j f te A A a jf X f x t edt Ae edt Aa j f a j f a f -+∞∞---∞-∞-=====-+++⎰⎰πππππππ22()(2)k X f a f π=+Im ()2()arctanarctanRe ()X f ff X f a==-πϕ|c n | φnπ/2 -π/2 ωωω0ω0 3ω05ω03ω05ω02A/π2A/3π 2A/5π 幅频图相频图周期方波复指数函数形式频谱图2A/5π 2A/3π 2A/π -ω0-3ω0-5ω0-ω0 -3ω0-5ω01-4 求符号函数(见图1-25a)和单位阶跃函数(见图1-25b)的频谱。
a)符号函数的频谱10()sgn()10t x t t t +>⎧==⎨-<⎩t =0处可不予定义，或规定sgn(0)=0。
该信号不满足绝对可积条件，不能直接求解，但傅里叶变换存在。
可以借助于双边指数衰减信号与符号函数相乘，这样便满足傅里叶变换的条件。
先求此乘积信号x 1(t)的频谱，然后取极限得出符号函数x (t )的频谱。
10()sgn()0atatate t x t et et --⎧>==⎨-<⎩10()sgn()lim ()a x t t x t →==022211224()()(2)j f t at j f t at j f t fX f x t e dt e e dt e e dt ja f ∞∞-----∞-∞==-+=-+⎰⎰⎰πππππ []101()sgn()lim ()a X f t X f jf→===-πF 1()X f fπ=单边指数衰减信号频谱图f|X (f )|A /aφ(f )fπ/2-π/2tsgn(t )1 -1tu (t ) 01 图1-25 题1-4图a)符号函数b)阶跃函数2()02f f f πϕπ⎧<⎪⎪=⎨⎪->⎪⎩b)阶跃函数频谱10()00t u t t >⎧=⎨<⎩在跳变点t =0处函数值未定义，或规定u (0)=1/2。
阶跃信号不满足绝对可积条件，但却存在傅里叶变换。
由于不满足绝对可积条件，不能直接求其傅里叶变换，可采用如下方法求解。
解法1：利用符号函数11()sgn()22u t t =+ [][]1111111()()sgn()()()22222U f u t t f j f j f f ⎛⎫⎡⎤⎡⎤==+=+-=- ⎪⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎝⎭⎣⎦δδππF F F ()2211()()2U f f f δπ=+ 结果表明，单位阶跃信号u (t )的频谱在f =0处存在一个冲激分量，这是因为u (t )含有直流分量，在预料之中。
同时，由于u (t )不是纯直流信号，在t =0处有跳变，因此在频谱中还包含其它频率分量。
1()sgn()at x t e t -=符号函数tx 1(t ) 01-1符号函数频谱fφ(f )π/2f|X (f )|-π/2解法2：利用冲激函数10()()d 00t t u t t δττ-∞>⎧==⎨<⎩⎰时时根据傅里叶变换的积分特性1111()()d ()(0)()()222t U f f f f j j f f δττδδππ-∞⎡⎤⎡⎤==∆+∆=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎰F 1-5 求被截断的余弦函数0cos ωt (见图1-26)的傅里叶变换。
0cos ()0ωtt T x t t T⎧<⎪=⎨≥⎪⎩解：0()()cos(2)x t w t f t =πw (t )为矩形脉冲信号()2sinc(2)W f T Tf =π()002201cos(2)2j f tj f t f t e e πππ-=+ 所以002211()()()22j f t j f t x t w t e w t e -=+ππ根据频移特性和叠加性得：000011()()()22sinc[2()]sinc[2()]X f W f f W f f T T f f T T f f =-++=-++ππ 可见被截断余弦函数的频谱等于将矩形脉冲的频谱一分为二，各向左右移动f 0，同时谱线高度减小一单位阶跃信号频谱f|U (f )| 0(1/2) fφ(f )0 π/2 -π/2图1-26 被截断的余弦函数ttT -TT -Tx (t )w (t )11-1半。
也说明，单一频率的简谐信号由于截断导致频谱变得无限宽。
1-6 求指数衰减信号0()sin at x t e ωt -=的频谱解答：()0001sin()2j t j tt e e j-=-ωωω 所以()001()2j t j tatx t ee e j--=-ωω单边指数衰减信号1()(0,0)at x t e a t -=>≥的频谱密度函数为11221()()j tat j t a j X f x t edt e e dt a j a ∞∞----∞-====++⎰⎰ωωωωω根据频移特性和叠加性得：指数衰减信号x (t )fX (f )Tf 0 -f 0被截断的余弦函数频谱[]001010222200222000222222220000()()11()()()22()()[()]2[()][()][()][()]a j a j X X X j j a a a a j a a a a ⎡⎤---+=--+=-⎢⎥+-++⎣⎦--=-+-+++-++ωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωω1-7 设有一时间函数f (t )及其频谱如图1-27所示。
现乘以余弦型振荡0cos ()m ωt ωω>。
在这个关系中，函数f (t )叫做调制信号，余弦振荡0cos ωt 叫做载波。
试求调幅信号0()cos f t ωt 的傅里叶变换，示意画出调幅信号及其频谱。
又问：若0m ωω<时将会出现什么情况？解：0()()cos()x t f t t =ω()[()]F f t =ωF图1-27 题1-7图ωF (ω)f (t )0 t-ωmωm 0X (ω)-ππφ(ω)ωω指数衰减信号的频谱图()0001cos()2j tj t t e e -=+ωωω 所以0011()()()22j t j t x t f t e f t e -=+ωω根据频移特性和叠加性得：0011()()()22X f F F =-++ωωωω 可见调幅信号的频谱等于将调制信号的频谱一分为二，各向左右移动载频ω0，同时谱线高度减小一半。
若0m ωω<将发生混叠。
2-2 用一个时间常数为0.35s 的一阶装置去测量周期分别为1s 、2s 和5s 的正弦信号，问稳态响应幅值误差将是多少？解：设一阶系统1()1H s s τ=+，1()1H j ωτω=+2211()()21()1()A H Tωωπττω===++，T 是输入的正弦信号的周期稳态响应相对幅值误差()1100%A δω=-⨯，将已知周期代入得58.6%1s 32.7%2s 8.5%5s T T T δ=⎧⎪≈=⎨⎪=⎩2-3 求周期信号x (t )=0.5cos10t +0.2cos(100t −45︒)通过传递函数为fX (f )ω0-ω0矩形调幅信号频谱H (s )=1/(0.005s +1)的装置后得到的稳态响应。
解：1()10.005H j ωω=+，21()1(0.005)A ωω=+，()arctan(0.005)ϕωω=-该装置是一线性定常系统，设稳态响应为y (t )，根据线性定常系统的频率保持性、比例性和叠加性得到y (t )=y 01cos(10t +ϕ1)+y 02cos(100t −45︒+ϕ2) 其中010121(10)01(0.y A x ==⨯≈+⨯，1(10)arctan(0.00510) 2.86ϕϕ==-⨯≈-︒020221(100)0.20.1791(0.005100)y A x ==⨯≈+⨯，2(100)arctan(0.005100)26.57ϕϕ==-⨯≈-︒所以稳态响应为()0.499cos(10 2.86)0.179cos(10071.57)y t t t =-︒+-︒2-5 想用一个一阶系统做100Hz 正弦信号的测量，如要求限制振幅误差在5%以内，那么时间常数应取多少？若用该系统测量50Hz 正弦信号，问此时的振幅误差和相角差是多少？解：设该一阶系统的频响函数为1()1H j ωτω=+，τ是时间常数则 21()1()A ωτω=+稳态响应相对幅值误差21()1100%1100%1(2)A f δωπτ⎛⎫⎪=-⨯=-⨯ ⎪+⎝⎭令δ≤5%，f =100Hz ，解得τ≤523μs 。
如果f =50Hz ，则 相对幅值误差：262111100%1100% 1.3%1(2)1(25231050)f δπτπ-⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪=-⨯=-⨯≈ ⎪ ⎪++⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭相角差：6()arctan(2)arctan(25231050)9.33f ϕωπτπ-=-=-⨯⨯⨯≈-︒2-7 将信号cos ωt 输入一个传递函数为H (s )=1/(τs +1)的一阶装置后，试求其包括瞬态过程在内的输出y (t )的表达式。
