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正弦波与「叠加」:一切的积木

傅里叶的整个世界观只有一句话:任何信号,都能拆成若干正弦波的和。所以入门第一步,先把这块积木理解透彻——单个正弦波是什么样、它的三个参数各自控制什么,以及把几个正弦波相加会发生什么。

一个正弦波由三个数完全决定:振幅 amplitude(多高)、频率 frequency(每秒摆几个来回,单位 Hz)、相位 phase(起跑时刻偏移)。

A · sin( 2π f · t + φ )

下面每一行是一个正弦分量(不同颜色),拖动滑块改变它的振幅 / 频率 / 相位。画板里细彩线是各分量,粗紫线是它们逐点相加的合成波。可以尝试:把两个分量频率设为 12、再添加一个 3——这就是手动「合成」一个复杂波形,正是傅里叶级数所做之事的逆操作

两个关键直觉。 其一,振幅相加是逐点的:在每个时刻 t,把所有分量的瞬时值加起来,就是合成波在 t 的高度——所以叠加既可能相互增强(同相)也可能抵消(反相)。其二,频率相近的两个波叠加会产生拍 (beat):包络以「频率差」缓慢起伏(可尝试上面的拍频预设,5Hz 与 6Hz 合成每秒 1 次的强弱起伏)。

这组系数从何而来。「逼近方波」预设里,手动填入的振幅是 1,1/3,1/5,1/7{1, 1/3, 1/5, 1/7\dots}、频率是 1,3,5,7{1, 3, 5, 7\dots}(只有奇次)。正是这组数,能把光滑的正弦叠成棱角分明的方波——它们不是凑出来的,而是由傅里叶级数精确算出,推导见傅里叶级数:把方波堆出来