测试技术与信号处理课后答案机械工程测试技术基础习题解答教材：机械工程测试技术基础，熊诗波 黄长艺主编，机械工业出版社，2006年9月第3版第二次印刷。

第一章 信号的分类与描述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）000000002202002111()d =d +d =(cos -1) (=0, 1, 2, 3, )L 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 ±±±L 。

(1cos ) (=0, 1, 2, 3, )0nI nR A c n n n c ⎧=--⎪±±±⎨⎪=⎩L ππ图1-4 周期方波21,3,,(1cos)00,2,4,6,nAnAc n nnn⎧=±±±⎪==-=⎨⎪=±±±⎩LLπππ1,3,5,2arctan1,3,5,200,2,4,6,nInnRπncπφncn⎧-=+++⎪⎪⎪===---⎨⎪=±±±⎪⎪⎩LLL没有偶次谐波。

其频谱图如下图所示。

1-2 求正弦信号0()sinx t xωt=的绝对均值xμ和均方根值rms x。

解答：00002200000224211()d sin d sin d cosT TT Txx x x x μx t t xωt tωt tωtT T T TωTωπ====-==⎰⎰⎰rmsx====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 t at j f te A A a j fX f x t e dt Ae e dt Aa j f a j f a f-+∞∞---∞-∞-=====-+++⎰⎰πππππππ()X f=π/20ω00幅频图相频图周期方波复指数函数形式频谱图πωω0ω0Im ()2()arctanarctanRe ()X f ff X f a==-πϕ1-4 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，这样单边指数衰减信号频谱图 f|X (f )|Aφ(f ) fπ/2-π/2 tsgn(t ) 0 1 -1 tu (t )0 1图1-25 题1-4图a)符号函数 b)阶跃函数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 →==22211224()()(2)j f t at j f t at j f t f X f x t e dt e e dt e e dt ja f ∞∞-----∞-∞==-+=-+⎰⎰⎰πππππ[]101()sgn()lim ()a X f t X f jf→===-πF1()X f fπ=02()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1()sgn()at x t e t -=符号函数tx 1(t )0 1-符号函数频谱f φ(f )0 π/2 0f|X (f )|-π/2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。

解法2：利用冲激函数10()()d 00tt 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-∞⎡⎤⎡⎤==∆+∆=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎰F1-5 求被截断的余弦函数0cos ωt (见图1-26)的傅里叶变换。

单位阶跃信号频谱f |U (f )|(1/2f φ(f )0 π/2 -π/20cos ()0ωt t T x t t T⎧<⎪=⎨≥⎪⎩解：0()()cos(2)x t w t f t =π w (t )为矩形脉冲信号 ()2sinc(2)W f T Tf =π()002201cos(2)2j f t j f tf t e e πππ-=+所以002211()()()22j f tj f t x t w t ew 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 atx t eωt-=的频谱fX (f )Tf-f 0被截断的余弦函数频谱 图1-26 被截断的余弦函数t tT -TT -Tx (t )w (t )10 01-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)atx t ea t -=>≥的频谱密度函数为 11221()()j t at j t a j X f x t e dt e e dt a j a ∞∞----∞-====++⎰⎰ωωωωω根据频移特性和叠加性得：[]001010222200222000222222220000()()11()()()22()()[()]2[()][()][()][()]a j a j X X X j j a a a a ja a a a ⎡⎤---+=--+=-⎢⎥+-++⎣⎦--=-+-+++-++ωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωωω指数衰减信号1-7 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0mωω<时将会出现什么情况？解：0()()cos()x t f t t =ω()[()]F f t =ωF()0001cos()2j t j tt e e -=+ωωω所以0011()()()22j tj t x t f t ef t e -=+ωω根据频移特性和叠加性得：11()()()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。

图1-27 题1-7图ωF (ω)f(t) 0t-ωω若0mωω<将发生混叠。

1-8 求正弦信号0()sin()x t x ωt φ=+的均值xμ、均方值2xψ和概率密度函数p (x )。

解答： (1)000011lim()d sin()d 0T T xT μx ttx ωt φt T T →∞==+=⎰⎰，式中02πTω=—正弦信号周期 (2)22222200000111cos 2()lim ()d sin ()d d 22T T T x T x x ωt φψx t t x ωt φt t T T T →∞-+==+==⎰⎰⎰(3)在一个周期内12ΔΔ2Δx T t t t =+=0002Δ[()Δ]limx x T T T t P x x t x x T T T →∞<≤+===22Δ0Δ0000[()Δ]2Δ2d ()limlim ΔΔd x x P x x t x x t t p x x T x T x πx x →→<≤+====-fX (f )ω0 -ω0矩形调幅信号频谱正弦信号第二章 测试装置的基本特性2-1 进行某动态压力测量时，所采用的压电式力传感器的灵敏度为90.9nC/MPa ，将它与增益为0.005V/nC 的电荷放大器相连，而电荷放大器的输出接到一台笔式记录仪上，记录仪的灵敏度为20mm/V 。

试计算这个测量系统的总灵敏度。

当压力变化为3.5MPa 时，记录笔在记录纸上的偏移量是多少？解：若不考虑负载效应，则各装置串联后总的灵敏度等于各装置灵敏度相乘，即S =90.9(nC/MPa)⨯0.005(V/nC)⨯20(mm/V)=9.09mm/M Pa 。

偏移量：y =S ⨯3.5=9.09⨯3.5=31.815mm 。

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=+()()A H ωω===，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%1s32.7%2s8.5%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H (s )=1/(0.005s +1)的装置后得到的稳态响应。