Aufgaben:Exercise 2.3Z: Oscillation Parameters

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Definition von  $x_0$,  $t_1$  und  $t_2$

Jede harmonische Schwingung kann auch in der Form

$$x(t)=C\cdot\cos\bigg(2\pi \cdot \frac{t-\tau}{T_0}\bigg)$$

geschrieben werden. Die Schwingung ist somit durch drei Parameter vollständig bestimmt:

• die Amplitude  $C$,

• die Periodendauer  $T_0$,

• die Verschiebung  $\tau$  gegenüber einem Cosinussignal.

Eine zweite Darstellungsform lautet mit der Grundfrequenz  $f_0$  und der Phase  $\varphi$:

$$x(t)=C \cdot\cos(2\pi f_0t-\varphi).$$

Von einer harmonischen Schwingung ist nun bekannt, dass

• das erste Signalmaximum bei  $t_1 = 2 \,\text{ms}$  auftritt,

• das zweite Signalmaximum bei  $t_2 = 14 \,\text{ms}$  auftritt,

• der Wert  $x_0 ={x(t = 0)} = 3 \,\text{V}$  ist.

Hinweis:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Harmonische Schwingung.

Fragebogen

1 Wie groß ist die Periodendauer  $T_0$  und die Grundfrequenz  $f_0$?

$T_0\hspace{0.2cm} = \ $  $\text{ms}$

$f_0\hspace{0.2cm} = \ $  $\text{Hz}$

2 Welchen Wert haben hier die Verschiebung  $\tau$  und die Phase  $\varphi$  $($in  $\text{Grad})$ ?

$\tau\hspace{0.25cm} = \ $  $\text{ms}$

$\varphi\hspace{0.2cm} = \ $  $\text{Grad}$

3 Wie groß ist die Amplitude der harmonischen Schwingung?

${C}\ = \ $  $\text{V}$

4 Wie lautet das Spektrum  $X(f)$?  Welches Gewicht hat die Spektrallinie bei  $+f_0$ ?

$\text{Re}\big[X(f = f_0)\big]\ = \ $  $\text{V}$

$\text{Im}\big[X(f = f_0)\big] \ = \ $  $\text{V}$

Musterlösung

Solution

(1)  Es gilt $T_0 = t_2 - t_1 = 12\, \text{ms}$ und $f_0 = 1/T_0 \hspace{0.15cm} \underline{\approx 83.33\, \text{Hz}}$.

(2)  Die Verschiebung beträgt $\tau \hspace{0.1cm} \underline{= 2\, \text{ms}}$ und die Phase ist $\varphi = 2\pi \cdot \tau/T_0 = \pi/3$ entsprechend $\varphi =\hspace{0.15cm} \underline{60^{\circ}}$.

(3)  Aus dem Wert zum Zeitpunkt $t = 0$ folgt für die Amplitude ${C}$:

$$x_0=x(t=0)=C\cdot\cos(-60\,^\circ)={C}/{2}=\rm 3\,V

\hspace{0.3 cm} \Rightarrow \hspace{0.3 cm}\hspace{0.15cm}\underline{\it C=\rm 6\,V}.$$

(4)  Die dazugehörige Spektralfunktion lautet:

$$X(f)={C}/{2}\cdot{\rm e}^{-{\rm j}\varphi}\cdot\delta(f-f_0)+{C}/{2}\cdot{\rm e}^{{\rm j}\varphi}\cdot\delta(f+f_0).$$

Das Gewicht der Diraclinie bei $f = f_0$ (erster Term) ist   ${C}/2 \cdot {\rm e}^{–\text{j}\varphi} = 3 \,\text{V} \cdot \cos(60^\circ)- 3 \,\text{V} \cdot \sin(60^\circ)\hspace{0.05cm}\approx \underline{1.5 \,\text{V} - \text{j} \cdot 2.6 \,\text{V}}$.