吴有训教授课堂模拟:《频域分析——换个角度看世界》
(课堂上,吴有训先生没有带复杂仪器,只端来一个装满彩色玻璃弹珠的木盒,盒盖上画着一条弯弯曲曲的波浪线)
“先问大家一个问题:这条线(指着盒盖的波浪),你们第一眼看到什么?”
(有学生答:“高低起伏,像山路。”“像心电图。”)
“没错,这是从‘时间’的角度看——每个时刻它在哪里,高了还是低了。就像你们看河水流动,盯着水面上的一片叶子,看它一分钟漂多远、什么时候打转,这叫‘时域观察’。”(他打开木盒,倒出一堆弹珠,红、黄、蓝、绿,大小不一)“但如果换个角度呢?比如这堆弹珠,你们会怎么分?”
(学生七嘴八舌:“按颜色分!”“按大小分!”)
“正是。”(他把红色弹珠归成一堆,黄色归成另一堆)“频域分析做的就是这个事——不看‘时间里的变化’,只看‘里面有哪些基本成分’。刚才讲的傅里叶级数,其实就是把时域里的波浪,拆成了频域里的‘彩色弹珠’。”
他走到黑板前,画了两个坐标系:左边横轴写“时间”,纵轴画了条复杂的波浪;右边横轴写“频率”,纵轴画了几个高低不同的竖线。
“左边是时域图,比如你们说话的声音,一秒钟内波形晃了多少次,晃得多高,都在这儿记着。但它太乱了,就像一锅混在一起的颜料,红的黄的蓝的搅成一团,看不清原来有什么。”(他敲敲右边的图)“右边是频域图,每个竖线代表一种‘颜色’——比如这条最高的线,对应100赫兹,说明声音里这个频率的振动最强;这条矮点的,对应500赫兹,说明它占的比例小。就像把混在一起的颜料分开,红是红,黄是黄,一目了然。”
(他突然从口袋里掏出一个老式机械闹钟,放在讲台上,滴答声清晰可闻)“你们听这滴答声,时域里就是‘滴答、滴答’的脉冲,但频域里呢?它不仅有1赫兹的基本频率(每秒一次),还有2赫兹、3赫兹的‘谐波’——就像你们唱歌,除了主音,还有泛音,合在一起才好听。如果把频域里的2赫兹成分去掉,这闹钟的声音就会变闷,像被捂住了嘴。”
(他话锋一转,指向窗外的电线杆)“为什么高压电线会嗡嗡响?因为它的电流频率是50赫兹,频域里只有这一个‘峰值’;但如果电线松动了,晃起来会产生10赫兹的振动,频域里就多了个新峰值——电工师傅一听声音不对,看一眼频域图,就知道哪里松了,不用爬上电线杆一根一根摸。”
“再比如医生看心电图,时域里是弯弯曲曲的线,要是有个地方突然变陡,可能是心率失常。但用频域分析一看,正常的心跳频域图是几个固定的峰值,一旦多出不该有的峰值,哪怕时域里变化很小,也能发现问题——这就像八宝粥里混进了一颗石子,时域里看就是一碗粥,但频域里能立刻找到这颗‘不和谐’的石子。”
(最后,他合上木盒)“课本里会说‘频域分析是通过傅里叶变换将时域信号转换到频率域’,但你们先别记这个。课后去做两件事:一是听一段钢琴和小提琴合奏的曲子,试试能不能听出两种乐器的‘频率味道’有什么不同;二是翻《信号与系统》的第一章,看看图1-3里的矩形脉冲,它的频域图为什么像个‘小山包’。”
(他拿起闹钟,滴答声再次响起)“记住,频域不是数学家凭空造出来的‘镜子’,它是因为人们在时域里看不清楚,才造出来的另一双眼睛。这双眼睛能帮我们找到藏在混乱背后的规律——就像这滴答声,时域里是时间的脚步,频域里是频率的交响。下节课,我们用这双眼睛,看看阳光里藏着多少种颜色。”