ГЛАВА II. АНАЛИЗ

§ 14. Постановка вопроса

Приступая к изложению вопросов анализа, постараемся прежде всего определить предмет исследования. Мы будем понимать под анализом получение спектра. Однако необходимо сразу же подчеркнуть, что речь пойдет не об анализе функций, а об анализе физических процессов. Остановимся на этом подробнее.

Если задача состоит в анализе функции, т. е. в нахождении спектра функции, то задача эта будет решаться по-разному, в зависимости от того, как нам задана функция. Она может быть задана трояким способом: либо своим аналитическим выражением, либо графиком, либо таблицей.

В первом случае спектр вычисляется аналитически; в двух других случаях применяются либо графо - аналитические численные методы вычисления спектра, либо специальные приборы — анализаторы — механические, оптико - механические или оптико - электрические. Все эти методы хорошо разработаны и детально описаны; читатель найдет достаточное количество сведений по этим вопросам в энциклопедического характера книге Серебренникова [25].

Вся эта область нас совершенно не будет интересовать. Мы будем заниматься вопросами физического анализа. Этот вид анализа характеризуется тем, что спектр некоторого процесса получается во время течения процесса в результате его воздействия на определенный физический прибор, называемый анализатором. Таким образом, проблема анализа ставится как чисто физическая проблема, и, как мы увидим, ее разрешение связано с целым рядом чисто физических особенностей.

Как уже говорилось в § 3, может потребоваться анализ самых различных физических явлений; нас могут интересовать спектры механических величин — сил, скоростей, ускорений, смещений, моментов и т. д.; электрических величин — токов, напряжений, зарядов, индукций, и т. д.; тепловых; акустических и многих других величин. Было бы крайне неудобно строить анализаторы для каждого рода анализируемой величины. В этом в наше время нет и необходимости. Дело в том, что современная тенденция в области техники измерений состоит в том, что все виды измерений сводятся по возможности к электрическим измерениям. Эта тенденция оправдана, во-первых, наличием громадного ассортимента первоклассных по точности и чрезвычайно чувствительных электроизмерительных приборов, а во-вторых, специфической гибкостью электрических измерений. Не вдаваясь в технические подробности, отметим лишь возможность отнесения измерительного прибора на любое расстояние от объекта измерения, а также то, что электрические измерения позволяют выполнять измерения быстро изменяющихся величин. Для этого служат осциллографы, в общем случае электромеханические, а для особо быстрых процессов — электронные.

Необычайно распространенные в современной технике электрические методы измерения неэлектрических величин основаны на применении приборов, преобразующих измеряемую величину в ту или иную электрическую величину. Эти приборы называются обычно датчиками. Всякое устройство для электрического измерения неэлектрической величины состоит в основном из двух элементов: датчика и подходящего электроизмерительного прибора. Так, например, измерение высоких температур производится электрическим пирометром, состоящим из термопары и милливольтметра; измерение звукового давления — комбинацией высококачественного микрофона и лампового вольтметра с соответствующим усилением. В этих двух примерах термопара и микрофон являются преобразователями и выполняют функции датчиков.

Существует громадное количество самых разнообразных датчиков, позволяющих преобразовать какую угодно подлежащую измерению величину в электрический ток или напряжение с выполнением наиболее высоких метрологических требований.

При таком положении вещей очевидно, что и анализ любого физического процесса, состоящего в изменении во времени той или иной физической величины, может быть сведен к анализу электрического процесса, т. е. соответствующим образом изменяющегося тока или напряжения. Поэтому все современные технические анализаторы — это электрические приборы.

Мы определили анализ как операцию нахождения спектра. Спектр представляется совокупностью амплитуд составляющих различной частоты. Следовательно, анализатор есть прибор, позволяющий измерить амплитуду и частоту каждого из синусоидальных колебаний, входящего в состав сложного анализируемого колебания.

Всякий анализатор есть измерительный прибор. Поэтому мы должны уделить достаточное внимание метрологическим характеристикам анализатора и в первую очередь — его точности. Как мы увидим, погрешности анализатора обусловлены в значительной мере очень специальными обстоятельствами, лежащими в природе процесса анализа. В дальнейшем эти обстоятельства обсуждены со всей необходимой подробностью.