有一些物理现象,如理学中的爆炸、冲击、碰撞,电学中的放电,闪电雷击等,它们都有共同的特点:
1)持续时间短
2)取值极大
可以用脉冲函数极限定义冲激信号,形式如下:
$$\delta(t) = \lim_{\tau \rightarrow 0}\frac{1}{\tau}\left [ u(t + \frac{\tau}{2}) - u(t - \frac{\tau}{2})\right ]$$
脉冲函数如下图所示
上图所示的矩形脉冲,宽度为 $\tau$,高度为 $\frac{1}{\tau}$,冲击函数是上述脉冲处于极限状态下的函数,即
$$\tau \rightarrow 0 \\
\frac{1}{\tau} \rightarrow \infty \\
p(t) \rightarrow \delta(t)$$
对 $\delta(t)$ 有
$$\delta(t) = \left\{\begin{matrix}
\infty, & t = 0\\
0, & t \neq 0
\end{matrix}\right.$$
可见 $\delta(t)$ 只在 $t = 0$ 时有冲击,在 $t = 0$ 以外的各处函数值均为 $0$。设这个矩形的面积为 $A$,当 $A = 1$ 时,称为单位冲击信号,即:
$$\int_{-\infty}^{+\infty}\delta(t)dt = 1$$
单位冲击信号的性质:
1)函数 $\delta(t)$ 是一个偶函数,即
$$\delta(t) = \delta(-t)$$
2)抽样性:利用 $\delta(t)$ 只在 $0$ 处有冲击得
$$\int_{-\infty}^{+\infty}f(t)\delta(t - t_{0})dt = f(t_{0}) \\
f(t)\delta(t - t_{0}) = f(t_{0})\delta(t - t_{0})$$
3)尺度变换:函数 $\delta(at)$ 相当于上面的矩形脉冲宽度发生了变化,而高度不变。观察下面两个图像:
从图像可以看出,两个矩形的高一样,但底部宽度不同,面积不同,在 $\tau$ 趋于 $0$ 的过程中,矩形的面积保持不变,即左图矩形面积恒为 $1$,
右图的面积恒为 $\frac{1}{|a|}$,也就是说,当两个矩形底部相同的时候,因为面积差 $\frac{1}{|a|}$ 倍,即矩形的高差 $\frac{1}{|a|}$ 倍,因为最终底部宽度都会趋于相等,
即都是 $0$,所以函数值(矩形的高)会差 $\frac{1}{|a|}$ 倍,即
$$\delta(at) = \frac{1}{|a|}\delta(t)$$
任何一个信号都可以分解为冲击信号之和,如下图
一条曲线可以由折线近似表示,用门信号来限定区间,函数值代表幅度,则有
$$f(t) \approx f(0) \big[ u(t) - u(t - \Delta t) \big] + f(\Delta t)\big[ u(t - \Delta t) - u(t - 2 \Delta t) \big] + \cdots f(k\Delta t)\big[ u(t - k\Delta t) - u(t - (k + 1)\Delta t) \big] + \cdots \\
= \sum_{k = 0}^{+\infty}f(k\Delta t)\big[ u(t - k\Delta t) - u(t - (k + 1)\Delta t) \big]$$
所以
$$f(t) = \lim_{\Delta t\rightarrow 0}\sum_{k = 0}^{+\infty}f(k\Delta t)\big[ u(t - k\Delta t) - u(t - (k + 1)\Delta t) \big]$$
上面的求和形式和定积分很像,现在做一个变换
$$f(t) = \lim_{\Delta t\rightarrow 0}\sum_{k = 0}^{+\infty}f(k\Delta t)\big[ u(t - k\Delta t) - u(t - (k + 1)\Delta t) \big] \\
= \lim_{\Delta t\rightarrow 0}\sum_{k = 0}^{+\infty}f(k\Delta t)\frac{u(t - k\Delta t) - u(t - (k + 1)\Delta t)}{\Delta t}\Delta t \\
= \int_{0}^{+\infty}f(\tau)\delta(t - \tau)d\tau$$
这是无穷区间求和。$k\Delta t$ 表示区间 $k\Delta t, (k+1)\Delta t$ 的左端点(区间内一点),$\Delta t$ 表示区间长度,那么取极限后就是定积分。
线性系统具备以下两个条件;
1)叠加性:指当几个输入信号共同作用于系统时,总的输出等于每个输入单独作用时产生的输出之和;
2)齐次性:是指当输入信号增大若干倍时,输出也相应增大同样的倍数。
一个冲击信号经过线性系统便得到冲击响应,如下图
根据线性系统的性质有
$$\delta_{1} (t) \rightarrow g_{1}(t) \\
\delta_{2} (t) \rightarrow g_{2}(t) \\
k\delta_{1} (t) \rightarrow kg_{1}(t) \\
s\delta_{2}(t) \rightarrow sg_{2}(t) \\
k\delta_{1}(t) + s\delta_{2}(t)\rightarrow kg_{1}(t) + sg_{2}(t)$$