К спектральному анализу человеческих сред

К спектральному анализу человеческих сред

1. Сигнал и шум

Тигр 🐅, существо крупное и опасное, воплощение угрозы, прячется в колышащихся травах саванны. Высокочастотная размерность и подвижность трав, дробность формы, габарита и колебания травинок размывает крупный, целостный образ тигра, отвлекает и рассеивает внимание.

Это частое явление: потеря сигнала в шуме. Сигнал может быть временной, а не пространственный. Тогда шум – это наведённые ритмы, например, известные всем физикам-экспериментаторам 50 герц, в которых пульсирует всё инфраструктурное мироздание, оплетённое розетками и воздушными линиями электропередач. Или – тепловые колебания, броуновское движение. Или – дребезг вторичных процессов, не связанных с исследованием.

При недостаточном внимании к различению высоких и низких частот образ становится мыльным, нечётким, его начало и конец не определимы, размыты, как непрогрузившаяся картинка. Просто отбросить высокие частоты, чтобы увидеть крупный объект, не получится. Физики борются с неинформативными шумами усиливая нужный сигнал – снимая резонансную картину.

2. Выделение собственных частот

Если на экспериментальный образец подать белый шум – все частоты одновременно – то он будет накачиваться только теми модами, которые соответствуют его собственным частотам. Если потом снять картину колебаний датчиком, то получится спектр собственных частот, видимый, различимый на фоне шума, выделяющийся из него.

Вместо постоянного, длительного белого шума – подходит и один единичный удар, с амплитудой по дельта-функции Дирака, с максимальной атакой. В этом импульсе есть все частоты, весь спектр; он сразу накачивает, возбуждает все осцилляторы. А дальше идут релаксационные колебания – осциллятор колеблется в собственных частотах, постепенно возвращаясь в равновесие со средой. Так можно узнать собственные частоты.

В институте неорганической химии СО РАН мы помещали образец внутрь огромного сверхпроводящего соленоида. Окружали его датчиком – одним витком проволоки, достаточно, чтобы снимать индукцию. А потом тот же датчик использовали, чтобы дать сигнал – резкий импульс магнитного поля, ортогонального направлению поля соленоида. Диполи молекул, вращающиеся вокруг магнитного поля соленоида, "ложились" на миг, а потом крутились и выстраивались обратно вдоль постоянного поля. По картине резонансного восстановления пространственной ориентации мы измеряли количества вещества в образце, и так измеряли скорость химической реакции, которую запускали фемтосекундным лазером.

Где вам ещё дадут такую штуку, чтобы просто удовлетворить своё любопытство? Физфак НГУ – чудесный опыт.