傅里叶变换的可视化教学(增强版)

“傅里叶变换这么美,一定是有人设计出来的。” —— 杨振宁

傅里叶变换是一种把"时域"的信号变成"频域"的方法。简单来说,它能告诉我们一个复杂的波形中包含了哪些正弦波成分。

傅里叶变换的数学表达式为:

\[F(\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} f(t) \cdot e^{-i\omega t} \, dt\]

其中,\(f(t)\) 是时域信号,\(F(\omega)\) 是频域信号,\(e^{-i\omega t}\) 是欧拉公式 \(e^{-i\omega t} = \cos(\omega t) - i\sin(\omega t)\) 的复指数形式。 这个公式告诉我们,任何信号都可以表示为不同频率的正弦波的叠加,这正是我们在下面的动画中所展示的。

右边的图展示了一个单一频率的正弦波,您可以拖动滑块改变它的频率。

傅里叶变换是一种把“时域”的信号变成“频域”的方法。简单来说,它能告诉我们一个复杂的波形中包含了哪些正弦波成分。

右边的图展示了一个单一频率的正弦波,您可以拖动滑块改变它的频率。

频率调整(Hz): 2Hz
显示单频波形:展示单一频率的正弦波,这是傅里叶分析的基本单元
显示组合波形:展示2Hz、5Hz和7Hz三个频率的正弦波叠加后的复杂波形
显示频谱图:展示组合波中各个频率分量的振幅,这就是傅里叶变换的结果
傅里叶变换动画:动态展示从时域(组合波)到频域(频谱)的转换过程
时间 (秒)
振幅
时间 (秒)
振幅
频率 (Hz)
振幅
时间/频率
振幅

音乐分析

实时波形

时间 (秒)
振幅

频谱分析

频率 (Hz)
振幅 (dB)

音频分析说明

实时波形图:显示音频信号随时间变化的波形。X轴表示时间(秒),Y轴表示振幅(音量大小)。波形越高表示声音越大,波形变化越快表示频率越高。

频谱分析图:显示音频信号中各个频率成分的强度。X轴表示频率(Hz),Y轴表示振幅(分贝)。低频在左侧,高频在右侧,柱状图的高度表示该频率成分的强度。

这两个图表直观地展示了傅里叶变换的实际应用:将时域信号(波形图)转换为频域信号(频谱图)。通过这种方式,我们可以分析音乐中的低音、中音和高音成分,以及它们随时间的变化。