Введение

Мера изменения периодической величины, амплитуда в классической физике.

Амплитуда периодической величины – это мера ее изменения в течение одного периода (например, временного или пространственного). Амплитуда непериодического сигнала – это его величина по отношению к опорному значению. Существуют различные определения амплитуды (см. ниже), все они являются функциями величины разности между крайними значениями величины. В более ранних текстах фаза периодической функции иногда ошибочно называлась амплитудой.

Пиковая амплитуда и полуамплитуда

Для симметричных периодических волн, таких как синусоидальные, прямоугольные или треугольные волны, максимальная амплитуда и полуамплитуда равны.

Пиковая амплитуда

В измерениях аудиосистем, телекоммуникациях и других областях, где измеряемым параметром является сигнал, отклоняющийся вверх и вниз от опорного значения, но не имеющий синусоидальной формы, часто используется пиковая амплитуда. Если опорное значение равно нулю, то пиковая амплитуда – это максимальное абсолютное значение сигнала; если опорное значение является средним (постоянной составляющей), то пиковая амплитуда – это максимальное абсолютное значение отклонения от этого опорного значения.

Полуамплитуда

Полуамплитуда – это половина размаха колебаний, измеренного от пика до пика. В большинстве научной литературы термин "амплитуда" или "пиковая амплитуда" используется для обозначения полуамплитуды. Это наиболее распространенная мера орбитальной неустойчивости в астрономии, а измерение малых полуамплитуд радиальных скоростей ближайших звезд играет важную роль в поиске экзопланет (см. допплеровская спектроскопия).

Неоднозначность

В целом, использование пиковой амплитуды просто и однозначно только для симметричных периодических волн, таких как синусоидальная, прямоугольная или треугольная волна. Для асимметричной волны (например, периодических импульсов в одном направлении) пиковая амплитуда становится неоднозначной. Это происходит потому, что значение будет разным в зависимости от того, измеряется ли максимальный положительный сигнал относительно среднего уровня, максимальный отрицательный сигнал относительно среднего уровня, или максимальный положительный сигнал относительно максимального отрицательного сигнала (амплитуда от пика до пика), а затем делится на два (полуамплитуда). В электротехнике обычно для разрешения этой неоднозначности измеряют амплитуду относительно заданного опорного потенциала (например, земли или 0 В). Строго говоря, это уже не является амплитудой, поскольку в измерение может быть включена постоянная составляющая (компонента постоянного тока).

Амплитуда пик-пик

Пиковая амплитуда от пика до пика (сокращенно p–p или PtP или PtoP) – это разность между максимальным и минимальным значениями амплитуды (минимальное значение может быть отрицательным). При наличии соответствующей аппаратуры, пиковую амплитуду электрических колебаний можно измерить с помощью измерительных приборов или, просматривая форму сигнала на осциллографе. Измерение пиковой амплитуды от пика до пика на осциллографе является простым: пики сигнала легко идентифицируются и измеряются относительно шкалы. Это остается распространенным способом указания амплитуды, однако в некоторых случаях более уместно использовать другие методы измерения амплитуды.

Амплитуда импульса

В телекоммуникациях амплитуда импульса – это величина параметра импульса, например, уровня напряжения, уровня тока, напряженности поля или уровня мощности. Амплитуда импульса измеряется относительно заданного опорного значения и, следовательно, должна уточняться определениями, такими как средняя, мгновенная, пиковая или среднеквадратичная. Амплитуда импульса также применима к амплитуде огибающих частотно- и фазомодулированных сигналов.

Единицы

Единицы амплитуды зависят от типа волны, но всегда выражаются в тех же единицах, что и колеблющаяся величина. Более общее представление волнового уравнения сложнее, но роль амплитуды в нем остается аналогичной рассмотренному простому случаю. Для волн на струне или в среде, такой как вода, амплитуда представляет собой смещение. Амплитуда звуковых волн и аудиосигналов (которая связана с громкостью) обычно относится к амплитуде изменения давления воздуха в волне, но иногда описывается амплитуда смещения (движения воздуха или мембраны динамика). Логарифм квадрата амплитуды обычно выражается в децибелах (дБ), поэтому нулевая амплитуда соответствует −∞ дБ. Громкость связана с амплитудой и интенсивностью и является одним из наиболее заметных свойств звука, хотя в общем случае громкость может быть распознана независимо от амплитуды. Квадрат амплитуды пропорционален интенсивности волны. Для электромагнитного излучения амплитуда фотона соответствует изменениям напряженности электрического поля волны. Однако радиосигналы могут передаваться электромагнитным излучением, при этом модулируется либо интенсивность излучения (амплитудная модуляция), либо частота излучения (частотная модуляция), а затем отдельные колебания изменяются (модулируются) для формирования сигнала.

Амплитудные конверты

Амплитудная огибающая описывает изменение амплитуды звука во времени и является важным свойством, влияющим на восприятие тембра. Постоянный тон имеет стабильную амплитуду, не меняющуюся во времени, которая представляется скаляром. Другие звуки могут иметь ударные амплитудные огибающие, характеризующиеся резким началом и последующим быстрым экспоненциальным спадом. Ударные амплитудные огибающие типичны для различных звуков удара: звон бокалов, удар по барабану, хлопанье дверью и т.д., где амплитуда является переходной и должна быть представлена либо непрерывной функцией, либо дискретным вектором. Ударные амплитудные огибающие моделируют многие распространенные звуки, имеющие переходный характер громкости с фазами нарастания, спада, поддержания и затухания.

Нормализация амплитуды

При волновых формах, содержащих множество обертонов, можно добиться сложных переходных тембров, назначая каждому обертону свою собственную уникальную огибающую амплитуды для переходного процесса. К сожалению, это также приводит к модуляции громкости звука. Гораздо логичнее разделить контроль громкости и гармонического состава, чтобы эти параметры можно было регулировать независимо друг от друга. Для этого амплитуды обертонов нормализуются по кадрам, превращаясь в огибающие пропорциональных амплитуд, где в каждом временном кадре сумма всех амплитуд обертонов составляет 100% (или 1). Таким образом, основная огибающая, управляющая громкостью, может быть контролируема независимо. В задачах распознавания звуков нормализация по максимальной амплитуде может использоваться для выравнивания ключевых гармонических характеристик двух схожих звуков, позволяя распознавать похожие тембры независимо от громкости.