17、频域分析:波特图与传递函数详解

波特图与传递函数详解

频域分析:波特图与传递函数详解

1. 生物系统中的低通滤波特性

许多生物动力学系统表现出低通滤波特性。以人体的肌肉骨骼系统为例,我们可以利用全身振动平台来直观感受这一特性。在许多高校的健身中心都能找到这种平台,它常被用于剧烈运动前的热身以及运动过度或受伤后的恢复。

平台振动的峰 - 峰振幅约为 3 - 5 毫米(在脚底测量),振动频率通常在 15 - 50 赫兹。当我们站在振动平台上时,如果双腿伸直会感觉很不舒服,但稍微弯曲膝盖就能大大减轻这种不适。通过注视视野内的某个物体,我们可以评估振动对身体的影响:当膝盖稍微弯曲时,物体的明显移动会大大减少,这意味着即使平台的振动幅度保持不变,身体上下振动的幅度也会减小。例如,使用高速运动捕捉相机测量食指的运动,当平台在 50 赫兹频率下以 3 毫米的峰 - 峰振幅振动时,食指的峰 - 峰振幅仅为 0.1 毫米,振动幅度降低了 10 倍。

这是因为在这种情况下,肌肉骨骼系统对于频率大于约 10 赫兹的振动起到了强大的低通滤波作用。而频率低于约 2 - 3 赫兹的振动不会被肌肉骨骼系统过滤掉,这一现象对汽车、吉普车、卡车和坦克等移动车辆的座椅设计产生了影响,因为低频振动对人体有害,可能导致晕车等问题。

为了定量描述生物系统的低通滤波特性,我们需要获取波特图。下面通过两个具体例子来进一步说明。

1.1 小龙虾光感受器

Lawrence Stark 是测量生物制剂传递函数的早期先驱。他选择研究小龙虾的第六腹神经节,该神经节包含 600 - 700 个神经元,其中的光感受器在小龙虾的避光反射中发挥作用。由于光感受器的输出在反复刺激下不会有显著变化,因此它是测量传递函数的理想系统。 </

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