Co to jest fala prostokątna?

Fala kwadratowa jest rodzajem fali, w której sygnał ma tylko dwa poziomy. Sygnał przełącza się między tymi poziomami w regularnych odstępach czasu, a przełącznik jest natychmiastowy. Te cechy oznaczają, że wykres fali w czasie wytworzy kształty o kwadratowych narożnikach. Fala kwadratowa ma praktyczne zastosowanie w obwodach cyfrowych i muzyce.

Większość przebiegów przebiega według wyraźnego wzorca zwanego sinus. Takie przebiegi przełączają się stopniowo między dwoma poziomami, tak że wykres fali w czasie jest serią krzywych. Fale morskie, fale świetlne i fale morskie przebiegają zgodnie z wzorem sinusoidalnym, podobnie jak poziom napięcia w układzie prądu przemiennego.

Wszystkie pozostałe przebiegi są klasyfikowane jako przebiegi niesinusoidalne. Najbardziej znane z nich, w tym fale prostokątne, trójkątne i piły piłokształtne, również zawierają sygnał, który oscyluje między dwoma poziomami. Jednak każdy z nich zachowuje się w inny sposób, charakteryzujący się tym, czy przełącznik w jednym, czy w obu kierunkach jest natychmiastowy, czy stopniowy, jak długo trwa przełączenie i jak długo upływa między przełącznikami. Nazwy pochodzą od sposobu, w jaki wykres fali w czasie tworzy odpowiedni kształt. Natychmiastowe zmiany fali prostokątnej w obu kierunkach oznaczają, że wykres ma kształt wieży zamku.

Fala kwadratowa jest dość łatwa do wygenerowania w sposób sztuczny. Dzięki temu jest szczególnie odpowiedni do zapewnienia prawidłowej synchronizacji różnych części obwodu. Regularny wzór fali prostokątnej działa jak urządzenie rozrządu. Fala kwadratowa może być również wykorzystana do syntezy dźwięków w muzyce. Fala dźwiękowa, która podąża za wzorem fali prostokątnej, brzmi podobnie do instrumentów dętych, takich jak rogi, puzony i saksofony.

W rzeczywistości niemożliwe jest wygenerowanie idealnej fali prostokątnej. Jest tak, ponieważ będą pewne fizyczne ograniczenia dotyczące urządzenia używanego do jego generowania. Na przykład okablowanie stosowane w obwodach elektrycznych urządzenia będzie miało pewien opór, który opóźnia zmianę poziomów napięcia.

Fala kwadratowa jest czasem znana również jako funkcja Rademacher. Ta nazwa pochodzi od Hansa Adolpha Rademachera, niemieckiego matematyka, który wyemigrował do Stanów Zjednoczonych. Oprócz własnej pracy w nauce matematyki, uczył wielu studentów, którzy również stali się wiodącymi naukowcami i badaczami w tej dziedzinie.