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在电子计算机之前的Fourier分析

如果我们要对一个周期信号进行Fourier级数分析,那么我们是假定该信号可以表示成

    \[f\left(x\right)=\sum_{n=-\infty}^\infty c_n e^{\mathrm{i}2\pi n x/P}\]


其中

    \[c_n=\frac{1}{P}\int_0^P f\left(x\right)e^{-\mathrm{i} 2\pi n x/P}\mathrm{d}x\]

在今天,我们的实验信号基本都已经数字化,在电子计算机中一秒钟不到就做完了一个快速Fourier变换计算。但是在上世纪50~60年代,电子计算机还没发明之前,实验结果本身就可能是通过X-Y记录仪或双笔记录仪画在坐标纸上的。当时的人是怎样对这么一段墨迹进行Fourier级数分析的呢?我们可以看到,Fourier级数的各个系数c_n是一个积分。在那个年代,积分可以使用欧拉法数值求解。在此之前,需要将被积函数进行人工采样(sampling)离散化。因此这是一个很繁琐的任务。

小野木重治(Shigeharu Onogi)可能是日本最早对非线性粘弹性流体的正弦振荡测试结果作谐波分析的研究者。他当时估计就是这么做的[1][2]

在美国,W. Philippoff很早就开发宽频范围的动态测试仪器。他在1966年发表的文章[3]中,用一个特别构建的可调节模拟计算器,去同时生成一个基频和3倍频的正弦信号,然后作加和。他通过调节这个模拟计算器,凑出与实验结果形状相似的Lissajous曲线,从而得知该曲线的3倍频谐波幅值和相位。

1960年代,恰好是模拟技术的颠峰时期。模拟计算电路能能做很多事情。由流变仪得出的波形信号,可通过相关器与给定的波形比较,输出的结果是与给定波形的内积。这样就可以通过设定参考波形信号,从原始信号中提取相应的分量,从而实现谐波分析。例如,Queen’s Collage机械工程系的Harris和Bogie[4][5]

1967年,Brenner的林肯实验室报告给出了Cooley和Tukey的快速Fourier变换的Fortran程序。凯斯西储大学化学系的Dodge和Krieger在1971年就用上这个方法来进行谐波分析了[6],正式进入了数字时代。

References

  1. S. Onogi, T. Masuda, and T. Matsumoto, "Non-Linear Behavior of Viscoelastic Materials. I. Disperse Systems of Polystyrene Solution and Carbon Black", Transactions of the Society of Rheology, vol. 14, pp. 275-294, 1970. http://dx.doi.org/10.1122/1.549190
  2. T. Matsumoto, Y. Segawa, Y. Warashina, and S. Onogi, "Nonlinear Behavior of Viscoelastic Materials. II. The Method of Analysis and Temperature Dependence of Nonlinear Viscoelastic Functions", Transactions of the Society of Rheology, vol. 17, pp. 47-62, 1973. http://dx.doi.org/10.1122/1.549319
  3. W. Philippoff, "Vibrational Measurements with Large Amplitudes", Transactions of the Society of Rheology, vol. 10, pp. 317-334, 1966. http://dx.doi.org/10.1122/1.549049
  4. J. Harris, and K. Bogie, "The experimental analysis of non-linear waves in mechanical systems", Rheologica Acta, vol. 6, pp. 3-5, 1967. http://dx.doi.org/10.1007/BF01968375
  5. O.E. Ibrahim, "A low-frequency high-speed correlator", Rheologica Acta, vol. 8, pp. 214-220, 1969. http://dx.doi.org/10.1007/BF01984661
  6. J.S. Dodge, and I.M. Krieger, "Oscillatory Shear of Nonlinear Fluids I. Preliminary Investigation", Transactions of the Society of Rheology, vol. 15, pp. 589-601, 1971. http://dx.doi.org/10.1122/1.549236

再谈流变学的振荡剪切测试方法

我在2009年,还是博士生的时候,在这里发表过关于Wladimir Philippoff的文章,标题是一个问答:《谁最先对材料施加正弦形变?W. Philippoff。》当时我很有自信,这个答案是对的。

流变学的先驱之一R. Bird和大幅振荡剪切的主要推广者A. Giacomin在2012年发表过一个有关类似问题的文章:谁先构思“复数粘度”的 。答案是另一位学者Andrew Gemant

我前几年曾认真回顾过粘弹性研究的历史。可以说,人们对材料的粘弹性的认识,在最初的时候(Weber 1951)比现在理解得深。因为当时关于万物的一般理论——热力学的认识还处于进行时。所以对材料的粘弹性现象的认识充满了最原始的热力学和测量学思考。今天反倒大部分“流变学学徒”们未必意识到,作为材料的力学响应的粘弹性,在热力学和测量学层面上的具有普遍意义。

尽管相关的理论基础(比如涨落-耗散定理、Green–Kubo关系)到20世纪才完善,但从体系的热力学平衡态性质的测量问题的高度来考虑粘弹性是一开始就具有的。事实上,只要对材料的测量时长短于它回到平衡态所需要的特征时间,那不管什么宏观性质,都会显示相同的松弛谱(当然,要保证线性响应的前提条件)。你既可以选择力学响应、介电响应来测这个谱(测响应函数),也可以选择密度涨落(所造成的散射光强涨落)来测这个谱(测相关函数)。不同测试手段的重要区别仅在它们所对应时间尺度区间。

粘弹性和电学的研究,从一开始就是绑定的。早年测万有引力的常数的主要仪器——扭摆(秤)需要使用一根很细的刚性丝线。静电现象让人联想到类似万有引力那样的超距作用力。库仑用相同的仪器来研究静电力,也得出了形式类似的、以他的名字命名的定律。库仑在原文还首先通过实验确定了固体扭转形变下扭矩与偏转角之间的关系也是近似线性的,并直接使用了这种线性关系来构建扭摆仪器的测量理论。这个灵感当然来自虎克更早发表的工作。库仑的研究就已经看到了粘弹性现象——或者等价地说是热力学平衡态的测量学问题:引入了电荷之后,扭摆先会发生振荡,振幅随时间衰减,最后再近似达到静力学平衡。库仑通过牛顿力学的运动方程推导了这种振荡的频率与丝线半径的关系。关于库仑的研究,我在2012年也写过一篇文章。虽然万有引力的提出比静电现象的研究早,但用扭摆测量万有引力系数的卡文迪许却迟于库仑用于测量和研究静电力。卡文迪许测量万有引力的论文,明确提到了库仑的关于频率与丝线半径关系的研究结果。

我想,类似的现象,虎克也应该已发现。当你把一个重物突然挂在一个弹簧上之后,弹簧必定先振荡,然后幅度逐渐减小,要等一段不短的时间,才达到一个静止的、伸长了的状态。虎克定律描述的,是后面这个静止状态的长度跟重物质量的关系。虎克作为专门研究这个关系的现代意义上的科学家,必意识到并正确地忽略这个现象(比如等足够长的时间再记录测量结果,或比如采取其他手段避免这种振荡)。

扭摆或扭秤所提倡采用的丝线材料是刚性材料,以便材料在应用的条件下满足简单的虎克(对于扭转形变更应该归功于库仑)线性关系。但材料越是接近刚性,上述的这种振荡衰减的时间会越长。因此历史上的扭摆(秤)使用者(多数是电磁学现象研究者),对于这种振荡现象应该不仅仅是熟悉,而且是深有体会。事实上,大部分测量是扭摆法,即不等到扭锤完全静止,而是利用振荡现象本身,观测出振荡波形之后,找出其“直流分量”,既作为静止位置(这默认了振荡总是衰减到其直流分量,但满足这一条是需要一定的前提条件的)。

自Weber改用蚕丝作为扭摆丝线后,看到无法忽略的力学松弛现象,并首次非常正面地研究这个力学松弛之后,粘弹性成为了一个延续到今天的独立课题。Weber的初衷是,为了制作更灵敏的扭摆,需要使用更软的材料作丝线,使得很小的力就能制造很大的偏转,而无需把仪器的体积变得十分巨大。但是这个课题恰好赶上了热力学和统计力学理论的形成时代。克劳修斯、焦尔、开尔文、玻尔兹曼、麦克斯韦……等热力学和统计力学先驱们,全都做过粘弹性问题,把这个问题当作理解统治万物的热力学定律及其与原子论、牛顿力学的调和任务的核心问题之一。这也是为什么我们在流变学或者高分子物理的相关章节会看到部分上述的名字。事实上,Weber本人,以及在Weber之后继续深入研究了扭摆丝线粘弹性的Friedrich Kolrausch,都有十分强的电磁学动机。

所以,力学上的松弛现象跟电学上的松弛,在历史上一开始就是缠绕在一块儿被研究的。因此不难理解,当电报、电话的发明和应用,以及后来的电路和电器的应用(RC电路)形成了对振荡、损耗等问题的理解和复数描述惯例之后,把它们延用到力学的等价现象上,简直是同时代的任何一个研究者都可能相到的。这里的振荡是受迫振荡,与之前提到的扭摆的自由振荡是不同的实验。

1933年W. Philippoff的博士学位论文,已经十分严肃地提出对流体进行振荡形变的一整套方法,特别是他搭建了电器化的仪器(测量的原始信号是电信号)——而非扭摆(秤)这种19世纪以前的纯力学仪器(测量的原始信号是位移)——来实现这种测量。A. Gemant研究兴趣就是粘弹性。他能提出“复数粘度”这种概念,W. Philippoff——以及同时代的其他工程师们——未必就提不出。再加上A. Gemant提出复数粘度的论文是1935年,而W. Philippoff想到用振荡形变去测量流体是在1933年以前。因此公平起见,更应该这么说:W. Philippoff、A. Gemant是最早(1930年代)主粘弹性现象的振荡测试及复数描述的两位科学家。谁先杜撰“复数粘度”这个词,显得比较次要。

所以,我仍然可以说,我在2009年的文章标题,不仅仍然成立,而且是比A. Giacomin在2012年文章的标题更值得关心的一个问题。

FrieslandCampina研究论文引用了我

我总结某本科生实验凑出来的一篇论文,被FrieslandCampina的一篇论文引用了,co-author还有G. McKinley。

我写论文的时候,引用他人工作总是为了如何一句话总结纠结很久。于是,看别人怎么一句话总结自己都觉得是拼凑的工作是很有趣的。

FrieslandCampina是个荷兰乳业公司我之前都没听说过,查了一下国内叫“荷兰皇家菲仕兰”。