在通過分離變量法求出的自由振動的一般解中,對應于某個本征值的特解是兩端固定的弦激發的一種可能的駐波,一般解是所有可能的駐波的線性疊加。
利用分離變量法,已經求出了一根兩端固定的弦的自由振動偏微分方程的一般解:為了在后面的討論中方便書寫,引入以下兩個符號來代表解式中那兩個復雜的常數組合:再引入兩個新的常數,對疊加系數做如下變換:兩個新引入的常數與原來的疊加系數有如下關系:對解式中的常數做了上述處理后,一般解就可以寫成一個簡潔的形式:這個表述形式明確地給出了特解的物理意義。
從上述一般解的簡潔形式可以得知,對應于某個本征值的特解正是兩端固定的弦激發的一種可能的駐波。在這個駐波的表達式中,與時間演化有關的三角函數描寫了弦上各點在任意時刻的振動狀態,而與空間位置有關的三角函數則給出了弦上各點的振幅分布。于是,問題的一般解就是所有這些可能的駐波的線性疊加。由于這個原因,分離變量法也被稱為駐波法。
先討論弦上各點的振幅分布,它由函數 描寫。初始擾動強度決定了 的大小,從而決定了弦上各點處的振幅。在滿足條件的各點處,振幅恒等于零。波的這個狀態被稱為波節,弦上的這些點因而被稱為波節點。包括兩個固定點在內,整根弦共有 個波節點;在滿足條件的各點處,振幅恒等于最大值 。波的這個狀態被稱為波峰,弦上的這些點因而被稱為波峰點,整根弦共有 個波峰點。
接下來討論這個駐波的時間演化部分,這是一個簡諧振動型的時間函數,它顯示,弦上每一點都在做簡諧振動。振動的圓頻率 就是這個駐波的圓頻率,它只取決于弦自身的性質,與弦的初始狀態無關,因而被稱為固有頻率,也被稱為本征頻率; 是振動的初相位,由初始條件決定。
在兩端固定的弦激發的所有可能的駐波中, 的那個駐波有最小的固有頻率和最長的波長,由于這個原因,把這個駐波稱為基波,相應的頻率被稱為基頻。頻率比基頻高的那些駐波被稱為諧波,相應的頻率被稱為諧頻,由于諧頻是基頻的整數倍,因此也被稱為倍頻。由駐波的最大振幅 的表達式不難看出,基波的最大振幅 比所有諧波的最大振幅都要大。
將一根由特定材料制成的弦的兩端固定并調節它的張緊程度,當這根弦發生橫向振動時,它就激發出一個特定頻率的基波和一系列對應的諧波。適當地調節弦的張緊程度,使其激發的基波的頻率恰好處于人耳能夠響應的頻率范圍,我們就能聽到它發出的聲音。由于 是所有 中最大者,因此,基頻就決定了弦所發出的聲音的聲調;由于諧波的最大振幅較小,由諧頻所發出的聲音被疊加在基頻所發出的聲音上,形成無數微小的擾動,它們的最大振幅與 的關系決定了弦所發出的聲音的頻譜分布,音樂術語稱之為音色;初始擾動的強度決定了向弦輸入的能量有多少,從而決定了 的大小,即決定了弦所發出的聲音的強度。
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