(题外话1)

作者在暑假期间自我学习,将每日的学习心得记录在记事本中,随着九月开学,开始分享这些学习经历。未来将继续分享每日学习点滴,邀请同样热爱学习的小伙伴们一起交流,共同进步。

对于没有坚持暑假的每天发分享,写者我是自己学习,把打卡分享当作乐趣,九月初是开学时期,写者把每天学习的内容都存在记事本中,抽空进行了发布,后期可能还会分享一些关于每日学习的经历,有喜欢交流的小伙伴可以留言,共同进步

一切可以从自由波动方程开始说起: (其中v为波速) 考虑最理想的情况:忽略重力,忽略厚度的均质二维方形平面,只有其中心处被固定 以该方形平面为xy平面,固定中心为原点,垂直平面方向为z轴,建立空间直角坐标系 从而自由波动方程化为: 设z具有分离变量的形式解: 代入波动方程化简后有: 对于等式左边,引入分离常数,设 ( ) 整理后即 ,类似于单摆的动力学方程 从而时谐项对应平面上各点的简谐振动: 其中A和B为与初始条件相关的常数 对于原波动方程等式右侧: 继续分离变量,引入分离常数: ( ) 类似地,有 ( ) 显然三个分离常数之间满足一个约束条件: 同理,X和Y也有与T形式相似的通解: 现在开始讨论边界条件: 首先注意到,Chladni图案讨论的始终是二维平面上的驻波 一方面,由于整个平面只有中心点处是被约束的,因而要形成波节,则一定要经过中心点 另一方面,参考甩动绳子时形成的一维驻波,绳子自由的那一端通常应该是波腹 因而这里假定二维方形平面自由振动的边缘同样也全部都是波腹 题外话1:我并不太确定这样的假设是否合理,实际上网上更多文献中假定平面边缘为波节,但大多数的Chladni图案的制造操作中,并没有任何固定平面边缘的迹象,因而我觉得波节假设不太合理 这样一来限定了平面上可能的振动模式,量化了振动模 对于简单的正弦/余弦波,振动模的一维示意图如下(设正方形平板的边长为L): 正弦模 余弦模 题外话2:其实一开始建系时取方形平面中心为原点,感觉上好像更对称,但实际上使表达式更复杂了,大部分文献中采取将方形平板的一个顶点置于原点,整体置于第一象限的做法 量化之后的X和Y的表达式为(其中n和m均取非负整数): 其实上式中的待定乘数因子alpha与beta,以及一开始求出的时谐函数T,在这个问题中我们是并不关心的,因为对于驻波,比如Chladni图案,需要关注的是波动函数中始终为0,不随时间演化而改变的波节,乘子和时间演化并不影响波节的位置,因此现在最重要的是研究: 这一类隐函数对应的图像 但上式对应的一类图像和实验中观察的Chladni图案相似度并不高,它们只是简单地分别沿x方向和y方向将平板用直线分为几个矩形部分,每个矩形部分单独振动而已: m和n同时取1~5时的波节图案 这是因为对于同一种振动模式(m,n),x轴和y轴实际上是等价的,也就是说(n,m)(m,n)对应了两个“简并”的振动模,类比于(其实离得有点远)量子力学中全同粒子构成的对称波函数和反对称波函数,这两种“简并”模(m,n)(n,m)也可以构成“对称”模(m,n)+(n,m)和“反对称”模(m,n)-(n,m),对应的波动函数即: 其中 而 若以m和n分别为横纵指标在网格中分别画出对应各种模式(m,n)的波节图 显然无论是对称模还是反对称模,其在对称指标(m,n)(n,m)下对应的图像都一样 另外注意到,当取n=m时,反对称模不存在 因此构造这样一个模的表格: 上三角部分(不包括主对角线)为反对称模 下三角部分(包括主对角线)为对称模 特别注意,由于原点固定为波节的边界条件限制,对称模中m和n均为偶数时,对应的振动模式不满足该边界条件,应除去(下图中均未除去) m和n分别取从0到20的整数,作图如下: 放大查看 网上经常能找到的正方形钢板上的Chladni图案记录[1]: 和之前大图中的局部对比: 再回过头来看题图: 在第一张大图中可以找到如下对应: 大图中3行5列,对应题图440Hz 大图中1113列,对应题图880Hz 大图中1119列,类似题图2400Hz 大图中15行19列,类似题图4000Hz 部分Mathematica代码如下(参考该网站[2]修改,取波速v和边长L均为单位1): \[Psi][x_, y_, p_, q_] := Cos[p \[Pi] (x - 1/2)] Cos[q \[Pi] (y - 1/2)]; With[{cols = RGBColor /@ {"#F66095", "#2BCDC1", "#393E46"}}, Table[ContourPlot[\[Psi][x, y, p, q] + Sign[p - q] \[Psi][x, y, q, p] == 0, {x, -0.5, 0.5}, {y, -0.5, 0.5}, Axes -> False, Frame -> False, ContourStyle -> Directive[CapForm["Round"], Thickness[.01], Blend[cols[[;; -2]]]], MaxRecursion -> 2, PlotRangePadding -> -0.01, ImageSize -> 54, Background -> cols[[-1]]], {p, 0, 10, 1}, {q, 0, 10, 1}]]这些是部分内容和代码,请你提取其中的信息并写出MATLAB代码
08-04
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