Колебания прямоугольной мембраны.

Рассмотрим мембрану, имеющую в состоянии покоя форму прямоугольника, ограниченного прямыми x=0, x=l, y=0, y=m.

Уравнение колебаний мембраны

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (107)

Начальные условия

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (108)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (109)

Граничные условия

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (110)

Будем решать задачу методом Фурье. Для этого будем искать решение в виде произведения трех функций, каждая из которых зависит только от одного аргумента:

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (111)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (1)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (2)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Из граничных условий следует, что

X(0)=0, X(l)=0, Y(0)=0, Y(m)=0 (112)

Подставляя (111) в (107), получим

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Разделим на XYT

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (3)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (4)

Анализируя последнее равенство, заключаем

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru , Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (113)

В результате, для функции X(x) получаем

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru , Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (114)

Для функции Y(y)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru , Y(0)=Y(m)=0 (115)

Из (1) и (2) à X(0)=0, X(l)=0

Из (3) и (4) à Y(0)=0, Y(m)=0

Для функции T(t)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (116)

Решение (114) имеет вид

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (117)

Решение 3.5 имеет вид

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (118)

Из краевого условия X(0)=X(l)=0 находим Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru = 0 и

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru , где k – целое число

Аналогично, из Y(0)=Y(m)=0 находим Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru = 0 и

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru , где n – целое число

В результате получаем собственные числа и собственные функции

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (119)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (120)

Уравнение для функции T(t) принимает вид:

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (121)

Решение этого уравнения, зависящее от двух параметров k и n, имеет вид:

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (122)

Здесь

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (123)

- собственные частоты колебаний мембраны

Таким образом, частное решение уравнения колебаний прямоугольной мембраны имеет вид

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (124)

Оно может быть приведено к виду

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (125)

Где Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru , Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Отсюда видно, что каждая точка мембраны с координатами (x,y) совершает простое гармоническое колебание с частотой Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru и амплитудой Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru . Все точки колеблются в одной фазе. Точки, координаты которых удовлетворяют уравнениям

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru , Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

будут колебаться с наибольшей амплитудой называются пучностями. Линии, точки которых не колеблются (амплитуда равна нулю), называются узловыми линиями.

Общее решение нашей задачи о колебаниях мембраны представляется как сумма частных

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (126)

Неизвестные коэффициенты a и b ищутся из начальных условий:

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (127)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (128)

Формулы (127) и (128) представляют собой разложение функции двух переменных в двойной ряд Фурье. Коэффициенты этого разложения находятся аналогично коэффициентам однократного ряда и имеют вид

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (129)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (130)

Колебания круглой мембраны.

Применим метод решения задачи о колебаниях прямоугольной мембраны к колебаниям круглой мембраны. Пусть мембрана в состоянии покоя занимает круг радиуса R с центром в начале координат. Введем полярные координаты r и φ:

x=rcos φ, y=rsin φ.

Выполняя замену переменных u(x,y,t) à u(r,φ,t) уравнение колебаний мембраны приводятся к виду

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (131)

Граничные условие будет иметь вид

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Начальные условия

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Будем рассматривать только осесимметричные колебания мембраны, т.е. начальные условия не должны зависеть от угла φ. Очевидно, что в любой момент времени скорости и отклонения точек будут зависеть от угла, поэтому наша задача упрощается:

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (132)

Граничные условия

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Начальные условия

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

 
  Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Будем искать решение в виде

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (133)

Из краевого условия сразу находим

U(R)=0

Подставляя (133) в уравнение, получаем

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru разделим на UT Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (134)

В результате приходим к уравнениям

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (135)

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (136)

В последнем сделаем замену Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru :

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Подставляя в наше уравнение, получаем

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (137)

Получившееся уравнение является частным случаем уравнения Бесселя:

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (138)

Решениями последнего уравнения при заданном k называется бесселевыми функциями порядка k (цилиндрическими функциями).

Найдем решение уравнения (138). Очевидно, что оно имеет особую точку при x=0, поэтому его решение будем искать в виде степенного ряда. Для этого преобразуем его к виду:

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (139)

Записываем ряд:

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (140)

Подставляя (140) в (139) и приравнивая коэффициенты при каждой степени x нулю, получим систему уравнений

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (141)

Где l=2,3…

Предполагая, что Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru , находим

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Из второго уравнения (141) находим, что Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru =0. преобразуем l-е уравнение в системе (141).

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (142)

Отсюда получаем рекуррентную формулу:

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (143)

С учетом найденного Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru =0 делаем вывод, что все нечетные коэффициенты равны нулю. Очевидно, что при Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru решение обращается в бесконечность при x=0. будем рассматривать случай Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru . В результате, для четных коэффициентов получаем

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (144)

Применяя эту формулу m-1 раз, получим

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (145)

Полагая,

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Получаем

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (146)

В результате, полученное решение Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru называется функцией Бесселя первого рода k-ого порядка и имеет вид:

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru

Колебания прямоугольной мембраны. - student2.ru (147)


Наши рекомендации