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波動方程
鎖定
- 中文名
- 波動方程
- 外文名
- Wave equation
- 所屬學科
- 物理
- 應用學科
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聲學
電磁學
流體力學
電信
波動方程方程介紹
波動方程方程形式
對於一個標量(quantity)
的波動方程的一般形式是:
這裏a通常是一個固定常數,也就是波的傳播速率(對於空氣中的聲波大約是330米/秒, 參看音速)。對於弦的振動,這可以有很大的變化範圍:在螺旋彈簧上(slinky),它可以慢到1米/秒。但若a作為波長的函數改變,它應該用相速度代替:
u = u(x,t), 是振幅,在特定位置x和特定時間t的波強度的一個測量。對於空氣中的聲波就是局部氣壓,對於振動弦就是從靜止位置的位移。
是相對於位置變量x的拉普拉斯算子。注意u可能是一個標量或向量。
如,一維波動方程:
波動方程方程的解
對於一維標量波動方程的一般解是由達朗貝爾給出的:
, 其中
和
為任意兩個可微分的單變量函數,分別對應於右傳播波,和左傳播波。
的取法與
無必然關係。
這樣達朗貝爾公式變成了:
在經典的意義下,如果
並且
,則
.
一維情況的波動方程可以用如下方法推導:想象一個質量為m的小質點的隊列,互相用長度h的彈簧連接。彈簧的硬度為k :
其中u(x)的時間依賴性變成顯式的了。
波動方程要點分析
稱為波動方程或達朗貝爾方程。
標量波動方程 應用直角座標系
可以把③寫成
即把矢量波動方程分解成三個標量波動方程,每個方程中只含一個知函數。但只有在應用直角座標系時才能得到這樣的結果,在其它座標系中,通過分解而得的三個標量方程都具有複雜的形式。
式中:
式⑧與⑨又稱亥姆霍茲方程。