Спектр продольных колебаний одномерной цепочки                      

    Продольные колебания в одномерной цепочке, состоящей из N частиц, представляют собой cуперпозицию N взаимно независимых собственных колебаний. Пространственная форма каждого из собственных колебаний – нормальная мода – определяется одним из  собственных векторов матрицы системы еk (k = 0, 1, …, N1), а изменение во времени – соответствующим собственным числом λk.
    Нормальная мода рассматривается как функция номера n частицы в цепочке, т.е. является функцией целочисленного аргумента, принимающего значения из множества
                    I = {0, 1, …, N1}.
    Наименьшее из собственных значений
                  λ0 = 0,
а отвечающая ему нормальная мода е0(п), представляющая нормированный собственный вектор е0, является константой:
                 е0(п) = N – ½,                                                                          (1)
т.е. k = 0 отвечает движению «отвердевшей» цепочки как единого целого.

    Остальные N1 собственных колебаний цепочки, соответствующие k = 1, …, N1, представляют собой стоячие волны, моды которых могут быть представлены в двух тождественно эквивалентных формах:
         еk (п) = (2/N½ соs [(n + ½) kπ/N]                                                (2)
                  = (2/N½ а(nsj(n),                                                                (3)
где
а(n) = соs (nπ) = (– 1)п,
sj(n) = sin [(+ ½) jπ /N],
а число j связано с k соотношением:
            k j = N.                                                                                     (4)

   Соответствующие этим модам собственные круговые частоты ωk пропорциональны корню квадратному из собственного значения λk :
          ωk = (αλk /т)½ = 2 ω* sin (kπ /2N) =                                              (5)
                                 = 2 ω* соs (jπ /2N),                                                  (6)
где ω* = (α /т)½.

    Как по характеру зависимости собственных частот значений ωk от номера k, так и по форме нормальных мод еk (п), весь спектр делится на две качественно различные зоны. Первую половину значений номера k, для которой выполняется условие
                              1 ≤ k ≤ N/2,                                                               (7)
мы будем называть акустической зоной спектра, а вторую, для которой
                             1 ≤  j ≤ N/2,                                                                (8)
 – тепловой зоной.
    Если N – чётное число, то пограничное значение
                       k = j = N/2
относится одновременно к обеим зонам.

  Форма нормальной моды

    Оба представления (2) и (3) функции еk (п) позволяют расширить её определение c дискретного множества I на всю числовую ось. Из представления (2) следует, что при таком расширении функция еk (п) является гармоникой с длиной полупериода
                  lk = N/k.
    С другой стороны, из представления (3) вытекает, что при том же расширении области определения функция еk (п) может рассматриваться как произведение двух периодических функций или, иначе, двух псевдоволнминиволны а(n) с полупериодом 1 и максиволны s(n), для которой длина полупериода определяется выражением
                  lj = N/j.
    Как следует из (7) и (8), в акустической зоне длины полупериодов lk и lj удовлетворяют условиям:

               lk  ≥ 2, lj ≤ 2,                                                                              (9)
а в тепловой зоне
               lk ≤ 2, lj ≥ 2.                                                                              (10)
    Неравенства (9) означают, что в акустической зоне при аргументе, принимающем значения из множества I, периодичность, определяемая представлением (3), не может проявиться, так что реальную форму нормальных  мод в этой зоне определяет представление (2).
    Промежутки между узлами, на которых происходит смена знака еk (п), соответствуют корням функции соs [(n + ½) kπ/N] и, значит, число смен знака равно числу полупериодов k. Согласно (7) это означает, что в акустической зоне число смен знака функции еk (п) не превосходит половины числа узлов.
    В тепловой зоне, как следует из (10), лучшее представлние о форме нормальной моды даёт представление (3). При этом миниволна, определяемая функцией а(n), имеет в любых двух соседних точках п и п+1 противоположные знаки и обладает кратчайшим возможным на целочисленной сетке периодом, равным 2. Для максиволны, определяемой функцией sj(n), число перемен знака равно j. Таким образом, в тепловой зоне смена знаков происходит между всеми соседними точками, кроме тех, для которых меняется знак sj(n), т.е. число перемен знака не менее половины числа узлов.   

  Собственные частоты

   Акустическая зона

    В силу неравенства (9) для аргумента q синуса в формуле (5) выполняется неравенство
        q = kπ/2N ≤ π/4 < 1.
    Это означает, что вблизи акустического края спектра, т.е. при k << N, для зависимости собственной круговой частоты от номера может быть использовно представление
          ωk = 2 ω* q [1+ О(q2)] = ω* kπ /N [1+ О(q2)].                                (11)

   Тепловая зона

    Согласно (10) в тепловой зоне оказывается малым параметр r, пропорциональный j:
        r = jπ/2N ≤ π/4 < 1.
    Поэтому вблизи теплового края спектра (при j << N ) для собственной круговой частоты работает представление
        ωk = 2 ω* [1 – ½ r2 + О(r4)].                                                             (12)

  Примеры графиков пространственных мод

   Акустическая зона

    В тех случаях, когда величина lk является целым числом, нормальная мода является точной гармоникой и для дискретного аргумента. На Фиг.1 и Фиг. 2 приведены примеры графиков нормальных мод для таких случаев.
Все приведенные ниже графики получены с помощью системы MATLAB, причём расчёт компонент нормированных собственных векторов матрицы системы производился не по формулам (2), (3), а с использованием встроенного в MATLAB универсального численного метода.

Фиг. 1. N = 64, k = 8, j = 56, lk = 8, lj = 8/7.

                                                                                                       Фиг. 2. N = 64, k = j = 32, lk = lj = 2.

     Если число lk – не целое, гармоника несколько искажается, причём искажение тем больше, чем меньше величина lk или, что то же самое, чем больше k.

                  Фиг. 3. N = 64, k = 3, j = 61, lk = 64/3, lj = 64/61 .

                                                                                     Фиг. 4. N = 64, k = 28, j = 36, lk = 16/7, lj = 16/9.

   Тепловая зона

    В этой зоне реальную форму нормальных мод выявляет представление (3). Чёткая периодичность максиволны видна в тех случаях, когда величина lj – чётное целое число (см. Фиг. 5, Фиг. 6, и Фиг.2).

           Фиг. 5. N = 64, k = 62, j = 2, lk = 32/31, lj = 32.

    Фиг. 6. N = 64, k = 48, j = 16, lk = 4/3, lj = 4.

Если число lj > 2, но не является целым чётным, описываемая формулой (3) закономерность проявляется тем ярче, чем больше lj или, иначе, чем меньше j (см. Фиг. 7 и Фиг. 8).

          Фиг. 7. N = 64, k = 61, j = 3, lk = 64/61, lj = 64/3.

    Фиг. 8. N = 64, k = 36, j = 28, lk = 16/9, lj = 16/7.

Дата последнего обновления:  2008-11-14