ここでは,両端が固定された一様な弦の振動を考える。
弦の変位 は,波動方程式
を満たす。ここで,
(1)
波動方程式(1)の一般解は,進行波と後退波の重ね合わせであり,
と書ける。(導出はこちら)
(2)
境界条件として と
が固定端であるとする。
したがって,
である。
まず, より,
であるから,
(2)は,
となる。
(3)
次に, において,
と書くと,
となるから, は
周期の関数であることになる。
初期条件として,
初期変位 ,
初期速度
の場合を考える。
まず,前者からは,
が得られる。
(4)
また,速度は であるから,後者より
,
したがって,
となる。
ここで,(3)をみると,定数 は0としても一般性を失わないことがわかる。したがって,
としてよい。すなわち は奇関数である。すると(4)より,
となる。
![]()
(5)
また が奇関数であることから,(3)は,
と書くことができる。これに,上記のように決めた
(6)
(注)も
周期の奇関数であると考えておくと,
と書けることになる。
さらに具体的に,初期の弦の形 が下図の赤で示したものである場合を考えよう。
これは,弦のある位置を引っ張り,そこで離して振動を開始させることになるので,ギターの弦を弾く場合に対応している。
は,区間
では
の半分に等しく,
周期の奇関数であることから,
上図の青で示したグラフになる。
(6)は,進行波,後退波ともに同じ のグラフを速さ
で平行移動したものになることを示しているので,それらを描き,合成すれば,下図のように弦の振動の具体形が得られる。
(参考)ギター弦は実際このような形で振動している。この形は,基本振動,2倍振動,3倍振動,・・の特定の重ね合わせになっている。
摩擦があるので振動は減衰していくが,その際に高い倍音の方が減衰が速いので,撥弦後しばらくすると基本振動に近い形になる。
(補足)上記では,すべて数式によって解を求めたが,少し慣れると,以下のように図形的に考えることができるようになる。
まず,初速度0であるから,進行波と後退波の形は同じで,時刻 には完全に重なっており,弦が存在する部分では初期変位の半分になる。
固定端では,進行波と後退波は回転対称になる。弦の両端で常に回転対称になることを考えると,上記のになることがわかる。