ГоловнаСтаттіЗвук та музика

Вібруюча струна: стоячі хвилі, гармоніки та тембр

Чому фіксовані кінці змушують струну утворювати дискретну гармонічну серію, як натяг і товщина встановлюють висоту звуку, і як точка смикання формує спектр надтонів.

mysimulator teamОновлено — червень 2026≈ 7 хв читання▶ Відкрити симуляцію

The Vibrating String

A simple harmonic model of a vibrating string is often represented as a sinusoidal wave. This wave describes the displacement of individual points on the string from their resting position.

The speed at which this wave propagates along the string, denoted by *v*, is determined by the tension in the string (*T*) and its linear density (mass per unit length, *μ*). The relationship is expressed as: *v = √(T/μ)*

By analyzing the wavelength (*λ*) and frequency (*f*) of this wave, we can determine the fundamental frequency of vibration for the string. This fundamental frequency is directly proportional to the square root of the tension and inversely proportional to the square root of the linear density.

∂²y/∂t² = c² * ∂²y/∂x²
c = sqrt(T / μ)
жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Fixed ends force a discrete set of notes

A real string is clamped at both ends, y(0,t) = y(L,t) = 0, and that boundary condition is the whole reason a string produces musical notes rather than an arbitrary continuum of tones: only wavelengths that fit an exact number of half-waves between the two fixed ends can exist as a steady standing-wave pattern at all, so the allowed frequencies form a discrete harmonic series:

λ_n = 2L / n              (n = 1, 2, 3, ...)
f_n = n * c / (2L) = n * f_1     (f_1 = the fundamental)

Nodes, antinodes, and everything happening at once

The nth harmonic has n antinodes (points of maximum motion) and n+1 nodes (motionless points, including the two fixed ends). A plucked string does not vibrate in only one of these modes at a time — the general motion of any real pluck is a superposition of the fundamental and every harmonic above it simultaneously, exactly as Fourier's theorem guarantees for any periodic shape, with the relative strength of each harmonic determined entirely by the initial pluck shape.

Why tension and thickness change the pitch

Since c = √((T/μ)) and f_1 = c / (2L), the fundamental frequency rises with the square root of tension and falls with the square root of linear density — which is exactly the physical basis of tuning a guitar (turning the tuning peg changes T) and of why a bass string sounds lower than a treble string of the same length and tension (a thicker, heavier-wound string has a larger μ, so it needs a lower frequency to satisfy the same wave speed relationship).

The overtone spectrum of a real pluck

Decomposing a triangular pluck shape (displaced at one point x and released) into its Fourier sine series shows the amplitude of the nth harmonic scales as roughly (1/n²) * sin(nπx/L):

A_n ≈ (1 / n²) * sin(n * π * x / L) Plucking near one end (x close to 0 or L) pushes energy into higher harmonics, since sin(nπx/L) stays large for more values of n, giving a brighter, twangier tone. Plucking exactly at the midpoint (x = L/2) sends sin(nπ/2) to zero for every even n, silencing every even harmonic completely and leaving only the odd ones — a purer, more open sound that any guitarist plucking over the middle of the string is producing whether they know the Fourier series behind it or not.

A_n ∝ (1 / n²) * sin(n * π * x₀ / L)

Frequently asked questions

Чому відбивання струни біля бриджа звучить яскравіше, ніж відбивання біля середи?

Розкладання Фуріє початкової трикутної форми удару розміщує більше енергії в вищих гармоніках, коли точка удару ближча до одного кінця струни. Відбивання точно у точці середину робить протилежне, повністю скасуючи кожну парну гармоніку, оскільки у них кожен вузол розташований саме там.

Чому товстіші струни видають нижчі ноти при однаковому натягу та довжині?

Швидкість хвилі на струні є квадратним коренем з напруги, поділеної на лінійну густину маси, тому товща або щільніше спіральний струн із більшою масою на одиницю довжини підтримує повільнішу швидкість хвилі для того ж натягу. Оскільки фундаментальна частота дорівнює швидкості хвилі, поділеній на двічі довжину, повільніша швидкість хвилі означає нижчу ноту, тому низькоякісні струни обмотують додатковою масою замість того, щоб просто робити їх довші.

Що таке вузли та антивузли?

Вузли — це точки на струні, які залишаються нерухомими в заданому режимі стоячої хвилі, оскільки хвилі, що рухаються праворуч і ліворуч, завжди скасовуються там; антивузли — це точки максимального зміщення між ними. n-та гармоніка має точно n антивузлів і n+1 вузлів, включаючи два фіксовані кінці як вузли.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте String Physics і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію String Physics

Що ви знайшли?

Додати кроки відтворення (опційно)