Ｐｙｔｈｏｎ ＧＵＩ 构建的一维弦振动数值模拟研究

doi:１０.１４１３９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２-１２２８.２０２６.０４.０１６

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摘要基于Ｐｙｔｈｏｎ编程环境,开发了一套一维弦振动数值仿真程序。该程序采用时域有限差分法(ＦＤＴＤ)求解包含阻尼项的一维波动方程,实现了不同边界条件和初始条件下弦振动的动态模拟。通过图形用户界面(ＧＵＩ),用户可灵活设置弦长、张力、线密度、阻尼系数、初始位移、驱动频率和拨弦位置等参数,直观观察驻波形成、吉他弦振动等多种模式,并能生成动画、导出数据和播放声音。该仿真系统不仅为一维弦振动理论和实验教学提供了可视化、交互式的辅助工具,加深学生对波动方程数值解法及物理现象的理解,还能为弦振动研究提供便捷的探索平台,有效提升学生的科学思维和创新能力。

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关键词: 一维弦振动驻波频谱分析数值仿真有限差分法

Abstract: A numerical simulation program for one-dimensional (1D) string vibration was developed based on thePython programming environment. The program employs the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method tosolve the 1D wave equation incorporating a damping term,enabling dynamic simulations of string vibrations undervarious boundary and initial conditions. Through a Graphical User Interface (GUI), users can flexibly configureparameters such as string length, tension, linear density, damping coefficient, initial displacement, drivingfrequency,and plucking position. The system allows for the intuitive observation of multiple modes, includingstanding wave formation and guitar string vibrations, and is capable of generating animations,exporting data,andplaying back audio.This simulation system serves as a visual and interactive auxiliary tool for both theoretical andexperimental teaching of 1D string vibrations, deepening students' understanding of numerical solutions to waveequations and physical phenomena. Furthermore,it provides a convenient platfom for string vibration research,effectively enhancing students' scientific thinking and innovative capabilities.

Key words: one-dimensional string vibration standing waves spectrum analysis numerical simulation finite-difference method

发布日期: 2026-08-24

Ｏ４-３３

基金资助: 河北科技大学教育教学改革研究与实践项目(２０２３-ＹＢ０５)

引用本文:

王艳海, 孟义昌, 刘国才, 王保如, 吕树慧, 张诗豪, 陶俊雷 . ＰｙｔｈｏｎＧＵＩ构建的一维弦振动数值模拟研究[J]. 大学物理实验, 2026, 39(4): 96-101.
WANG Yanhai, MENG Yichang, LIU Guocai, WANG Baoru, LU Shuhui, ZHANG Shihao, TAO Junlei. Numerical Simulation Study of One-Dimensional StringVibration Based on Python GUI. Physical Experiment of College, 2026, 39(4): 96-101.

链接本文:

https://dawushiyan.jluct.edu.cn/CN/１０.１４１３９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２-１２２８.２０２６.０４.０１６或 https://dawushiyan.jluct.edu.cn/CN/Y2026/V39/I4/96

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