Teoria acústica

análise física e matemática do som

Teoria Acústica é um campo cientifico que relaciona a descrição de ondas sonoras. Ela é derivada da mecânica dos fluidos. Veja acústica para a abordagem da engenharia.

A propagação de ondas sonoras em fluidos (como a água) pode ser modelado por uma equação de continuidade (conservação da massa) e uma equação de movimento (conservação do momento) . Com algumas simplificações, em particular densidade constante, elas podem ser dadas como segue:

onde é a pressão acústica e é o vetor da velocidade de fluxo, é o vetor das coordenadas espaciais , é o tempo, é a densidade de massa estática do meio e é o Módulo volumétrico do meio. O módulo volumétrico pode ser expressado nos termos da densidade e a velocidade do som no meio () como

Se o campo velocidade de fluxo é irrotacional, , então a equação da onda é a combinação desses dois conjuntos de equações de equilíbrio e pode ser expressado como [1]

onde nós usamos o vetor laplaciano, . A equação da onda (e as equações de equilíbrio da massa e do momento) são frequentemente expressas nos termos de um potencial escalar onde . Neste caso a equação da onda é escrita como

e o momento de equilíbrio e o equilíbrio da massa são expressados como

Derivadas de equações governantes editar

As derivadas das equações acima para ondas em um meio acústico são dadas abaixo.

Conservação do momento editar

As equações para a conservação do momento linear para o meio fluido são

 

onde   é a força do corpo por unidade de massa,   é a pressão, e   é a desvio de tensão. Se   é o [[Tensor tensão de Cauchy|tensor Cauchy], então

 

onde   é um tensor de segunda ordem.

Nós fazemos diversas suposições para derivar a equação do momento de equilíbrio para um meio acústico. Essas suposições e as formas resultantes da equação de momento são destacadas abaixo.

Suposição 1: Fluídos Newtonianos editar

Em acústica, o meio do fluído é assumida como sendo Newtoniano. Para um fluido Newtoniano, o tensor de desvio de tensão é relacionado a velocidade de fluxo por

 

onde   é a viscosidade de cisalhamento e   é a viscosidade do módulo.

Assim sendo, a divergência de   é dada por

 

Usando a identidade  , nós temos

 

As equações de conservação do momento então podem ser escritas como

 

Suposição 2: Fluxo irrotacional editar

Para a maioria dos problemas de acústica nós assumimos que o fluxo é irrotacional, isso é, a vorticidade é zero. Neste caso

 

e a equação de momento pode ser reduzida para

 

Suposição 3: Sem força de corpo editar

Outro suposição frequentemente feita é de que o efeito das forças do corpo no meio do fluido é negligenciável. A equação de momento então simplifica ainda mais para

 

Suposição 4: Sem forças viscosas editar

Adicionalmente, se nós assumimos que não há forças viscosas no meio (as viscosidades de massa e cisalhamento são zero), a equação do momento assume a forma

 

Suposição 5: Pequenas perturbações editar

Uma importante suposição de simplificação para equações de onda é que a amplitude de perturbação das grandezas de campo é pequena. Esta suposição nos leva para a equação linear ou equação de pequenos sinais acústicos de onda. Então nós podemos expressar as variáveis como a soma do (média de tempo) campo médio ( ) que varia no espaço e um pequeno campo flutuante ( ) que varia no espaço e tempo. Que é

 

e

 

Então a equação de momento pode ser expressa como

 

Como as flutuações são assumidas como pequenas, produtos dos termos flutuantes podem ser negligenciados (para primeira ordem) e nós temos

 

Suposição 6: Meio Homogêneo editar

Em seguida, assumidos que o meio é homogêneo; no sentido de que as variáveis de média do tempo   e   tem gradientes nulos, que é,

 

A equação momento então se torna

 

Suposição 7: Meio em repouso editar

Neste estágio nos assumimos que o meio está em repouso, o que implica, que a velocidade média de fluxo é zero, isto é,  . Então o balanço do momento se reduz para

 

Deixando cair os tis e usando  , nós obtemos a comumente usada forma da equação de momento

 

Conservação da massa editar

A equação para a conservação da massa em um volume de fluido (sem nenhuma fonte de massa ou sumidouro) é dada por

 

onde   é a densidade da massa do fluido e   a velocidade de fluxo.

A equação para a conservação de massa para médio acústico pode também ser derivado em uma maneira similar para aquela usada para a conservação do momento.

Suposição 1: Pequenas perturbações editar

Da suposição de pequenas perturbações nós temos

 

e

 

Então a equação da massa pode ser escrita como

 

Se nós negligenciarmos esses termos da primeira ordem nas flutuações, a equação da massa se torna

 

Suposição 2: Meio homogêneo editar

Em seguida nós assumimos que o meio é homogêneo, ou seja,

 

Então a equação de equilíbrio da massa toma a forma

 

Suposição 3: Meio em repouso editar

Neste estágio nós assumimos que o meio está em repouso, ou seja,  . Então a equação de equilíbrio da massa pode ser expressada como

 

Suposição 4: Gás ideal, adiabático, reversível editar

Para fechar o sistema de equações nós precisamos de uma equação de estado para a pressão. Para fazer aquilo nós assumimos que o meio é um gás ideal e todas as ondas acústicas comprimem o meio em um adiabático e reversível maneira. A equação de estado pode então ser expressa na forma de uma equação diferencial:

 

onde   é o calor específico em pressão constante,   é o calor específico em volume constante, e   é a velocidade da onda. O valor de   é 1.4 se o meio acústico é ar.

Para pequenas perturbações

 

onde   é a velocidade do som no meio.

Sendo assim,

 

O equilíbrio de massa então pode ser escrito como

 

Deixando cair os tis e definindo   nos da a comumente utilizada expressão para o equilíbrio de massa em um meio acústico:

 

Equações governantes em coordenadas cilíndricas editar

Se nós usarmos um sistema de coordenadas cilíndricas   com vetores base  , então o gradiente de   e a divergência de   são dados por

 

onde a velocidade de fluxo pode ser expressada como  .

A equação para a conservação do momento pode ser escrita como

 

Em termos de componentes, essas três equações para a conservação do momento em coordenadas cilíndricas são

 

A equação para a conservação da massa pode similarmente ser escrita em coordenadas cilíndricas como

 

Equações acústicas harmônicas temporais em coordenadas cilíndricas editar

As equações acústicas para a conservação do momento e da conservação de massa são frequentemente expressas no tempo na uma forma harmônica (em frequência fixa). Neste caso, as pressões e a velocidade de fluxo são assumidas como funções harmônicas de tempo na forma

 

onde   é a frequencia. A substituição dessas expressões em equações governantes em coordenadas cilíndricas nos da a forma de frequencia fixa da conservação de momento

 

e a forma de frequencia fixa da conservação de massa

 

Caso Especial: Sem dependência no z editar

Nesse caso especial onde as quantidades de campo são independentes da coordenada z nós podemos eliminar   para conseguir

 

Assumindo que a solução para está equação possa ser escrita como

 

nós podemos escrever a equação diferencial parcial como

 

O lado esquerdo não é uma função de   enquanto que o lado direito não é uma função de  . Consequentemente,

 

onde   é uma constante. Usando a substituição

 

nós temos

 

A equação a esquerda é uma Equação de Bessel, que tem a solução geral

 

onde   é a função de Bessel cilíndrica de primeiro tipo e   são constantes indeterminadas. A equação a direita possui a solução geral

 

onde   são constantes indeterminadas. Então a solução para a equação de onda acústica é

 

Condições de limite são necessárias neste estágio para determinar   e as outras constantes indeterminadas.

Referências editar

  1. Douglas D. Reynolds. (1981). Engineering Principles in Acoustics, Allyn and Bacon Inc., Boston.

Veja também editar