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:
∂
p
∂
t
+
κ
∇
⋅
u
=
0
(Equilíbrio da massa)
ρ
0
∂
u
∂
t
+
∇
p
=
0
(Equilíbrio do momento)
{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\partial p}{\partial t}}+\kappa ~\nabla \cdot \mathbf {u} &=0\qquad {\text{(Equilíbrio da massa)}}\\\rho _{0}{\frac {\partial \mathbf {u} }{\partial t}}+\nabla p&=0\qquad {\text{(Equilíbrio do momento)}}\end{aligned}}}
onde
p
(
x
,
t
)
{\displaystyle p(\mathbf {x} ,t)}
é a pressão acústica e
u
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {u} (\mathbf {x} ,t)}
é o vetor da velocidade de fluxo ,
x
{\displaystyle \mathbf {x} }
é o vetor das coordenadas espaciais
x
,
y
,
z
{\displaystyle x,y,z}
,
t
{\displaystyle t}
é o tempo,
ρ
0
{\displaystyle \rho _{0}}
é a densidade de massa estática do meio e
κ
{\displaystyle \kappa }
é o Módulo volumétrico do meio. O módulo volumétrico pode ser expressado nos termos da densidade e a velocidade do som no meio (
c
0
{\displaystyle c_{0}}
) como
κ
=
ρ
0
c
0
2
.
{\displaystyle \kappa =\rho _{0}c_{0}^{2}~.}
Se o campo velocidade de fluxo é irrotacional ,
∇
×
u
=
0
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {u} =\mathbf {0} }
, então a equação da onda é a combinação desses dois conjuntos de equações de equilíbrio e pode ser expressado como [ 1]
∂
2
u
∂
t
2
−
c
0
2
∇
2
u
=
0
or
∂
2
p
∂
t
2
−
c
0
2
∇
2
p
=
0
,
{\displaystyle {\cfrac {\partial ^{2}\mathbf {u} }{\partial t^{2}}}-c_{0}^{2}~\nabla ^{2}\mathbf {u} =0\qquad {\text{or}}\qquad {\cfrac {\partial ^{2}p}{\partial t^{2}}}-c_{0}^{2}~\nabla ^{2}p=0,}
onde nós usamos o vetor laplaciano ,
∇
2
u
=
∇
(
∇
⋅
u
)
−
∇
×
(
∇
×
u
)
{\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {u} =\nabla (\nabla \cdot \mathbf {u} )-\nabla \times (\nabla \times \mathbf {u} )}
.
A equação da onda (e as equações de equilíbrio da massa e do momento) são frequentemente expressas nos termos de um potencial escalar
φ
{\displaystyle \varphi }
onde
u
=
∇
φ
{\displaystyle \mathbf {u} =\nabla \varphi }
. Neste caso a equação da onda é escrita como
∂
2
φ
∂
t
2
−
c
0
2
∇
2
φ
=
0
{\displaystyle {\cfrac {\partial ^{2}\varphi }{\partial t^{2}}}-c_{0}^{2}~\nabla ^{2}\varphi =0}
e o momento de equilíbrio e o equilíbrio da massa são expressados como
p
+
ρ
0
∂
φ
∂
t
=
0
;
ρ
+
ρ
0
c
0
2
∂
φ
∂
t
=
0
.
{\displaystyle p+\rho _{0}~{\cfrac {\partial \varphi }{\partial t}}=0~;~~\rho +{\cfrac {\rho _{0}}{c_{0}^{2}}}~{\cfrac {\partial \varphi }{\partial t}}=0~.}
Derivadas de equações governantes
editar
As derivadas das equações acima para ondas em um meio acústico são dadas abaixo.
As equações para a conservação do momento linear para o meio fluido são
ρ
(
∂
u
∂
t
+
u
⋅
∇
u
)
=
−
∇
p
+
∇
⋅
τ
+
ρ
g
{\displaystyle \rho \left({\frac {\partial \mathbf {u} }{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \nabla \mathbf {u} \right)=-\nabla p+\nabla \cdot {\boldsymbol {\tau }}+\rho \mathbf {g} }
onde
g
{\displaystyle \mathbf {g} }
é a força do corpo por unidade de massa,
p
{\displaystyle p}
é a pressão, e
τ
{\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}}
é a desvio de tensão . Se
σ
{\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}}
é o [[Tensor tensão de Cauchy|tensor Cauchy], então
p
:=
−
1
3
tr
(
σ
)
;
σ
:=
−
p
I
+
τ
{\displaystyle p:=-{\tfrac {1}{3}}~{\text{tr}}({\boldsymbol {\sigma }})~;~~{\boldsymbol {\sigma }}:=-p{\boldsymbol {I}}+{\boldsymbol {\tau }}}
onde
I
{\displaystyle {\boldsymbol {I}}}
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
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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
τ
=
μ
[
∇
u
+
(
∇
u
)
T
]
+
λ
(
∇
⋅
u
)
I
{\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}=\mu ~\left[\nabla \mathbf {u} +(\nabla \mathbf {u} )^{T}\right]+\lambda ~(\nabla \cdot \mathbf {u} )~{\boldsymbol {I}}}
onde
μ
{\displaystyle \mu }
é a viscosidade de cisalhamento e
λ
{\displaystyle \lambda }
é a viscosidade do módulo.
Assim sendo, a divergência de
τ
{\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}}
é dada por
∇
⋅
τ
≡
∂
s
i
j
∂
x
i
=
μ
[
∂
∂
x
i
(
∂
u
i
∂
x
j
+
∂
u
j
∂
x
i
)
]
+
λ
[
∂
∂
x
i
(
∂
u
k
∂
x
k
)
]
δ
i
j
=
μ
∂
2
u
i
∂
x
i
∂
x
j
+
μ
∂
2
u
j
∂
x
i
∂
x
i
+
λ
∂
2
u
k
∂
x
k
∂
x
j
=
(
μ
+
λ
)
∂
2
u
i
∂
x
i
∂
x
j
+
μ
∂
2
u
j
∂
x
i
2
≡
(
μ
+
λ
)
∇
(
∇
⋅
u
)
+
μ
∇
2
u
.
{\displaystyle {\begin{aligned}\nabla \cdot {\boldsymbol {\tau }}\equiv {\cfrac {\partial s_{ij}}{\partial x_{i}}}&=\mu \left[{\cfrac {\partial }{\partial x_{i}}}\left({\cfrac {\partial u_{i}}{\partial x_{j}}}+{\cfrac {\partial u_{j}}{\partial x_{i}}}\right)\right]+\lambda ~\left[{\cfrac {\partial }{\partial x_{i}}}\left({\cfrac {\partial u_{k}}{\partial x_{k}}}\right)\right]\delta _{ij}\\&=\mu ~{\cfrac {\partial ^{2}u_{i}}{\partial x_{i}\partial x_{j}}}+\mu ~{\cfrac {\partial ^{2}u_{j}}{\partial x_{i}\partial x_{i}}}+\lambda ~{\cfrac {\partial ^{2}u_{k}}{\partial x_{k}\partial x_{j}}}\\&=(\mu +\lambda )~{\cfrac {\partial ^{2}u_{i}}{\partial x_{i}\partial x_{j}}}+\mu ~{\cfrac {\partial ^{2}u_{j}}{\partial x_{i}^{2}}}\\&\equiv (\mu +\lambda )~\nabla (\nabla \cdot \mathbf {u} )+\mu ~\nabla ^{2}\mathbf {u} ~.\end{aligned}}}
Usando a identidade
∇
2
u
=
∇
(
∇
⋅
u
)
−
∇
×
∇
×
u
{\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {u} =\nabla (\nabla \cdot \mathbf {u} )-\nabla \times \nabla \times \mathbf {u} }
, nós temos
∇
⋅
τ
=
(
2
μ
+
λ
)
∇
(
∇
⋅
u
)
−
μ
∇
×
∇
×
u
.
{\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {\tau }}=(2\mu +\lambda )~\nabla (\nabla \cdot \mathbf {u} )-\mu ~\nabla \times \nabla \times \mathbf {u} ~.}
As equações de conservação do momento então podem ser escritas como
ρ
(
∂
u
∂
t
+
u
⋅
∇
u
)
=
−
∇
p
+
(
2
μ
+
λ
)
∇
(
∇
⋅
u
)
−
μ
∇
×
∇
×
u
+
ρ
g
{\displaystyle \rho \left({\frac {\partial \mathbf {u} }{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \nabla \mathbf {u} \right)=-\nabla p+(2\mu +\lambda )~\nabla (\nabla \cdot \mathbf {u} )-\mu ~\nabla \times \nabla \times \mathbf {u} +\rho \mathbf {g} }
Suposição 2: Fluxo irrotacional
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Para a maioria dos problemas de acústica nós assumimos que o fluxo é irrotacional, isso é, a vorticidade é zero. Neste caso
∇
×
u
=
0
{\displaystyle \nabla \times \mathbf {u} =0}
e a equação de momento pode ser reduzida para
ρ
(
∂
u
∂
t
+
u
⋅
∇
u
)
=
−
∇
p
+
(
2
μ
+
λ
)
∇
(
∇
⋅
u
)
+
ρ
g
{\displaystyle \rho \left({\frac {\partial \mathbf {u} }{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \nabla \mathbf {u} \right)=-\nabla p+(2\mu +\lambda )~\nabla (\nabla \cdot \mathbf {u} )+\rho \mathbf {g} }
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
ρ
(
∂
u
∂
t
+
u
⋅
∇
u
)
=
−
∇
p
+
(
2
μ
+
λ
)
∇
(
∇
⋅
u
)
{\displaystyle \rho \left({\frac {\partial \mathbf {u} }{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \nabla \mathbf {u} \right)=-\nabla p+(2\mu +\lambda )~\nabla (\nabla \cdot \mathbf {u} )}
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
ρ
(
∂
u
∂
t
+
u
⋅
∇
u
)
=
−
∇
p
{\displaystyle \rho \left({\frac {\partial \mathbf {u} }{\partial t}}+\mathbf {u} \cdot \nabla \mathbf {u} \right)=-\nabla p}
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 (
⟨
⋅
⟩
{\displaystyle \langle \cdot \rangle }
) que varia no espaço e um pequeno campo flutuante (
⋅
~
{\displaystyle {\tilde {\cdot }}}
) que varia no espaço e tempo. Que é
p
=
⟨
p
⟩
+
p
~
;
ρ
=
⟨
ρ
⟩
+
ρ
~
;
u
=
⟨
u
⟩
+
u
~
{\displaystyle p=\langle p\rangle +{\tilde {p}}~;~~\rho =\langle \rho \rangle +{\tilde {\rho }}~;~~\mathbf {u} =\langle \mathbf {u} \rangle +{\tilde {\mathbf {u} }}}
e
∂
⟨
p
⟩
∂
t
=
0
;
∂
⟨
ρ
⟩
∂
t
=
0
;
∂
⟨
u
⟩
∂
t
=
0
.
{\displaystyle {\cfrac {\partial \langle p\rangle }{\partial t}}=0~;~~{\cfrac {\partial \langle \rho \rangle }{\partial t}}=0~;~~{\cfrac {\partial \langle \mathbf {u} \rangle }{\partial t}}=\mathbf {0} ~.}
Então a equação de momento pode ser expressa como
[
⟨
ρ
⟩
+
ρ
~
]
[
∂
u
~
∂
t
+
[
⟨
u
⟩
+
u
~
]
⋅
∇
[
⟨
u
⟩
+
u
~
]
]
=
−
∇
[
⟨
p
⟩
+
p
~
]
{\displaystyle \left[\langle \rho \rangle +{\tilde {\rho }}\right]\left[{\frac {\partial {\tilde {\mathbf {u} }}}{\partial t}}+\left[\langle \mathbf {u} \rangle +{\tilde {\mathbf {u} }}\right]\cdot \nabla \left[\langle \mathbf {u} \rangle +{\tilde {\mathbf {u} }}\right]\right]=-\nabla \left[\langle p\rangle +{\tilde {p}}\right]}
Como as flutuações são assumidas como pequenas, produtos dos termos flutuantes podem ser negligenciados (para primeira ordem) e nós temos
⟨
ρ
⟩
∂
u
~
∂
t
+
[
⟨
ρ
⟩
+
ρ
~
]
[
⟨
u
⟩
⋅
∇
⟨
u
⟩
]
+
⟨
ρ
⟩
[
⟨
u
⟩
⋅
∇
u
~
+
u
~
⋅
∇
⟨
u
⟩
]
=
−
∇
[
⟨
p
⟩
+
p
~
]
{\displaystyle {\begin{aligned}\langle \rho \rangle ~{\frac {\partial {\tilde {\mathbf {u} }}}{\partial t}}&+\left[\langle \rho \rangle +{\tilde {\rho }}\right]\left[\langle \mathbf {u} \rangle \cdot \nabla \langle \mathbf {u} \rangle \right]+\langle \rho \rangle \left[\langle \mathbf {u} \rangle \cdot \nabla {\tilde {\mathbf {u} }}+{\tilde {\mathbf {u} }}\cdot \nabla \langle \mathbf {u} \rangle \right]\\&=-\nabla \left[\langle p\rangle +{\tilde {p}}\right]\end{aligned}}}
Suposição 6: Meio Homogêneo
editar
Em seguida, assumidos que o meio é homogêneo; no sentido de que as variáveis de média do tempo
⟨
p
⟩
{\displaystyle \langle p\rangle }
e
⟨
ρ
⟩
{\displaystyle \langle \rho \rangle }
tem gradientes nulos, que é,
∇
⟨
p
⟩
=
0
;
∇
⟨
ρ
⟩
=
0
.
{\displaystyle \nabla \langle p\rangle =0~;~~\nabla \langle \rho \rangle =0~.}
A equação momento então se torna
⟨
ρ
⟩
∂
u
~
∂
t
+
[
⟨
ρ
⟩
+
ρ
~
]
[
⟨
u
⟩
⋅
∇
⟨
u
⟩
]
+
⟨
ρ
⟩
[
⟨
u
⟩
⋅
∇
u
~
+
u
~
⋅
∇
⟨
u
⟩
]
=
−
∇
p
~
{\displaystyle \langle \rho \rangle ~{\frac {\partial {\tilde {\mathbf {u} }}}{\partial t}}+\left[\langle \rho \rangle +{\tilde {\rho }}\right]\left[\langle \mathbf {u} \rangle \cdot \nabla \langle \mathbf {u} \rangle \right]+\langle \rho \rangle \left[\langle \mathbf {u} \rangle \cdot \nabla {\tilde {\mathbf {u} }}+{\tilde {\mathbf {u} }}\cdot \nabla \langle \mathbf {u} \rangle \right]=-\nabla {\tilde {p}}}
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,
⟨
u
⟩
=
0
{\displaystyle \langle \mathbf {u} \rangle =0}
. Então o balanço do momento se reduz para
⟨
ρ
⟩
∂
u
~
∂
t
=
−
∇
p
~
{\displaystyle \langle \rho \rangle ~{\frac {\partial {\tilde {\mathbf {u} }}}{\partial t}}=-\nabla {\tilde {p}}}
Deixando cair os tis e usando
ρ
0
:=
⟨
ρ
⟩
{\displaystyle \rho _{0}:=\langle \rho \rangle }
, nós obtemos a comumente usada forma da equação de momento
ρ
0
∂
u
∂
t
+
∇
p
=
0
.
{\displaystyle \rho _{0}~{\frac {\partial \mathbf {u} }{\partial t}}+\nabla p=0~.}
A equação para a conservação da massa em um volume de fluido (sem nenhuma fonte de massa ou sumidouro) é dada por
∂
ρ
∂
t
+
∇
⋅
(
ρ
u
)
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}+\nabla \cdot (\rho \mathbf {u} )=0}
onde
ρ
(
x
,
t
)
{\displaystyle \rho (\mathbf {x} ,t)}
é a densidade da massa do fluido e
u
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {u} (\mathbf {x} ,t)}
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
p
=
⟨
p
⟩
+
p
~
;
ρ
=
⟨
ρ
⟩
+
ρ
~
;
u
=
⟨
u
⟩
+
u
~
{\displaystyle p=\langle p\rangle +{\tilde {p}}~;~~\rho =\langle \rho \rangle +{\tilde {\rho }}~;~~\mathbf {u} =\langle \mathbf {u} \rangle +{\tilde {\mathbf {u} }}}
e
∂
⟨
p
⟩
∂
t
=
0
;
∂
⟨
ρ
⟩
∂
t
=
0
;
∂
⟨
u
⟩
∂
t
=
0
.
{\displaystyle {\cfrac {\partial \langle p\rangle }{\partial t}}=0~;~~{\cfrac {\partial \langle \rho \rangle }{\partial t}}=0~;~~{\cfrac {\partial \langle \mathbf {u} \rangle }{\partial t}}=\mathbf {0} ~.}
Então a equação da massa pode ser escrita como
∂
ρ
~
∂
t
+
[
⟨
ρ
⟩
+
ρ
~
]
∇
⋅
[
⟨
u
⟩
+
u
~
]
+
∇
[
⟨
ρ
⟩
+
ρ
~
]
⋅
[
⟨
u
⟩
+
u
~
]
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial {\tilde {\rho }}}{\partial t}}+\left[\langle \rho \rangle +{\tilde {\rho }}\right]\nabla \cdot \left[\langle \mathbf {u} \rangle +{\tilde {\mathbf {u} }}\right]+\nabla \left[\langle \rho \rangle +{\tilde {\rho }}\right]\cdot \left[\langle \mathbf {u} \rangle +{\tilde {\mathbf {u} }}\right]=0}
Se nós negligenciarmos esses termos da primeira ordem nas flutuações, a equação da massa se torna
∂
ρ
~
∂
t
+
[
⟨
ρ
⟩
+
ρ
~
]
∇
⋅
⟨
u
⟩
+
⟨
ρ
⟩
∇
⋅
u
~
+
∇
[
⟨
ρ
⟩
+
ρ
~
]
⋅
⟨
u
⟩
+
∇
⟨
ρ
⟩
⋅
u
~
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial {\tilde {\rho }}}{\partial t}}+\left[\langle \rho \rangle +{\tilde {\rho }}\right]\nabla \cdot \langle \mathbf {u} \rangle +\langle \rho \rangle \nabla \cdot {\tilde {\mathbf {u} }}+\nabla \left[\langle \rho \rangle +{\tilde {\rho }}\right]\cdot \langle \mathbf {u} \rangle +\nabla \langle \rho \rangle \cdot {\tilde {\mathbf {u} }}=0}
Suposição 2: Meio homogêneo
editar
Em seguida nós assumimos que o meio é homogêneo, ou seja,
∇
⟨
ρ
⟩
=
0
.
{\displaystyle \nabla \langle \rho \rangle =0~.}
Então a equação de equilíbrio da massa toma a forma
∂
ρ
~
∂
t
+
[
⟨
ρ
⟩
+
ρ
~
]
∇
⋅
⟨
u
⟩
+
⟨
ρ
⟩
∇
⋅
u
~
+
∇
ρ
~
⋅
⟨
u
⟩
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial {\tilde {\rho }}}{\partial t}}+\left[\langle \rho \rangle +{\tilde {\rho }}\right]\nabla \cdot \langle \mathbf {u} \rangle +\langle \rho \rangle \nabla \cdot {\tilde {\mathbf {u} }}+\nabla {\tilde {\rho }}\cdot \langle \mathbf {u} \rangle =0}
Suposição 3: Meio em repouso
editar
Neste estágio nós assumimos que o meio está em repouso, ou seja,
⟨
u
⟩
=
0
{\displaystyle \langle \mathbf {u} \rangle =0}
. Então a equação de equilíbrio da massa pode ser expressada como
∂
ρ
~
∂
t
+
⟨
ρ
⟩
∇
⋅
u
~
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial {\tilde {\rho }}}{\partial t}}+\langle \rho \rangle \nabla \cdot {\tilde {\mathbf {u} }}=0}
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:
d
p
d
ρ
=
γ
p
ρ
;
γ
:=
c
p
c
v
;
c
2
=
γ
p
ρ
.
{\displaystyle {\cfrac {dp}{d\rho }}={\cfrac {\gamma ~p}{\rho }}~;~~\gamma :={\cfrac {c_{p}}{c_{v}}}~;~~c^{2}={\cfrac {\gamma ~p}{\rho }}~.}
onde
c
p
{\displaystyle c_{p}}
é o calor específico em pressão constante,
c
v
{\displaystyle c_{v}}
é o calor específico em volume constante, e
c
{\displaystyle c}
é a velocidade da onda. O valor de
γ
{\displaystyle \gamma }
é 1.4 se o meio acústico é ar.
Para pequenas perturbações
d
p
d
ρ
≈
p
~
ρ
~
;
p
ρ
≈
⟨
p
⟩
⟨
ρ
⟩
;
c
2
≈
c
0
2
=
γ
⟨
p
⟩
⟨
ρ
⟩
.
{\displaystyle {\cfrac {dp}{d\rho }}\approx {\cfrac {\tilde {p}}{\tilde {\rho }}}~;~~{\cfrac {p}{\rho }}\approx {\cfrac {\langle p\rangle }{\langle \rho \rangle }}~;~~c^{2}\approx c_{0}^{2}={\cfrac {\gamma ~\langle p\rangle }{\langle \rho \rangle }}~.}
onde
c
0
{\displaystyle c_{0}}
é a velocidade do som no meio.
Sendo assim,
p
~
ρ
~
=
γ
⟨
p
⟩
⟨
ρ
⟩
=
c
0
2
⟹
∂
p
~
∂
t
=
c
0
2
∂
ρ
~
∂
t
{\displaystyle {\cfrac {\tilde {p}}{\tilde {\rho }}}=\gamma ~{\cfrac {\langle p\rangle }{\langle \rho \rangle }}=c_{0}^{2}\qquad \implies \qquad {\cfrac {\partial {\tilde {p}}}{\partial t}}=c_{0}^{2}{\cfrac {\partial {\tilde {\rho }}}{\partial t}}}
O equilíbrio de massa então pode ser escrito como
1
c
0
2
∂
p
~
∂
t
+
⟨
ρ
⟩
∇
⋅
u
~
=
0
{\displaystyle {\cfrac {1}{c_{0}^{2}}}{\frac {\partial {\tilde {p}}}{\partial t}}+\langle \rho \rangle \nabla \cdot {\tilde {\mathbf {u} }}=0}
Deixando cair os tis e definindo
ρ
0
:=
⟨
ρ
⟩
{\displaystyle \rho _{0}:=\langle \rho \rangle }
nos da a comumente utilizada expressão para o equilíbrio de massa em um meio acústico:
∂
p
∂
t
+
ρ
0
c
0
2
∇
⋅
u
=
0
.
{\displaystyle {\frac {\partial p}{\partial t}}+\rho _{0}~c_{0}^{2}~\nabla \cdot \mathbf {u} =0~.}
Equações governantes em coordenadas cilíndricas
editar
Se nós usarmos um sistema de coordenadas cilíndricas
(
r
,
θ
,
z
)
{\displaystyle (r,\theta ,z)}
com vetores base
e
r
,
e
θ
,
e
z
{\displaystyle \mathbf {e} _{r},\mathbf {e} _{\theta },\mathbf {e} _{z}}
, então o gradiente de
p
{\displaystyle p}
e a divergência de
u
{\displaystyle \mathbf {u} }
são dados por
∇
p
=
∂
p
∂
r
e
r
+
1
r
∂
p
∂
θ
e
θ
+
∂
p
∂
z
e
z
∇
⋅
u
=
∂
u
r
∂
r
+
1
r
(
∂
u
θ
∂
θ
+
u
r
)
+
∂
u
z
∂
z
{\displaystyle {\begin{aligned}\nabla p&={\cfrac {\partial p}{\partial r}}~\mathbf {e} _{r}+{\cfrac {1}{r}}~{\cfrac {\partial p}{\partial \theta }}~\mathbf {e} _{\theta }+{\cfrac {\partial p}{\partial z}}~\mathbf {e} _{z}\\\nabla \cdot \mathbf {u} &={\cfrac {\partial u_{r}}{\partial r}}+{\cfrac {1}{r}}\left({\cfrac {\partial u_{\theta }}{\partial \theta }}+u_{r}\right)+{\cfrac {\partial u_{z}}{\partial z}}\end{aligned}}}
onde a velocidade de fluxo pode ser expressada como
u
=
u
r
e
r
+
u
θ
e
θ
+
u
z
e
z
{\displaystyle \mathbf {u} =u_{r}~\mathbf {e} _{r}+u_{\theta }~\mathbf {e} _{\theta }+u_{z}~\mathbf {e} _{z}}
.
A equação para a conservação do momento pode ser escrita como
ρ
0
[
∂
u
r
∂
t
e
r
+
∂
u
θ
∂
t
e
θ
+
∂
u
z
∂
t
e
z
]
+
∂
p
∂
r
e
r
+
1
r
∂
p
∂
θ
e
θ
+
∂
p
∂
z
e
z
=
0
{\displaystyle \rho _{0}~\left[{\cfrac {\partial u_{r}}{\partial t}}~\mathbf {e} _{r}+{\cfrac {\partial u_{\theta }}{\partial t}}~\mathbf {e} _{\theta }+{\cfrac {\partial u_{z}}{\partial t}}~\mathbf {e} _{z}\right]+{\cfrac {\partial p}{\partial r}}~\mathbf {e} _{r}+{\cfrac {1}{r}}~{\cfrac {\partial p}{\partial \theta }}~\mathbf {e} _{\theta }+{\cfrac {\partial p}{\partial z}}~\mathbf {e} _{z}=0}
Em termos de componentes, essas três equações para a conservação do momento em coordenadas cilíndricas são
ρ
0
∂
u
r
∂
t
+
∂
p
∂
r
=
0
;
ρ
0
∂
u
θ
∂
t
+
1
r
∂
p
∂
θ
=
0
;
ρ
0
∂
u
z
∂
t
+
∂
p
∂
z
=
0
.
{\displaystyle \rho _{0}~{\cfrac {\partial u_{r}}{\partial t}}+{\cfrac {\partial p}{\partial r}}=0~;~~\rho _{0}~{\cfrac {\partial u_{\theta }}{\partial t}}+{\cfrac {1}{r}}~{\cfrac {\partial p}{\partial \theta }}=0~;~~\rho _{0}~{\cfrac {\partial u_{z}}{\partial t}}+{\cfrac {\partial p}{\partial z}}=0~.}
A equação para a conservação da massa pode similarmente ser escrita em coordenadas cilíndricas como
∂
p
∂
t
+
κ
[
∂
u
r
∂
r
+
1
r
(
∂
u
θ
∂
θ
+
u
r
)
+
∂
u
z
∂
z
]
=
0
.
{\displaystyle {\cfrac {\partial p}{\partial t}}+\kappa \left[{\cfrac {\partial u_{r}}{\partial r}}+{\cfrac {1}{r}}\left({\cfrac {\partial u_{\theta }}{\partial \theta }}+u_{r}\right)+{\cfrac {\partial u_{z}}{\partial z}}\right]=0~.}
Equações acústicas harmônicas temporais em coordenadas cilíndricas
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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
p
(
x
,
t
)
=
p
^
(
x
)
e
−
i
ω
t
;
u
(
x
,
t
)
=
u
^
(
x
)
e
−
i
ω
t
;
i
:=
−
1
{\displaystyle p(\mathbf {x} ,t)={\hat {p}}(\mathbf {x} )~e^{-i\omega t}~;~~\mathbf {u} (\mathbf {x} ,t)={\hat {\mathbf {u} }}(\mathbf {x} )~e^{-i\omega t}~;~~i:={\sqrt {-1}}}
onde
ω
{\displaystyle \omega }
é a frequencia. A substituição dessas expressões em equações governantes em coordenadas cilíndricas nos da a forma de frequencia fixa da conservação de momento
∂
p
^
∂
r
=
i
ω
ρ
0
u
^
r
;
1
r
∂
p
^
∂
θ
=
i
ω
ρ
0
u
^
θ
;
∂
p
^
∂
z
=
i
ω
ρ
0
u
^
z
{\displaystyle {\cfrac {\partial {\hat {p}}}{\partial r}}=i\omega ~\rho _{0}~{\hat {u}}_{r}~;~~{\cfrac {1}{r}}~{\cfrac {\partial {\hat {p}}}{\partial \theta }}=i\omega ~\rho _{0}~{\hat {u}}_{\theta }~;~~{\cfrac {\partial {\hat {p}}}{\partial z}}=i\omega ~\rho _{0}~{\hat {u}}_{z}}
e a forma de frequencia fixa da conservação de massa
i
ω
p
^
κ
=
∂
u
^
r
∂
r
+
1
r
(
∂
u
^
θ
∂
θ
+
u
^
r
)
+
∂
u
^
z
∂
z
.
{\displaystyle {\cfrac {i\omega {\hat {p}}}{\kappa }}={\cfrac {\partial {\hat {u}}_{r}}{\partial r}}+{\cfrac {1}{r}}\left({\cfrac {\partial {\hat {u}}_{\theta }}{\partial \theta }}+{\hat {u}}_{r}\right)+{\cfrac {\partial {\hat {u}}_{z}}{\partial z}}~.}
Caso Especial: Sem dependência no z
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Nesse caso especial onde as quantidades de campo são independentes da coordenada z nós podemos eliminar
u
r
,
u
θ
{\displaystyle u_{r},u_{\theta }}
para conseguir
∂
2
p
∂
r
2
+
1
r
∂
p
∂
r
+
1
r
2
∂
2
p
∂
θ
2
+
ω
2
ρ
0
κ
p
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial ^{2}p}{\partial r^{2}}}+{\frac {1}{r}}{\frac {\partial p}{\partial r}}+{\frac {1}{r^{2}}}~{\frac {\partial ^{2}p}{\partial \theta ^{2}}}+{\frac {\omega ^{2}\rho _{0}}{\kappa }}~p=0}
Assumindo que a solução para está equação possa ser escrita como
p
(
r
,
θ
)
=
R
(
r
)
Q
(
θ
)
{\displaystyle p(r,\theta )=R(r)~Q(\theta )}
nós podemos escrever a equação diferencial parcial como
r
2
R
d
2
R
d
r
2
+
r
R
d
R
d
r
+
r
2
ω
2
ρ
0
κ
=
−
1
Q
d
2
Q
d
θ
2
{\displaystyle {\cfrac {r^{2}}{R}}~{\cfrac {d^{2}R}{dr^{2}}}+{\cfrac {r}{R}}~{\cfrac {dR}{dr}}+{\cfrac {r^{2}\omega ^{2}\rho _{0}}{\kappa }}=-{\cfrac {1}{Q}}~{\cfrac {d^{2}Q}{d\theta ^{2}}}}
O lado esquerdo não é uma função de
θ
{\displaystyle \theta }
enquanto que o lado direito não é uma função de
r
{\displaystyle r}
. Consequentemente,
r
2
d
2
R
d
r
2
+
r
d
R
d
r
+
r
2
ω
2
ρ
0
κ
R
=
α
2
R
;
d
2
Q
d
θ
2
=
−
α
2
Q
{\displaystyle r^{2}~{\cfrac {d^{2}R}{dr^{2}}}+r~{\cfrac {dR}{dr}}+{\cfrac {r^{2}\omega ^{2}\rho _{0}}{\kappa }}~R=\alpha ^{2}~R~;~~{\cfrac {d^{2}Q}{d\theta ^{2}}}=-\alpha ^{2}~Q}
onde
α
2
{\displaystyle \alpha ^{2}}
é uma constante. Usando a substituição
r
~
←
(
ω
ρ
0
κ
)
r
=
k
r
{\displaystyle {\tilde {r}}\leftarrow \left(\omega {\sqrt {\cfrac {\rho _{0}}{\kappa }}}\right)r=k~r}
nós temos
r
~
2
d
2
R
d
r
~
2
+
r
~
d
R
d
r
~
+
(
r
~
2
−
α
2
)
R
=
0
;
d
2
Q
d
θ
2
=
−
α
2
Q
{\displaystyle {\tilde {r}}^{2}~{\cfrac {d^{2}R}{d{\tilde {r}}^{2}}}+{\tilde {r}}~{\cfrac {dR}{d{\tilde {r}}}}+({\tilde {r}}^{2}-\alpha ^{2})~R=0~;~~{\cfrac {d^{2}Q}{d\theta ^{2}}}=-\alpha ^{2}~Q}
A equação a esquerda é uma Equação de Bessel , que tem a solução geral
R
(
r
)
=
A
α
J
α
(
k
r
)
+
B
α
J
−
α
(
k
r
)
{\displaystyle R(r)=A_{\alpha }~J_{\alpha }(k~r)+B_{\alpha }~J_{-\alpha }(k~r)}
onde
J
α
{\displaystyle J_{\alpha }}
é a função de Bessel cilíndrica de primeiro tipo e
A
α
,
B
α
{\displaystyle A_{\alpha },B_{\alpha }}
são constantes indeterminadas. A equação a direita possui a solução geral
Q
(
θ
)
=
C
α
e
i
α
θ
+
D
α
e
−
i
α
θ
{\displaystyle Q(\theta )=C_{\alpha }~e^{i\alpha \theta }+D_{\alpha }~e^{-i\alpha \theta }}
onde
C
α
,
D
α
{\displaystyle C_{\alpha },D_{\alpha }}
são constantes indeterminadas. Então a solução para a equação de onda acústica é
p
(
r
,
θ
)
=
[
A
α
J
α
(
k
r
)
+
B
α
J
−
α
(
k
r
)
]
(
C
α
e
i
α
θ
+
D
α
e
−
i
α
θ
)
{\displaystyle p(r,\theta )=\left[A_{\alpha }~J_{\alpha }(k~r)+B_{\alpha }~J_{-\alpha }(k~r)\right]\left(C_{\alpha }~e^{i\alpha \theta }+D_{\alpha }~e^{-i\alpha \theta }\right)}
Condições de limite são necessárias neste estágio para determinar
α
{\displaystyle \alpha }
e as outras constantes indeterminadas.
↑ Douglas D. Reynolds. (1981). Engineering Principles in Acoustics , Allyn and Bacon Inc., Boston.