Teoria acústica

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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 | editar código-fonte]

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

Conservação do momento[editar | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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 | editar código-fonte]

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

Veja também[editar | editar código-fonte]