Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
акустика / lin_h_bengisu_t_mourelatos_zp_lecture_notes_on_acoustics_and.pdf
Скачиваний:
152
Добавлен:
04.05.2023
Размер:
12.68 Mб
Скачать

114

4 Acoustic Intensity and Specic Acoustic Impedance

 

p ðx, tÞ ¼ A sin ðωt þ kxÞ ¼

1

jAe jðωtþkxÞ þ jAe jðωtþkxÞ

 

 

 

2

 

pþðx, tÞ ¼ A sin ðωt kxÞ ¼

1

jAe jðωt kxÞ jAe jðωt kxÞ

 

 

 

 

 

2

 

p ðx, tÞ ¼ A sin ðωt þ kxÞ ¼

1

jAe jðωtþkxÞ þ jAe jðωtþkxÞ

 

 

 

2

a)Calculate the standing wave (real number) produced by the forward and backward traveling waves.

b)What are the wave amplitude and the wavelength of the standing wave?

c)Sketch the resulting wave pattern and indicate the location of peaks and valleys in terms of wavelength.

d)Calculate the root-mean-square (RMS) pressure at x ¼ πk.

e)Calculate the acoustic intensity of the standing wave at any point in space.

f)Calculate the specic acoustic impedance of the standing wave at any point in space.

(Answers):

π p

i. (a) 2A cos (ωt) cos (kx); (b) 2A, 2 ; (c) N/A; (d) 2jAj; (e) 0;

k

(f) z

¼

ρ

o

c cos ðωtÞ

cos ðkxÞ

; z

¼

jρ

o

c cot kx ; z

¼

jρ

o

c cot

ð

kx

Þ

 

 

 

 

 

sin ðωtÞ

sin ðkxÞ

 

 

 

 

 

 

 

ð

 

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ii. (a) 2A sin (ωt) sin (kx); (b) 2A,

2π

; (c) N/A; (d) 0; (e) 0;

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin ðωtÞ

sin ðkxÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(f) z ¼ ρoc cos ðωtÞ

cos ðkxÞ

; z ¼ jρoc tan ðkxÞ; z

¼ jρoc tan ðkxÞ

 

iii. (a) 2A sin (ωt) cos (kx); (b) 2A,

2π

; (c) N/A; (d) p2jAj; (e) 0;

 

 

k

 

 

(f) z

¼

ρ

o

c

sin ðωtÞ

cos ðkxÞ

; z

¼

jρ

o

c cot

ð

kx

Þ

; z

¼

jρ

o

c cot

ð

kx

Þ

 

 

 

 

cos ðωtÞ

sin ðkxÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iv. (a) 2A cos (ωt) sin (kx); (b) 2A,

 

2π

; (c) N/A; (d) 0; (e) 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(f) z

¼

ρ

o

c

cos ðωtÞ

sin ðkxÞ

; z

¼

jρ

o

c tan

ð

kx

Þ

; z

¼

jρ

o

c tan

ð

kx

Þ

 

 

 

 

sin ðωtÞ

cos ðkxÞ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.8References

4.8.1Derivatives of Trigonometric and Complex Exponential Functions

Derivatives of trigonometric functions and complex exponential functions:

4.8 References

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

115

 

d

½

cos

½

f

ð

x

Þ&& ¼

sin

½

f

ð

x

Þ&

df ðxÞ

¼

sin

½

f

ð

x

Þ&

f 0

ð

x

Þ

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

d

½

sin

½

f

ð

x

Þ&& ¼ þ

cos

½

f

ð

x

Þ&

df ðxÞ

¼ þ

cos

½

f

 

x

f 0

ð

x

Þ

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

ð Þ&

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

e f ðxÞ

 

e f ðxÞ

df ðxÞ

 

e f ðxÞ f 0

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx h

¼

¼

ð

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Reversed:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

cos ½ f ðxÞ& f 0ðxÞdx ¼ þ sin ½ f ðxÞ&

 

 

 

 

 

 

 

Z

sin ½ f ðxÞ& f 0ðxÞdx ¼ cos ½ f ðxÞ&

Z

ef ðxÞ f 0ðxÞdx ¼ e f ðxÞ

4.8.2Trigonometric Integrals

Some trigonometric integrals are:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z0

2π cos ðθÞdθ ¼ Z0

2π sin ðθÞdθ ¼ 0

 

 

 

 

 

 

 

Z0

2π cos ðθÞ sin ðθÞdθ ¼ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2π

 

1

 

2π

1

cos

2θ

 

 

 

 

 

Z0

cos 2ðθÞdθ ¼

 

Z0

þ

2

ð

 

Þ dθ

 

 

2π

2π

 

 

 

 

 

 

¼ 2π

2 Z0

2π

 

 

2 Z0

2π

cos ð2θÞdθ ¼

2

 

 

 

1dθ þ 2π

 

 

 

 

 

1

1

 

 

1

1

 

 

 

1

116 4 Acoustic Intensity and Specic Acoustic Impedance

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2π

 

1

 

cos

2θ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z0

 

sin 2ðθÞdθ

¼

 

 

 

 

 

Z0

 

 

 

 

 

 

2 ð

 

 

 

Þ dθ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼ 2π 2 Z0

 

1dθ 2π 2 Z0

 

 

 

cos ð2θÞdθ ¼ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Change 2π to period T:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T Z

T

cosðωtÞdt ¼ T Z

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

cos

 

 

 

 

T t

 

dt ¼ T Z

T

sin

 

T

t dt ¼ 0

 

 

 

 

 

sinðωtÞdt ¼ T Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T Z0

T

cos ðωtÞ sin ðωtÞdt ¼ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

T

 

 

1

 

 

T

 

1

 

cos

2ωt

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

 

T

 

 

 

 

1 1

 

 

T

 

 

 

 

4π

 

 

 

1

 

 

 

Z

 

cos2ðωtÞdt ¼

 

 

Z

 

 

 

þ

2

ð

 

 

 

 

Þ

dt ¼

 

 

 

T Z

 

1dt þ

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

cos

 

 

t dt ¼

 

 

 

T

 

T

 

 

 

 

 

 

2

0

2

T

 

T

2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

T

 

 

1

 

 

 

T

 

1

 

cos 2ωt

 

dt ¼

1 1

 

T

 

 

 

 

1 1

 

 

 

T

 

 

 

4π

 

 

 

1

 

 

 

Z0

 

sin2ðωtÞdt ¼

 

Z0

 

 

 

2

ð

 

 

 

 

Þ

 

T Z0

1dt

 

 

 

Z0

 

cos

 

t dt ¼

 

 

 

T

 

T

 

 

 

 

 

 

2

2

T

 

T

2

Chapter 5

Solutions of Spherical Wave Equation

In the previous chapter, formulas for sound pressure, ow velocity, acoustic intensity, and specic acoustic impedance of plane waves were formulated in Cartesian coordinates. In this chapter, formulas for these properties will be developed in spherical coordinates.

The formulations of these properties in a spherical coordinate system are more useful than in a Cartesian coordinate system in terms of applications and numerical calculations because any vibrating surface can be treated as a point source. A point source radiates sound in radial directions and can be easily formulated in a spherical coordinate system.

The acoustic wave solutions in Cartesian coordinates were derived in the previous chapter. The acoustic wave solutions in spherical coordinates will be derived in this chapter. The following is a summary table of the acoustic wave solutions in both Cartesian and spherical coordinate systems:

General forms

 

Cartesian coordinates

 

Spherical coordinates

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

!

 

 

 

b

 

 

 

b

 

 

 

 

b

 

 

 

!

 

 

 

b

 

 

 

b

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

Position vector: r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r ¼ xex þ yey þ zez

 

 

r ¼ rer þ θeθ þ ϕeϕ

 

 

 

 

 

 

Gradient operator:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

¼

 

ex

þ

 

 

ey

 

þ

 

 

ez

 

¼

 

 

er

þ

r

 

 

eθ

þ

 

 

 

 

eφ

x

y

 

z

 

r

∂θ

r2 sin θ

Þ

∂φ

The Laplacian

 

 

 

b2

 

 

 

 

 

b

 

 

 

b

 

 

 

 

b2

 

 

 

 

b

ð

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

Dim

 

 

 

 

 

2 2

2

 

1

 

Dim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

operator: 2

 

 

 

 

¼ x

 

 

 

 

 

Þ

 

 

 

 

¼ r

þ r

 

 

 

Þ

 

 

 

 

 

 

 

 

ð

 

 

 

 

 

 

 

 

r

ð

 

 

 

 

 

 

p

 

ρ

 

!u

 

uðx, tÞ ¼ ρo

 

R x pðx, tÞ dt

uðr, tÞ ¼ ρo

R r pðr, tÞ dt

 

 

 

 

Eulers force equation:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¼ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wave equations:

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pðx, tÞ ¼

 

 

 

pðx, tÞ

 

 

½rpðr, tÞ& ¼

 

 

 

½rpðr, tÞ&

 

 

 

2

 

 

1 2

 

x2

c2

t2

r2

c2

t2

 

 

 

 

p ¼

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c2

t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p (x,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rp(r, t) ¼ A cos (ωt kr + θ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t) ¼ A cos (ωt kx + θ )

Form 2 : REP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Form 2 : REP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(continued)

© The Author(s), under exclusive license to Springer Nature Switzerland AG 2021

117

H. Lin et al., Lecture Notes on Acoustics and Noise Control, https://doi.org/10.1007/978-3-030-88213-6_5