Ljud i byggnad och samhälle (VTAF01) – Wave propagation (I)
MATHIAS BARBAGALLO
DIVISION OF ENGINEERING ACOUSTICS, LUND UNIVERSITY
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
… recap from last lecture (I)
• SDOF – mass, spring, damper
– Basic system yet very powerful and with broad applicability – Introduces concepts of:
» Equation of motion + initial conditions define a specific motion
» Eigenfrequency – own frequency of the system, belongs to it
» Resonance – frequency of external driving force matches eigenfrequency
– Transfer functions: ratio between a force and a response i.e.
output/input.
» Valid for linear systems, harmonic motions, independent of outer conditions
» Full with useful info – eigenfrequencies, phase shifts, eigenmodes.
NOTE: Degrees of freedom (DOF): number of independent displacement components to define exact position of a system
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
… recap from last lecture (II)
• Undamped SDOF
Mü(t) + Ku(t) = F(t)
Inertial force
Elastic force
Applied force
F(t) = F
driv·cos(t)
) cos(
1 ) 1
sin(
) cos(
)
(
20 0
0 0 0
0
t
K t F t v
u t
u
total driv
Homogeneous
Particular
M
K
0𝑢 𝑡 = 0 = 𝑢
0; ሶ𝑢 𝑡 = 0 = 𝑣
0M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
… recap from last lecture (III)
• Damped SDOF
Mü(t) + Rů(t) + Ku(t) = F(t)
Inertial force
Elastic force Damping
force
Applied force
F(t) = F
driv·cos(t)
u(t)
0
0
; ( 0 )
) 0
( t u u t v
u
sin( ) cos( ) sin( ) cos( )
)
( t e
2 0B
1t B
2t D
1t D
2t
u
total
t
d
d
Homogeneous Particular
2
0
1
d
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
… recap from last lecture (IV)
• Complex representation of a damped SDOF
Mü(t) + Rů(t) + Ku(t) = F(t)
F(t) = F
driv·cos(t)
u(t)
u(ω) = F
drivK − Mω
2+ Riω
J. Negreira / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 26 March 2018
SDOF – Driving frequencies
• Ex:
– Without damping – With damping
• Different driving freqs
0
0
0J. Negreira / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 26 March 2018
SDOF – Frequency response functions (FRF) – (I)
• In general, FRF = transfer function, i.e.:
‒ Contains system information
‒ Independent of outer conditions
𝐻
𝑖𝑗𝜔 = 𝑠
𝑖(𝜔)
𝑠
𝑗(𝜔) = output input
Source: https://community.plm.automation.siemens.com/t5/Testing-Knowledge-Base/The-FRF-and-its-Many-Forms
J. Negreira / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 26 March 2018
SDOF – Frequency response functions (FRF) – (II)
Source: https://community.plm.automation.siemens.com/t5/Testing-Knowledge-Base/The-FRF-and-its-Many-Forms
J. Negreira / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 26 March 2018
SDOF – Frequency response functions (FRF) – (IV)
• Real and imaginary parts – the imaginary part has interesting information
Source: https://community.plm.automation.siemens.com/t5/Testing-Knowledge-Base/The-FRF-and-its-Many-Forms
J. Negreira / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 26 March 2018
Helmholtz resonator (II)
J. Negreira / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 26 March 2018
Helmholtz resonator (IV)
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Outline
Wave propagation in solid media Introduction
Wave propagation in fluids
Summary
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Learning outcomes
• Wave propagation in solid media
– Longitudinal/quasi-longitudinal waves – Shear waves
– Bending waves
• Wave propagation in fluid media
• Wave equation solution
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Types of waves – classification
• Depending on propagation media
‒ Mechanical waves (solids and fluids)
‒ Electromagnetical waves (vacuum)
• Propagation direction – 1D, 2D and 3D
• Based on periodicity
– Periodics and non-periodics
• Based on particles’ movement in relation with propagation direction:
‒ Longitudinal waves (solids and fluids)
‒ Transverse waves (solids)
• … NOTE: waves do not transport mass, just energy
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Outline
Wave propagation in solid media Introduction
Wave propagation in fluids
Summary
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Types of waves in solid media (I)
• Longitudinal waves
• Shear waves
• Torsional waves
• Bending waves
• Rayleigh waves
• Lamb waves
• …
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Types of waves in solid media (II)
• Longitudinal waves (∞ medium ≈ beams) – Quasi-longitudunal waves (finite ≈ plates)
• Longitudinell våg, en våg där punkterna i vågmediet svänger i vågens
utbredningsriktning. Härvid komprimeras mediet, och den återställande kraften ges av tryck. Ett exempel är en ljudvåg eller en vanlig fjäder.
• Motsatsen är en transversell våg där punkterna i vågmediet svänger vinkelrätt mot utbredningsriktningen. Exempel: stränginstrument, vattnet i en
damm och elektromagnetisk strålning.
c
L= E ρ
c
qL= 𝐸
′ρ = E
ρ(1 − υ
2)
𝜕
2u
x𝜕x
2− ρ E
′𝜕
2u
x𝜕t
2= 0
Plate: E, G, ρ, υ, h
Source: Wikipedia.se
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Types of waves in solid media (III)
• Longitudinal waves (∞ medium ≈ beams) – Quasi-longitudunal waves (finite ≈ plates)
– Poissons konstant, Poissons tal eller tvärkontraktionstalet är en materialkonstant som anger hur ett material reagerar på tryck- och dragkrafter. När ett material (blått) töjs ut i en riktning dras det ihop i andra riktningar (grönt).
Plate: E, G, ρ, υ, h
c
L= E ρ
c
qL= 𝐸
′ρ = E
ρ(1 − υ
2)
Source: Wikipedia.se
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Types of waves in solid media (IV)
• Shear waves
Skjuvning, eller skjuvtöjning, är en deformation utan volymändring. Den definieras som vinkeländringen skapad av deformationen.
Plate: E, G, ρ, υ, h
𝜕
2u
y𝜕x
2− ρ 𝐺
𝜕
2u
y𝜕t
2= 0 c
sh=
G
ρ = E
2(1 + υ)ρ
Source: Wikipedia.se
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Types of waves in solid media (V)
• Bending waves (dispersive)
• Böjvågen är en mekanisk vågtyp som finns i tunna fasta strukturer som platta och balkar i form av böjning. Böjvågor är speciellt viktiga i akustiken då de är bra på att stråla ut ljud till omgivningen.
c
B(ω)= ω
4𝐵
B 𝜕
4u
y𝑚
𝜕x
4+ m 𝜕
2u
y𝜕t
2= 0
x y
Plate: E, G, ρ, υ, h
m = ρh
B
plate= Eh
312(1 − υ
2)
B
beam= E bh
312
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Types of waves in solid media (VI)
• Bending waves (dispersive)
• Dispersion relations – frequency dependance of wave speed
c
B(ω)= ω
4𝐵
B 𝜕
4u
y𝑚
𝜕x
4+ m 𝜕
2u
y𝜕t
2= 0
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Types of waves in solid media (VII)
• Longitudinal waves (∞ medium ≈ beams) – Quasi-longitudunal waves (finite ≈ plates)
• Shear waves
• Bending waves (dispersive)
c
L= E ρ
c
qL= 𝐸
′ρ = E
ρ(1 − υ
2)
c
sh= G
ρ = E
2(1 + υ)ρ
c
B(ω)= ω
4
𝐵
B 𝜕
4u
y𝑚
𝜕x
4+ m 𝜕
2u
y𝜕t
2= 0
𝜕
2u
y𝜕x
2− ρ 𝐺
𝜕
2u
y𝜕t
2= 0
𝜕
2u
x𝜕x
2− ρ E
′𝜕
2u
x𝜕t
2= 0
x y
Plate: E, G, ρ, υ, h
m = ρh
B
plate= Eh
312(1 − υ
2) NOTE: torsional waves (beams and columns) are not addressed here
B
beam= E bh
312
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Derivation of longitudinal wave equations (I)
• General approach to derive equations of motion:
1. Newton’s law – dynamic equilibrium
2. Constitutive relations – forces, stresses and strains
• Relations between two physical quantities in a material
a. Force – stress b. Stress – strain
3. Strain – displacement relation (definition)
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Derivation of longitudinal wave equations (II)
• Stress: Dragspänning eller normalspänning definieras som den negativa spänning som uppstår i en enaxligt belastad stång utsatt för en dragkraft. Krafterna normeras med planets yta, så att dessa spänningar har enheten för tryck. Vanligtvis betecknas
dragspänning med den grekiska bokstaven sigma.
• Strain: Töjning (elongation) är ett enhetslöst, geometrioberoende mått
på deformationsgraden och betecknas ε (epsilon). Töjning kan anta både positiva och negativa värden beroende på om objektet utsatts för drag- eller tryckspänning.
• Constitutive relations: Förhållanden mellan två fysiska kvantiteter i ett visst material.
Source: Wikipedia.se
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Wave equation solution (I)
• Travelling waves:
• Alternative forms:
• Note:
• Periodic functions:
• Harmonic functions: is a sinus or cosinus
y = f(x ± vt)
Space Time
Propagation speed
y = f x ± ω
k t = f kx ± ωt
k = f kx ± ωt
f x ± vt = f(x ± vt + T)
f
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Wave equation solution (II)
Travelling waves – d’Alambert’s solution:
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Wave equation solution (III)
Time and position dependency: u x, t = ෞ u
+cos ωt − kx = ෞ u
+e
−i(ωt−kx)M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Other types…
• In reality, combinations of aforementioned waves can exist, e.g.
• Surface waves
Water waves (long+transverse waves)
Particles in clockwise circles. The radius of the circles decreases increasing depth
Pure shear waves don’t exist in fluids
• Body waves
Rayleigh waves (long+transverse waves)
Particles in elliptical paths. Ellipses width decreases with increasing depth
Change from depth>1/5 of λ
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Outline
Wave propagation in solid media Introduction
Wave propagation in fluids
Summary
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Waves in fluid media (I)
• Sound waves: longitudinal waves
‒ Pressure as field variable
‒ Velocity as field variable
Comparing both equations: (acoustic impedance)
𝜕 2 p
𝜕x 2 − 1 c 2
𝜕 2 p
𝜕t 2 = 0
c
air= γP
0ρ(T = 0°C) 1 + T
2 ∙ 273 = 331.4 1 + T 2 ∙ 273 , c
medium= D
ρ ,
p x, t = ෞ p ± cos(ωt ± kx) = ෞ p ± e −i(ωt±kx)
𝜕 2 v
𝜕t 2 = c 2 𝜕 2 v
𝜕x 2 v x, t = 1
ρc p ෞ ± e −i(ωt±kx)
Z ≡ p ±
v ± = ±ρc
k = 2π
λ
𝑇 = 20℃; 𝑐
𝑎𝑖𝑟= 343 𝑚/𝑠
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019
Outline
Wave propagation in solid media Introduction
Wave propagation in fluids
Summary
M. Barbagallo, D. Bard / Ljud i byggnad och samhälle / VTAF01 / 1 April 2019