22
 A C O U S T I C S    of   W O O D Lecture 3 , . , Jan Tippner Dep of Wood Science FFWT MU Brno . . jan tippner@mendelu cz

A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O D Lecture 3

, . , Jan Tippner Dep  of Wood Science FFWT MU Brno

. .jan tippner@mendelu cz

Page 2: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Content of lecture 3:

1. Damping

2. Internal friction in the wood

Page 3: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Content of lecture 3:

1. Damping

2. Internal friction in the wood

Page 4: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Damping

­ sine wave is a waveform generated by a system that is characterised by simple harmonic motion 

­  ideal  system  which  exhibits  simple  harmonic  motion  is  a  system  that  loses  no  energy  (or  has  its  energy replenished from outside the system)

­ such a waveform can also be called a continuous waveform as it continues forever without eventually reducing to zero intensity

Page 5: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Damping

­ real systems are never ideal; all naturally­occuring systems loose energy (eg. as heat due to friction)

­ system loses energy as heat (both internally as a consequence of heat loss during physical deformation and externally as a consequence of friction with air)

­ this loss of energy in an oscillating system is know as damping; a damped waveform is also know as a non­continuous waveform

Page 6: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Damping

­ damped waveform can die out quickly or slowly; waveform that dies out quickly is said to be strongly damped as it loses energy quickly; waveform that dies out slowly is said to be weakly damped as it loses energy slowly

­ damping is not just a characteristic of systems that generate non­continuous sine wave like patterns, damping is a characteristic of systems that produce sounds with very complex spectral patterns

­  in physics, damping  is any effect  that  tends  to  reduce  the amplitude of oscillations  in an oscillatory system, particularly the harmonic oscillator

­ in mechanics, friction is one such damping effect. For many purposes the frictional force Ff can be modeled as 

being proportional to the velocity v of the object:

Ff = −c v

where: c is the viscous damping coefficient, given in units of newton­seconds per meter

Page 7: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Damping

­ damped harmonic oscillators satisfy the second­order differential equation:

where: ω0 is the undamped angular frequency of the oscillator and ζ is a constant called the damping ratio

­ for a mass on a spring having a spring constant k and a damping coefficient c:

 ω0 = √(k/m)

 = c/2mζ ω0.

Page 8: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Damping

­ value of the damping ratio   ζ determines the behavior of the system. A damped harmonic oscillator can be:

1. Overdamped (ζ > 1)­ system returns (exponentially decays)  to equilibrium without oscillating;  larger values of the damping ratio   ζreturn to equilibrium slower

2. Critically damped (  ζ = 1)­ system returns to equilibrium as quickly as possible without oscillating (often desired)

3. Underdamped (ζ < 1)­  system oscillates  (with a  slightly  different  frequency  than  the undamped case) with  the amplitude gradually decreasing to zero­ frequency of the underdamped harmonic oscillator is given by: 

Page 9: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Example of Spring – Mass System 

A mass m attached to a spring and damper. The damping coefficient is represented by B, F denotes an external force.

Page 10: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Example of Spring – Mass System

­ ideal mass­spring­damper system with mass m (in kilograms), spring constant k (in newtons per meter) and viscous damper of damping coefficient c (in newton­seconds per meter or kilograms per second) is subject to

an oscillatory force............................................ and a damping force................................................................... 

­ treating the mass as a free body and applying Newton's second law (F=ma), the total force Ftot on the body is

where: a is the acceleration (in meters per second squared) of the mass and x is the displacement (in meters) of the mass relative to a fixed point of reference

Ftot = Fs + Fd        >>>>>>

Page 11: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Example of Spring – Mass System

­ rearr. to:

where: (undamped) natural frequency of the system:   the damping ratio:

  

­ the natural frequency represents an angular frequency, expressed in radians per second­ the damping ratio is a dimensionless quantity

Page 12: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Example of Spring – Mass System

­ the differential equation now becomes 

­ we can solve the equation by assuming a solution x such that: 

where: the parameter γ (gamma) is, in general, a complex number.

­ substituting this assumed solution back into the differential equation gives which is the characteristic equation.

­ solving the characteristic equation will give two roots,  +γ  and  −; γ and the solution to the differential equation is: 

where: A and B are determined by the initial conditions of the system:

Page 13: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Example of Spring – Mass System

­ rearr. to:

where: (undamped) natural frequency of the system:   the damping ratio:

  

­ the natural frequency represents an angular frequency, expressed in radians per second­ the damping ratio is a dimensionless quantity

Page 14: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

A harmonic oscillator can be:

1. Overdamped (ζ > 1) ­ system returns (exponentially decays) to equilibrium without oscillating; larger values of the damping ratio   return to equilibrium slowerζ2. Critically damped  (  ζ = 1)  ­ system  returns  to equilibrium as quickly as possible without oscillating  (often desired)3. Underdamped (ζ < 1) ­ system oscillates (with a slightly different frequency than the undamped case) with the amplitude gradually decreasing to zero4. Undamped (ζ = 0)

Page 15: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Dependence of the system behavior on the value of the damping ratio  , for under­damped, ζcritically­damped, over­damped, and undamped cases, for zero­velocity initial condition.

Page 16: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

­  the  behavior  of  the  system  depends  on  the  relative  values  of  the  two  fundamental parameters,  the natural frequency ω0 and the damping ratio ζ

­ in particular, the qualitative behavior of the system depends crucially on whether the quadratic equation for   γhas one real solution, two real solutions, or two complex conjugate solutions.

1. Critical damping (  = 1)ζ  

When   = 1, there is a double root   (defined above), which is real. The system is said to be critically damped. ζ γA critically damped system converges to zero faster than any other, and without oscillating.

In this case, with only one root  , there is in addition to the solution x(t) = eγ tγ  a solution x(t) = te tγ :

where A and B are determined by the initial conditions of the system (usually the initial position and velocity of the mass):

Page 17: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

2. Over­damping (  > 1)ζ

When   > 1, the system is over­damped and there are two different real roots. The solution to the motion ζequation is:

where A and B are determined by the initial conditions of the system:

Page 18: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

3. Under­damping (0 ≤   < 1)ζ

Finally,  when  0  ≤    <  1,    is  complex,  and  the  system  is  under­damped.  In  this  situation,  the  system  will ζ γoscillate at  the natural damped  frequency ωd, which  is a  function of  the natural  frequency and  the damping ratio.  In this case, the solution can be generally written as:

where:

represents  the  natural  damped  frequency  of  the  system,  and  A  and  B  are  again  determined  by  the  initial conditions of the system:

­  for  an  under­damped  system,  the  value  of    can  be  found  by  examining  the  logarithm  of  the  ratio  of ζsucceeding amplitudes of a system ­ this is called the logarithmic decrement

Page 19: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

 Logarithmic Decrement of Damping

Logarithmic decrement, δ, is used to find the damping ratio of an underdamped system in the time domain. The logarithmic decrement is the natural log of the amplitudes of any two successive peaks:

where x0  is the greater of the two amplitudes and xn  is the amplitude of a peak n periods away; the damping ratio is then found from the logarithmic decrement:

Page 20: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

 Q ­ factor

­ the quality factor or Q factor is a dimensionless parameter that describes how under­damped an oscillator or resonator is, or equivalently, characterizes a resonator's bandwidth relative to its center frequency­ higher Q indicates a lower rate of energy loss relative to the stored energy of the oscillator; the oscillations die out more slowly  (a pendulum suspended  from a high­quality bearing, oscillating  in air, has a high Q, while a pendulum immersed in oil has a low one)­ for a single damped mass­spring system, the Q factor represents the effect of simplified viscous damping or drag, where the damping force or drag force is proportional to velocity. The formula for the Q factor is:

where  M  is  the  mass,  k  is  the  spring  constant,  and  D  is  the  damping  coefficient,  defined  by  the  equation Fdamping = − D v, where v is the velocity

bandwidth, Δf,  of  a  damped  oscillator  is  shown  on  a  graph  of  energy  versus  frequency. The  Q  factor  of  the damped oscillator, or filter, is f0 / Δf. The higher the Q, the narrower and 'sharper' the peak is.

Page 21: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Simulation by finite element method

­ Ansys software

­ unsteady: full transient solution

­ 1D (beam), 2D (shell), ev. 3D (solid)

­ 1D solution:  http://homepages.strath.ac.uk/~clas16/~fyfe/ansys/dynamic/transient/transient.html

http://www.mece.ualberta.ca/tutorials/ansys/IT/Transient/Transient.html

­ preprocessing (geometry, physics), solution, postprocessing (time history)

­ modal analysis  >>>>>  full transient analysis

­ adaptation for wood (changes of material model)

Page 22: A C O U S T I C S of W O O Dldf.mendelu.cz/unod/wp-content/uploads/2011/12/acoust_lect_damping.pdf · A C O U S T I C S of W O O D Lecture 3 Example of Spring – Mass System ideal

   

A C O U S T I C S    of    W O O DLecture 3

Content of lecture 3:

1. Damping

2. Internal friction in the wood