Die Messung der Unsteady Flächenpressung eines Remote-Mikrofon-Sonde

Zusammenfassung

Here, we present a protocol to measure, with high spatial resolution, the unsteady surface pressure in turbulent flows. This method demonstrates the construction of a remote microphone probe (RMP) and the determination of its frequency-dependent, complex transfer function. An analytical determination of the dynamic response is presented and validated.

Zusammenfassung

Microphones are widely applied to measure pressure fluctuations at the walls of solid bodies immersed in turbulent flows. Turbulent motions with various characteristic length scales can result in pressure fluctuations over a wide frequency range. This property of turbulence requires sensing devices to have sufficient sensitivity over a wide range of frequencies. Furthermore, the small characteristic length scales of turbulent structures require small sensing areas and the ability to place the sensors in very close proximity to each other. The complex geometries of the solid bodies, often including large surface curvatures or discontinuities, require the probe to have the ability to be set up in very limited spaces. The development of a remote microphone probe, which is inexpensive, consistent, and repeatable, is described in the present communication. It allows for the measurement of pressure fluctuations with high spatial resolution and dynamic response over a wide range of frequencies. The probe is small enough to be placed within the interior of typical wind tunnel models. The remote microphone probe includes a small, rigid, and hollow tube that penetrates the model surface to form the sensing area. This tube is connected to a standard microphone, at some distance away from the surface, using a "T" junction. An experimental method is introduced to determine the dynamic response of the remote microphone probe. In addition, an analytical method for determining the dynamic response is described. The analytical method can be applied in the design stage to determine the dimensions and properties of the RMP components.

Einleitung

Der Fluidfluss über Oberflächen führt in der Regel zu Unsicherheit und Turbulenzen, die in unstabile Unterdruck (USP) zur Folge haben. Strömungsinduzierten Geräusche und Vibrationen sind oft ein direktes Ergebnis dieser Unbeständigkeit. Der abgestrahlte Schall erzeugt durch Lüfter, Propeller und Windkraftanlagen werden von Quellen dominiert USP ¹ bezogen. Messungen der räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der USP in turbulenten Strömungen sind in der Regel erforderlich, um den abgestrahlten Schall zu prognostizieren.

Die statistische Charakterisierung von USP wird in der Regel in Form von auto-Spektraldichte gegeben, Zweipunkt Quer Spektraldichten und räumliche Korrelationsfunktionen ^{2, 3.} Der Frequenzgang kann je nach Anwendungsfall erforderlich variieren. In vielen Windkanal-Anwendungen, eine Antwort von 10 kHz bis 20 kHz reicht. Die kleinen Skalen der turbulenten Bewegung erfordern oft Erfassungsbereiche und Sensor weniger als 1 mm zu sein Abstand.

Extensive experimentelle Studien wurden zur Erzielung turbulenzbedingten Druckschwankungen durchgeführt. Eine direkte Methode verwendet Putz-eingebetteten Sensoren. Bei diesem Verfahren wird oft große Anordnungen von Mikrofonen, denn jeder Sensor nur die Druckschwankung an einem diskreten Punkt messen kann. Typische Sensoren in diesem Verfahren verwendet werden , sind piezoelektrische Wandler, vorgeschlagen von Gautschi ^4. Arrays von piezoelektrischen Sensoren kann teuer sein, und der Frequenzbereich der Messung ist oft weniger als 10 kHz.

Direkte Aufputz Mikrophone werden oft als kostengünstige USP Sensoren ⁵ eingesetzt. Mikrofone haben eine hohe Empfindlichkeit, die einen wesentlichen Vorteil für die Low-Speed-Flows ist. Dies führt jedoch auch zu dem Risiko der Sensor Sättigung, wenn große Amplitudenschwankungen des Drucks vorhanden sind. Diese Methode ist nicht geeignet für Oberflächen mit großen Krümmungen, Diskontinuitäten oder Geometrien, die zu dünn sind, um den gesamten Sensor enthalten.

Eine indirekte Methode für beide spektrale und räumliche Informationen zu erhalten , ist dünne Membranen Putz auf eine Oberfläche ⁶ zu verwenden. Die zeit- und raumabhängigen Schwingungsbewegungen werden gemessen und dann umgewandelt Druck Statistiken mit bekannten mechanischen Eigenschaften der Membran an die Oberfläche. Diese Methode erfordert eine sorgfältige Planung, Ausführung, und eine genaue Kalibrierung der dynamischen Reaktion der Membran. Zusätzlich sind die Schwingungsmesstechnik, wie beispielsweise Laser-Doppler-Vibrometer, teuer. Schließlich kann dieses Verfahren nur auf ebenen Oberflächen aufgebracht werden.

Haftlack (PSP) ist eine weitere Technik, die verwendet werden kann, die unstabile Unterdruck zu messen. Diese Technik erfordert die Oberflächen in einem transparenten Polymerbindemittel beschichtet werden, die innerhalb der Moleküle führt zu einem höheren Energiezustand angeregt werden, da sie durch Licht einer bestimmten Wellenlänge beleuchtet werden. Da die Moleküle Sauerstoff Abschrecken unterzogen, ist Energie remit einer Rate proportional zum Sauerstoffpartialdruck als Licht geleasten, was zu Lumineszenz, die dem Oberflächendruck ⁷ umgekehrt proportional ist. Der größte Nachteil an PSP Verfahren ist die relativ geringe Empfindlichkeit der Messung, wenn sie Mikrofone verglichen. Dies begrenzt die Anwendung der PSP zu relativ hoher Geschwindigkeit fließt.

Die vorliegende Mitteilung beschreibt ein Verfahren zur USP, die eine Remote-Mikrofon-Sonde (RMP) verwendet. Diese Methode wurde zuerst von Englund und Richards ⁸ beschrieben. Das Konzept verwendet ein Standard-Kleinmikrofon, das an der Oberfläche Druckarmatur mit einem Hohlrohr verbunden ist. Der schwankende Druck an der Modelloberfläche in der Form von Schallwellen in den Schlauch fahren. Die Schlauch wirkt als "Wellenleiter", um das Mikrofon zu ermöglichen, die auf den Schlauch senkrecht montiert ist, die Schallwellen zu messen. Die Wellen dann in eine andere Röhre weiter, die lang genug ist, mit großer Amplitude akustische r zu beseitigeneflections.

Englund und Richards angewendet , um einen analytischen Ansatz umrissen von Bergh und Tijdeman ⁹ , um die Dynamik des RMP zu bestimmen. Perrenes und Roger ¹⁰ verwendet , um eine RMP Oberflächendruck über einen zweidimensionalen Strömungsprofils mit Hochauftriebsvorrichtungen zu messen. Sie entwickelten eine Sonde mit einem Durchmesser von 0,5 mm Kapillarrohr an der Oberfläche, die zu einer 27 cm langen starren Rohr verbunden wurde, die von 0,7 mm bis 2,5 mm über zwei getrennte Stufenänderungen erweitert. Jeder Schritt Änderung verursacht eine relativ große Änderung in der akustischen Impedanz des Rohres. ¹¹ Leclercq und Bohineust studierte die Wanddruckfeld unter einer turbulenten Grenzschicht. Sie benutzten einen konstanten Durchmesser RMP, wie von Franzoni und Elliott ¹² vorgeschlagen. Jedoch war die dynamische Reaktion hoch genug, nur in einem begrenzten Frequenzbereich. Arguillat et al. ¹³ eine RMP entworfen um das Rauschen zu dem Inneren eines Fahrzeugabteils übertragen zu studieren. Sie testetenverschiedene Rohre, die die Druckschwankungen auf die Mikrofone zu leiten. Yang et al. ¹⁴ für die Schlauchverzerrung korrigiert durch einen Rohrübertragungsfunktion Ansatz, der dem in diesem Bericht führte ähnlich ist. Hoarau et al. ¹⁵ untersuchten die Wanddruckverlauf hinter einem abgetrennten Bereich. Die RMP, die sie entworfen hatte konstanten Innendurchmesser und der Schlauch war völlig nicht starr.

Nach den bisherigen Untersuchungen erhalten die Genauigkeit der Oberflächendruckmessungen RMPs Verwendung ist vor allem abhängig von der Bestimmung der frequenzabhängigen Übertragungsfunktion der Sonde, die den Oberflächendruck an dem Mikrofon Druck bezieht. In den folgenden Abschnitten wird eine RMP Geometrie beschreiben, die sowohl einfach als auch wirksam ist. Experimentelle und analytische Verfahren werden in der Reihenfolge eingeführt und validiert werden, um genau die dynamische Reaktion des RMP bestimmen. Das Analysemodell ermöglicht eine RMP o zu seinin der Planungsphase für eine potenziell breite Palette von Anwendungen ptimized.

RMPs kann verwendet werden, um Druckschwankungen über einen weiten Bereich von Frequenzen gemessen werden. Die relativ hohe räumliche Auflösung können detaillierte Informationen über die Merkmale des räumlich verteilten instationären Druckfeld ¹⁶ bieten. Da die Sonde klein ist, kann RMPs Druckschwankungen über komplexe Geometrien, wie beispielsweise große Krümmungen oder geringem Abstand ¹⁷ zur Messung verwendet werden. Zusätzlich kann das Rohr die Oberfläche berühren und die Mikrofonsensorverbindungs ​​reduzieren die Größe der induzierten Druckschwankungen am Mikrophon. Auf diese Weise erhält man die richtige Gestaltung von RMP Sensorgeometrie und Parameter ein Verfahren zur USP Eigenschaften zu erhalten, die deutlich weniger restriktiv sind, wenn sie im Vergleich zu Unterputz das Mikrofon direkt an der Oberfläche des Modells.

Struktur der RMPThe allgemeine Struktur des RMP ist in Abbildung 1 gezeigt . Die RMP besteht aus einem Rohr von der Modelloberfläche zu einer Expansionsabschnitt führenden und einem zweiten Rohr von dem Expansionsabschnitt zu einer Verlängerung "Wiege". Ein drittes Rohr wird dann als anechoic Beendigung handeln verbunden. Die Wiege ist eine bearbeitete Kunststoffkomponente für das Gehäuse des Mikrofons und die Rohrverbindungen verwendet. Die Einzelheiten des RMP-Struktur kann für verschiedene Versuchsbedingungen eingestellt werden. Der Zweck des zweiten, im Durchmesser größeren Rohr ist der relativ voluminöse Mikrofon und Wiege zu ermöglichen, von dem Punkt der USP-Messung angeordnet zu werden weiter, ohne die Messempfindlichkeit verringert wird. Dieser zweite Schlauch kann beseitigt werden, wenn es nicht erforderlich, und der Expansionsabschnitt ist, kann in der Halterung eingebaut werden. Die schalltoten Beendigung wurde aus weichem Kunststoff, die in etwa 2 bis 3 m in der Länge war.

Für diese Demonstration wurde das Design des RMP optimiert für die Messung von Oberflächendruckschwankungen unter einem turbulent Grenzschicht ohne Strömungs Druckgradienten, wie in Figur 2 gezeigt. Das zweite Rohr eliminiert wurde. Die Wirkung der beiden unterschiedlichen Längen der ersten Röhre beobachtet. Das erste Rohr war aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm und einem Außendurchmesser von 0,81 mm hergestellt. Die Längen des ersten Rohrs waren 5,35 und 10,40 cm. Der Innendurchmesser des Einlasses der Expansionsabschnitt, der in die Halterung eingebaut wurde, betrug 0,5 mm, und der Innendurchmesser des Austritts betrug 1,25 mm, der dem Innendurchmesser des Ableitungs Beendigung identisch war. Der Winkel des Expansionsabschnitts betrug 7 °. Es war ein Loch in der Docking-Station mit einem 1,25 mm Durchmesser, um den Expansionsabschnitt mit dem schalltoten Beendigung reibungslos verbinden. Der Erfassungsbereich wurde auf die 1,25-mm-Loch durch eine senkrecht 0,75 mm Bohrung verbunden.

Protokoll

1. Herstellung der Experimente

1. Wählen Sie einen geeigneten Mikrofon, um die RMP zu bauen. Verwenden Sie einen Frequenzbereich des Mikrofons im Frequenzbereich von Interesse.
   HINWEIS: Bei diesem Experiment Druckschwankungen zwischen 100 und 10.000 Hz sind von Interesse. Die Messfrequenzbereich des ausgewählten Mikrofon von 100 bis 10.000 Hz. Die Größe des Mikrofons sollte so klein wie möglich sein, obwohl es keine spezifische Kriterien für die Größe sind.
2. Schätzung der Empfindlichkeit und der Frequenzgang des RMP System das Analyseverfahren im Anhang beschrieben ist. Die Empfindlichkeit und der Frequenzgang des RMP durch die Abmessungen der Rohre und Strukturen variiert.
3. Verwenden Sie einen Dremel die 0,5 mm Innendurchmesser Edelstahlrohr in einen 5,25 cm langes Stück geschnitten.
4. Mit Schere, schneiden Sie den 1,25-mm-Innendurchmesser weichen Schlauch in ein 4,75 m langes Stück.
5. Verwenden Sie eine Fräsmaschine, ein Stück Plexiglas in ein zu schneidenQuader. Die Länge, Breite und Höhe des Quaders sollte 2,54 cm, 1,27 cm und 1,27 cm bzw. sein.
6. Bohrungen mit 0,81, 2, 2,56 und 0,76 mm Durchmesser in der Plexiglas - Wiege, wie in Abbildung 2 gezeigt.
7. Mit einer Nadel Bohrer den Kegelschnitt des Plexiglas Wiege zu machen, wie in Abbildung 2 dargestellt.
8. Schauen Sie die Mikrofonempfindlichkeit im Handbuch des Herstellers, oder das Mikrofon kalibrieren unter Verwendung des Verfahrens eingeführt von Wong ^18.
9. Setzen Sie das Mikrofon in den Plexiglas - Docking - Station, wie in Abbildung 2, und befestigen Sie das Mikrofon mit Epoxid.
10. Schließen Sie das Rohr aus rostfreiem Stahl und die weichen Schlauch in die Plexiglasschale und fixieren Sie diese mit Epoxid.
11. Ein Loch mit einem Durchmesser von 0,81 mm senkrecht zu der Modelloberfläche in der Position der Messung.

2. Versuchsaufbau

1. Erröteneinfassung die primären Edelstahlrohre von derRMP Sensoren zur Modelloberfläche und fügen Epoxy die Edelstahlrohre in die entgegengesetzte Modelloberfläche zu befestigen, wie in Abbildung 2 dargestellt.
2. Surround die RMP mit Akustikschaum, um verunreinigen das System Störgeräuschen zu verhindern.
3. Verlegen Sie alle elektrischen Leitungen aus dem Testabschnitt des Tunnels.
4. Führen Sie das weiche anechoic Rohr aus dem Testabschnitt des Tunnels.
5. Schließen Sie das Ende des weichen anechoic Rohr mit einem Druckwandler, um Messungen des mittleren statischen Druck zu erhalten, gleichzeitig mit dem unsteten Druck.
6. Verbinden den RMP zu einem rauscharmen Verstärker und Datenerfassungssystem.
7. Stellen Sie den Verstärkungsfaktor des Verstärkers bis 10. Beachten Sie, dass der Wert des Verstärkungsfaktors kann von Fall zu Fall geändert werden.

3. Kalibrierung

1. Wählen Sie ein Referenzmikrofon, die hohe Qualität und hat eine frequenzunabhängige Empfindlichkeit.
2. Verbinden Sie den ReferenzmikroTelefon mit dem Eingang eines Verstärkers und den Ausgang des Verstärkers mit dem Datenerfassungssystem zu verbinden.
3. Gesetzt, sowohl die Eingangsverstärkung und Ausgangsverstärkung des Verstärkers 10 dB. Beachten Sie, dass der Verstärkungsfaktor unter verschiedenen Messbedingungen variiert werden kann.
4. Legen Sie das Referenzmikrofon in eine Pistonphon, wie sie in der ergänzenden Abbildung dargestellt.
5. Schalten Sie den Pistonphon.
6. Stellen Sie die Aufnahmefrequenz bis 4000 Hz.
7. Legen Sie die Anzahl der Proben auf 240.000.
8. Erfassen und die Spannungsausgabe von dem Referenzmikrofon speichern.
9. Berechnen Sie die Kalibrierungskonstante des Referenzmikrofon. Die Kalibrierungskonstante, C _ref, ist das Verhältnis der Standardabweichung der Pistonphon erzeugten Schalldruck, der Standardabweichung der Spannungsausgang des Referenzmikrofon.
10. Wiederholen Sie den Kalibrierungsprozess (Schritte 3.8 und 3.9) mehrmals. Verwenden Sie den Mittelwert, C _ref, wie die Kalibrierung konstant.
11. Den Referenzmikrofon senkrecht zu der festen Oberfläche , über die die Druckschwankung gemessen wird, wie in Abbildung 1 dargestellt.
12. Richten Sie die Mitte des Referenzmikrofon mit dem RMP Hahn. Verwenden Sie einen Abstand zwischen dem Referenzmikrofon und dem RMP Hahn von 1 mm.
13. Setzen Sie den Lautsprecher in der Nähe des Testmodells. Verwenden, um eine Entfernung zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrofon von 2,5 m für diese Messungen.
14. Schließen Sie den Lautsprecher an einen Funktionsgenerator und schalten Sie den Funktionsgenerator.
15. Verwenden Sie das "weiße Rauschen" Option der Funktionsgenerator das gewünschte akustische Signal zu liefern , und stellen Sie die mittlere quadratische Spannung V _rms, bis 0,4 V.
16. Stellen Sie die Lautstärke des Lautsprechers auf das Minimum.
17. Schalten Sie den Lautsprecher.
18. Stellen Sie die Lautstärke des Lautsprecherverstärker so hoch wie möglich, ohne die Lautsprecher beschädigen. Beachten Sie, dass die meisten Lautsprecher eine Kontrollleuchte haben th zu warnene Benutzer, wenn die Ausgangsamplitude über dem Lautsprecher Bereich.
19. Erwerben und Zeitreihendaten aus den Ausgangsspannungen von sowohl dem Referenzmikrophon und dem RMP unter Verwendung einer Abtastfrequenz von 40000 Hz für 60 Sekunden zu speichern.
20. Berechnen Sie die Zeitreihenwerte des Schalldruckschwankung, die durch den Lautsprecher und das Funktionsgenerator erzeugt wird, und durch das Referenzmikrofon gemessen. Dies ist einfach das Produkt aus der Zeitreihenspannungsausgabe von dem Referenzmikrofon, Und seine Kalibrierungskonstante, ; . Man beachte, dass die Zeitreihen-Schalldruck, Ist auch die Druckschwankung am Abgriff des RMP.
21. Berechnen Sie die Zeitreihenschalldruckschwankungen durch das Mikrofon gemessen in der RMP ein s das Produkt der Zeitreihenspannungsausgang von der RMP, Und die Mikrofonempfindlichkeit, ; . Beachten Sie, dass die Mikrofonempfindlichkeit, Sollte vom Hersteller bereitgestellt werden.
22. Berechnen Sie die Auto-Spektraldichte, von . Berechnen Sie die Auto-Spektraldichte, von . Berechnen Sie die Quer Spektraldichte, , zwischen.jpg "/> und . Die Auto-spektralen Dichten und Quer Spektraldichte werden durch Bendat und Piersol ¹⁹ definiert.
23. Berechnen Sie die Übertragungsfunktion als .
24. Berechnen Sie die Kohärenzfunktion als , Wobei das Sternchen repräsentiert die komplex Konjugierte.
25. Entfernen Sie das Referenzmikrofon.
26. Schalten Sie den Lautsprecher und Funktionsgenerator aus.
27. Entfernen Sie den Lautsprecher.

4. Datenerfassung

1. Schalten Sie den Windkanal.
2. Notieren Sie die Zeitreihenspannungsausgang, Des RMP mit dem Datenerfassungssystem. Verwenden Sie eine Abtastfrequenz von 40.000 Hz. Verwenden Sie eine Dauer des Erwerbs von 64 sec.
3. Schalten Sie den Windkanal ab.

5. Datenverarbeitung

1. Berechnen Sie den Schalldruckschwankungen, , Durch das Mikrofon in der RMP gemessen als .
2. Berechnen Sie die Auto-Spektraldichte, , Der Oberflächendruckschwankung als , woher wird die Auto-Spektraldichte des Schwankungsschalldruck durch das Mikrofon in der RMP gemessen .

Ergebnisse

Ergebnisse der Kalibrierung von zwei repräsentativen RMP-Designs sind in diesem Abschnitt dargestellt. Die erste verwendet eine 5,35 cm Primärrohr und das zweite verwendet eine 10,4 cm Primärschlauch. Die ableitende Abschlüsse sind 4,75 m lang für beide RMPs.

Die Kohärenz zwischen den Druckschwankungen durch das Mikrofon gemessen in der RMP und durch das Referenzmikrofon ist in Abbildung 3 dargestellt. D...

Diskussion

The measurement of USP in wind tunnel experiments is needed for many applications related to aeroacoustics and flow-induced vibrations. Compared to existing methods, such as flush-mounted imbedded sensors, PSP, or vibrated membranes, the method described here allows for accurate measurements with a high sensitivity to large-magnitude fluctuation over a wide range of frequencies. More importantly, it also provides a method for USP measurements using a small sensing area that minimizes the spatial averaging effects describ...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Microphone	ACO Pacific (http://www.acopacific.com/)	7016	Used to measure the sound pressure and calibrate the RMP as a reference.
Microphone	Knowles (http://www.knowles.com/eng)	FG-23629-C36	Used to measure the pressure fluctuation as a part of the RMP.
Microbore Tubing	Saint-gobain (http://www.biopharm.saint-gobain.com/en/index.asp)	Tygon ND 100-80	Used to dissipate the sound waves as a dissipation termination.
Hypodermic Tubing	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H21RW	Used to connect the surface tap and allow the surface pressure fluctuation to convect to the microphone in the RMP in the form of sound.
Hypodermic Tubing	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H14H	Used to reduce the dissipative effect and allow the surface pressure fluctuation to convect to the microphone in the RMP in the form of sound.
plexiglass	Plaskolite (http://www.plaskolite.com/)	1X76204A	Used to make cradles which can connect the tubing and the microphone for the RMP.
Data acquisition chassis	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-1006	For data acquisition.
Data acquisition channel	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-4472	For data acquisiton.
Function generator	thinkSRS (http://www.thinksrs.com/)	DS360	To generate white noise signal.
Pistonphone	B&K (http://www.bksv.com/)	4228	To generate sine waves with constant frequency which will be used to calibrate the reference microphone.
Loudspeaker	Mackie (http://www.mackie.com/index.html)	HD1531	Used to convert the electrical white noise signal into sound. It is the sound source for calibrating the RMP.
MatLab	Mathworks (http://www.mathworks.com/)		Used to process experimental data.
LabVIEW	National Instruments (http://www.ni.com/)		Used control the hardware for data acquisition and record the data.