המדידה לחץ Surface בלתי עמיד באמצעות בדיקת מיקרופון מרחוק

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

זרימה מעל משטחים מוביל בדרך כלל יציבות ואת המערבולת לגרום ללחץ משטח לא יציב (USP). Flow-induced צליל ורטט הם בדרך כלל תוצאה ישירה של חוסר יציבות זה. הצליל המוקרן שנוצר על ידי מאווררים, מדחפים, וטורבינות רוח נשלט על ידי מקורות הקשורים USP ^1. מדידות של התכונות במרחב ובזמן של USP בתזרים סוער נדרשות בדרך כלל כדי לחזות את הצליל המוקרן.

האפיון הסטטיסטי של USP ניתן בדרך כלל בצורה של צפיפות אוטומטית רפאים, שתי נקודות צולבות ספקטרלי צפיפויות, ופונקציות קורלציה מרחבית ^{2, 3.} התגובה בתדירות הנדרשת יכול להשתנות בהתאם ליישום. ביישומי מנהרה רבים רוח, תגובה של 10 קילוהרץ עד 20 קילוהרץ מספיקה. המאזניים הקטנים של תנועה טורבולנטית לעתים קרובות דורשים באזורי חישת חיישן הריווח להיות פחות מ -1 מ"מ.

exte nsive מחקרי ניסויים שנערכו על מנת לקבל תנודות לחץ נגרם מערבולת. שיטה ישירה משתמש בחיישני מוטבעים רכוב סומק. שיטה זו לעתים קרובות מעסיקה מערכים גדולים של מיקרופונים, כי כל חיישן יכול למדוד את תנודות לחץ רק בשלב נפרד אחד. חיישנים אופייניים מנוצלים בשיטה זו הם מתמר פיזואלקטריים, שהוצע על ידי Gautschi ^4. מערכים של חיישנים פיזואלקטריים יכול להיות יקר, ואת טווח תדרים של מדידה הוא לעתים קרובות פחות מ -10 קילו-הרץ.

משטח רכוב ישירים מיקרופונים משמשים לעתים קרובות כמו חיישני USP הזול ^5. יש מיקרופונים רגישים גבוהה, שהינה תועלת מהותית תזרים במהירות נמוכה. עם זאת, זה מוביל גם את הסיכון של רווית חיישן כאשר תנודות משרעת גדולות בלחץ נוכחות. שיטה זו אינה מתאימה משטחים עם עקמומיות גדולה, שיבושים, או גיאומטריות כי הם דקים מלהכיל את החיישן כולו.

= "jove_content"> שיטה עקיפה לזכות בשני מידע ספקטרלי ומרחבית הוא להשתמש קרומים דקים סומק רכוב על גבי משטח ^6. בקשות רטט הזמן- ומרחב תלוי נמדדות מומרות משטח סטטיסטיקה לחץ באמצעות תכונות מכאניות ידועות של הממברנה. שיטה זו דורשת תכנון זהיר, יישום, כיול מדויק של התגובה הדינמית של הממברנה. בנוסף, ציוד מדידה רטט, כגון רטט לייזר דופלר, הם יקרים. לבסוף, שיטה זו יכולה להיות מיושמת רק על משטחים שטוחים.

רגיש ללחץ צבע (PSP) היא טכניקה נוספת שיכולה לשמש למדידת הלחץ משטח לא יציב. טכניקה זו דורשת המשטחים להיות מצופים בקלסר פולימר שקופה, הגורמת מולקולות בתוך להתרגש למצב אנרגיה גבוה יותר כפי שהם מוארים על ידי אור באורך גל מסוים. ככל שמולקולות לעבור מרווה חמצן, אנרגיה הוא מחדשמושכר כאור בשיעור יחסי הלחץ החלקי של החמצן, וכתוצאה מכך ההארה כי הוא ביחס הפוך ללחץ המשטח ^7. החיסרון העיקרי לשיטות PSP הוא רגישות נמוכה יחסית של מדידה בהשוואה מיקרופונים. זה מגביל את היישום של PSP כדי יחסית תזרים במהירות גבוהה.

התקשורת הנוכחית מתארת ​​שיטה USP המשתמשת בדיקת מיקרופון מרחוק (RMP). שיטה זו תוארה לראשונה על ידי אנגלונד וריצ'רדס ^8. המושג משתמש מיקרופון זעיר סטנדרטי המחובר לברז לחץ שטח עם צינור חלול. הלחץ היציב על פני שטח המודל יטייל לתוך הצינורות בצורה גל קול. מעשי הצינורות בתור "גל-מדריך" כדי לאפשר את המיקרופון, אשר מותקן בניצב הצינורות, כדי למדוד את גלי קול. הגלים ואז להמשיך לתוך צינור אחר זה מספיק זמן כדי לחסל r אקוסטי גדול משרעתeflections.

אנגלונד וריצ'רדס להחיל בגישה אנליטית שהתוותה ברג ו Tijdeman ⁹ כדי לקבוע את התגובה הדינמית של המשטרה הצבאית. Perrenes ורוג'ר ¹⁰ ולנצל RMP למדידת לחץ משטח פני כנף דו מימדי עם התקנים גבוהה מעלית. הם פיתחו בדיקה עם צינור נימי בקוטר 0.5 מ"מ על פני השטח שהיה קשור צינור נוקשה-ארוך 27 ס"מ שהרחיבו מ 0.7 מ"מ עד 2.5 מ"מ באמצעות שני שינויים צעד נפרדים. כל שינוי צעד גרם לשינוי גדול יחסית עכבה אקוסטית של הצינור. לקלרק Bohineust ¹¹ למדו בתחום לחץ הקיר מתחת שכבת גבול סוערת. הם השתמשו RMP קבוע בקוטר, כפי שהוצע על ידי Franzoni ואליוט ^12. עם זאת, התגובה הדינמית הייתה גבוהה מספיק רק בתחום תדרים מוגבל. Arguillat et al. ¹³ עיצב RMP ללמוד הרעש שמשודר הפנים של תא הרכב. הם בדקוצינורות שונים לנהל את תנודות לחץ אל המיקרופונים. יאנג et al. ¹⁴ תקן את עיוות הצינורות באמצעות גישת פונקצית צינורות העברת דומה לשיטה הציגה בדוח זה. Hoarau et al. ¹⁵ בחנו את עקבות לחץ הקיר במורד הזרם של אזור מופרד. RMPs שהם תכננו היו בקטרים ​​בתוך מתמיד, ואת הצינורות היו בלתי נוקשים לחלוטין.

על פי מחקרים קודמים, את הדיוק של מדידות לחצו משטח שהושג באמצעות RMPs תלוי בעיקר על קביעת פונקצית התמסורת תלויה בתדירות של החללית המתייחס לחץ השטח ללחץ המיקרופון. הסעיפים הבאים יתארו גיאומטריה RMP הוא כי הוא פשוט ויעיל. שיטות ניסיוניות ואנליטית תושקינה ומאומתות על מנת לקבוע את התגובה הדינמית מדויק של RMP. המודל האנליטי מאפשר עבור RMP להיות optimized בשלב התכנון עבור מגוון רחב של יישומים פוטנציאליים.

RMPs ניתן להשתמש כדי למדוד תנודות לחץ על פני טווח רחב של תדרים. רזולוציה מרחבית גבוהה יחסית יכול להציע מידע מפורט על מאפייני השדה הלחץ יציב-מופץ מרחבית ^16. כמו החללית היא קטנה, יכול להיות מנוצל RMPs למדוד תנודות לחצו על גיאומטריות מורכבות, כגון עקמומיות גדולה או ¹⁷ מרווח מצומצם. בנוסף, הצינור המחבר את ברז שטח ואת חיישן המיקרופון יכול להפחית את עוצמת תנודות לחץ מושרה ליד המיקרופון. לפיכך, תכנון נכון של גיאומטרית חיישן RMP ופרמטרים מניב שיטה לקבלת מאפייני USP כי הם פחות מגבילים בהשוואה לשטוף התקנת המיקרופון ישירות על פני המודל.

מבנה מבנה RMPThe הכללי של המשטרה הצבאית מוצג באיור 1 . המשטרה הצבאית מורכבת צינור אחד מובילים מפני שטח המודל לאגף התרחבות צינור שני המשתרע סעיף ההתפשטות עד "ערש". צינור שלישי קשור אז לשמש סיום anechoic. העריסה היא מרכיב פלסטיק במכונה המשמשים לדיור המיקרופון ואת קשרי הצינור. הפרטים של מבנה RMP יכולים להיות מותאמים עבור תנאי ניסויים שונים. מטרת הצינור השני, גדול-קוטר היא לאפשר את המיקרופון מגושם יחסית והתושבת להציב נוספת מנקודת המדידה USP מבלי להקטין את רגישות המדידה באופן משמעותי. צינור שני זה יכול להתבטל אם זה לא הכרחי, ואת סעיף ההרחבה ניתן לבנות בעריסה. סיומו anechoic היה עשוי מפלסטיק רך כי היה כ 2 עד 3 מ 'אורך.

להדגמה זו, העיצוב של RMP היה מותאם למדידת תנודות לחץ שטח תחת TURBulent שכבת הגבול בלי הפרש לחצים streamwise, כפי שמוצג באיור 2. חוסל הצינור השני. ההשפעות של שני אורכים שונים של הצינור הראשון נצפו. הצינור הראשון נבנה נירוסטה בקוטר פנימי של 0.5 מ"מ ו קוטר חיצוני של 0.81 מ"מ. האורכים של הצינור הראשון היו 5.35 ו 10.40 סנטימטר, בהתאמה. הקוטר הפנימי של המפרצון של הסעיף הרחב, אשר התאגד לתוך התושבת, היה 0.5 מ"מ, ואת הקוטר הפנימי של היציאה היה 1.25 מ"מ, אשר היה זהה לקוטר הפנימי של סיום הפיזור. הזווית של סעיף ההתרחבות 7 °. היה חור בתושבת בקוטר 1.25 מ"מ על מנת חלק לחבר את הסעיף הרחב עם סיום anechoic. אזור החישה חובר אל חור 1.25 מ"מ דרך חור בניצב 0.75 מ"מ.

Protocol

1. הכנת ניסויים

1. בחר מיקרופון נכון לבנות המשטרה הצבאית. השתמש טווח תדרים של המיקרופון בתוך טווח התדרים של עניין.
   הערה: בניסוי זה, כתוצאה מתנודות בלחצים בין 100 ל -10,000 הרץ הן בעלי העניין. טווח תדירות המדידה של במיקרופון שנבחר הוא בין 100 ל -10,000 הרץ. גודלו של המיקרופון צריך להיות קטן ככל האפשר, אם כי אין קריטריונים ספציפיים בהתאם לגודל.
2. להעריך את התגובה הרגישה ותדירות של מערכת RMP באמצעות השיטה אנליטית מתוארת בתוספת. התאם את התגובה הרגישה ותדירות של RMP על ידי שינוי הממדים של הצינורות והמבנים.
3. השתמש Dremel לחתוך את צינור נירוסטה 0.5 מ"מ פנימי בקוטר לתוך חתיכה ארוכה 5.25 ס"מ.
4. עם מספריים, לחתוך את הצינור רך 1.25 מ"מ פנימי בקוטר לתוך חתיכת 4.75 מ 'אורך.
5. השתמש מכונת טחינה לחתוך פיסת פרספקס לתוךקוביות. אורך, רוחב, וגובה של קוביות צריך להיות 2.54 ס"מ, 1.27 ס"מ, ו 1.27 ס"מ, בהתאמה.
6. לקדוח חורים עם 0.81, 2, 2.56, ו 0.76 בקטרים מ"מ על ערש פרספקס, כפי שמוצג באיור 2.
7. השתמש מקדח מחט כדי להרחיב את המדור להתחדד של תושבת פרספקס, כפי שמוצג באיור 2.
8. תראה את רגישות המיקרופון במדריך המסופק על ידי היצרן, או לכייל את המיקרופון בשיטה הציגה ידי וונג ^18.
9. סיאט המיקרופון לתוך תושבת פרספקס, כפי שמוצג באיור 2, ולתקן את המיקרופון באמצעות אפוקסי.
10. חברו את צינור נירוסטה ואת צינור רך לערש פרספקס ולתקן אותן עם אפוקסי.
11. לקדוח חור בקוטר 0.81 מ"מ בניצב למשטח המודל במיקום מדידה.

הגדרת ניסוי 2.

1. סומק הר צינורות הנירוסטה העיקרי שלחיישני RMP אל פני שטח המודל ולהוסיף אפוקסי לתקן את צינורות נירוסטה אל פני שטח מודל ההפך, כפי שמוצג באיור 2.
2. הקף את RMP עם קצף אקוסטי על מנת למנוע רעש טפיל מ מזהם את המערכת.
3. כביש כל החיווט החשמלי מתוך הסעיף במבחן המנהרה.
4. נתב את צינור anechoic הרך מתוך הסעיף במבחן המנהרה.
5. חבר את הקצה של הצינור anechoic רך מתמר הלחץ כדי להשיג מדידות של לחץ סטטי הממוצע בו זמנית עם הלחץ לא יציב.
6. חבר את RMP למערכת הרכשת מגבר ונתוני רעש נמוך.
7. הגדר את גורם הרווח של המגבר עד 10. שימו לב כי הערך של גורם הרווח ניתן לשנות ממקרה למקרה.

כיול 3.

1. בחר מיקרופון הפניה כי הוא באיכות גבוהה ויש לו רגישות עצמאית בתדר.
2. חבר את המיקרו ההפניהטלפון לכניסה של מגבר ולחבר את הפלט של המגבר אל המערכת לאיסוף וניתוח נתונים.
3. גדר הוא רווח קלט רווח תפוקה של המגבר עד 10 dB. ראוי לציין, כי גורם הרווח יכול להיות מגוון בתנאי מדידה שונים.
4. הכנס את מיקרופון ההפניה לתוך pistonphone, כפי שמוצג באיור המשלים.
5. הפעל את pistonphone.
6. הגדר את תדירות הרכישה ל -4,000 הרץ.
7. הגדר את מספר דגימות 240,000.
8. רוכש ולשמור את פלט המתח ממיקרופון ההתייחסות.
9. חשבתי את קבוע הכיול של מיקרופון ההתייחסות. הקבוע כיול, _נ"צ C, הוא היחס בין סטיית התקן של לחץ קול-מיוצר pistonphone לסטיית התקן של פלט מתח של המיקרופון התייחסות.
10. חזור על תהליך הכיול (שלבי 3.8 ו -3.9) מספר פעמים. השתמש הערך הממוצע, _נ"צ C, כפי שקבוע הכיול.
11. הצב את המיקרופון התייחסות בניצב למשטח מוצק שעליו תנודות הלחץ נמדד, כפי שמוצג באיור 1.
12. יישר למרכז מיקרופון ההתייחסות עם ברז RMP. השתמש מרחק בין מיקרופון התייחסות ברז RMP של 1 מ"מ.
13. מניחים את הרמקול בסמיכות למודל הבדיקה. השתמש מרחק בין הרמקול והמיקרופון של 2.5 מ 'עבור מדידות אלה.
14. חבר את הרמקול לגנרטור פונקציה ולהדליק את מחולל פונקציה.
15. השתמש באפשרות "רעש לבן" של מחולל הפונקציה לספק את הצליל האקוסטי הרצוי ולהגדיר את השורש ממוצע מתח מרובע, V _rms, ל -0.4 V.
16. כוון את עוצמת הקול של הרמקול עד למינימום.
17. הפעל את הרמקול.
18. כוון את עוצמת הקול של המגבר ברמקול גבוה ככל האפשר מבלי לפגוע הדובר. שים לב כי יש רוב הדוברים נורית חיווי להזהיר הדואר המשתמש אם משרעת הפלט הוא מעל טווח הדובר.
19. רוכש ולשמור נתונים בזמן סדרה מן יציאות מתח של שני מיקרופון ההפניה ואת RMP באמצעות תדר סריקה של 40,000 הרץ למשך 60 שניות.
20. לחשב את הערכים של סדרות עתיות של תנודות לחץ קול, אשר מופק על ידי מחולל הרמקול ותפקוד ונמדד על ידי המיקרופון התייחסות. זה פשוט התוצר של פלט המתח בזמן סדרה ממיקרופון ההתייחסות, , והכיול מתמיד, ; . ראוי לציין, כי לחץ קול בזמן הסדרה, גם, הוא תנודות לחץ ליד הברז של RMP.
21. לחשב את תנודות לחץ קול-סדרת זמן שהיא נמדדת על ידי המיקרופון א RMP זה התוצר של פלט המתח בזמן הסדרה מן RMP, , ואת רגישות המיקרופון, ; . ראוי לציין, כי רגישות המיקרופון, צריך להינתן, על ידי היצרן.
22. לחשב את הצפיפות האוטומטית רפאים, , של . לחשב את הצפיפות האוטומטית רפאים, , של . לחשב את צפיפות צולבות רפאים, , בין .jpg "/> ו . הצפיפויות-ספקטרלי אוטומטי צולבות ספקטרלי הצפיפות מוגדרות על ידי Bendat ו Piersol ^19.
23. לחשב את פונקציית ההעברה .
24. לחשב את פונקציית קוהרנטיות כמו , שבו כוכבית מייצג המצומד המורכב.
25. הסר את מיקרופון ההתייחסות.
26. כבה את הגנרטור הרמקול ותפקוד.
27. הסר את הרמקול.

4. קליטת נתונים

1. הפעל את מנהרת הרוח.
2. להקליט את פלט המתח בזמן סדרה, , של המשטרה הצבאית עם מערכת לאיסוף וניתוח נתונים. השתמש תדירות סריקה של 40,000 הרץ. השתמש משך רכישת 64 שניות.
3. כבה את מנהרת הרוח.

s = "jove_title"> 5. עיבוד נתונים

1. לחשב את תנודות לחץ קול, הנמדד על ידי מיקרופון RMP כמו .
2. לחשב את הצפיפות האוטומטית רפאים, , של תנודות לחץ שטח כמו , איפה נמדדת האוטומטית ספקטרלי הצפיפות של תנודות לחץ קול על ידי מיקרופון RMP .

תוצאות

תוצאות כיול משני עיצובי נציג RMP מוצגות בסעיף זה. הראשון משמש צינור 5.35 סנטימטר עיקרי, והשני משמש צינור עיקרי 10.4 סנטימטר. מהפסקות כושר פיזור הם 4.75 מ 'אורך לשני RMPs.

הקוהרנטיות בין תנודות הלחץ נמדד...

Discussion

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...

Materials

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.