La misurazione della pressione instabile superficie utilizzando una sonda microfono remoto

Riepilogo

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.

Introduzione

Il flusso del fluido su superfici in genere porta a instabilità e turbolenza che si traducono in pressione superficiale instabile (USP). suono indotto dal flusso e le vibrazioni sono spesso il risultato diretto di questa instabilità. Il suono irradiato generato da ventole di raffreddamento, eliche, turbine eoliche e sono dominati da fonti legate alla USP ^1. Le misurazioni delle caratteristiche spaziali e temporali di USP nei flussi turbolenti sono generalmente richiesti al fine di prevedere il suono irradiato.

La caratterizzazione statistica di USP viene indicata generalmente in forma di densità automatica-spettrale, due punti densità cross-spettrali, e funzioni di correlazione spaziale ^{2, 3.} La risposta in frequenza richiesto può variare a seconda dell'applicazione. In molte applicazioni in galleria del vento, una risposta di 10 kHz a 20 kHz è sufficiente. Le piccole scale di moto turbolento spesso richiedono aree di rilevamento ed il sensore spaziatura essere inferiore a 1 mm.

Extestudi sperimentali nsive sono stati condotti per ottenere fluttuazioni di pressione turbolenza indotta. Un metodo diretto utilizza sensori incorporati incasso. Questo metodo utilizza spesso grandi array di microfoni, perché ogni sensore può misurare solo la fluttuazione della pressione in un punto discreto. Sensori tipici utilizzati in questo metodo sono trasduttori piezoelettrici, suggerite da Gautschi ^4. Array di sensori piezoelettrici possono essere costosi, e la gamma di frequenza di misura è spesso inferiore a 10 kHz.

Microfoni diretti a plafone sono spesso utilizzati come sensori economico USP ^5. Microfoni hanno alta sensibilità, che è un vantaggio sostanziale per i flussi a bassa velocità. Tuttavia, ciò comporta anche il rischio di saturazione del sensore quando grandi fluttuazioni di ampiezza della pressione sono presenti. Questo metodo non è adatto per superfici di grandi curvature, discontinuità, o geometrie che sono troppo sottili per contenere l'intero sensore.

Un metodo indiretto per ottenere informazioni sia spettrale e spaziale è di utilizzare sottili membrane da incasso per una superficie di ^6. I movimenti vibrazioni accelerano e spazio-dipendenti sono misurati e poi convertiti in superficie statistiche pressione utilizzando note proprietà meccaniche della membrana. Questo metodo richiede un'attenta progettazione, l'implementazione e la calibrazione accurata della risposta dinamica della membrana. Inoltre, l'apparecchiatura di misura vibrazioni, come vibrometri Doppler laser, sono costosi. Infine, questo metodo può essere applicato solo su superfici piane.

Sensibile alla pressione della vernice (PSP) è un'altra tecnica che può essere utilizzato per misurare la pressione superficiale instabile. Questa tecnica richiede che le superfici da verniciare in un legante polimerico trasparente, che provoca le molecole all'interno di essere eccitato ad uno stato energetico superiore come vengono illuminate con luce di una specifica lunghezza d'onda. Come le molecole subiscono tempra di ossigeno, l'energia è relocazione come luce ad una velocità proporzionale alla pressione parziale di ossigeno, con conseguente luminescenza che è inversamente proporzionale alla pressione superficiale ^7. Il principale svantaggio di metodi PSP è relativamente bassa sensibilità della misura rispetto ai microfoni. Questo limita l'applicazione di PSP relativamente flussi ad alta velocità.

La presente comunicazione descrive un metodo per USP che utilizza una sonda microfono a distanza (RMP). Questo metodo è stato descritto da Englund e Richards ^8. Il concetto utilizza un microfono miniatura standard che è collegato alla presa di pressione superficie con un tubo cavo. La pressione instabile alla superficie del modello viaggerà nel tubo sotto forma di onde sonore. Gli atti tubi come "guida d'onda" per consentire il microfono, che è montato perpendicolarmente al tubo, per misurare le onde sonore. Le onde poi continuano in un altro tubo che è insufficiente per eliminare r acustica grande ampiezzaeflections.

Englund e Richards applicato un approccio analitico delineato da Bergh e Tijdeman ⁹ per determinare la risposta dinamica del RMP. Perrenes e Roger ¹⁰ utilizzati un RMP per misurare la pressione superficiale su un profilo aerodinamico bidimensionale dispositivi high-lift. Hanno sviluppato una sonda con un tubo capillare 0,5 mm di diametro in corrispondenza della superficie che è stato collegato ad un 27-cm lungo tubo rigido che si è espansa da 0,7 mm a 2,5 mm tramite due variazioni a gradino separati. Ogni gradino causato un cambiamento relativamente grande di impedenza acustica del tubo. Leclercq e Bohineust ¹¹ hanno studiato il campo di pressione parete sotto uno strato limite turbolento. Hanno usato un RMP diametro costante, come suggerito da Franzoni e Elliott ^12. Tuttavia, la risposta dinamica era abbastanza alto solo in una gamma di frequenza limitata. Arguillat et al. ¹³ progettato un RMP per studiare il rumore trasmesso all'interno di un vano del veicolo. Hanno testatovari tubi di condurre la fluttuazione di pressione ai microfoni. Yang et al. ¹⁴ corretta per la distorsione tubo utilizzando un approccio di funzione di trasferimento tubazione che è simile al metodo presentato in questa relazione. Hoarau et al. ¹⁵ hanno studiato la parete traccia pressione a valle di una regione separata. Le RMP che hanno progettato avevano diametri interni costanti, e il tubo è stato interamente non rigido.

Secondo studi precedenti, l'accuratezza delle misurazioni della pressione di superficie ottenuti utilizzando RMP dipende principalmente sulla determinazione della funzione di trasferimento dipendente dalla frequenza della sonda che riguarda la pressione superficiale alla pressione microfono. Le sezioni seguenti descrivono una geometria RMP che è allo stesso tempo semplice ed efficace. Metodi sperimentali ed analitici saranno introdotti e validati per determinare con precisione la risposta dinamica del RMP. Il modello analitico consente un RMP per essere optimized in fase di progettazione per un potenzialmente un'ampia gamma di applicazioni.

RMP può essere utilizzato per misurare variazioni di pressione in un ampio intervallo di frequenze. La risoluzione spaziale relativamente alto grado di offrire informazioni dettagliate sulle caratteristiche del campo di pressione instabile spazialmente distribuiti ^16. Poiché la sonda è piccola, RMP possono essere utilizzati per misurare variazioni di pressione oltre geometrie complesse, quali grandi curvature o spaziatura limitata ^17. Inoltre, il tubo di collegamento rubinetto superficie e il sensore microfono può ridurre l'ampiezza della fluttuazione della pressione indotta al microfono. Così, la corretta progettazione di RMP geometria del sensore e parametri produce un metodo per ottenere caratteristiche di USP che sono significativamente meno restrittivi rispetto ad incasso il microfono direttamente sulla superficie del modello.

Struttura della struttura generale RMPThe del RMP è mostrato in Figura 1 . Il RMP costituito da un tubo che conduce dalla superficie del modello ad una sezione di espansione ed un secondo tubo che si estende dalla sezione di espansione ad una "culla". Un terzo tubo viene quindi collegato ad agire come una terminazione anecoica. La culla è un componente in plastica lavorata utilizzati per ospitare il microfono e le connessioni dei tubi. I dettagli della struttura RMP può essere regolata per varie condizioni sperimentali. Lo scopo del secondo tubo di maggior diametro è di consentire il microfono relativamente ingombrante e culla da collocare ulteriormente dal punto di misurazione USP senza ridurre significativamente la sensibilità di misura. Questo secondo tubo può essere eliminato se non è necessario, e la sezione di espansione può essere costruita nella culla. La terminazione anecoica è fatto di plastica morbida che è stato di circa 2 a 3 m di lunghezza.

Per questa dimostrazione, il disegno del RMP è stato ottimizzato per la misurazione di variazioni di pressione superficiale sotto un turbulent strato limite senza un gradiente di pressione streamwise, come mostrato in Figura 2. Il secondo tubo è stato eliminato. sono stati osservati Gli effetti dei due differenti lunghezze del primo tubo. Il primo tubo è stato costruito da acciaio inossidabile con un diametro interno di 0,5 mm e un diametro esterno di 0,81 mm. Le lunghezze del primo tubo erano 5,35 e 10,40 cm, rispettivamente. Il diametro interno della bocca della sezione di espansione, che è stato accolto nella base, era di 0,5 mm e il diametro interno della uscita era 1,25 millimetri, che era identico al diametro interno della terminazione dissipazione. L'angolo della sezione di espansione è 7 °. C'era un buco nella culla di diametro 1,25 millimetri per collegare agevolmente sezione di espansione con la terminazione anecoica. La zona di rilevamento è collegato al foro 1,25 millimetri attraverso un foro perpendicolare 0,75 millimetri.

Protocollo

1. Preparazione di esperimenti

1. Selezionare un microfono per costruire le RMP. Utilizzare un intervallo di frequenza del microfono all'interno della gamma di frequenza di interesse.
   NOTA: In questo esperimento, le fluttuazioni di pressione tra 100 e 10.000 Hz sono di interesse. La gamma di frequenza di misura del microfono selezionato è da 100 a 10.000 Hz. La dimensione del microfono deve essere il più piccolo possibile, anche se non esistono criteri specifici per il formato.
2. Stimare la risposta sensibilità e la frequenza del sistema RMP utilizzando il metodo analitico descritto in appendice. Regolare la sensibilità di risposta e la frequenza del RMP variando le dimensioni dei tubi e delle strutture.
3. Utilizzare un Dremel per tagliare il tubo di acciaio inox interno di diametro 0,5 millimetri in un lungo pezzo 5,25 cm.
4. Con le forbici, tagliare il interno-diametro del tubo morbido 1,25 mm in un pezzo lunga 4,75 m.
5. Utilizzare una fresatrice per tagliare un pezzo di plexiglas in uncuboide. La lunghezza, la larghezza e l'altezza del parallelepipedo dovrebbe essere 2,54 cm, 1,27 cm e 1,27 cm rispettivamente.
6. Fori con 0,81, 2, 2,56 e 0,76 mm di diametro sul supporto in plexiglas, come illustrato nella figura 2.
7. Utilizzare un trapano ago per rendere la sezione conica della culla plexiglas, come mostrato nella Figura 2.
8. Cercare la sensibilità del microfono nel manuale fornito dal produttore, o calibrare il microfono con il metodo introdotto da Wong ^18.
9. Sedile il microfono nella base plexiglas, come mostrato nella Figura 2, e fissare il microfono con resina epossidica.
10. Collegare il tubo di acciaio inox e il tubo morbido per la culla in plexiglas e fissarli con resina epossidica.
11. Eseguire un foro di diametro 0,81 millimetri perpendicolarmente alla superficie del modello nella posizione di misura.

Setup 2. Esperimento

1. Lavare montare i tubi in acciaio inox primarie delSensori RMP alla superficie del modello e aggiungere epossidica per fissare i tubi in acciaio inox alla superficie del modello opposta, come mostrato in Figura 2.
2. Circondano il RMP con schiuma acustica per evitare rumore parassita di contaminare il sistema.
3. Percorso tutti i cablaggi elettrici fuori dalla sezione di prova della galleria.
4. Far passare il tubo anecoica morbida dalla sezione di prova della galleria.
5. Collegare l'estremità del tubo anecoica morbido per un trasduttore di pressione per ottenere misurazioni della pressione statica media contemporaneamente alla pressione instabile.
6. Collegare il RMP ad un sistema di acquisizione amplificatore a basso rumore e di dati.
7. Impostare il fattore di guadagno dell'amplificatore a 10. Si noti che il valore del fattore di guadagno può essere cambiata da caso a caso.

3. Calibrazione

1. Selezionare un microfono di riferimento che è di alta qualità ed ha una sensibilità indipendente dalla frequenza.
2. Collegare il micro di riferimentotelefono all'ingresso di un amplificatore e collegare l'uscita dell'amplificatore al sistema di acquisizione dati.
3. Impostare sia il guadagno di ingresso e di uscita dell'amplificatore a 10 dB. Si noti che il fattore di guadagno può essere variato in diverse condizioni di misurazione.
4. Inserire il microfono di riferimento in un pistonofono, come mostrato in figura complementare.
5. Accendere il pistonofono.
6. Impostare la frequenza di acquisizione di 4.000 Hz.
7. Impostare il numero di campioni da 240.000.
8. Acquisire e salvare la tensione di uscita dal microfono di riferimento.
9. Calcolare la costante di calibrazione del microfono di riferimento. La costante di calibrazione, C _ref, è il rapporto tra la deviazione standard della pressione sonora pistonofono-prodotti alla deviazione standard della tensione di uscita del microfono di riferimento.
10. Ripetere il processo di calibrazione (passi 3.8 e 3.9) più volte. Utilizzare il valore medio, C _ref, come la costante di calibrazione.
11. Posizionare il microfono di riferimento perpendicolarmente alla superficie solida su cui è misurata la fluttuazione di pressione, come mostrato in Figura 1.
12. Allineare il centro del microfono di riferimento con il rubinetto RMP. Utilizzare una distanza tra il microfono di riferimento e il rubinetto RMP di 1 mm.
13. Posizionare il diffusore in prossimità del modello di prova. Utilizzare una distanza tra l'altoparlante e il microfono di 2,5 m per tali misurazioni.
14. Collegare l'altoparlante ad un generatore di funzione e attivare il generatore di funzioni.
15. Utilizzare l'opzione "rumore bianco" del generatore di funzioni per fornire il segnale acustico desiderato e impostare la radice della media tensione quadrata, V _rms, a 0,4 V.
16. Regolare il volume dell'altoparlante al minimo.
17. Attivare l'altoparlante.
18. Regolare il volume dell'amplificatore dell'altoparlante più alto possibile senza danneggiare il diffusore. Si noti che la maggior parte degli altoparlanti hanno un indicatore luminoso per avvertire °e utente se l'ampiezza di uscita è superiore al range altoparlante.
19. Acquisire e salvare dati in serie dalle uscite di tensione sia il microfono di riferimento e il RMP utilizzando una frequenza di scansione di 40.000 Hz per 60 sec.
20. Calcolare i valori di serie temporali della fluttuazione di pressione sonora, che è generato dal generatore diffusore e la funzione e misurato dal microfono di riferimento. Questo è semplicemente il prodotto della tensione di uscita serie temporale dal microfono di riferimento, , E costante la taratura, ; . Si noti che la pressione sonora serie temporale, , È anche la fluttuazione della pressione al rubinetto del RMP.
21. Calcolare il tempo di serie fluttuazione della pressione sonora misurato dal microfono in un RMP s il prodotto della tensione di uscita serie temporale dal RMP, , E la sensibilità del microfono, ; . Si noti che la sensibilità del microfono, , Deve essere fornito dal produttore.
22. Si calcoli la densità di auto-spettrale, , di . Si calcoli la densità di auto-spettrale, , di . Si calcoli la densità cross-spettrale, , fra.jpg "/> e . Le densità di auto-spettrale e densità di cross-spettrali sono definite da Bendat e Piersol ^19.
23. Calcolare la funzione di trasferimento come .
24. Calcolare la funzione di coerenza come , Dove l'asterisco rappresenta il complesso coniugato.
25. Rimuovere il microfono di riferimento.
26. Spegnere il generatore di altoparlante e la funzione.
27. Rimuovere l'altoparlante.

4. Acquisizione dati

1. Accendere la galleria del vento.
2. Registrare la tensione di uscita serie temporale, , Del RMP con il sistema di acquisizione dati. Utilizzare una frequenza di scansione di 40.000 Hz. Utilizzare una durata di acquisizione di 64 sec.
3. Spegnere la galleria del vento.

5. Elaborazione dati

1. Calcolare la fluttuazione di pressione sonora, , Misurato dal microfono nella RMP come .
2. Si calcoli la densità di auto-spettrale, , Della fluttuazione di pressione superficie come , dove è la densità di auto-spettrale della fluttuazione della pressione sonora misurato dal microfono nel RMP .

Risultati

I risultati della taratura da due disegni rappresentativi RMP sono mostrati in questa sezione. Il primo usato un tubo primario 5,35 cm, e la seconda usato un tubo primario 10,4 cm. Le terminazioni dissipative sono 4,75 m di lunghezza per entrambi RMP.

La coerenza tra le fluttuazioni di pressione misurati dal microfono in RMP e dal microfono di riferimento è mostrato nella figura 3. I dati mostrano un valore c...

Discussione

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...

Materiali

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.