使用远程麦克风探针测量非定常表面压力

本实验方法的总体目标是对浸没在流体流动中的物体表面由湍流引起的压力波动进行高空间分辨率的测量。该方法有助于回答流体力学、气动声学以及流动诱导结构振动领域中的一些关键问题，例如由小尺度湍流运动所引发的非定常表面压力在空间和时间上的特征。远程麦克风探针能够在较宽频率范围内，以相对较高的空间分辨率，提供非定常表面压力场特性的详细信息。

通过构建远程麦克风探头来准备实验。这需要多个组件，其中最主要的是对目标频率敏感的小型麦克风。

其余组件的尺寸取决于探头所需的灵敏度和频率响应。该探头使用一段内径为半毫米的不锈钢管，同时还需一段内径为1.25毫米的软管。

一块定制切割并钻孔的有机玻璃将用作麦克风支架。支架的一端有一个孔，用于固定不锈钢管；在支架的另一端有另一个孔。

它位于同一轴线上，并容纳软管。这两个孔通过有机玻璃连接。顶部有两个同心孔。

较大的外孔用于固定麦克风，较小的内孔用于通向腔体。该横截面为支架的构建提供了参考。

请注意，用于匹配侧孔直径的锥度位于不锈钢管的入口附近。准备好环氧树脂，用于将组件固定到支架上。取来麦克风，将其振膜朝向支架方向定位，并将其安放在指定位置。

就位后，涂抹环氧树脂以固定。接着，将不锈钢管插入先前预留的孔洞中，并用环氧树脂进行固定。以相同方式将软管安装到其指定位置。

在软管的另一端，使用堵头将管子密封。当所有组件都连接到支架上后，该探头即可用于实验。接下来，将注意力转向实验的模型表面。

本演示使用带有预设测量点的平板。在每个测量点处，应有一个垂直于表面的通孔。该孔的外径应与探头中不锈钢管的外径相同。

进行实验时，将模型表面安装在风洞中。接着，取一个麦克风探头，并将其连接至模型表面的测量孔处。从表面后端，将麦克风探头的不锈钢管穿入孔中。

管口应与测量表面平齐。在测量位置的对侧涂抹环氧树脂，以固定管子。将麦克风探头放置到位后，用声学泡沫将其包围，防止寄生噪声污染系统。

接下来，操作探头上的柔软无回声管。将封闭端移出风洞的测试段，并用声学面板将其包围，以隔绝周围环境的影响。

回到探头处，将麦克风连接到低噪声放大器的输入端，该放大器位于风洞的技术舱段外部。接着，转移到风洞外的电子设备区域。低噪声放大器已连接至数据采集系统。

将放大器的增益设置为十。校准远端麦克风探头需要多种设备。在第一阶段，使用一个频率响应独立的高质量参考麦克风，以及活塞发声器。

此外，应使用一个放大器，并将其输出端连接到数据采集系统。将麦克风连接至放大器的输入端，并将输入和输出增益均设置为十分贝。接下来，取用活塞发声器。

将麦克风插入活塞式电话机以进行测量。准备就绪后，打开活塞式电话机。转至数据采集系统，设置数据采集频率和采样数量。

开始采集并保存参考麦克风的电压，以计算校准常数。确定校准常数后，将麦克风从活塞发声器上取下。随后，将麦克风移至模型表面，使用支架将其定位在探针管上方，并确保麦克风垂直于表面，以便测量压力波动。

将麦克风与探头测点的中心对齐，并置于其上方1毫米处。接下来的步骤需要一个带有内置放大器的扬声器，并将其连接至信号发生器。将扬声器安装在模型表面附近，距离麦克风2.5米处。

扬声器应处于关闭状态，且锥体应朝向模型表面。在风洞外部，操作函数发生器。打开函数发生器，使用白噪声选项以提供声学信号。

返回扬声器处，确保放大器的增益处于最低位置。然后打开扬声器，并将其音量调节至尽可能高，但不得造成设备损坏。随后返回数据采集系统。

采集并保存探头麦克风和参考麦克风电压输出的时间序列数据。校准是该实验流程中最关键的步骤。为确保成功，应使用模型预测传递函数，并将其与实验结果进行比较。

此外，使用高质量的设备，包括参考麦克风和高音扬声器。这些图显示了远端麦克风探头和参考麦克风测得的压力波动之间相干性随频率变化的关系。该探头系统的主管长度为 5.35 厘米。

作为对比，该探头的主管长度为10.4厘米。在目标频率范围内，相干性高于0.97。这些图显示了来自相同两个探头的传递函数幅值。

蓝色曲线为实验结果，绿色曲线为理论预测。在大部分频率范围内，动态响应的预测结果均较为准确。

探头的微小偏差可能解释了中高频段的差异。将数据与面移斜率的预测值进行比较，发现预测值略微偏高。这可能是由于管长测量中的微小误差，或温度变化所致。

在此图中，浅灰色区域表示在不同雷诺数下先前测得的表面压力谱数据范围。数据点代表使用远程麦克风探头进行的测量结果。这些测量结果位于已发表文献中报道的测量数据分布范围内。

一旦掌握，若操作得当，单个远场麦克风探头的校准可在五分钟内完成。在进行此操作时，重要的是通过使用不同的扬声器音量重复校准，以获得远场麦克风探头的最高相干性。该技术的发展为研究人员探索复杂流动条件下具有大曲率和有限间距表面的压力脉动特性开辟了道路。

使用产生高音量白噪声的扬声器工作可能极为危险。进行此操作时，切勿忘记采取预防措施，例如佩戴降噪耳机。观看本视频后，您应能够充分理解如何构建、设置并校准远程麦克风探头。