Name: 非定常表面压力的使用远程麦克风探头测量 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 53 s
Description: 学习使用远程麦克风探头测量湍流诱导的非定常表面压力，获取高空间分辨率数据。该方法通过构建探头并确定其频率相关传递函数，帮助研究人员深入分析流体动力学和空气声学中的压力波动特性。

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本研究得益于美国海军研究办公室资助（资助号：N000141210337）、Deborah Nalchajian 和 Ronald Joslin 的支持。

1. 实验准备

<ol>
	<li>选择合适的麦克风以构建RMP。麦克风的频率范围应处于目标频率范围内。 
	注意：本实验中关注的压强波动频率范围为100至10,000 Hz。所选麦克风的测量频率范围为100至10,000 Hz。麦克风的尺寸应尽可能小，尽管对尺寸并无具体标准。</li>
	<li>使用附录中所述的分析方法估算RMP系统的灵敏度和频率响应。通过改变管路和结构的尺寸来调节RMP的灵敏度和频率响应。</li>
	<li>使用Dremel工具将内径为0.5 mm的不锈钢管切割成5.25 cm长的一段。</li>
	<li>用剪刀将内径为1.25 mm的软管剪成4.75 m长的一段。</li>
	<li>使用铣床将一块有机玻璃（Plexiglas）切割成一个长方体。该长方体的长度、宽度和高度应分别为2.54 cm、1.27 cm和1.27 cm。</li>
	<li>在有机玻璃支架上钻出直径分别为0.81 mm、2 mm、2.56 mm和0.76 mm的孔，如图2所示。</li>
	<li>使用针钻在有机玻璃支架上加工出锥形部分，如图2所示。</li>
	<li>查阅制造商提供的手册以获取麦克风的灵敏度，或使用Wong18介绍的方法对麦克风进行校准。</li>
	<li>将麦克风安装到有机玻璃支架中，如图2所示，并使用环氧树脂固定麦克风。</li>
	<li>将不锈钢管和软管连接至有机玻璃支架，并用环氧树脂固定。</li>
	<li>在测量位置处，垂直于模型表面钻一个直径为0.81 mm的孔。</li>
</ol>
2. 实验设置
<ol>
	<li>将RMP传感器的主不锈钢管齐平安装在模型表面，并添加环氧树脂将不锈钢管固定在模型的另一侧表面，如图2所示。</li>
	<li>在RMP周围包裹吸声泡沫，以防止寄生噪声污染系统。</li>
	<li>将所有电气线路从风洞试验段引出。</li>
	<li>将柔性消声管从风洞试验段引出。</li>
	<li>将柔性消声管末端连接至压力传感器，以便与非定常压力同时获取平均静压的测量数据。</li>
	<li>将RMP连接至低噪声放大器和数据采集系统。</li>
	<li>将放大器的增益系数设为10。注意，增益系数的数值可根据不同情况调整。</li>
</ol>
3. 校准
<ol>
	<li>选择一个高质量且具有频率无关灵敏度的参考麦克风。</li>
	<li>将参考麦克风连接到放大器的输入端，并将放大器的输出端连接到数据采集系统。</li>
	<li>将放大器的输入增益和输出增益均设置为 10 dB。请注意，增益因子可根据不同的测量条件进行调整。</li>
	<li>将参考麦克风插入活塞发声器中，如补充图所示。</li>
	<li>打开活塞发声器。</li>
	<li>将采样频率设置为 4,000 Hz。</li>
	<li>将采样点数设置为 240,000。</li>
	<li>采集并保存参考麦克风的电压输出。</li>
	<li>计算参考麦克风的校准常数。校准常数 Cref 是活塞发声器产生的声压标准差与参考麦克风电压输出标准差的比值。</li>
	<li>重复校准过程（步骤 3.8 和 3.9）多次，取平均值 Cref 作为校准常数。</li>
	<li>将参考麦克风垂直放置于用于测量压力波动的固体表面之上，如 图 1 所示。</li>
	<li>使参考麦克风的中心与 RMP 测点对齐，参考麦克风与 RMP 测点之间的距离为 1 mm。</li>
	<li>将扬声器放置在靠近测试模型的位置。本次测量中，扬声器与麦克风之间的距离为 2.5 m。</li>
	<li>将扬声器连接至函数发生器，并打开函数发生器。</li>
	<li>使用函数发生器的“白噪声”模式提供所需的声学信号，并将均方根电压 Vrms 设置为 0.4 V。</li>
	<li>将扬声器音量调至最小。</li>
	<li>打开扬声器。</li>
	<li>尽可能调高扬声器放大器的音量，但不得损坏扬声器。请注意，大多数扬声器在输出幅度超出其范围时会亮起指示灯以提醒用户。</li>
	<li>以 40,000 Hz 的扫描频率采集并保存参考麦克风和 RMP 的电压输出时间序列数据，持续 60 秒。</li>
	<li>计算由扬声器和函数发生器产生并由参考麦克风测量得到的声压波动时间序列值。该值即为参考麦克风电压输出时间序列 <img alt="随时间变化的电学分析中的参考电压函数 \( V_{\text{ref}}(t) \)" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 3"> 与其校准常数 <img alt="物理和化学方程、图表中用于静态平衡的符号 C_ref" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 4"> 的乘积；<img alt="描述动态过程的公式：Po(t)=Vref(t)*Cref；用于教学" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 5">。请注意，时间序列声压 <img alt="Po(t) 符号，数学表达式，时间相关函数，图形分析，公式解释" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq6.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 6"> 同时也是 RMP 测点处的压力波动。</li>
	<li>将 RMP 中麦克风测得的时间序列声压波动计算为 RMP 电压输出时间序列 <img alt="用于电生理分析的神经元膜电位方程符号 V_m(t)" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq7.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 7"> 与麦克风灵敏度 <img alt="静态平衡公式，ΣFx=0，示意图；用于平衡分析中的计算" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq8.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 8"> 的乘积；<img alt="功率动态方程：Pm(t) = Vrmp(t) * Crmp；用于数学建模分析" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq9.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 9">。请注意，麦克风灵敏度 <img alt="静态平衡公式，ΣFx=0，示意图；用于平衡分析中的计算" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq8.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 8"> 应由制造商提供。</li>
	<li>计算 <img alt="流体力学中的符号 Φ_mm；用于流动分析方程，数学公式" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq10.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 10"> 对应的自功率谱密度，该谱密度对应于 <img alt="相位调制方程 \( P_m(t) \)；动态信号分析；数学表达式" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq11.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 11">。计算 <img alt="静态平衡方程符号 Φ∞，数学表示，用于教学" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq12.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 12"> 对应的自功率谱密度，该谱密度对应于 <img alt="Po(t) 函数；方程；动态系统分析；时间相关过程；数学公式" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq13.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 13">。计算 <img alt="Φ_om 符号，静态平衡方程，科学研究，物理公式" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq14.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 14"> 对应的互功率谱密度，该谱密度对应于 <img alt="Po(t) 函数；方程；动态系统分析；时间相关过程；数学公式" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq13.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 13"> 与 <img alt="相位调制方程 \( P_m(t) \)；动态信号分析；数学表达式" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq11.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 11"> 之间的互谱。自功率谱密度和互功率谱密度的定义参考 Bendat 和 Piersol19。</li>
	<li>将传递函数计算为 <img alt="静态平衡方程 \( T_{om} = \Phi_{mm} / \Phi_{om} \)，数学公式表示" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq15.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 15">。</li>
	<li>将相干函数计算为 <img alt="信号处理分析中带有相位项的相干因子方程 C&lt;sub&gt;xy&lt;/sub&gt;" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq16.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Equation 16">，其中星号表示复共轭。</li>
	<li>移除参考麦克风。</li>
	<li>关闭扬声器和函数发生器。</li>
	<li>移除扬声器。</li>
</ol>
4. 数据采集
<ol>
	<li>启动风洞。</li>
	<li>使用数据采集系统记录热线探针（RMP）的时间序列电压输出 <img alt="表示随时间变化的电压的数学符号 Vm(t)，在信号处理分析中相关。" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq17.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 17">，采样频率设为 40,000 Hz，采集持续时间为 64 秒。</li>
	<li>关闭风洞。</li>
</ol>
5. 数据处理
<ol>
	<li>根据传声器在 RMP 中测得的声压波动 <img alt="工程图示中用于压力分析的静力平衡方程 Pₐ 符号。" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq18.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 18">，计算其表达式为 <img alt="静力平衡公式：\( P_a = V_m(t) \times C_{rmp} \)。用于动态分析的方程。" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq19.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 19">。</li>
	<li>计算表面压力波动的自功率谱密度 <img alt="物理或工程背景下静力平衡公式 Φ&lt;sub&gt;surf&lt;/sub&gt;，用于方程分析。" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq20.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 20">，其表达式为 <img alt="科学图示中的静力平衡方程：Φ_surf = Φ_aa/|T_om|²。" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq21.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 21">，其中 <img alt="Φ_aa 符号方程，适用于统计学、协方差分析及数据科学研究。" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq22.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 22"> 表示传声器在 RMP 中测得的声压波动 <img alt="工程图示中用于压力分析的静力平衡方程 Pₐ 符号。" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq18.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="方程 18"> 的自功率谱密度。</li>
</ol>

<ol><li>Blake, W. K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBlake%2C+WK+%22Mechanics+of+Flow-induced+sound+and+vibration%22">Mechanics of Flow-induced sound and vibration</a>. , Academic Press. Orlando, FL. (1986).</li>
<li>Schloemer, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+pressure+gradients+on+turbulent-boundary-layer+wall-pressurefluctuations%5BTitle%5D)+AND+%22J+Acoust+Soc+Am%22%5BJournal%5D)">Effects of pressure gradients on turbulent-boundary-layer wall-pressurefluctuations.</a> J Acoust Soc Am. 42 (1), 93-113 (1967).</li>
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<li>Gautschi, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGautschi%2C+G+%22Piezoelectric+Sensorics%3A+Force%2C+Strain%2C+Pressure%2C+Acceleration+and+Acoustic+Emission+Sensors%2C+Materials+and+Amplifiers%22">Piezoelectric Sensorics: Force, Strain, Pressure, Acceleration and Acoustic Emission Sensors, Materials and Amplifiers</a>. , Springer. Berlin. (2002).</li>
<li>Blake, W. K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBlake%2C+WK+%22A+statistical+description+of+pressure+and+velocity+fields+at+the+trailing+edges+of+a+flat+strut%22">A statistical description of pressure and velocity fields at the trailing edges of a flat strut</a>. , David W. Taylor Naval Ship Research and Development Center. Report 4241 (1975).</li>
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<li>Englund, D., Richards, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+infinite+line+pressure+probe%5BTitle%5D)+AND+%22ISA+Transactions%22%5BJournal%5D)">The infinite line pressure probe.</a> ISA Transactions. 24 (2), 11-19 (1985).</li>
<li>Bergh, H., Tijdeman, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+and+Experimental+Results+for+the+Dynamic+Response+of+Pressure+Measuring+Systems.+NRL+Report+TR+F+238%5BTitle%5D)+AND+%22National+Aero-and+Astronautical+Research+Inst%22%5BJournal%5D)">Theoretical and Experimental Results for the Dynamic Response of Pressure Measuring Systems. NRL Report TR F 238.</a> National Aero-and Astronautical Research Inst. , Amsterdam. (1965).</li>
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<li>Yang, H., Sims-Williams, D., He, L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aYang%2C+H+%22Unsteady+pressure+measurement+with+correction+on+tubing+distortion.+Unsteady+Aerodynamics%2C+Aeroacoustics+and+Aeroelasticity+of+Turbomachines%22">Unsteady pressure measurement with correction on tubing distortion. Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics and Aeroelasticity of Turbomachines</a>. , Springer. Berlin. 521-529 (2006).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

在与气动声学和流动诱导振动相关的许多应用中，需要通过风洞实验测量壁面脉动压力（USP）。与现有的方法（如齐平安装的嵌入式传感器、压力敏感涂料（PSP）或振动膜）相比，本文所述方法能够在较宽频率范围内对大幅值波动实现高灵敏度的精确测量。更重要的是，该方法还可利用较小的传感区域进行壁面脉动压力测量，从而最大限度地减小由Corcos21描述的空间平均效应。此外，该方法允许在复杂几何表面上实现传感器的紧密排布。尽管以往文献中已提出共振微压传感器（RMP）的设计方案，但本文提供了有关有效RMP设计方法的详细信息，以及选择有效测量所需参数的理论方法。
该分析方法可在设计阶段预测旋转膜泵（RMP）的动态响应。如代表性结果所示，共振极大值的频率由第一段管子的长度决定。因此，可通过调节第一段管子的长度，将共振峰置于期望的频率位置。例如，若预计某些频率下的表面压力脉动幅值较大，则应调整第一段管子的长度，以确保共振峰不位于这些频率处。
RMP 系统应用中最关键的步骤是校准。相干函数是衡量校准质量的指标。通常希望获得较高的相干性...

流体在表面流动时通常会引起非定常性和湍流，从而导致非定常表面压力（USP）。流动诱发的噪声和振动往往是这种非定常性的直接结果。冷却风扇、螺旋桨和风力涡轮机辐射的噪声主要来源于与非定常表面压力（USP）相关的声源1。为了预测辐射噪声，通常需要测量湍流中非定常表面压力在空间和时间上的特性。
超声波压力（USP）的统计表征通常以自谱密度、两点互谱密度和空间相关函数的形式给出2, 3。所需频率响应因具体应用而异。在许多风洞应用中，10 kHz 至 20 kHz 的响应已足够。湍流运动的小尺度特性通常要求传感区域和传感器间距小于 1 mm。
为了获得湍流诱导的压力波动，已开展了大量的实验研究。一种直接方法是使用齐平安装的嵌入式传感器。该方法通常采用大量麦克风阵列，因为每个传感器只能测量一个离散点处的压力波动。Gautschi4建议在此方法中使用压电式传感器。压电传感器阵列的成本可能较高，且测量频率范围通常低于10 kHz。
直接安装在表面的麦克风常被用作低成本的超声波压力（USP）传感器5。麦克风具有高灵敏度，这对于低速流动是一项显著优势。然而，当压力出现大幅波动时，这也可能导致传感器饱和。该方法不适用于具有较大曲率、不连续性或几何结构过薄而无法容纳整个传感器的表面。
获取光谱和空间信息的一种间接方法是使用与表面齐平安装的薄膜6。通过测量薄膜随时间和空间变化的振动运动，并结合已知的薄膜力学特性，将其转换为表面压力统计量。该方法需要对薄膜的动态响应进行精心的设计、实施和精确校准。此外，振动测量设备（如激光多普勒测振仪）成本较高。最后，该方法仅适用于平面表面。
压力敏感涂料（PSP）是另一种可用于测量非定常表面压力的技术。该技术需要在表面涂覆一层透明聚合物粘结剂，当特定波长的光照射时，粘结剂内的分子被激发至较高能级。随着分子发生氧猝灭，能量以光的形式释放，其发光速率与氧分压成正比，从而产生的发光强度与表面压力成反比7。PSP 方法的主要缺点是测量灵敏度相对较低，与麦克风相比存在明显不足。这限制了 PSP 技术在相对高速流动中的应用。
本文介绍了一种使用远程麦克风探头（RMP）进行非定常压力测量（USP）的方法。该方法最早由Englund和Richards8描述。该技术采用一个标准的微型麦克风，通过一根中空管路连接至模型表面的压力测点。模型表面的非定常压力将以声波形式在管路中传播。该管路起到&#34;波导&#34;的作用，使安装在管路垂直方向上的麦克风能够检测这些声波信号。声波随后进入另一段足够长的管路，以消除大振幅的声学反射。
Englund 和 Richards 采用 Bergh 与 Tijdeman9 提出的分析方法，以确定 RMP 的动态响应。Perrenes 和 Roger10 利用 RMP 测量带有增升装置的二维翼型表面压力。他们研制了一种探头，其表面为一根直径 0.5 mm 的毛细管，连接至一根长 27 cm 的刚性管，该管通过两个独立的阶跃变化，内径从 0.7 mm 扩展至 2.5 mm。每个阶跃变化均导致管道声阻抗发生相对较大的变化。Leclercq 和 Bohineust11 研究了湍流边界层下方的壁面压力场。他们采用了 Franzoni 和 Elliott12 建议的等直径 RMP。然而，其动态响应仅在有限的频率范围内足够高。Arguillat 等13 设计了一种 RMP，用于研究传递至车辆舱室内部的噪声。他们测试了多种导管，以将压力波动传导至麦克风。Yang 等14 采用导管传递函数方法校正导管失真，该方法与本报告中介绍的方法类似。Hoarau 等15 研究了分离区下游的壁面压力迹线。他们设计的 RMP 具有恒定的内径，且导管完全为非刚性材料。
根据以往研究，利用驻波管（RMP）测量表面压力的准确性主要取决于探头频变传递函数的确定，该函数描述了表面压力与麦克风测得压力之间的关系。以下部分将介绍一种结构简单且高效的驻波管几何构型。本文将引入并验证实验与分析方法，以准确测定驻波管的动态响应特性。该分析模型可在设计阶段对驻波管进行优化，从而适用于广泛的应用场景。
RMP可用于测量宽频率范围内的压力波动。其相对较高的空间分辨率可提供关于空间分布非定常压力场特性的详细信息16。由于探针尺寸较小，RMP可用于在复杂几何结构上测量压力波动，例如大曲率表面或空间受限区域17。此外，连接表面测压孔与麦克风传感器的导管可降低在麦克风处感应到的压力波动幅值。因此，对RMP传感器几何结构和参数的合理设计，可提供一种获取非定常表面压力特性的方法，相较于将麦克风直接安装于模型表面的齐平安装方式，该方法的限制显著减少。
RMP的结构 
RMP的总体结构如图所示 图1. 静压测量系统由一根从模型表面通向扩张段的管道和一根从扩张段延伸至 &#34;摇篮&#34; 然后连接第三根管子，用作无回声终端。支架是用于固定麦克风和管路连接的机加工塑料部件。RMP结构的细节可根据不同的实验条件进行调整。第二根较粗管子的作用是使相对笨重的麦克风和支架能够远离超声功率（USP）测量点放置，同时不会显著降低测量灵敏度。如果不需要，可省去第二根管子，而将扩张段直接集成在支架中。无回声终端由柔软的塑料制成，长度约为2至3米。
在本演示中，RMP 的设计经过优化，用于测量湍流边界层下无流向压力梯度的表面压力波动，如图2所示。第二个管段被移除，观察了第一管段两种不同长度的影响。第一管段由不锈钢制成，内径为 0.5 mm，外径为 0.81 mm，其长度分别为 5.35 cm 和 10.40 cm。集成于支架中的扩张段入口内径为 0.5 mm，出口内径为 1.25 mm，与耗散终端的内径相同。扩张段的角度为 7°。支架上设有一个直径为 1.25 mm 的孔，用于将扩张段与消声终端平滑连接。传感区域通过一个垂直的 0.75 mm 孔与该 1.25 mm 孔相连。

<table><tbody><tr><td>麦克风</td><td>ACO Pacific (http://www.acopacific.com/)</td><td>7016</td><td>用于测量声压，并作为参考对 RMP 进行校准。</td></tr><tr><td>麦克风</td><td>Knowles (http://www.knowles.com/eng)</td><td>FG-23629-C36</td><td>作为 RMP 的一部分，用于测量压力波动。</td></tr><tr><td>微孔管</td><td>Saint-gobain (http://www.biopharm.saint-gobain.com/en/index.asp)</td><td>Tygon ND 100-80</td><td>用作耗散终端，以消散声波。</td></tr><tr><td>皮下注射管</td><td>MicroGroup (http://www.microgroup.com/)</td><td>304H21RW</td><td>用于连接表面测压口，使表面压力波动以声波形式传导至 RMP 中的麦克风。</td></tr><tr><td>皮下注射管</td><td>MicroGroup (http://www.microgroup.com/)</td><td>304H14H</td><td>用于减小耗散效应，使表面压力波动以声波形式传导至 RMP 中的麦克风。</td></tr><tr><td>有机玻璃</td><td>Plaskolite (http://www.plaskolite.com/)</td><td>1X76204A</td><td>用于制作可连接管路与 RMP 麦克风的支架。</td></tr><tr><td>数据采集机箱</td><td>National Instruments (http://www.ni.com/)</td><td>PXI-1006</td><td>用于数据采集。</td></tr><tr><td>数据采集通道</td><td>National Instruments (http://www.ni.com/)</td><td>PXI-4472</td><td>用于数据采集。</td></tr><tr><td>函数发生器</td><td>thinkSRS (http://www.thinksrs.com/)</td><td>DS360</td><td>用于生成白噪声信号。</td></tr><tr><td>活塞式声源</td><td>B&amp;amp;K (http://www.bksv.com/)</td><td>4228</td><td>用于生成具有恒定频率的正弦波，以校准参考麦克风。</td></tr><tr><td>扬声器</td><td>Mackie (http://www.mackie.com/index.html)</td><td>HD1531</td><td>用于将电信号的白噪声转换为声音，作为校准 RMP 的声源。</td></tr><tr><td>MatLab</td><td>Mathworks (http://www.mathworks.com/)</td><td></td><td>用于处理实验数据。</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments (http://www.ni.com/)</td><td></td><td>用于控制数据采集硬件并记录数据。</td></tr></tbody></table>

使用远程麦克风探针测量非定常表面压力

The Measurement of Unsteady Surface Pressure Using a Remote Microphone Probe

麦克风被广泛用于测量浸没在湍流中固体壁面处的压力波动。具有不同特征长度尺度的湍流运动可在很宽的频率范围内引起压力波动。湍流的这一特性要求传感装置在宽频率范围内具有足够的灵敏度。此外，湍流结构的小特征长度尺度要求传感器具有较小的感应面积，并能够将多个传感器紧密地布置在一起。固体壁面复杂的几何形状，通常包含较大的表面曲率或不连续性，要求探头具备在极有限空间内安装的能力。本文介绍了一种远程麦克风探头的研制方法，该探头成本低廉、性能稳定且可重复使用。该探头能够在宽频率范围内实现高空间分辨率和高动态响应的压力波动测量。探头尺寸足够小，可安装于典型的风洞模型内部。远程麦克风探头包含一根小尺寸、刚性且中空的导管，该导管穿透模型表面以形成感应区域。该导管通过一个“T”型接头连接至远离表面的标准麦克风。本文提出了一种用于测定远程麦克风探头动态响应的实验方法，并描述了一种相应的解析方法。该解析方法可用于设计阶段，以确定远程麦克风探头各组件的尺寸和性能参数。

本节展示了两种典型RMP设计的校准结果。第一种采用5.35 cm的主管，第二种采用10.4 cm的主管。两种RMP的耗散端接长度均为4.75 m。
参考麦克风与RMP中麦克风测得的压力波动之间的相干性如图3所示。数据表明，在较宽的频率范围内，相干性值接近于1。在10 kHz以上的频率，相干性总体保持较高水平，但在某些频率处相干性会出现间歇性下降。其原因之一是扬声器在这些频率下产生的声信号相对较弱。此外，RMP在高频段灵敏度降低也可能导致该现象。背景噪声和电噪声均可能导致相干性降低。较低的相干性值表明RMP内麦克风与参考麦克风所测得的压力波动之间相关性较弱。在本研究中，目标频率范围内的相干性均高于0.97。
图4展示了通过实验和解析方法获得的传递函数幅值。解析方法在预...

本文介绍了一种用于高空间分辨率测量湍流中非定常表面压力的实验方案。该方法展示了远程麦克风探头（RMP）的构建过程及其频率相关复传递函数的测定。文中提出了动态响应的解析确定方法，并进行了实验验证。

麦克风被广泛应用于测量浸没在湍流中固体壁面处的压力波动。具有各种……的湍流运动

本实验方法的总体目标是对浸没于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。该方法有助于解答流体力学、气动声学以及流动诱发结构振动等领域中的一些关键问题，例如由小尺度湍流运动引起的非定常表面压力在空间和时间上的特征。远程麦克风探头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为实验做好准备。这需要多个组件，其中最主要的是一个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。该探头采用一段内径为0.5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。支架的一侧有一个孔，用于容纳不锈钢管。在支架的另一端也有一个孔。它位于同一轴线上，并容纳软管。这两个孔通过有机玻璃相连。顶部有两个同心孔。较大的外侧孔用于固定麦克风，较小的内侧孔通向空腔。该横截面为托架的构建提供了参考。请注意，用于匹配侧孔直径的锥度应靠近不锈钢管的入口端。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。当其就位后，涂抹环氧树脂以固定。接着，将不锈钢管插入为其预留的孔洞中，并用环氧树脂进行固定。以同样方式将软管安装到指定位置并用环氧树脂固定。在软管的另一端，使用堵头将管子密封。将所有组件连接到支架上后，该探头即可用于实验。接下来，将注意力转向实验用的模型表面。本演示使用带有预设测量点的平板。在测量点处，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。管口应与测量表面齐平。在测量位置的对侧涂抹环氧树脂，以固定管子。将麦克风探头置于指定位置后，用声学泡沫将其包围，防止寄生噪声干扰系统。接下来，操作探头上的柔软消声管。将封闭端移出风洞的测试段，并用吸声板将其包围，以隔绝周围环境的影响。回到探头处，将麦克风连接到位于风洞技术区外部的低噪声放大器的输入端。接着，转移到风洞外部的电子设备处。该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，使用一个具有频率无关响应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，将其输出端连接到数据采集系统。将麦克风连接到放大器的输入端，并将输入增益和输出增益均设置为10分贝。接下来，取用活塞发声器。将麦克风插入活塞式声源装置以进行测量。准备就绪后，开启活塞式声源。进入数据采集系统，设置数据采集频率及采样点数。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，以测量压力波动。将麦克风与探头端口的中心对齐，并置于其上方1毫米处。后续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。扬声器应关闭，锥体应朝向模型表面。在风洞外操作函数发生器，打开电源，选择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。校准是该步骤中最关键的环节。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保真扬声器。这些图示为远端麦克风探头与参考麦克风所测得的压力波动之间相干性的频率函数图。该探头系统的主导管长度为 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。这些图示为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。探针的微小偏差可能解释中高频段数据的差异。将数据与面移斜率的预测值进行比较，发现预测值略高，这可能是由于管长测量的微小误差或温度变化所致。在此图中，浅灰色区域代表以往在不同雷诺数下测得的表面压力谱数据范围。数据点表示使用远场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。进行此操作时，需重复使用不同扬声器音量进行校准，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大曲率表面及有限间距区域上的压力脉动特性奠定了基础。使用产生高音量白噪声的扬声器工作可能极为危险。在执行此操作时，切勿忘记采取预防措施，例如佩戴隔音耳机。观看本视频后，您应充分了解如何构建、设置和校准远程麦克风探头。

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非定常表面压力的使用远程麦克风探头测量

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