Målingen af ​​Usikker Surface Pressure Ved hjælp af en fjernbetjening mikrofon Probe

Introduction

Fluid flow over flader generelt fører til ustabilitet og turbulens, der medfører usikker overflade tryk (USP). Flow-induceret lyd og vibration er ofte et direkte resultat af denne unsteadiness. Den udstrålede lyd genereret af ventilatorer, propeller, og vindmøller er domineret af kilder relateret til USP ^1. Målinger af de rumlige og tidsmæssige karakteristika for USP i turbulente strømninger er generelt forpligtet til at forudsige den udstrålede lyd.

Den statistiske karakterisering af USP gives almindeligvis i form af auto-spektral tæthed, to-punkts cross-spektrale tæthed og rumlig korrelationsfunktioner ^{2, 3.} Frekvensresponsen kræves, kan variere afhængigt af anvendelsen. I mange vindtunnel applikationer, en reaktion på 10 kHz til 20 kHz er tilstrækkelig. De små skalaer af turbulent bevægelse kræver ofte sensing områder og sensor afstand til at være mindre end 1 mm.

Extensive eksperimentelle undersøgelser er blevet gennemført for at opnå turbulens-induceret tryksvingninger. En direkte metode anvender planforsænkede indlejrede sensorer. Ved denne metode anvendes ofte store arrays af mikrofoner, fordi hver sensor kun kan måle trykket udsving på et diskret sted. Typiske sensorer anvendes i denne fremgangsmåde, er piezoelektriske transducere, foreslået af Gautschi ^4. Arrays af piezoelektriske sensorer kan være dyrt, og frekvensområdet for målingen er ofte mindre end 10 kHz.

Direkte overflademonterede mikrofoner anvendes ofte som billig USP sensorer ^5. Mikrofoner har høj følsomhed, hvilket er en væsentlig fordel for lav hastighed strømme. Dette fører imidlertid også til risikoen af ​​føler mætning når store amplitude udsving i tryk er til stede. Denne metode er ikke egnet til overflader med store krumninger, diskontinuiteter eller geometrier, der er for tynd til at indeholde hele sensoren.

6. At tids- og rum-afhængige vibrationer bevægelser måles og omdannes derefter til fladetryk statistikker ved anvendelse af kendte mekaniske egenskaber af membranen. Denne metode kræver omhyggelig design, implementering, og præcis kalibrering af membranen dynamiske respons. Derudover vibrationer måleudstyr, såsom laser-doppler vibrometers, er dyre. Endelig kan denne metode kun anvendes på flade overflader.

Trykfølsom maling (PSP) er en anden teknik, der kan anvendes til at måle ustabil fladetryk. Denne teknik kræver de overflader, der skal coates i en transparent polymer bindemiddel, som forårsager molekylerne inden at være spændt til en højere energitilstand, som de er belyst med lys med en specifik bølgelængde. Som molekylerne undergår oxygen quenching, energi er releaset som lys med en hastighed proportional med oxygen partialtryk, hvilket resulterer i luminescens, der er omvendt proportional med overfladetrykket ^7. Den største ulempe ved PSP metoder er den relativt lave følsomhed af målingen i forhold til mikrofonerne. Dette begrænser anvendelsen af ​​PSP til relativt høj hastighed strømme.

Denne meddelelse beskriver en fremgangsmåde til USP, der bruger en ekstern mikrofon probe (RMP). Denne fremgangsmåde blev først beskrevet af Englund og Richards ^8. Konceptet bruger en standard miniaturemikrofon, der er forbundet til fladetryk hane med et hult rør. Den ustabil tryk ved modeloverfladen vil rejse i rørledningen i form af lydbølger. Slangesættet fungerer som en "wave-guide" for at tillade mikrofonen, som er monteret vinkelret på røret, at måle lydbølgerne. Bølgerne derefter fortsætte til et andet rør, der er utilstrækkelig til at fjerne store amplitude akustisk reflections.

Englund og Richards anvendt en analytisk tilgang skitseret af Bergh og Tijdeman ^{9 for} at bestemme den dynamiske respons RMP. Perrenes og Roger ¹⁰ udnyttede en RMP at måle fladetryk over en todimensional bæreflade med høj løfteapparater. De udviklede en sonde med en 0,5 mm diameter kapillarrør ved overfladen, der var forbundet til en 27 cm lang stift rør, der ekspanderes fra 0,7 mm til 2,5 mm via to separate trinvise ændringer. Hver trinændring forårsagede en relativ stor ændring i den akustiske impedans af røret. Leclercq og Bohineust ¹¹ studerede væg tryk feltet under et turbulent grænselag. De brugte en konstant diameter RMP, som foreslået af FRANZONI og Elliott ^12. Men den dynamiske respons var høj nok kun i et begrænset frekvensområde. Arguillat et al. ¹³ udformet en RMP at studere støj transmitteret til det indre af et køretøj rum. De testedeforskellige rør til at lede trykfluktuationen til mikrofonerne. Yang et al. ¹⁴ korrigeret for slangen forvrængningen med en slange overføringsfunktion tilgang, der ligner fremgangsmåden indført i denne rapport. Hoarau et al. ¹⁵ studerede væggen tryk spor nedstrøms for en adskilt region. De RMP, som de designede havde konstant indvendig diameter, og slangen var helt ikke-stiv.

Ifølge tidligere undersøgelser, nøjagtigheden af ​​overflade trykmålinger opnået under anvendelse RMP hovedsagelig afhængig af bestemmelse af frekvensafhængige overføringsfunktion af sonden, som relaterer fladetrykket til mikrofonen tryk. De følgende afsnit vil beskrive en RMP geometri, der er både enkel og effektiv. Eksperimentelle og analysemetoder vil blive indført og valideret med henblik på nøjagtigt at bestemme den dynamiske respons RMP. Den analytiske model giver mulighed for en RMP at være optimized i konstruktionsfasen for en potentielt bred vifte af applikationer.

RMP kan anvendes til at måle trykfluktuationer over et bredt område af frekvenser. Den relativt høje rumlige opløsning kan tilbyde detaljerede oplysninger om karakteristika af rumligt fordelte ustabil pres felt ^16. Som proben er lille, kan RMP anvendes til at måle udsving tryk over komplekse geometrier, såsom store krumninger eller begrænset afstand ^17. Derudover kan røret som forbinder overfladen hanen og mikrofonen sensoren reducere størrelsen af ​​den inducerede trykfluktuationen ved mikrofonen. Således hensigtsmæssig udformning af RMP sensorgeometri og parametre giver en fremgangsmåde til opnåelse USP egenskaber, som er væsentlig mindre begrænsende i forhold til skylle-montering af mikrofonen direkte til modellen overflade.

Opbygning af RMPThe generelle struktur RMP er vist i figur 1

Til denne demonstration blev udformningen af ​​RMP optimeret til måling af overfladen tryksvingninger under en TURBulent grænselag uden streamwise trykgradient, som vist i figur 2. Det andet rør blev elimineret. Virkningerne af de to forskellige længder af det første rør blev observeret. Det første rør blev konstrueret af rustfrit stål med en indre diameter på 0,5 mm og en ydre diameter på 0,81 mm. Længderne af det første rør var 5.35 og 10.40 cm hhv. Den indre diameter af indløbet til den udvidelse, som blev indarbejdet i vuggen, var 0,5 mm, og den indvendige diameter af exit var 1,25 mm, som var identisk med den indre diameter af spredning ophør. Vinklen til den udvidelse, var 7 °. Der var et hul i vuggen med en 1,25 mm diameter for gradvis at forbinde sektionen ekspansion med lyddødt opsigelse. Detekteringsområdet blev forbundet til 1,25 mm hullet gennem en vinkelret 0,75 mm hul.

Protocol

1. Fremstilling af forsøg

1. Vælg en ordentlig mikrofon til at bygge RMP. Brug et frekvensområde på mikrofonen inden for frekvensområdet af interesse.
   BEMÆRK: I dette eksperiment, udsving tryk mellem 100 og 10.000 Hz er af interesse. Målingen frekvensområde for den valgte mikrofon er fra 100 til 10.000 Hz. Størrelsen af ​​mikrofonen skal være så lille som muligt, selv om der ikke findes specifikke kriterier for størrelse.
2. Skøn følsomhed og frekvensgang RMP systemet ved hjælp af analysemetode er beskrevet i tillægget. Juster følsomheden og frekvensgang RMP ved at variere dimensionerne af rørene og strukturer.
3. Brug en Dremel til at skære den indre diameter rustfrit stålrør 0,5 mm i en 5,25 cm langt stykke.
4. Med en saks, klippe 1,25 mm indvendig diameter blød slange ind i en 4,75 m lang stykke.
5. Brug en fræsemaskine til at skære et stykke af plexiglas til enkasse. Længde, bredde og højde af terningebenet bør være 2,54 cm, 1,27 cm og 1,27 cm hhv.
6. Bor huller med 0,81, 2, 2,56 og 0,76 mm diametre på plexiglas holderen, som vist i figur 2.
7. Brug en nål boremaskine til at gøre den del af plexiglas vugge tilspidsning, som vist i figur 2.
8. Slå op mikrofonen følsomhed i manualen fra producenten, eller kalibrere mikrofonen ved metoden indført ved Wong ^18.
9. Seat mikrofonen ind i plexiglas holderen, som vist i figur 2, og fastgøre mikrofonen ved hjælp epoxy.
10. Slut rustfrit stålrør og den bløde rør til plexiglas vugge og løse dem med epoxy.
11. Bore et hul med en 0,81 mm diameter vinkelret på modeloverfladen ved positionen for målingen.

2. Forsøg Setup

1. Flush montere primære rør af rustfritRMP sensorer til modeloverfladen og tilføj epoxy at fastsætte rør af rustfrit stål til den modsatte model overflade, som vist i figur 2.
2. Surround RMP med akustiske skum for at forhindre parasitisk støj i at forurene systemet.
3. Rute alle elektriske ledninger ud af testen del af tunnelen.
4. Før bløde afskærmet rør ud af testen del af tunnelen.
5. Tilslut enden af ​​den bløde afskærmet rør til en tryktransducer for at opnå målinger af det gennemsnitlige statiske tryk samtidig med ustabil tryk.
6. Slut RMP til en støjsvag forstærker og datafangst system.
7. Indstil forstærkningsfaktoren af ​​forstærkeren til 10. Bemærk, at værdien af ​​forstærkningsfaktoren kan ændres fra sag til sag.

3. Kalibrering

1. Vælg en reference mikrofon, der er høj kvalitet og har en frekvens-uafhængig følsomhed.
2. Tilslut henvisningen mikrotelefon til indgangen på en forstærker og tilslutte udgangen på forstærkeren til dataopsamlingssystem.
3. Indstille både input gain og output forstærkerens forstærkning til 10 dB. Bemærk, at forstærkningsfaktoren kan varieres under forskellige målebetingelser.
4. Indsæt henvisning mikrofon til en pistonfon, som vist i den supplerende figur.
5. Tænd for pistonfon.
6. Indstil frekvens erhvervelse til 4.000 Hz.
7. Indstil antallet af prøver til 240.000.
8. Anskaf og gemme spændingen output fra henvisningen mikrofon.
9. Beregn kalibreringskonstanten af ​​referencen mikrofon. Kalibreringskonstanten, C _ref, er forholdet mellem standardafvigelsen for den pistonfon-producerede lydtryk til standardafvigelsen af udgangsspændingen af referencen mikrofon.
10. Gentag kalibreringen (trin 3.8 og 3.9) flere gange. Brug middelværdien, C _ref, som kalibreringskonstanten.
<li> Placer referencemikrofon vinkelret på den faste overflade, over hvilken trykket udsving måles som vist i figur 1.
11. Juster midt på henvisningen mikrofon med RMP hanen. Brug en afstanden mellem referencepunktet mikrofon og RMP tap på 1 mm.
12. Placer højttaleren i umiddelbar nærhed af testmodel. Brug en afstand mellem højttaleren og mikrofonen på 2,5 m for disse målinger.
13. Slut højttaleren til en funktion generator og tænde for funktionen generator.
14. Brug "hvid støj" valgmulighed af funktionen generator til at levere den ønskede akustiske signal og indstil geometriske middelværdi spænding, V _rms, til 0,4 V.
15. Juster lydstyrken på højttaleren til et minimum.
16. Tænd for højttaleren.
17. Justere lydstyrken på højttaleren forstærkeren så højt som muligt uden at beskadige højttaleren. Bemærk at de fleste højttalere har en indikator lys til at advare the brugeren, hvis output amplitude er over højttalerne.
18. Anskaf og spare tidsseriedata fra spændingsudgange både referencen mikrofon og RMP ved hjælp af en scanning frekvens på 40.000 Hz til 60 sek.
19. Beregne tidsserier værdier af lydtrykket udsving, der frembringes af højttaleren og funktionsgenerator og målt ved henvisningen mikrofon. Dette er simpelthen produktet af tidsserie spændingsoutput fra referenceværdien mikrofon, Og dets kalibrering konstant, ; . Bemærk, at tidsserien lydtryk, , Er også presset udsving fra hanen af ​​RMP.
20. Beregn tidsserier lydtryk udsving målt ved mikrofonen i RMP en s produktet af tidsserie spænding output fra RMP, Og mikrofonens følsomhed, ; . Bemærk, at mikrofonens følsomhed, , Skal leveres af producenten.
21. Beregn auto-spektral tæthed, , af . Beregn auto-spektral tæthed, , af . Beregn cross-spektral tæthed, , mellem.jpg "/> og . Auto-spektrale tætheder og tværs spektral tæthed defineres af Bendat og Piersol ^19.
22. Beregn overføringsfunktionen som .
23. Beregn sammenhængen funktion som , Hvor stjernen betegner det komplekse konjugat.
24. Fjerne henvisningen mikrofon.
25. Sluk højttaleren og funktion generator.
26. Fjern højttaleren.

4. Data Acquisition

1. Tænd vindtunnelen.
2. Optag tidsserier spænding output, Af RMP med dataindsamlingssystemet. Brug en scanning frekvens på 40.000 Hz. Brug en varighed af købet af 64 sek.
3. Sluk for vindtunnelen.

1. Beregn lydtrykket udsving, Målt ved mikrofonen i RMP som .
2. Beregn auto-spektral tæthed, , Af overfladen trykfluktuationen som , hvor er den automatiske spektrale tæthed af lydtrykket udsving målt af mikrofonen i RMP .

Representative Results

Kalibreringsresultaterne fra to repræsentative RMP designs er vist i dette afsnit. Den første anvendte en 5,35 cm primært rør, og den anden anvendes en 10,4 cm primært rør. De dissipative termineringer er 4,75 m lang til begge RMP.

Sammenhængen mellem trykfluktuationerne målt af mikrofonen i RMP og af henvisningen mikrofonen er vist i figur 3. Dataene viser en nær-enhed kohærens værdi over et bredt område af frekvenser. Ved frekvenser over 10 kHz, generelt fortsat høj sammenhængen, men sammenhængen falder med mellemrum på nogle frekvenser. En grund til dette er, at lyden frembringes af højttaleren er forholdsvis lav ved disse frekvenser. Dette kan også skyldes den reducerede følsomhed RMP ved høje frekvenser. Baggrunden og elektrisk støj kan resultere i tab af sammenhæng. En lav sammenhæng værdiangiver, at tryksvingninger målt af mikrofonen i RMP og henvisningen mikrofonen ikke er stærkt korreleret. I denne undersøgelse sammenhængen er højere end 0,97 i frekvensområdet af interesse.

Figur 4 viser størrelsen af overføringsfunktionen opnået både eksperimentelt og analytisk. Den analytiske metode er nøjagtig forudsige den dynamiske respons over det meste af frekvensområdet. De uoverensstemmelser i mellem- og højfrekvente områder antages at være et resultat af små afvigelser i RMP, såsom bor eller mindre uoverensstemmelser på slanger vejkryds.

De svingninger i overføringsfunktionen størrelsesorden ved frekvenser mellem 100 Hz og 500 Hz er relateret til akustiske overvejelser på længere afskærmet opsigelse. Disse er generelt af størrelsesordenen 1 eller 2 dB i størrelsesorden. Akustiske refleksioner inden for PRimary rør er tydeligt i svingninger ved højere frekvenser.

Figur 5 viser faseforskydningen af overføringsfunktioner. Analysemetoden lidt overvurderer hældningen af ​​faseforskydningen. Selvom usikkerheden på målingen, hvilket er omkring 1,6%, kan resultere i uoverensstemmelse, er denne overvurdering anses for at være forårsaget af små fejl i skønnede rørlængder eller ved temperaturvariationer, hvilket vil påvirke den akustiske hastighed anvendes i analysemetoden på grund af den konstante tendens.

USP målinger blev erhvervet i en flad-plade turbulent grænselag flow. Denne metode blev valgt til denne meddelelse på grund af enkelheden i forsøgsopstillingen, og fordi en stor mængde data for USP findes for den faste plade grænselag. Auto-spektrale tætheder målt af RMP på flere værdier af Reynolds nummer er vist i figur 6. Tryk- spektre blev normaliseret ved vægforskydningshastighed, forskydning tykkelse og ensartet strøm hastighed. Den lysegrå område indeholder alle de data fra forskellige forskergrupper, udarbejdet af Goody ^20. Den mørke skraverede område viser tryk spektre, der svarer til meget store Reynolds tal. De foreliggende målinger er inden spredning af målinger observeret i tidligere litteratur og påvise den forventede udvikling af størrelsen aftager med Reynolds-tallet, som vist ved Goody. Bemærk også, at det målte tryk spektre ikke indeholder nogen af ​​de harmoniske toppe, der findes i overføringsfunktionen, hvilket indikerer, at en nøjagtig frekvensafhængig kalibreringsfunktion blev påført.

Figur 1:. Skematisk for RMP struktur og opsætning Den skematiske viser den generelle desi gn af RMP. Detaljerne af RMP kan justeres for at optimere designet til forskellige målebetingelser. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: Dimensioner og opsætning af RMP anvendes til at måle overfladen tryk under den kanoniske turbulente grænselag i den foreliggende undersøgelse Udformningen af RMP anvendes til denne måling er lidt forskellig fra strukturen vist i figur 1;. afsnittet ekspansion er indarbejdet i holderen. Klik her for at se en større version af dette tal.

/53627/53627fig3.jpg "/>
Figur 3: Sammenhæng funktioner til RMP med forskellige første-rør længder (venstre) 5.35 cm første rør og (til højre) 10.40 cm første rør.. X-aksen er frekvensen i Hz, og y-aksen er værdien af sammenhængen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4: Magnitude af overføringsfunktioner for RMP med forskellige første-rør længder (venstre) 5.35 cm første rør og (til højre) 10.40 cm første rør.. Den blå kurve repræsenterer de eksperimentelle resultater, mens den grønne kurve repræsenterer de teoretiske forudsigelser. X-aksen er frekvens i Hz, og y-aksen er størrelsen af ​​overføringsfunktionen i dB.target = "_ blank"> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5: Fase skift af overføringsfunktioner for RMP med forskellige første-rør længder (venstre) 5.35 cm første rør og (til højre) 10.40 cm første rør.. Den blå kurve repræsenterer de eksperimentelle resultater, og den grønne kurve repræsenterer de teoretiske forudsigelser. X-aksen er frekvensen i Hz, mens y-aksen er den fase skift af overdragelsen funktion i rad. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6: Auto-spektral tæthed af fladetrykket målt ved RMP under forskellige Reynolds-tal. Klik her for at se en større version af dette tal.

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.