La misurazione della pressione instabile superficie utilizzando una sonda microfono remoto

Introduction

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.

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

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.

Protocol

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.
<li> Posizionare il microfono di riferimento perpendicolarmente alla superficie solida su cui è misurata la fluttuazione di pressione, come mostrato in Figura 1.
11. 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.
12. 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.
13. Collegare l'altoparlante ad un generatore di funzione e attivare il generatore di funzioni.
14. 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.
15. Regolare il volume dell'altoparlante al minimo.
16. Attivare l'altoparlante.
17. 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.
18. 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.
19. 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.
20. 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.
21. 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.
22. Calcolare la funzione di trasferimento come .
23. Calcolare la funzione di coerenza come , Dove l'asterisco rappresenta il complesso coniugato.
24. Rimuovere il microfono di riferimento.
25. Spegnere il generatore di altoparlante e la funzione.
26. 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.

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 .

Representative Results

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 coerenza quasi unità in un ampio intervallo di frequenze. A frequenze superiori a 10 kHz, la coerenza rimane generalmente elevato, ma la coerenza gocce intermittente ad alcune frequenze. Una ragione di ciò è che il suono generato dalla altoparlante è relativamente basso a queste frequenze. Ciò può anche derivare dalla ridotta sensibilità del RMP alle alte frequenze. Lo sfondo e rumore elettrico può comportare la perdita di coerenza. Un valore basso coerenzaindica che le fluttuazioni di pressione misurati dal microfono in RMP e il microfono di riferimento non sono fortemente correlati. In questo studio, la coerenza è superiore 0.97 nella gamma di frequenza di interesse.

La Figura 4 mostra la grandezza della funzione di trasferimento ottenuta sia sperimentalmente e analiticamente. Il metodo analitico è accurato nel predire la risposta dinamica attraverso la maggior parte della gamma di frequenza. Le divergenze nelle gamme medie e alte frequenze si presume essere il risultato di piccole aberrazioni nel RMP, come frese o lievi discordanze agli incroci tubi.

Le oscillazioni della funzione di trasferimento ampiezza a frequenze tra 100 Hz e 500 Hz sono riportate riflessioni acustiche nella terminazione anecoica più. Questi sono generalmente dell'ordine di 1 o 2 dB in ampiezza. riflessioni acustiche all'interno del prtubo imary sono evidenti nelle oscillazioni a frequenze più elevate.

La Figura 5 mostra lo sfasamento delle funzioni di trasferimento. Il metodo analitico sovrastima leggermente la pendenza dello sfasamento. Sebbene l'incertezza della misura, che è di circa 1,6%, può provocare discrepanza, questa sovrastima è considerato essere causata da piccoli errori nelle lunghezze tubo stimate o da variazioni di temperatura, che influenzerà la velocità acustica applicata nel metodo analitico causa di la tendenza costante.

misure USP sono stati acquisiti in un flusso di strato limite turbolento flat-plate. Questo metodo è stato scelto per la comunicazione a causa della semplicità del setup sperimentale e per un insieme significativo di dati per la USP esiste per lo strato limite placca piana. Le densità auto-spettrale misurati dal RMP a diversi valori della Reynoldnumero s sono mostrati in Figura 6. Gli spettri di pressione sono stati normalizzati shear parete, spessore spostamento e velocità del flusso uniforme. La regione grigio chiaro contiene tutti i dati provenienti da diversi gruppi di ricerca, compilati da Goody ^20. La banda grigio scuro rappresenta spettri pressione che corrispondono a grandi numeri di Reynolds. Le presenti misure sono all'interno della diffusione delle misurazioni osservati nella letteratura precedente e dimostrano la tendenza prevista della grandezza decrescente con il numero di Reynolds, come mostrato da Goody. Si noti inoltre che gli spettri pressione misurata non contiene nessuna delle cime armoniche presenti nella funzione di trasferimento, che indica che è stato applicato un accurato funzione di calibrazione dipendente dalla frequenza.

Figura 1:. Schema per la struttura e la configurazione RMP Lo schema mostra la desi generale gn della RMP. I dettagli della RMP può essere regolata per ottimizzare la progettazione per varie condizioni di misurazione. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Le dimensioni e la configurazione del RMP utilizzato per misurare la pressione superficiale sotto lo strato limite turbolento canonica nel presente studio Il disegno del RMP utilizzato per questa misura è leggermente diversa dalla struttura mostrata in figura 1;. la sezione di espansione è incorporato nella base di appoggio. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 3: funzioni di coerenza per RMP con varie lunghezze prima-tubo (a sinistra) 5,35 cm primo tubo e 10,40 cm primo tubo (a destra).. L'asse x è la frequenza in Hz, e l'asse y è il valore della coerenza. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Entità delle funzioni di trasferimento per RMP con varie lunghezze primo tubo (sinistra) 5,35 cm primo tubo e 10,40 cm primo tubo (destra).. La curva blu rappresenta i risultati sperimentali, mentre la curva verde rappresenta le previsioni teoriche. L'asse x è la frequenza in Hz, e l'asse y è l'ampiezza della funzione di trasferimento in dB.target = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Sfasamento delle funzioni di trasferimento per RMP con varie lunghezze primo tubo (sinistra) 5,35 cm primo tubo e 10,40 cm primo tubo (destra).. La curva blu rappresenta i risultati sperimentali, e la curva verde rappresenta le previsioni teoriche. L'asse x è la frequenza in Hz, mentre l'asse y è il cambiamento di fase della funzione di trasferimento in rad. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Densità Auto-spettrale della pressione superficiale misurata dal RMP sotto vari numeri di Reynolds. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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.