Målingen av Ustø overflatetrykk Bruke en ekstern mikrofon Probe

Introduction

Fluidstrømningen over overflater generelt fører til ustøhet og turbulens som fører til ujevn overflatetrykk (USP). Flow-indusert lyd og vibrasjoner er ofte et direkte resultat av dette ustøhet. Strålings lyd som genereres av kjølevifter, propeller, og vindmøller er dominert av kilder knyttet til USP ^1. Målinger av de romlige og temporale karakteristika USP i turbulente strømmer er generelt nødvendig for å forutsi den utstrålte lyd.

Den statistiske karakterisering av USP er vanligvis gitt i form av auto-spektral tetthet, to-innlegg-spektral tettheter, og romlige koorelasjonsfunksjoner ^{2, 3.} Frekvensresponsen er nødvendig kan variere avhengig av programmet. I mange vindtunnel anvendelser, en respons på 10 kHz til 20 kHz er tilstrekkelig. De små skalaer av turbulent bevegelse krever ofte avfølingsområder og sensoravstanden til å være mindre enn 1 mm.

Extensive eksperimentelle studier har blitt gjennomført for å få turbulens-indusert trykksvingninger. En direkte metoden bruker innfelte innebygde sensorer. Denne metoden benytter ofte store matriser av mikrofoner, fordi hver sensor bare kan måle trykkvariasjoner ved en diskret punkt. Typiske sensorer som brukes i denne metoden er piezoelektriske transdusere, foreslått av Gautschi ^4. Matriser med piezoelektriske sensorer kan være dyrt, og det frekvensområdet for måle er ofte mindre enn 10 kHz.

Direkte overflatemonterte mikrofoner blir ofte brukt som billig USP sensorene ^5. Mikrofoner har høy følsomhet, noe som er en betydelig fordel for lav hastighet strømmer. Imidlertid fører dette også til faren for sensoren metning når store amplitude-variasjoner i trykk er til stede. Denne metoden er ikke egnet for flater med store krumninger, diskontinuiteter eller geometrier som er for tynne til å inneholde hele sensoren.

6. Tids- og arealavhengig vibrasjonsbevegelser blir målt og deretter omdannet til overflatetrykket statistikk ved bruk av kjente mekaniske egenskapene til membranen. Denne metoden krever forsiktig design, implementering og nøyaktig kalibrering av membranen dynamiske respons. I tillegg er det vibrasjonsmåling utstyr, slik som laser Doppler vibrometre, er dyre. Til slutt kan denne metoden kun brukes på flate overflater.

Trykkfølsom lakk (PSP) er en annen teknikk som kan brukes til å måle ustø overflatetrykk. Denne teknikken krever de overflater som skal males i en gjennomsiktig polymerbindemiddel, noe som fører til at molekyler innen å være spent til en høyere energitilstand etter hvert som de blir belyst med lys av en bestemt bølgelengde. Som molekylene gjennomgår oksygen bråkjøling, er energi releide som lys med en hastighet som er proporsjonal med oksygenpartialtrykket, noe som resulterer i luminescens som er omvendt proporsjonal med overflatetrykket ^7. Den store ulempen til PSP metoder er den forholdsvis lav følsomhet av målingen sammenlignet med mikrofoner. Dette begrenser bruken av PSP til relativt høy hastighet strømmer.

Den foreliggende kommunikasjons beskriver en fremgangsmåte for å USP som bruker en ekstern mikrofon probe (RMP). Denne metoden ble først beskrevet av Englund og Richards ^8. Konseptet bruker en standard miniatyr-mikrofon som er koplet til overflatetrykket kranen med et hult rør. Den ustø trykk på modelloverflaten vil reise inn i røret i form av lydbølger. Slangen virker som en "wave-guide" for å tillate mikrofonen, som er montert vinkelrett til røret, for å måle de lydbølger. Bølgene deretter fortsette inn i et annet rør som er lang nok til å eliminere i stor amplitude akustisk reflections.

Englund og Richards brukt en analytisk tilnærming skissert av Bergh og Tijdeman ⁹ for å bestemme den dynamiske responsen i RMP. Perrenes og Roger ¹⁰ anvendes en RMP for å måle overflatetrykk i løpet av en to-dimensjonal vingeprofil med high-lift utstyr. De utviklet en sonde med en 0,5 mm diameter kapillarrør på overflaten som var koblet til en 27 cm lang stivt rør som ekspanderes fra 0,7 mm til 2,5 mm via to separate trinn endringer. Hvert trinn forandring førte til en forholdsvis stor endring i den akustiske impedans av røret. Leclercq og Bohineust ¹¹ studert veggen trykkfeltet under et turbulent grensesjikt. De brukte en konstant diameter RMP, som foreslått av Franzoni og Elliott ^12. Men den dynamiske responsen var høy nok bare i et begrenset frekvensområde. Arguillat et al., ¹³ utformet en RMP for å studere den støy som overføres til det indre av et kjøretøy rommet. de testetulike rør for å gjennomføre trykkvariasjoner til mikrofonene. Yang et al., ¹⁴ korrigert for slangen forvrengning ved hjelp av et rør overføringsfunksjon metode som ligner den fremgangsmåten innføres i denne rapporten. Hoarau et al. ¹⁵ studert veggen trykkurve nedstrøms for et atskilt område. De RMPs at de er utformet hadde konstant innvendig diameter, og slangen var helt ikke-rigid.

I henhold til tidligere studier, er nøyaktigheten av overflatetrykkmålinger oppnådd ved anvendelse av RMPs er i hovedsak avhengig av bestemmelsen av frekvensavhengig overføringsfunksjon av den sonde som vedrører overflatetrykket til mikrofonen trykk. Følgende avsnitt beskriver en RMP geometri som er både enkel og effektiv. Eksperimentelle og analytiske metoder vil bli introdusert og valideres for å nøyaktig bestemme den dynamiske responsen av RMP. Den analytiske modellen gir mulighet for en RMP å være optimized i designfasen for et potensielt bredt spekter av applikasjoner.

RMPs kan brukes til å måle trykkvariasjoner over et bredt frekvensområde. Den relativt høy romlig oppløsning kan tilby detaljert informasjon om egenskapene til romlig fordelte ustø press felt ^16. Da sonden er liten, kan RMPs bli anvendt for å måle trykkvariasjoner over komplekse geometrier, for eksempel store krumninger eller begrenset mellomrom ^17. I tillegg kan røret som forbinder overflaten kranen og mikrofonen sensoren redusere størrelsen av den induserte trykkvariasjoner ved mikrofonen. Således riktig utforming av RMP sensorgeometri og parameterne gir en fremgangsmåte for å oppnå USP egenskaper som er betydelig mindre restriktive i forhold til innfelt montering mikrofonen direkte til modelloverflaten.

Oppbygging av RMPThe generelle strukturen i RMP er vist i figur 1

For denne demonstrasjon ble det utformingen av RMP optimalisert for måling av overflatetrykksvingninger under en turbulent grenselaget uten en strømvis trykkgradient, som vist i figur 2. Det andre røret ble fjernet. Virkningene av de to forskjellige lengder av det første røret ble observert. Den første rør ble konstruert av rustfritt stål med en indre diameter på 0,5 mm og en ytre diameter på 0,81 mm. Lengden av det første røret var 5,35 og 10,40 cm, henholdsvis. Den indre diameteren til innløpet av utvidelsesseksjonen, som ble innlemmet i holderen, var 0,5 mm, og den indre diameter av utløps var 1,25 mm, som var identisk med den indre diameteren av ødsling avslutning. Vinkelen på ekspansjonsseksjonen var 7 °. Det var et hull i holderen med en diameter på 1,25 mm for å koble jevnt ekspansjonsseksjonen med det refleksjonsfrie avslutning. Føler området ble koblet til 1,25 mm hull gjennom en vinkelrett 0,75 mm hull.

Protocol

1. Utarbeidelse av eksperimenter

1. Velg en skikkelig mikrofon til å bygge RMP. Bruke et frekvensområde av mikrofonen innenfor frekvensområdet av interesse.
   MERK: I dette eksperimentet, trykksvingninger mellom 100 og 10 000 Hz er av interesse. Målingen frekvensområde av den valgte mikrofonen er fra 100 til 10 000 Hz. Størrelsen på mikrofonen bør være så liten som mulig, men det er ingen spesifikke kriterier for størrelsen.
2. Beregne følsomhet og frekvensrespons av RMP systemet ved hjelp av analysemetoden beskrevet i vedlegget. Justere følsomheten og frekvensresponsen til RMP ved å variere dimensjonene av rørene og strukturer.
3. Bruk en Dremel til å kutte 0,5 mm indre diameter rustfritt stål rør inn i en 5,25 cm langt stykke.
4. Med saks, klippe 1,25 mm indre diameter soft tube inn i en 4,75 m lang stykke.
5. Bruk en Fres å klippe et stykke av plexiglass i encuboid. Lengden, bredden og høyden av cuboid bør være 2,54 cm, 1,27 cm og 1,27 cm, respektivt.
6. Bore hull med 0,81, 2, 2,56 og diameter 0,76 mm på pleksiglass holderen, som vist i figur 2.
7. Bruke en nål drill for å gjøre den koniske delen av pleksiglass holderen, som vist i figur 2.
8. Slå opp mikrofonfølsomheten i den manuelle levert av produsenten, eller kalibrere mikrofonen ved hjelp av metoden introdusert av Wong ^18.
9. Sete mikrofonen inn i pleksiglass holderen, som vist i figur 2, og feste mikrofonen ved hjelp av epoksy.
10. Koble rustfritt stål rør og den myke rør til pleksiglass vugge og fikse dem med epoxy.
11. Bore et hull med en diameter på 0,81 mm perpendikulært til modelloverflaten ved posisjonen for måling.

2. Eksperiment Setup

1. Flush montere primær rustfritt stål rør avRMP sensorene til modelloverflaten og legge epoxy for å feste de rustfrie stålrørene til den motsatte modelloverflaten, som vist i figur 2.
2. Omgir RMP med akustiske skum for å forhindre parasittisk støy fra forurenser systemet.
3. Rute alle elektriske ledninger ut av testseksjonen av tunnelen.
4. Rute den myke refleksjonsfrie røret ut av testseksjonen av tunnelen.
5. Koble enden av det myke refleksjonsfrie rør til en trykktransduktor for å oppnå målinger av den midlere statiske trykk samtidig med ustø trykk.
6. Koble RMP til en støysvak forsterker og datainnsamling system.
7. Still forsterkningsfaktoren i forsterkeren til 10. Merk at verdien av forsterkningsfaktoren kan endres fra tilfelle til tilfelle.

3. Kalibrering

1. Velg en referanse mikrofon som er av høy kvalitet og har en frekvens-uavhengig følsomhet.
2. Koble referansen microtelefon til inngangen av en forsterker og koble utgangen av forsterkeren til datainnsamlingssystemet.
3. Sette både inngang og utgang gain forsterkningen i forsterkeren til 10 dB. Legg merke til at forsterkningsfaktoren kan varieres under forskjellige målebetingelsene.
4. Sett referanse mikrofonen til en pistonphone, som vist i den supplerende figuren.
5. Slå på pistonphone.
6. Sett oppkjøpet frekvensen til 4000 Hz.
7. Angi antall prøver til 240.000.
8. Erverve og lagre spenning fra referanse mikrofonen.
9. Beregn kalibreringskonstant av referanse mikrofonen. Den kalibreringskonstant, C _ref, er forholdet mellom standardavviket for den pistonphone-produsert lydtrykk til standardavviket for spenningsutgangen av referanse mikrofonen.
10. Gjenta kalibreringsprosessen (trinn 3.8 og 3.9) flere ganger. Benytte middelverdien, C _ref, som kalibreringskonstant.
<li> Plasser henvisning mikrofonen vinkelrett på den faste overflate over hvilken trykkvariasjoner blir målt, som vist i figur 1.
11. Rett midten av referansen mikrofon med RMP springen. Bruk en avstand mellom referanse mikrofon og RMP trykk på 1 mm.
12. Plasser høyttaleren i umiddelbar nærhet til testmodell. Bruke en avstand mellom høyttaler og mikrofon på 2,5 m for disse målingene.
13. Koble høyttaleren til en funksjon generator og slå på funksjonen generator.
14. Bruk "hvit støy" alternativet av funksjonen generator for å gi den ønskede akustisk signal og sette root mean square spenning, V _rms, til 0,4 V.
15. Juster volumet av høyttaleren til et minimum.
16. Slå på høyttaleren.
17. Juster volumet av høyttalerforsterkeren så høyt som mulig uten å skade høyttaleren. Merk at de fleste høyttalere har en indikatorlampe å advare the brukeren dersom produksjonen amplitude er over høyttalerserien.
18. Erverve og lagre tidsseriedata fra spenningsutgangene til både referanse mikrofonen og RMP ved hjelp av et scanning frekvens på 40000 Hz for 60 sek.
19. Beregne tidsserie verdier av lydtrykket svingning, som er generert av høyttaleren og funksjonsgenerator og målt ved referanse mikrofonen. Dette er ganske enkelt produktet av tidsserien spenningsutgangssignal fra referanse mikrofon, Og dets kalibreringskonstant, ; . Legg merke til at tidsserie lydtrykk, Er også trykket svingninger i springen av RMP.
20. Beregn tidsserier lydtrykk svingning målt med mikrofonen i en RMP s produktet av spenning tidsserier fra RMP Og mikrofonfølsomheten, ; . Merk at mikrofonfølsomhet, Bør gis av produsenten.
21. Beregn auto-spektral tetthet, , av . Beregn auto-spektral tetthet, , av . Beregn kryss-spektraltettheten, mellom.jpg "/> og . Auto-spektral tetthet og kryss-spektral tetthet er definert av Bendat og Piersol ^19.
22. Beregn overføringsfunksjon som .
23. Beregn sammenheng funksjon som , Hvor stjernen betegner den komplekse konjugerte.
24. Fjern referansen mikrofonen.
25. Slå av høyttaleren og funksjon generator.
26. Fjern høyttaleren.

4. Data Acquisition

1. Slå på vindtunnel.
2. Registrere spenningsutgang tidsserier, , Av RMP med datainnsamlingssystemet. Bruk en skanning frekvens på 40000 Hz. Bruk en varighet av oppkjøpet av 64 sek.
3. Slå av vindtunnel.

1. Beregn lydtrykk svingninger, , Målt ved mikrofonen i RMP som .
2. Beregn auto-spektral tetthet, , Av det overflatetrykk som svingning , hvor er det auto-spektraltettheten av lydtrykket svingning målt med mikrofonen i RMP .

Representative Results

Kalibrerings resultater fra to representative RMP design er vist i dette avsnittet. Den første anvendes en 5,35 cm primærrøret, og den andre en brukt en 10,4 cm primærrøret. De statiske avslutninger er 4,75 m lang for begge RMPs.

Sammenhengen mellom de trykksvingninger som måles av mikrofonen i RMP og av referanse mikrofonen er vist i figur 3. Dataene viser en nær sammenheng enhet verdi over et bredt område av frekvenser. Ved frekvenser over 10 kHz, den sammenheng forblir generelt høy, men den koherens synker intermittent ved noen frekvenser. En grunn til dette er at lyden som genereres av høyttaleren er forholdsvis lav ved disse frekvensene. Dette kan også resultere fra den reduserte følsomheten av RMP ved høye frekvenser. Bakgrunnen og elektrisk støy kan føre til tap av sammenheng. En lav koherens verdiindikerer at de trykksvingninger som måles av mikrofonen i RMP og referanse mikrofonen ikke er sterkt korrelert. I denne studien er det koherens høyere enn 0,97 i det frekvensområdet som er av interesse.

Figur 4 viser størrelsen av overføringsfunksjonen oppnås både eksperimentelt og analytisk. Analysemetoden er nøyaktig i å forutsi dynamisk respons over mesteparten av frekvensområdet. Uenighetene i midt og høy frekvensområder antas å være et resultat av små avvik i RMP, som BURS eller små uoverensstemmelser på rør veikryss.

De svingninger i overføringsfunksjonen størrelsen på frekvenser mellom 100 Hz og 500 Hz er relatert til akustiske refleksjoner i lengre ekkofritt avslutning. Disse er vanligvis av størrelsesorden 1 eller 2 dB i størrelsesorden. Akustiske refleksjoner innenfor primary tube er tydelig i svingninger ved høyere frekvenser.

Figur 5 viser en faseforskyvning av overføringsfunksjonene. Den analytiske metoden overvurderer litt helningen av faseforskyvning. Selv om usikkerheten i målingen, som er omtrent 1,6%, kan føre til avvik, blir denne overestimering regnes for å være forårsaket av små feil i beregnede rør lengder, eller ved temperatursvingninger, noe som vil påvirke den akustiske hastigheten anvendt i den analytiske metoden på grunn av konstant trend.

USP målinger ble kjøpt i en flat-plate turbulent grensesjikt flyt. Denne fremgangsmåten ble valgt for denne kommunikasjonen på grunn av enkelheten i det eksperimentelle oppsettet, og at en betydelig mengde med data for USP foreligger for flat-plate grenselag. Auto-spektral tettheter målt ved RMP på flere verdier av Reynolds antall er vist i figur 6. De trykkspektrene ble normalisert ved veggen skjær, forskyvning tykkelse, og jevn lufthastighet. Den lysegrå regionen inneholder alle data fra ulike forskningsmiljøer, utarbeidet av Goody ^20. Den mørke grå bånd representerer trykk-spektra som svarer til meget store Reynoldstall. De foreliggende målinger er innenfor spredning av målinger observert i tidligere litteratur og demonstrere den forventede utvikling av størrelsen avtar med Reynolds-tallet, som vist ved Goody. Legg også merke til at den målte trykk-spektrene ikke inneholder noen av de harmoniske topper som finnes i overføringsfunksjonen, noe som indikerer at en nøyaktig frekvensavhengig kalibreringsfunksjon ble brukt.

Figur 1:. Skjematisk for RMP struktur og oppsett skjematisk viser den generelle desi gn av RMP. Detaljene i RMP kan justeres for å optimalisere design av ulike målebetingelser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2: Mål og oppsett av RMP benyttes til å måle overflatetrykket under kanoniske turbulente grensesjiktet i denne studien Utformingen av RMP benyttes for denne målingen er litt forskjellig fra den vist i figur 1 struktur;. utvidelsen delen er innlemmet i holderen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

/53627/53627fig3.jpg "/>
Figur 3: Sammenheng funksjoner for RMPs med ulike første-rør lengder (venstre) 5.35 cm første rør og (til høyre) 10.40 cm første tube.. X-aksen er frekvensen i Hz, og y-aksen er verdien av sammenhengen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4: Størrelsen på transferfunksjoner for RMPs med ulike første-rør lengder (venstre) 5.35 cm første rør og (til høyre) 10.40 cm første tube.. Den blå kurven representerer de eksperimentelle resultatene, mens den grønne kurve representerer de teoretiske forutsigelser. X-aksen er frekvensen i Hz, og y-aksen er størrelsen av overføringsfunksjonen i dB.target = "_ blank"> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5: Fase forskyvning av overføringsfunksjonene for RMPs med ulike første-rør lengder (venstre) 5.35 cm første rør og (til høyre) 10.40 cm første tube.. Den blå kurven representerer de eksperimentelle resultatene, og den grønne kurven representerer de teoretiske forutsigelser. X-aksen er frekvens i Hz, mens y-aksen er faseforskyvning av transferfunksjonen i rad. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6: Auto-spektral tetthet av overflatetrykket målt ved RMPs under forskjellige Reynolds-tall. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

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.