Name: Die Messung der Unsteady Flächenpressung eines Remote-Mikrofon-Sonde (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-03T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 53 s
Description: Erfahren Sie die Konstruktion und Kalibrierung einer Remote-Mikrofon-Sonde zur hochaufgelösten Messung turbulenzinduzierter Druckschwankungen auf Oberflächen in Strömungen. Diese Methode liefert wertvolle Einblicke für die Fluiddynamik.

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Diese Forschung wurde ermöglicht durch Mittel aus dem US Office of Naval Research unter Grant No N000141210337, Deborah Nalchajian und Ronald Joslin.

1. Herstellung der Experimente <ol><li> Wählen Sie einen geeigneten Mikrofon, um die RMP zu bauen. Verwenden Sie einen Frequenzbereich des Mikrofons im Frequenzbereich von Interesse. HINWEIS: Bei diesem Experiment Druckschwankungen zwischen 100 und 10.000 Hz sind von Interesse. Die Messfrequenzbereich des ausgewählten Mikrofon von 100 bis 10.000 Hz. Die Größe des Mikrofons sollte so klein wie möglich sein, obwohl es keine spezifische Kriterien für die Größe sind. </li><li> Schätzung der Empfindlichkeit und der Frequenzgang des RMP System das Analyseverfahren im Anhang beschrieben ist. Die Empfindlichkeit und der Frequenzgang des RMP durch die Abmessungen der Rohre und Strukturen variiert. </li><li> Verwenden Sie einen Dremel die 0,5 mm Innendurchmesser Edelstahlrohr in einen 5,25 cm langes Stück geschnitten. </li><li> Mit Schere, schneiden Sie den 1,25-mm-Innendurchmesser weichen Schlauch in ein 4,75 m langes Stück. </li><li> Verwenden Sie eine Fräsmaschine, ein Stück Plexiglas in ein zu schneidenQuader. Die Länge, Breite und Höhe des Quaders sollte 2,54 cm, 1,27 cm und 1,27 cm bzw. sein. </li><li> Bohrungen mit 0,81, 2, 2,56 und 0,76 mm Durchmesser in der Plexiglas - Wiege, wie in Abbildung 2 gezeigt. </li><li> Mit einer Nadel Bohrer den Kegelschnitt des Plexiglas Wiege zu machen, wie in Abbildung 2 dargestellt. </li><li> Schauen Sie die Mikrofonempfindlichkeit im Handbuch des Herstellers, oder das Mikrofon kalibrieren unter Verwendung des Verfahrens eingeführt von Wong 18. </li><li> Setzen Sie das Mikrofon in den Plexiglas - Docking - Station, wie in Abbildung 2, und befestigen Sie das Mikrofon mit Epoxid. </li><li> Schließen Sie das Rohr aus rostfreiem Stahl und die weichen Schlauch in die Plexiglasschale und fixieren Sie diese mit Epoxid. </li><li> Ein Loch mit einem Durchmesser von 0,81 mm senkrecht zu der Modelloberfläche in der Position der Messung. </li></ol> 2. Versuchsaufbau <ol><li> Erröteneinfassung die primären Edelstahlrohre von derRMP Sensoren zur Modelloberfläche und fügen Epoxy die Edelstahlrohre in die entgegengesetzte Modelloberfläche zu befestigen, wie in Abbildung 2 dargestellt. </li><li> Surround die RMP mit Akustikschaum, um verunreinigen das System Störgeräuschen zu verhindern. </li><li> Verlegen Sie alle elektrischen Leitungen aus dem Testabschnitt des Tunnels. </li><li> Führen Sie das weiche anechoic Rohr aus dem Testabschnitt des Tunnels. </li><li> Schließen Sie das Ende des weichen anechoic Rohr mit einem Druckwandler, um Messungen des mittleren statischen Druck zu erhalten, gleichzeitig mit dem unsteten Druck. </li><li> Verbinden den RMP zu einem rauscharmen Verstärker und Datenerfassungssystem. </li><li> Stellen Sie den Verstärkungsfaktor des Verstärkers bis 10. Beachten Sie, dass der Wert des Verstärkungsfaktors kann von Fall zu Fall geändert werden. </li></ol> 3. Kalibrierung <ol><li> Wählen Sie ein Referenzmikrofon, die hohe Qualität und hat eine frequenzunabhängige Empfindlichkeit. </li><li> Verbinden Sie den ReferenzmikroTelefon mit dem Eingang eines Verstärkers und den Ausgang des Verstärkers mit dem Datenerfassungssystem zu verbinden. </li><li> Gesetzt, sowohl die Eingangsverstärkung und Ausgangsverstärkung des Verstärkers 10 dB. Beachten Sie, dass der Verstärkungsfaktor unter verschiedenen Messbedingungen variiert werden kann. </li><li> Legen Sie das Referenzmikrofon in eine Pistonphon, wie sie in der ergänzenden Abbildung dargestellt. </li><li> Schalten Sie den Pistonphon. </li><li> Stellen Sie die Aufnahmefrequenz bis 4000 Hz. </li><li> Legen Sie die Anzahl der Proben auf 240.000. </li><li> Erfassen und die Spannungsausgabe von dem Referenzmikrofon speichern. </li><li> Berechnen Sie die Kalibrierungskonstante des Referenzmikrofon. Die Kalibrierungskonstante, C ref, ist das Verhältnis der Standardabweichung der Pistonphon erzeugten Schalldruck, der Standardabweichung der Spannungsausgang des Referenzmikrofon. </li><li> Wiederholen Sie den Kalibrierungsprozess (Schritte 3.8 und 3.9) mehrmals. Verwenden Sie den Mittelwert, C ref, wie die Kalibrierung konstant. </li> &lt;li&gt; Den Referenzmikrofon senkrecht zu der festen Oberfläche , über die die Druckschwankung gemessen wird, wie in Abbildung 1 dargestellt. </li><li> Richten Sie die Mitte des Referenzmikrofon mit dem RMP Hahn. Verwenden Sie einen Abstand zwischen dem Referenzmikrofon und dem RMP Hahn von 1 mm. </li><li> Setzen Sie den Lautsprecher in der Nähe des Testmodells. Verwenden, um eine Entfernung zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrofon von 2,5 m für diese Messungen. </li><li> Schließen Sie den Lautsprecher an einen Funktionsgenerator und schalten Sie den Funktionsgenerator. </li><li> Verwenden Sie das &quot;weiße Rauschen&quot; Option der Funktionsgenerator das gewünschte akustische Signal zu liefern , und stellen Sie die mittlere quadratische Spannung V rms, bis 0,4 V. </li><li> Stellen Sie die Lautstärke des Lautsprechers auf das Minimum. </li><li> Schalten Sie den Lautsprecher. </li><li> Stellen Sie die Lautstärke des Lautsprecherverstärker so hoch wie möglich, ohne die Lautsprecher beschädigen. Beachten Sie, dass die meisten Lautsprecher eine Kontrollleuchte haben th zu warnene Benutzer, wenn die Ausgangsamplitude über dem Lautsprecher Bereich. </li><li> Erwerben und Zeitreihendaten aus den Ausgangsspannungen von sowohl dem Referenzmikrophon und dem RMP unter Verwendung einer Abtastfrequenz von 40000 Hz für 60 Sekunden zu speichern. </li><li> Berechnen Sie die Zeitreihenwerte des Schalldruckschwankung, die durch den Lautsprecher und das Funktionsgenerator erzeugt wird, und durch das Referenzmikrofon gemessen. Dies ist einfach das Produkt aus der Zeitreihenspannungsausgabe von dem Referenzmikrofon, <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq3.jpg" /> Und seine Kalibrierungskonstante, <img alt="Gleichung 4" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq4.jpg" /> ; <img alt="Gleichung 5" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq5.jpg" /> . Man beachte, dass die Zeitreihen-Schalldruck, <img alt="Gleichung 6" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq6.jpg" /> Ist auch die Druckschwankung am Abgriff des RMP. </li><li> Berechnen Sie die Zeitreihenschalldruckschwankungen durch das Mikrofon gemessen in der RMP ein<html> s das Produkt der Zeitreihenspannungsausgang von der RMP, <img alt="Gleichung 7" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq7.jpg" /> Und die Mikrofonempfindlichkeit, <img alt="Gleichung 8" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq8.jpg" /> ; <img alt="Gleichung 9" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq9.jpg" /> . Beachten Sie, dass die Mikrofonempfindlichkeit, <img alt="Gleichung 8" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq8.jpg" /> Sollte vom Hersteller bereitgestellt werden. </li><li> Berechnen Sie die Auto-Spektraldichte, <img alt="Gleichung 10" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq10.jpg" /> von <img alt="Gleichung 11" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq11.jpg" /> . Berechnen Sie die Auto-Spektraldichte, <img alt="Gleichung 12" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq12.jpg" /> von <img alt="Gleichung 13" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq13.jpg" /> . Berechnen Sie die Quer Spektraldichte, <img alt="Gleichung 14" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq14.jpg" /> , zwischen.jpg &quot;/&gt; und <img alt="Gleichung 11" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq11.jpg" /> . Die Auto-spektralen Dichten und Quer Spektraldichte werden durch Bendat und Piersol 19 definiert. </li><li> Berechnen Sie die Übertragungsfunktion als <img alt="Gleichung 15" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq15.jpg" /> . </li><li> Berechnen Sie die Kohärenzfunktion als <img alt="Gleichung 16" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq16.jpg" /> , Wobei das Sternchen repräsentiert die komplex Konjugierte. </li><li> Entfernen Sie das Referenzmikrofon. </li><li> Schalten Sie den Lautsprecher und Funktionsgenerator aus. </li><li> Entfernen Sie den Lautsprecher. </li></ol> 4. Datenerfassung <ol><li> Schalten Sie den Windkanal. </li><li> Notieren Sie die Zeitreihenspannungsausgang, <img alt="Gleichung 17" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq17.jpg" /> Des RMP mit dem Datenerfassungssystem. Verwenden Sie eine Abtastfrequenz von 40.000 Hz. Verwenden Sie eine Dauer des Erwerbs von 64 sec. </li><li> Schalten Sie den Windkanal ab. </li></ol><ol><li> Berechnen Sie den Schalldruckschwankungen, <img alt="Gleichung 18" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq18.jpg" /> , Durch das Mikrofon in der RMP gemessen als <img alt="Gleichung 19" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq19.jpg" /> . </li><li> Berechnen Sie die Auto-Spektraldichte, <img alt="Gleichung 20" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq20.jpg" /> , Der Oberflächendruckschwankung als <img alt="Gleichung 21" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq21.jpg" /> , woher <img alt="Gleichung 22" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq22.jpg" /> wird die Auto-Spektraldichte des Schwankungsschalldruck durch das Mikrofon in der RMP gemessen <img alt="Gleichung 18" src="/files/ftp_upload/53627/53627eq18.jpg" /> . </li></ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Die Messung des UKP in Windkanalexperimenten wird für viele Anwendungen im Zusammenhang mit Aeroakustik und strömungsinduzierten Schwingungen benötigt. Im Vergleich zu bestehenden Methoden, wie z. B. bündig eingebauten eingebetteten Sensoren, PSP oder vibrierten Membranen, ermöglicht das hier beschriebene Verfahren genaue Messungen mit einer hohen Empfindlichkeit gegenüber großen Fluktuationen über einen weiten Frequenzbereich. Noch wichtiger ist, dass es auch eine Methode für USP-Messungen mit einem kleinen Erfassungsbe...

Der Fluidfluss über Oberflächen führt in der Regel zu Unsicherheit und Turbulenzen, die in unstabile Unterdruck (USP) zur Folge haben. Strömungsinduzierten Geräusche und Vibrationen sind oft ein direktes Ergebnis dieser Unbeständigkeit. Der abgestrahlte Schall erzeugt durch Lüfter, Propeller und Windkraftanlagen werden von Quellen dominiert USP 1 bezogen. Messungen der räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der USP in turbulenten Strömungen sind in der Regel erforderlich, um den abgestrahlten Schall zu prognostizieren. Die statistische Charakterisierung von USP wird in der Regel in Form von auto-Spektraldichte gegeben, Zweipunkt Quer Spektraldichten und räumliche Korrelationsfunktionen 2, 3. Der Frequenzgang kann je nach Anwendungsfall erforderlich variieren. In vielen Windkanal-Anwendungen, eine Antwort von 10 kHz bis 20 kHz reicht. Die kleinen Skalen der turbulenten Bewegung erfordern oft Erfassungsbereiche und Sensor weniger als 1 mm zu sein Abstand. Extensive experimentelle Studien wurden zur Erzielung turbulenzbedingten Druckschwankungen durchgeführt. Eine direkte Methode verwendet Putz-eingebetteten Sensoren. Bei diesem Verfahren wird oft große Anordnungen von Mikrofonen, denn jeder Sensor nur die Druckschwankung an einem diskreten Punkt messen kann. Typische Sensoren in diesem Verfahren verwendet werden , sind piezoelektrische Wandler, vorgeschlagen von Gautschi 4. Arrays von piezoelektrischen Sensoren kann teuer sein, und der Frequenzbereich der Messung ist oft weniger als 10 kHz. Direkte Aufputz Mikrophone werden oft als kostengünstige USP Sensoren 5 eingesetzt. Mikrofone haben eine hohe Empfindlichkeit, die einen wesentlichen Vorteil für die Low-Speed-Flows ist. Dies führt jedoch auch zu dem Risiko der Sensor Sättigung, wenn große Amplitudenschwankungen des Drucks vorhanden sind. Diese Methode ist nicht geeignet für Oberflächen mit großen Krümmungen, Diskontinuitäten oder Geometrien, die zu dünn sind, um den gesamten Sensor enthalten. 6 zu verwenden. Die zeit- und raumabhängigen Schwingungsbewegungen werden gemessen und dann umgewandelt Druck Statistiken mit bekannten mechanischen Eigenschaften der Membran an die Oberfläche. Diese Methode erfordert eine sorgfältige Planung, Ausführung, und eine genaue Kalibrierung der dynamischen Reaktion der Membran. Zusätzlich sind die Schwingungsmesstechnik, wie beispielsweise Laser-Doppler-Vibrometer, teuer. Schließlich kann dieses Verfahren nur auf ebenen Oberflächen aufgebracht werden. Haftlack (PSP) ist eine weitere Technik, die verwendet werden kann, die unstabile Unterdruck zu messen. Diese Technik erfordert die Oberflächen in einem transparenten Polymerbindemittel beschichtet werden, die innerhalb der Moleküle führt zu einem höheren Energiezustand angeregt werden, da sie durch Licht einer bestimmten Wellenlänge beleuchtet werden. Da die Moleküle Sauerstoff Abschrecken unterzogen, ist Energie remit einer Rate proportional zum Sauerstoffpartialdruck als Licht geleasten, was zu Lumineszenz, die dem Oberflächendruck 7 umgekehrt proportional ist. Der größte Nachteil an PSP Verfahren ist die relativ geringe Empfindlichkeit der Messung, wenn sie Mikrofone verglichen. Dies begrenzt die Anwendung der PSP zu relativ hoher Geschwindigkeit fließt. Die vorliegende Mitteilung beschreibt ein Verfahren zur USP, die eine Remote-Mikrofon-Sonde (RMP) verwendet. Diese Methode wurde zuerst von Englund und Richards 8 beschrieben. Das Konzept verwendet ein Standard-Kleinmikrofon, das an der Oberfläche Druckarmatur mit einem Hohlrohr verbunden ist. Der schwankende Druck an der Modelloberfläche in der Form von Schallwellen in den Schlauch fahren. Die Schlauch wirkt als &quot;Wellenleiter&quot;, um das Mikrofon zu ermöglichen, die auf den Schlauch senkrecht montiert ist, die Schallwellen zu messen. Die Wellen dann in eine andere Röhre weiter, die lang genug ist, mit großer Amplitude akustische r zu beseitigeneflections. Englund und Richards angewendet , um einen analytischen Ansatz umrissen von Bergh und Tijdeman 9 , um die Dynamik des RMP zu bestimmen. Perrenes und Roger 10 verwendet , um eine RMP Oberflächendruck über einen zweidimensionalen Strömungsprofils mit Hochauftriebsvorrichtungen zu messen. Sie entwickelten eine Sonde mit einem Durchmesser von 0,5 mm Kapillarrohr an der Oberfläche, die zu einer 27 cm langen starren Rohr verbunden wurde, die von 0,7 mm bis 2,5 mm über zwei getrennte Stufenänderungen erweitert. Jeder Schritt Änderung verursacht eine relativ große Änderung in der akustischen Impedanz des Rohres. 11 Leclercq und Bohineust studierte die Wanddruckfeld unter einer turbulenten Grenzschicht. Sie benutzten einen konstanten Durchmesser RMP, wie von Franzoni und Elliott 12 vorgeschlagen. Jedoch war die dynamische Reaktion hoch genug, nur in einem begrenzten Frequenzbereich. Arguillat et al. 13 eine RMP entworfen um das Rauschen zu dem Inneren eines Fahrzeugabteils übertragen zu studieren. Sie testetenverschiedene Rohre, die die Druckschwankungen auf die Mikrofone zu leiten. Yang et al. 14 für die Schlauchverzerrung korrigiert durch einen Rohrübertragungsfunktion Ansatz, der dem in diesem Bericht führte ähnlich ist. Hoarau et al. 15 untersuchten die Wanddruckverlauf hinter einem abgetrennten Bereich. Die RMP, die sie entworfen hatte konstanten Innendurchmesser und der Schlauch war völlig nicht starr. Nach den bisherigen Untersuchungen erhalten die Genauigkeit der Oberflächendruckmessungen RMPs Verwendung ist vor allem abhängig von der Bestimmung der frequenzabhängigen Übertragungsfunktion der Sonde, die den Oberflächendruck an dem Mikrofon Druck bezieht. In den folgenden Abschnitten wird eine RMP Geometrie beschreiben, die sowohl einfach als auch wirksam ist. Experimentelle und analytische Verfahren werden in der Reihenfolge eingeführt und validiert werden, um genau die dynamische Reaktion des RMP bestimmen. Das Analysemodell ermöglicht eine RMP o zu seinin der Planungsphase für eine potenziell breite Palette von Anwendungen ptimized. RMPs kann verwendet werden, um Druckschwankungen über einen weiten Bereich von Frequenzen gemessen werden. Die relativ hohe räumliche Auflösung können detaillierte Informationen über die Merkmale des räumlich verteilten instationären Druckfeld 16 bieten. Da die Sonde klein ist, kann RMPs Druckschwankungen über komplexe Geometrien, wie beispielsweise große Krümmungen oder geringem Abstand 17 zur Messung verwendet werden. Zusätzlich kann das Rohr die Oberfläche berühren und die Mikrofonsensorverbindungs ​​reduzieren die Größe der induzierten Druckschwankungen am Mikrophon. Auf diese Weise erhält man die richtige Gestaltung von RMP Sensorgeometrie und Parameter ein Verfahren zur USP Eigenschaften zu erhalten, die deutlich weniger restriktiv sind, wenn sie im Vergleich zu Unterputz das Mikrofon direkt an der Oberfläche des Modells. Struktur der RMPThe allgemeine Struktur des RMP ist in Abbildung 1 gezeigt </strong&gt;. Die RMP besteht aus einem Rohr von der Modelloberfläche zu einer Expansionsabschnitt führenden und einem zweiten Rohr von dem Expansionsabschnitt zu einer Verlängerung &quot;Wiege&quot;. Ein drittes Rohr wird dann als anechoic Beendigung handeln verbunden. Die Wiege ist eine bearbeitete Kunststoffkomponente für das Gehäuse des Mikrofons und die Rohrverbindungen verwendet. Die Einzelheiten des RMP-Struktur kann für verschiedene Versuchsbedingungen eingestellt werden. Der Zweck des zweiten, im Durchmesser größeren Rohr ist der relativ voluminöse Mikrofon und Wiege zu ermöglichen, von dem Punkt der USP-Messung angeordnet zu werden weiter, ohne die Messempfindlichkeit verringert wird. Dieser zweite Schlauch kann beseitigt werden, wenn es nicht erforderlich, und der Expansionsabschnitt ist, kann in der Halterung eingebaut werden. Die schalltoten Beendigung wurde aus weichem Kunststoff, die in etwa 2 bis 3 m in der Länge war. Für diese Demonstration wurde das Design des RMP optimiert für die Messung von Oberflächendruckschwankungen unter einem turbulent Grenzschicht ohne Strömungs Druckgradienten, wie in Figur 2 gezeigt. Das zweite Rohr eliminiert wurde. Die Wirkung der beiden unterschiedlichen Längen der ersten Röhre beobachtet. Das erste Rohr war aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm und einem Außendurchmesser von 0,81 mm hergestellt. Die Längen des ersten Rohrs waren 5,35 und 10,40 cm. Der Innendurchmesser des Einlasses der Expansionsabschnitt, der in die Halterung eingebaut wurde, betrug 0,5 mm, und der Innendurchmesser des Austritts betrug 1,25 mm, der dem Innendurchmesser des Ableitungs Beendigung identisch war. Der Winkel des Expansionsabschnitts betrug 7 °. Es war ein Loch in der Docking-Station mit einem 1,25 mm Durchmesser, um den Expansionsabschnitt mit dem schalltoten Beendigung reibungslos verbinden. Der Erfassungsbereich wurde auf die 1,25-mm-Loch durch eine senkrecht 0,75 mm Bohrung verbunden.

<table><tbody><tr><td>Mikrofon</td><td>ACO Pacific (http://www.acopacific.com/)</td><td>7016</td><td>Wird verwendet, um den Schalldruck zu messen und den RMP als Referenz zu kalibrieren.</td></tr><tr><td>Mikrofon</td><td>Knowles (http://www.knowles.com/eng)</td><td>FG-23629-C36</td><td>Wird verwendet, um die Druckschwankungen als Teil des RMP zu messen.</td></tr><tr><td>Microbore Tubing</td><td>Saint-gobain (http://www.biopharm.saint-gobain.com/en/index.asp)</td><td>Tygon ND 100-80</td><td>Wird zur Ableitung der Schallwellen als Ableitungsschluss verwendet.</td></tr><tr><td>Injektionsschlauch</td><td>MicroGroup (http://www.microgroup.com/)</td><td>304H21RW</td><td>Wird verwendet, um den Oberflächenhahn anzuschließen und die Fluktuation des Oberflächendrucks in Form von Schall zum Mikrofon im RMP konvetieren zu lassen.</td></tr><tr><td>Injektionsschlauch</td><td>MicroGroup (http://www.microgroup.com/)</td><td>304H14H</td><td>Wird verwendet, um den dissipativen Effekt zu reduzieren und die Fluktuation des Oberflächendrucks in Form von Schall zum Mikrofon im RMP konvetieren zu lassen.</td></tr><tr><td>Plexiglas</td><td>Plaskolite (http://www.plaskolite.com/)</td><td>1X76204A</td><td>Wird zur Herstellung von Halterungen verwendet, mit denen die Schläuche und das Mikrofon für das RMP verbunden werden können.</td></tr><tr><td>Chassis für die Datenerfassung</td><td>National Instruments (http://www.ni.com/)</td><td>PXI-1006</td><td>Für die Datenerfassung.</td></tr><tr><td>Datenerfassungskanal</td><td>National Instruments (http://www.ni.com/)</td><td>PXI-4472</td><td>Für die Datenerfassung.</td></tr><tr><td>Funktionsgenerator</td><td>thinkSRS (http://www.thinksrs.com/)</td><td>DS360</td><td>Zur Erzeugung von weißem Rauschen.</td></tr><tr><td>Kolbentelefon</td><td>B& K (http://www.bksv.com/)</td><td>4228</td><td>Zur Erzeugung von Sinuswellen mit konstanter Frequenz, die zur Kalibrierung des Referenzmikrofons verwendet werden.</td></tr><tr><td>Lautsprecher</td><td>Mackie (http://www.mackie.com/index.html)</td><td>HD1531</td><td>Wird verwendet, um das elektrische Signal des weißen Rauschens in Schall umzuwandeln. Es ist die Schallquelle für die Kalibrierung des RMP.</td></tr><tr><td>MatLab</td><td>Mathworks (http://www.mathworks.com/)</td><td></td><td>Wird zur Verarbeitung experimenteller Daten verwendet.</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments (http://www.ni.com/)</td><td></td><td>Verwendet: Steuern Sie die Hardware für die Datenerfassung und zeichnen Sie die Daten auf.</td></tr></tbody></table>

die messung der unsteady flächenpressung eines remote-mikrofon-sonde

The Measurement of Unsteady Surface Pressure Using a Remote Microphone Probe

Mikrofone werden häufig eingesetzt, um Druckschwankungen an den Wänden von Festkörpern zu messen, die in turbulente Strömungen eingetaucht sind. Turbulente Bewegungen mit unterschiedlichen charakteristischen Längenskalen können zu Druckschwankungen über einen weiten Frequenzbereich führen. Diese Eigenschaft der Turbulenz erfordert, dass Sensorgeräte über einen weiten Frequenzbereich über eine ausreichende Empfindlichkeit verfügen. Darüber hinaus erfordern die kleinen charakteristischen Längenskalen turbulenter Strukturen kleine Erfassungsbereiche und die Möglichkeit, die Sensoren in unmittelbarer Nähe zueinander zu platzieren. Die komplexen Geometrien der Festkörper, die oft große Oberflächenkrümmungen oder Diskontinuitäten beinhalten, erfordern, dass die Sonde auf engstem Raum aufgestellt werden kann. Die Entwicklung einer entfernten Mikrofonsonde, die kostengünstig, konsistent und wiederholbar ist, wird in der vorliegenden Mitteilung beschrieben. Es ermöglicht die Messung von Druckschwankungen mit hoher räumlicher Auflösung und dynamischem Verhalten über einen weiten Frequenzbereich. Die Sonde ist klein genug, um im Inneren typischer Windkanalmodelle platziert zu werden. Die ferngesteuerte Mikrofonsonde besteht aus einem kleinen, starren und hohlen Rohr, das die Modelloberfläche durchdringt und den Erfassungsbereich bildet. Diese Röhre wird über einen "T"-Übergang in einiger Entfernung von der Oberfläche mit einem Standardmikrofon verbunden. Es wird ein experimentelles Verfahren eingeführt, um das dynamische Verhalten der entfernten Mikrofonsonde zu bestimmen. Darüber hinaus wird ein analytisches Verfahren zur Bestimmung des dynamischen Ansprechverhaltens beschrieben. Die Analysemethode kann in der Entwurfsphase angewendet werden, um die Abmessungen und Eigenschaften der RMP-Komponenten zu bestimmen.

Ergebnisse der Kalibrierung von zwei repräsentativen RMP-Designs sind in diesem Abschnitt dargestellt. Die erste verwendet eine 5,35 cm Primärrohr und das zweite verwendet eine 10,4 cm Primärschlauch. Die ableitende Abschlüsse sind 4,75 m lang für beide RMPs. Die Kohärenz zwischen den Druckschwankungen durch das Mikrofon gemessen in der RMP und durch das Referenzmikrofon ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Dat...

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um mit hoher räumlicher Auflösung den instationären Oberflächendruck in turbulenten Strömungen zu messen. Diese Methode demonstriert den Aufbau einer Remote Microphone Probe (RMP) und die Bestimmung ihrer frequenzabhängigen, komplexen Übertragungsfunktion. Eine analytische Bestimmung des dynamischen Ansprechverhaltens wird vorgestellt und validiert.

Die Messung der Unsteady Flächenpressung eines Remote-Mikrofon-Sonde

Microphones are widely applied to measure pressure fluctuations at the walls of solid bodies immersed in turbulent flows. Turbulent motions with various ...

Das übergeordnete Ziel dieser experimentellen Methode besteht darin, Messungen der durch Turbulenz verursachten Druckschwankungen an Oberflächen von in Strömungen eingetauchten Körpern mit hoher räumlicher Auflösung durchzuführen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen auf den Gebieten der Strömungsmechanik, der Aeroakustik und der strömungsinduzierten Strukturschwingungen zu beantworten, beispielsweise bezüglich der räumlichen und zeitlichen Eigenschaften des instationären Oberflächendrucks, der durch turbulente Bewegungen mit kleinen Längenskalen hervorgerufen wird. Die Fernmikrofonsonde kann detaillierte Informationen über die Eigenschaften der instationären Oberflächendruckfelder liefern, und zwar mit relativ hoher räumlicher Auflösung über einen weiten Frequenzbereich hinweg.Bereiten Sie die Experimente vor, indem Sie die Fernmikrophonsonde aufbauen. Dazu sind mehrere Komponenten erforderlich. Vor allem benötigen Sie ein kleines Mikrophon, das empfindlich gegenüber den interessierenden Frequenzen ist.Die Größe der verbleibenden Komponenten hängt von der gewünschten Empfindlichkeit und Frequenzantwort der Sonde ab. Diese Sonde verwendet ein Stück Edelstahlrohr mit einem inneren Durchmesser von einem halben Millimeter. Außerdem ist ein langes Stück weichen Schlauchs mit einem inneren Durchmesser von 1,25 Millimetern erforderlich.Ein speziell zugeschnittenes und gebohrtes Plexiglasstück dient als Halterung für das Mikrofon. Auf einer Seite der Halterung befindet sich ein Loch, das den Edelstahlrohr aufnimmt. Am gegenüberliegenden Ende der Halterung befindet sich ein weiteres Loch.Er verläuft entlang derselben Achse und nimmt den weichen Schlauch auf. Diese beiden Löcher sind durch das Plexiglas miteinander verbunden. Oben befinden sich zwei konzentrische Löcher.Die größere äußere Öffnung nimmt das Mikrofon auf. Die kleinere innere Öffnung führt zum Hohlraum. Dieser Querschnitt dient als Anleitung für die Konstruktion der Halterung.Beachten Sie, dass die zur Anpassung der Seitendurchmesser erforderliche Konizität nahe dem Einlass des Edelstahlrohrs liegt. Bereiten Sie Epoxidharz vor, um die Bauteile an der Halterung zu befestigen. Nehmen Sie das Mikrofon und richten Sie es so aus, dass seine Membran zur Halterung zeigt, und setzen Sie es in seine Position ein.Wenn es in Position ist, Epoxidharz auftragen, um es zu befestigen. Danach das Edelstahlrohr in die zuvor dafür vorgesehene Öffnung einführen und ebenfalls mit Epoxidharz fixieren. Den weichen Schlauch auf die gleiche Weise an seiner vorgesehenen Stelle befestigen.Am anderen Ende des weichen Schlauchs verwenden Sie einen Stopfen, um das Rohr abzudichten. Mit allen an der Halterung befestigten Komponenten ist diese Sonde bereit, in einem Experiment verwendet zu werden. Als Nächstes wenden Sie Ihre Aufmerksamkeit der Modelloberfläche für das Experiment zu.Diese Demonstration verwendet eine flache Platte mit vorbereiteten Messpunkten. An einem Messpunkt sollte sich ein Durchgangsloch senkrecht zur Oberfläche befinden. Das Loch sollte den Außendurchmesser des Edelstahlrohrs der Sonde aufweisen.Befestigen Sie für das Experiment die Modellfläche im Windkanal. Bringen Sie anschließend eine Mikrofonsonde an der Modellfläche am Messloch an. Führen Sie von der Rückseite der Fläche aus das Edelstahlrohr der Mikrofonsonde durch das Loch.Die Öffnung des Rohrs sollte bündig mit der Messfläche abschließen. Tragen Sie Epoxidharz auf der der Messstelle gegenüberliegenden Seite auf, um das Rohr zu befestigen. Bringen Sie den Mikrofonfühler in Position an und umgeben Sie ihn mit akustischem Schaumstoff, um parasitäres Rauschen zu verhindern, das das System beeinträchtigen könnte. Als Nächstes arbeiten Sie mit dem weichen, echofreien Schlauch der Sonde. Ziehen Sie das geschlossene Ende aus dem Prüfabschnitt des Windkanals heraus und umgeben Sie es mit Schallabsorberplatten, um es von der Umgebung abzuschirmen.Am Prüfstand wieder angekommen, schließen Sie das Mikrofon an die Eingänge eines rauscharmen Verstärkers an, der sich außerhalb des technischen Bereichs des Windkanals befindet. Gehen Sie anschließend zu der Elektronik außerhalb des Kanals. Der rauscharme Verstärker ist mit dem Datenerfassungssystem verbunden.Stellen Sie den Verstärkungsfaktor des Verstärkers auf zehn ein. Für die Kalibrierung der Fernmikrofonsonde sind mehrere Geräte erforderlich. Verwenden Sie für die erste Phase ein hochwertiges Referenzmikrofon mit frequenzunabhängiger Empfindlichkeit zusammen mit dem Kolbentelefon.Des Weiteren sollte ein Verstärker vorhanden sein, dessen Ausgang mit dem Datenerfassungssystem verbunden ist. Schließen Sie das Mikrofon an den Eingang des Verstärkers an und stellen Sie die Eingangs- und Ausgangsverstärkung auf zehn Dezibel ein. Danach besorgen Sie sich das Kolbentelefon.Stecken Sie das Mikrofon in das Kolbentelefon für die Messung. Schalten Sie das Kolbentelefon ein, sobald Sie bereit sind. Wechseln Sie zum Datenerfassungssystem, um die Datenerfassungsfrequenz und die Anzahl der Stichproben einzustellen.Beginnen Sie mit der Erfassung und Speicherung der Spannung des Referenzmikrofons, um die Kalibrierkonstante zu berechnen. Sobald die Kalibrierkonstante bestimmt ist, nehmen Sie das Mikrofon vom Kolbenphone ab. Bringen Sie nun das Mikrofon an der Oberfläche des Modells an, positionieren Sie es mithilfe eines Halterungsadapters senkrecht zur Oberfläche über dem Meßsondenrohr, an der die Druckschwankungen gemessen werden sollen.Richten Sie das Mikrofon auf die Mitte des Probenanschlusses und einen Millimeter darüber aus. Für die nächsten Schritte ist ein Lautsprecher mit integriertem Verstärker, der an einen Funktionsgenerator angeschlossen ist, erforderlich. Bringen Sie den Lautsprecher nahe an der Oberfläche des Modells und 2,5 Meter vom Mikrofon entfernt an.Der Lautsprecher sollte ausgeschaltet sein und die Membran auf die Oberfläche des Modells gerichtet sein. Außerhalb des Windkanals arbeiten Sie mit dem Funktionsgenerator. Schalten Sie ihn ein und verwenden Sie die Weißrausch-Option, um das akustische Signal bereitzustellen.Zurück zum Lautsprecher gehen und sicherstellen, dass die Verstärkung auf ein Minimum eingestellt ist. Anschließend den Lautsprecher einschalten und die Lautstärke so weit wie möglich erhöhen, ohne Schäden zu verursachen. Zurück zum Datenerfassungssystem gehen.Zeitseriendaten der Spannungsausgänge des Mess- und Referenzmikrofons erfassen und speichern. Die Kalibrierung ist der kritischste Schritt dieses Verfahrens. Um einen erfolgreichen Ablauf sicherzustellen, verwenden Sie ein Modell zur Vorhersage der Übertragungsfunktion und vergleichen Sie diese mit den experimentellen Ergebnissen.Verwenden Sie außerdem Geräte von hoher Qualität, einschließlich des Referenzmikrofons und des Lautsprechers. Dies sind Darstellungen der Kohärenz zwischen den Druckschwankungen, wie sie mit der entfernten Mikrofonsonde und dem Referenzmikrofon in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen wurden. Dieses Sondensystem besitzt ein 5,35 cm langes Primärrohr.Zum Vergleich hat diese Sonde eine 10,4 cm lange Primärröhre. Die Kohärenz liegt im interessierenden Frequenzbereich über 0,97. Diese Diagramme zeigen die Beträge der Übertragungsfunktionen von denselben zwei Sonden.Die blauen Kurven zeigen Experimentellergebnisse. Die grünen Kurven zeigen theoretische Vorhersagen. Die Vorhersagen der dynamischen Antwort sind über den größten Teil des Frequenzbereichs hinweg genau.Kleine Abweichungen in der Sonde können Diskrepanzen bei mittleren und hohen Frequenzen erklären. Der Vergleich der Daten mit den Vorhersagen für die Steigung der Gesichtsverschiebung zeigt, dass die Vorhersagen geringfügig zu hoch liegen. Dies könnte auf kleine Messfehler bei den Rohrlängen oder auf Temperaturschwankungen zurückzuführen sein.In diesem Diagramm stellt der helle graue Bereich die Bandbreite früherer Daten zu Oberflächendruck-Spektren bei verschiedenen Reynolds-Zahlen dar. Die Datenpunkte repräsentieren Messungen mit entfernten Mikrofonsonden. Die Messwerte liegen innerhalb der Streubreite, die in der veröffentlichten Fachliteratur beobachtet wurde.Wenn die Kalibrierung einmal beherrscht ist, kann die Kalibrierung einer einzelnen Fernmikrofonsonde innerhalb von fünf Minuten durchgeführt werden, sofern sie ordnungsgemäß durchgeführt wird. Während des Versuchs, dieses Verfahren durchzuführen, ist es wichtig, die Kalibrierung mit verschiedenen Lautsprechervolumina zu wiederholen, um die höchste Kohärenz für die Fernmikrofonsonde zu erzielen. Nach dieser Entwicklung ebnete diese Technik den Forschern den Weg, die Eigenschaften von Druckschwankungen über Oberflächen mit großer Krümmung und begrenztem Abstand unter komplexen Strömungsbedingungen zu untersuchen.Die Arbeit mit lauten Lautsprechern, die weißen Rauschen mit hohem Schallpegel erzeugen, kann äußerst gefährlich sein. Vergessen Sie nicht die notwendigen Vorsichtsmaßnahmen, wie beispielsweise die Verwendung schalldämpfender Kopfhörer während der Durchführung dieses Verfahrens. Nach dem Ansehen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine entfernte Mikrofonsonde aufbaut, einrichtet und kalibriert.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

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