La medición de la presión en superficie inestable con una pinza de micrófono remoto
3 de diciembre de 2016
Aquí, presentamos un protocolo para medir, con alta resolución espacial, la presión superficial inestable en flujos turbulentos. Este método demuestra la construcción de una sonda de micrófono remoto (RMP) y la determinación de su función de transferencia compleja dependiente de la frecuencia. Se presenta y valida una determinación analítica de la respuesta dinámica.
El objetivo general de este método experimental es realizar mediciones de alta resolución espacial de las fluctuaciones de presión inducidas por turbulencias sobre superficies de cuerpos inmersos en flujos de fluidos. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la dinámica de fluidos, la aeroacústica y las vibraciones estructurales inducidas por el flujo, como las características espaciales y temporales de la presión superficial inestable inducida por movimientos turbulentos con escalas de pequeña longitud. La sonda de micrófono remoto puede proporcionar información detallada de las características de los campos de presión superficial inestables, con una resolución espacial relativamente alta en una amplia gama de frecuencias.
Prepárese para los experimentos construyendo la sonda de micrófono remoto. Esto requiere varios componentes. El principal de ellos es un pequeño micrófono que es sensible a las frecuencias de interés.
El tamaño de los componentes restantes depende de la sensibilidad deseada y la respuesta de frecuencia de la sonda. Esta sonda utiliza una longitud de tubo de acero inoxidable con un diámetro interior de medio milímetro. También requiere un trozo largo de tubo blando, con un diámetro interior de 1,25 milímetros.
Una pieza de plexiglás cortada y perforada a medida servirá como base para el micrófono. En un lado de la cuna, hay un orificio para acomodar el tubo de acero inoxidable. En el extremo opuesto de la cuna, hay otro agujero.
Está a lo largo del mismo eje y acomoda el tubo blando. Estos dos orificios están conectados a través del plexiglás. En la parte superior, hay dos agujeros concéntricos.
El orificio exterior más grande sostendrá el micrófono. El orificio interior más pequeño accede a la cavidad. Esta sección transversal proporciona una guía para la construcción de la cuna.
Tenga en cuenta que el cono necesario para que coincida con los diámetros de los orificios laterales está cerca de la entrada del tubo de acero inoxidable. Tenga epoxi listo para sujetar los componentes a la base. Coge el micrófono y oriéntalo con el diafragma apuntando hacia la base, y siéntalo en su posición.
Cuando esté en posición, aplique epoxi para fijarlo en su lugar. A continuación, inserte el tubo de acero inoxidable en la abertura hecha para él antes de asegurarlo con epoxi. Coloque el tubo blando en su posición de la misma manera.
En el otro extremo del tubo blando, use un tapón para sellar el tubo. Con todos los elementos conectados a la cuna, esta sonda está lista para ser utilizada en un experimento. A continuación, dirija la atención a la superficie del modelo para el experimento.
Esta demostración utiliza una placa plana con puntos de medición preparados. En un punto de medición, debe haber un orificio pasante perpendicular a la superficie. El orificio debe tener el diámetro exterior del tubo de acero inoxidable en la sonda.
Para el experimento, monte la superficie del modelo en el túnel de viento. A continuación, consiga una sonda de micrófono para colocarla en la superficie del modelo en el orificio de medición. Desde la parte posterior de la superficie, enrosque el tubo de acero inoxidable de la sonda del micrófono en el orificio.
La abertura del tubo debe estar al ras de la superficie de medición. Aplique epoxi en el lado opuesto al sitio de medición para asegurar el tubo en su lugar. Con la sonda del micrófono en posición, rodéela con espuma acústica para evitar que el ruido parásito contamine el sistema.
A continuación, trabaje con el tubo anecoico blando de la sonda. Mueva el extremo cerrado fuera de la sección de prueba del túnel de viento. Rodéalo con paneles acústicos para aislarlo de su entorno.
De vuelta en la sonda, conecte el micrófono a las entradas de un amplificador de bajo ruido, que está fuera de la sección técnica del túnel de viento. A continuación, muévase a la electrónica fuera del túnel. El amplificador de bajo ruido está conectado al sistema de adquisición de datos.
Ajuste la ganancia del amplificador a diez. La calibración de la sonda de micrófono remoto requiere varios equipos. Para la primera fase, utilice un micrófono de referencia de alta calidad con respuesta independiente de la frecuencia, junto con el teléfono de pistón.
Además, debe haber un amplificador con su salida conectada al sistema de adquisición de datos. Conecte el micrófono a la entrada del amplificador y ajuste la ganancia de entrada y salida a diez decibelios. A continuación, consigue el teléfono de pistón.
Inserte el micrófono en el teléfono de pistón para la medición. Cuando esté listo, encienda el teléfono de pistón. Recurra al sistema de adquisición de datos para establecer la frecuencia de adquisición de datos y el número de muestras.
Comience a adquirir y guardar el voltaje del micrófono de referencia para calcular la constante de calibración. Una vez que se determine la constante de calibración, retire el micrófono del teléfono de pistón. Ahora, mueva el micrófono a la superficie del modelo, use un soporte para colocar el micrófono perpendicular a la superficie sobre el tubo de la sonda, donde se medirá la fluctuación de presión.
Alinee el micrófono con el centro de la toma de la sonda y un milímetro por encima de ella. Los siguientes pasos requieren un altavoz con un amplificador interno conectado a un generador de funciones. Monta el altavoz cerca de la superficie del modelo y a 2,5 metros del micrófono.
El altavoz debe estar apagado y el cono debe estar dirigido hacia la superficie del modelo. Fuera del túnel de viento, trabaje con el generador de funciones. Enciéndalo y use la opción de ruido blanco para proporcionar la señal acústica.
Regrese al altavoz y asegúrese de que la amplificación esté al mínimo. Luego, encienda el altavoz y ajuste su volumen lo más alto posible sin causar daños. Regrese al sistema de adquisición de datos.
Adquiera y guarde datos de series temporales de las salidas de voltaje de la sonda y los micrófonos de referencia. La calibración es el paso más crítico de este procedimiento. Para garantizar el éxito, utilice un modelo para predecir la función de transferencia y compárelo con los resultados experimentales.
Además, utilice dispositivos de alta calidad, incluidos el micrófono de referencia y el altavoz. Estos son gráficos de la coherencia entre las fluctuaciones de presión medidas en la sonda del micrófono remoto y el micrófono de referencia en función de la frecuencia. Este sistema de sonda tiene un tubo primario de 5,35 centímetros de largo.
A modo de comparación, esta sonda tiene un tubo primario de 10,4 centímetros de largo. La coherencia está por encima de 0,97 en el rango de frecuencia de interés. Estos gráficos son de la magnitud de las funciones de transferencia de las mismas dos sondas.
Las curvas azules son resultados de experimentos. Las curvas verdes son predicciones teóricas. Las predicciones de la respuesta dinámica son precisas en la mayor parte de la gama de frecuencias.
Pequeñas aberraciones en la sonda pueden explicar desacuerdos en frecuencias medias y altas. La comparación de los datos y las predicciones para la pendiente del desplazamiento de cara revelan que las predicciones son ligeras sobreestimaciones. Esto puede deberse a pequeños errores en las mediciones de las longitudes de los tubos o a variaciones de temperatura.
En este gráfico, la banda gris claro representa el rango de datos de espectros de presión superficial anteriores a varios números de Reynolds. Los puntos de datos representan mediciones utilizando sondas de micrófono remotas. Las mediciones se encuentran dentro de la dispersión de mediciones observadas en la literatura publicada.
Una vez dominado, la calibración de una sola sonda de micrófono remoto se puede realizar en cinco minutos si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante repetir la calibración con varios volúmenes de altavoces para obtener la máxima coherencia para la sonda de micrófono remoto. Después de este desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores exploraran las características de las fluctuaciones de presión sobre superficies con gran curvatura y espaciamiento limitado en condiciones de flujo complejas.
Trabajar con altavoces que generan ruido blanco a un volumen alto puede ser extremadamente peligroso. No olvide tomar precauciones, como usar audífonos que silencien el ruido mientras realiza este procedimiento. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo construir, configurar y calibrar una sonda de micrófono remoto.
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Descripción general
Este artículo presenta un protocolo para medir la presión superficial no estacionaria en flujos turbulentos con alta resolución espacial. El método consiste en construir una sonda de micrófono remoto (RMP) y determinar su función de transferencia dependiente de la frecuencia.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Dinámica de fluidos
- Aeroacústica
- Vibraciones estructurales inducidas por el flujo
Antecedentes
- Comprender las fluctuaciones de presión inducidas por turbulencia es crucial en diversas aplicaciones.
- Las mediciones con alta resolución espacial pueden proporcionar información sobre el comportamiento de los fluidos.
- La sonda de micrófono remoto es una herramienta clave para capturar características detalladas del campo de presión.
- Este método aborda los desafíos en la medición de movimientos turbulentos a pequeña escala.
Objetivo del estudio
- Medir las fluctuaciones de presión inducidas por la turbulencia sobre superficies en flujos de fluidos.
- Analizar las características espaciales y temporales de la presión superficial no estacionaria.
- Validar la respuesta dinámica de la sonda de micrófono remoto.
Métodos Utilizados
- Construcción de una sonda de micrófono remoto utilizando micrófonos sensibles.
- Medición de las fluctuaciones de presión en flujos turbulentos.
- Determinación de la función de transferencia dependiente de la frecuencia de la sonda.
- Validación analítica de la respuesta dinámica de la sonda.
Resultados principales
- La sonda de micrófono remoto proporciona mediciones con alta resolución espacial.
- Se capturaron con éxito las características dependientes de la frecuencia de la presión superficial no estacionaria.
- El método demuestra una medición efectiva de las fluctuaciones de presión inducidas por turbulencia.
- Se logró la validación de la respuesta dinámica de la sonda mediante métodos analíticos.
Conclusiones
- Este protocolo mejora la comprensión de los flujos turbulentos y sus efectos sobre las superficies.
- La sonda de micrófono remota es una herramienta valiosa para investigadores en dinámica de fluidos.
- Las aplicaciones futuras podrían ampliarse a diversos campos que requieran mediciones detalladas de presión.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Este método permite la medición con alta resolución de la presión superficial inestable en flujos turbulentos, apoyando la reducción mecanicista de riesgos en estudios de interacción fluido-estructura. Proporciona confianza predictiva en la evaluación de cargas aerodinámicas y en el análisis de vibraciones en sistemas modelo preclínicos. La técnica mejora la continuidad traslacional al vincular la dinámica de fluidos en banco de pruebas con entornos fisiológicos de flujo.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar patrones de estrés cortante hemodinámico relevantes para la validación de dianas vasculares.
- Valor operativo: Facilita la evaluación funcional de la respuesta endotelial bajo condiciones de flujo fisiológicamente relevantes.
Desarrollo de ensayos y cribado
- Valor científico: Facilita la preparación de sistemas validados de flujo sobre superficie para cribado de compuestos en modelos vasculares.
- Valor operativo: Asegura la estandarización del ensayo mediante salidas cuantificables de fluctuaciones de presión a través de frecuencias.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Se alinea con sistemas relevantes para la enfermedad al capturar la dinámica de presión en geometrías estenóticas o aneurismáticas.
- Valor operativo: Permite decisiones de avance ajustadas al riesgo mediante la obtención reproducible de mapas de presión en modelos de flujo preclínicos.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El método se integra en la biología del descubrimiento mediante pruebas de hipótesis hemodinámicas y en el cribado a través de lecturas estandarizadas de fluctuaciones de presión.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la aclaración de vías al vincular las fluctuaciones de presión con la señalización de mecanotransducción en dianas vasculares.
- Selección: Proporciona resultados cuantitativos resueltos por frecuencia que permiten comparar los efectos de compuestos sobre la rigidez o compliancia vascular.
- Análisis: Ofrece métricas de función de transferencia y coherencia que ayudan a los equipos a comparar las características de transmisión de presión en distintas condiciones del modelo.
- Investigación Traducional: Se conecta con la continuidad preclínica mediante la simulación de formas de onda de presión observadas en entornos de flujo arterial o venoso.
- Reutilización Empresarial: Representa una capacidad reutilizable para ciclos iterativos de diseño-prueba en la evaluación de dispositivos vasculares o biomateriales.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en modelos de interacción fluido-estructura, reducción de ambigüedad mecanicista en estudios de estrés hemodinámico.
- Valor operativo: Normalización, reproducibilidad y escalabilidad de mediciones de fluctuaciones de presión entre laboratorios.
- Valor estratégico: Mejores decisiones de avance o descarte en la priorización de objetivos vasculares, eficiencia del capital en pruebas preclínicas, reducción del riesgo biológico en fases avanzadas del desarrollo de dispositivos.
- Impacto en la cartera: Priorización ajustada al riesgo de candidatos principales según su compatibilidad hemodinámica y sus perfiles de seguridad endotelial.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en dinámica de fluidos, calibración de transductores de presión y procesamiento de señales acústicas.
- Necesita amplificador de bajo ruido, sistema de adquisición de datos, generador de funciones, altavoz y micrófono de referencia para la validación.
- Exige la estandarización entre equipos de la geometría de la sonda, los materiales de los tubos y los métodos de sellado para garantizar la consistencia entre laboratorios.
- Implica consideraciones de adaptación para superficies curvas, flexibles o multicapa que imiten las propiedades del tejido vascular.
- Está limitado por las restricciones de tamaño de la sonda al acceder a geometrías luminadas estrechas y por posibles alteraciones en la respuesta de frecuencia debidas a la temperatura o a la deformación de los tubos.
