La mesure des Unsteady Pression de surface Utilisation d'un microphone sonde à distance

Résumé

Ici, nous présentons un protocole pour mesurer, avec une haute résolution spatiale, la pression de surface instable dans les écoulements turbulents. Cette méthode démontre la construction d’une sonde de microphone à distance (RMP) et la détermination de sa fonction de transfert complexe dépendante de la fréquence. Une détermination analytique de la réponse dynamique est présentée et validée.

Résumé

Les microphones sont largement utilisés pour mesurer les fluctuations de pression sur les parois des corps solides immergés dans des écoulements turbulents. Des mouvements turbulents avec différentes échelles de longueur caractéristiques peuvent entraîner des fluctuations de pression sur une large gamme de fréquences. Cette propriété de la turbulence exige que les dispositifs de détection aient une sensibilité suffisante sur une large gamme de fréquences. De plus, les petites échelles de longueur caractéristiques des structures turbulentes nécessitent de petites zones de détection et la capacité de placer les capteurs à proximité les uns des autres. Les géométries complexes des corps solides, comprenant souvent de grandes courbures ou discontinuités de surface, nécessitent que la sonde puisse être installée dans des espaces très limités. La présente communication décrit la mise au point d’une sonde de microphone à distance, peu coûteuse, cohérente et reproductible. Il permet de mesurer les fluctuations de pression avec une résolution spatiale élevée et une réponse dynamique sur une large gamme de fréquences. La sonde est suffisamment petite pour être placée à l’intérieur des modèles de soufflerie typiques. La sonde de microphone à distance comprend un petit tube rigide et creux qui pénètre dans la surface du modèle pour former la zone de détection. Ce tube est relié à un microphone standard, à une certaine distance de la surface, à l’aide d’une jonction en « T ». Une méthode expérimentale est introduite pour déterminer la réponse dynamique de la sonde de microphone à distance. En outre, une méthode analytique pour déterminer la réponse dynamique est décrite. La méthode analytique peut être appliquée à l’étape de la conception pour déterminer les dimensions et les propriétés des composants RMP.

Introduction

L'écoulement de fluide sur des surfaces conduit généralement à l'instabilité et de la turbulence qui se traduisent par une pression de surface instable (USP). bruit et les vibrations induites par l'écoulement sont souvent une conséquence directe de cette instabilité. Le bruit rayonné généré par les ventilateurs de refroidissement, des hélices et des éoliennes sont dominées par des sources liées à USP ^1. Les mesures des caractéristiques spatiales et temporelles de l'USP dans les écoulements turbulents sont généralement nécessaires afin de prédire le bruit rayonné.

La caractérisation statistique de l' USP est généralement administré sous la forme de la densité spectrale automatique, deux points de densités spectrales croisées et les fonctions de corrélation spatiale ^{2, 3.} La réponse en fréquence requise peut varier en fonction de l'application. Dans de nombreuses applications en soufflerie, une réponse de 10 kHz à 20 kHz est suffisante. Les petites échelles de mouvement turbulent nécessitent souvent des zones de détection et capteur espacer être inférieur à 1 mm.

Exteétudes expérimentales nsive ont été menées afin d'obtenir des fluctuations de pression induite par la turbulence. Une méthode directe utilise des capteurs embarqués encastrés. Cette méthode utilise souvent de grands réseaux de microphones, parce que chaque capteur ne peut mesurer la variation de pression à un point discret. Capteurs typiques utilisés dans ce procédé sont des transducteurs piézoélectriques, proposés par Gautschi ^4. Des réseaux de capteurs piézo-électriques peuvent être coûteux, et la plage de fréquence de mesure est souvent inférieure à 10 kHz.

Microphones montés en surface directs sont souvent utilisés comme capteurs USP bon marché ^5. Microphones ont une sensibilité élevée, ce qui est un avantage important pour les flux à faible vitesse. Toutefois, cela entraîne également le risque de saturation du capteur lorsque de grandes variations d'amplitude de la pression sont présents. Cette méthode ne convient pas pour les surfaces avec de grandes courbures, des discontinuités ou des géométries qui sont trop minces pour contenir l'ensemble du capteur.

Une méthode indirecte pour obtenir à la fois l' information spectrale et spatiale est d'utiliser des membranes minces encastré sur une surface ^6. Les mouvements de vibration en temps et en dépendant de l'espace sont mesurées et ensuite converties en surface des statistiques de pression à l'aide de propriétés mécaniques connues de la membrane. Cette méthode nécessite une conception soignée, la mise en œuvre, et un étalonnage précis de la réponse dynamique de la membrane. En outre, l'équipement de mesure de vibrations, telles que laser vibromètres Doppler, sont chers. Enfin, ce procédé ne peut être appliqué à des surfaces planes.

Peinture sensible à la pression (PSP) est une autre technique qui peut être utilisée pour mesurer la pression de surface instable. Cette technique exige que les surfaces à enduire dans un liant polymère transparent, ce qui amène les molécules à l'intérieur d'être excité à un état d'énergie plus élevé car elles sont éclairées par une lumière d'une longueur d'onde spécifique. Comme les molécules subissent une trempe à l'oxygène, l'énergie est reloué à la lumière à un débit proportionnel à la pression partielle d'oxygène, ce qui entraîne une luminescence qui est inversement proportionnelle à la pression de surface ^7. L'inconvénient majeur de méthodes PSP est relativement faible sensibilité de la mesure par rapport aux microphones. Cela limite l'application de la PSP à relativement Les flux à grande vitesse.

La présente communication décrit une méthode pour USP qui utilise une sonde de microphone à distance (RMP). Cette méthode a été décrite par Englund et Richards ^8. Le concept utilise un microphone miniature standard qui est reliée à la prise de pression de surface à l'aide d'un tube creux. La pression instable à la surface du modèle se rendra dans le tube sous la forme d'ondes sonores. Les actes de tube comme un "guide d'ondes" pour permettre le microphone, qui est monté perpendiculairement à la tubulure, afin de mesurer les ondes sonores. Les ondes continuent ensuite dans un autre tube qui est suffisamment longue pour éliminer de grande amplitude acoustique reflections.

Englund et Richards appliqué une approche analytique décrite par Bergh et Tijdeman ⁹ pour déterminer la réponse dynamique de la RMP. Perrenes et Roger ¹⁰ utilisés un PGR pour mesurer la pression de surface sur une aile à deux dimensions avec des dispositifs hypersustentateurs. Ils ont développé une sonde avec un tube capillaire de 0,5 mm de diamètre à la surface qui était relié à un tube rigide 27 cm de longueur qui est passée de 0,7 mm à 2,5 mm par l'intermédiaire de deux changements par paliers séparés. Chaque variation de l'étape a provoqué une variation relativement importante de l'impédance acoustique du tube. Leclercq et Bohineust ¹¹ ont étudié le champ de pression de la paroi sous une couche limite turbulente. Ils ont utilisé un RMP diamètre constant, tel que suggéré par Franzoni et Elliott ^12. Cependant, la réponse dynamique était assez élevé que dans une plage de fréquence limitée. Arguillat et al. , ¹³ conçu un PGR pour étudier le bruit transmis à l'intérieur d'un compartiment de véhicule. Ils ont testéplusieurs tubes pour effectuer la fluctuation de pression aux microphones. Yang et al. ¹⁴ corriger la distorsion de tube en utilisant une approche de la fonction de transfert de tube qui est similaire à la méthode introduite dans le présent rapport. Hoarau et al. , ¹⁵ ont étudié la trace de la pression de la paroi en aval d'une région séparée. Les PGF qu'ils avaient conçus diamètres intérieurs constants, et le tube est entièrement non-rigide.

D'après des études antérieures, la précision des mesures de pression de surface obtenue à l'aide PGF est principalement dépendante de la détermination de la fonction de transfert dépendant de la fréquence de la sonde qui concerne la pression de surface à la pression du microphone. Les sections suivantes décrivent une géométrie RMP qui est à la fois simple et efficace. Les méthodes expérimentales et analytiques seront présentés et validés afin de déterminer avec précision la réponse dynamique de la RMP. Le modèle analytique permet un PGR soit optimized dans la phase de conception pour une potentiellement large gamme d'applications.

PGF peut être utilisé pour mesurer les fluctuations de pression sur une large plage de fréquences. La résolution spatiale relativement élevée peut offrir des informations détaillées sur les caractéristiques du champ de pression instationnaire spatialement distribué ^16. Comme la sonde est petite, PGF peuvent être utilisés pour mesurer les fluctuations de pression sur des géométries complexes, telles que les grandes courbures ou l' espacement limité ^17. En outre, le tube reliant le robinet de surface et le capteur de microphone peut réduire l'amplitude de la fluctuation de pression induite au niveau du microphone. Par conséquent, une conception appropriée de la géométrie et des paramètres du capteur PGR donne une méthode pour obtenir des caractéristiques de l'USP qui sont sensiblement moins restrictive par rapport à montage affleurant le microphone directement sur la surface du modèle.

Structure de la structure générale RMPThe du PGF est représenté sur la figure 1 . Le PGR se compose d'un tube partant de la surface du modèle d'une section d'expansion et un second tube étendant à partir de la section d'expansion à un «berceau». Un troisième tube est ensuite reliée à agir en tant que terminaison anéchoïque. Le berceau est une pièce en matière plastique usiné utilisé pour loger le microphone et les raccordements de tubes. Les détails de la structure du PGR peuvent être ajustés pour tenir compte de diverses conditions expérimentales. Le but du deuxième tube, de plus grand diamètre est de permettre le microphone et le berceau relativement encombrant pour être placé plus loin du point de la mesure de l'USP, sans réduire de manière significative la sensibilité de la mesure. Ce second tube peut être éliminée si elle est inutile, et la section d'extension peut être construite dans le berceau. La terminaison anéchoïque a été faite de plastique mou qui était d'environ 2 à 3 m de longueur.

Pour cette démonstration, la conception du PGR a été optimisé pour la mesure des variations de la pression de surface sous une turbulent de la couche limite , sans gradient de pression direction de l' écoulement, comme représenté sur la figure 2. Le second tube a été éliminé. Les effets des deux longueurs différentes du premier tube ont été observés. Le premier tube a été construit à partir d'acier inoxydable d'un diamètre intérieur de 0,5 mm et un diamètre extérieur de 0,81 mm. La longueur du premier tube sont 5,35 et 10,40 cm, respectivement. Le diamètre intérieur de l'entrée de la section d'expansion, qui a été incorporé dans le berceau, était de 0,5 mm et le diamètre intérieur de la sortie était de 1,25 mm, ce qui était identique au diamètre intérieur de la terminaison de la dissipation. L'angle de la section d'expansion était de 7 °. Il y avait un trou dans le berceau d'un diamètre de 1,25 mm afin de relier facilement la section d'extension avec la terminaison anéchoïque. La zone de détection est relié au trou de 1,25 mm à travers un trou perpendiculaire à 0,75 mm.

Protocole

1. Préparation des expériences

1. Sélectionnez un microphone approprié pour construire le RMP. Utiliser une plage de fréquence du microphone à l'intérieur de la gamme de fréquences d'intérêt.
   NOTE: Dans cette expérience, les fluctuations de pression comprise entre 100 et 10 000 Hz sont intéressantes. La gamme de fréquences de mesure du microphone sélectionné est de 100 à 10 000 Hz. La taille du microphone doit être aussi petit que possible, bien qu'il n'y ait pas de critères spécifiques pour la taille.
2. Estimer la réponse de la sensibilité et de la fréquence du système RMP en utilisant la méthode d'analyse décrite dans l'annexe. Ajuster la réponse de la sensibilité et de la fréquence du PGR en faisant varier les dimensions des tubes et des structures.
3. Utilisez un Dremel pour couper le tube en acier inoxydable de diamètre intérieur de 0,5 mm dans un long morceau de 5,25 cm.
4. Avec des ciseaux, couper le 1,25 mm de diamètre intérieur tube souple dans une longue pièce de 4,75 m.
5. Utiliser une machine de fraisage pour couper un morceau de plexiglas dans uncuboïde. La longueur, la largeur et la hauteur du parallélépipède devrait être de 2,54 cm, 1,27 cm et 1,27 cm, respectivement.
6. Percer avec 0,81, 2, 2,56 et 0,76 mm de diamètre sur le berceau en plexiglas, comme le montre la figure 2.
7. Utiliser une perceuse à aiguille pour rendre la section conique du support en plexiglas, comme représenté sur la figure 2.
8. Consulter la sensibilité du microphone dans le manuel fourni par le fabricant, ou calibrer le microphone à l' aide de la méthode introduite par Wong ^18.
9. Seat le microphone dans le support en plexiglas, comme le montre la figure 2, et fixer le microphone à l' aide d' époxy.
10. Connecter le tube en acier inoxydable et le tube souple au berceau en plexiglas et les fixer avec époxy.
11. Forer un trou d'un diamètre de 0,81 mm, perpendiculairement à la surface du modèle à la position de mesure.

Configuration 2. Expérience

1. Flush monter les principaux tubes de l'acier inoxydableDes capteurs de PGF à la surface du modèle et ajouter époxy pour fixer les tubes en acier inoxydable à la surface du modèle opposé, comme le montre la figure 2.
2. Entourez le RMP avec mousse acoustique afin d'éviter les bruits parasites de contaminer le système.
3. Route tout le câblage électrique de la section d'essai du tunnel.
4. Route le tube anéchoïque doux de la section d'essai du tunnel.
5. Connectez l'extrémité du tube souple anéchoïque à un capteur de pression afin d'obtenir des mesures de la pression statique moyenne simultanément avec la pression instable.
6. Branchez le RMP à un système d'acquisition amplificateur à faible bruit et des données.
7. Définir le facteur de gain de l'amplificateur 10. On notera que la valeur du facteur de gain peut être modifié selon les cas.

3. Calibration

1. Sélectionnez un microphone de référence qui est de haute qualité et a une sensibilité indépendante de la fréquence.
2. Connectez le micro de référencetéléphone à l'entrée d'un amplificateur et connecter la sortie de l'amplificateur au système d'acquisition de données.
3. Réglez la fois le gain d'entrée et le gain de sortie de l'amplificateur à 10 dB. A noter que le facteur de gain peut varier dans différentes conditions de mesure.
4. Insérez le microphone de référence dans un pistonphone, comme le montre la figure supplémentaire.
5. Allumez le pistonphone.
6. Réglez la fréquence d'acquisition à 4.000 Hz.
7. Réglez le nombre d'échantillons à 240.000.
8. Acquérir et enregistrer la tension de sortie du microphone de référence.
9. Calculer la constante d'étalonnage du microphone de référence. La constante d'étalonnage, _Cref, est le rapport de l'écart - type de la pression acoustique produite pistonphone à l'écart - type de la tension de sortie du microphone de référence.
10. Répétez le processus d'étalonnage (étapes 3.8 et 3.9) plusieurs fois. Utiliser la valeur moyenne, _Cref, comme la constante d'étalonnage.
11. placer le microphone de référence , perpendiculairement à la surface solide sur laquelle la fluctuation de pression est mesurée, comme le montre la figure 1.
12. Alignez le centre du microphone de référence avec le robinet RMP. Utilisez une distance entre le microphone de référence et la prise RMP de 1 mm.
13. Placer le haut-parleur à proximité immédiate du modèle d'essai. Utiliser une distance entre le haut-parleur et le microphone de 2,5 m pour les mesures.
14. Branchez le haut-parleur à un générateur de fonction et activer le générateur de fonction.
15. Utilisez l'option "bruit blanc" du générateur de fonction pour fournir le signal acoustique désiré et régler la racine de la moyenne tension carré, V _eff, à 0,4 V.
16. Ajuster le volume du haut-parleur au minimum.
17. Allumez le haut-parleur.
18. Régler le volume de l'amplificateur de haut-parleur le plus haut possible sans endommager l'enceinte. Notez que la plupart des haut-parleurs ont un voyant lumineux pour avertir the utilisateur si l'amplitude de sortie est supérieure à la gamme d'enceintes.
19. Acquérir et enregistrer les données de séries chronologiques à partir des sorties de tension à la fois le microphone de référence et le RMP en utilisant une fréquence de 40 000 Hz de balayage pendant 60 secondes.
20. Calculer les valeurs de série temporelle de la fluctuation de pression acoustique, qui est produit par le haut-parleur et la fonction génératrice et mesurée par le microphone de référence. Ceci est tout simplement le produit de la tension de sortie de série chronologique à partir du microphone de référence, , Et son étalonnage constant, ; . On notera que la pression acoustique de séries temporelles, , Est aussi la fluctuation de pression au robinet de la RMP.
21. Calculer le temps de la série fluctuation de pression acoustique mesuré par le microphone dans la RMP a s le produit de la tension de sortie des séries chronologiques de la RMP, Et la sensibilité du microphone, ; . On notera que la sensibilité du microphone, , Doit être fourni par le fabricant.
22. Calculer la densité de l'auto-spectrale, , de . Calculer la densité de l'auto-spectrale, , de . Calculer la densité spectrale croisée, , entre.jpg "/> et . Les densités d'auto-spectrale et la densité spectrale croisée sont définis par Bendat et Piersol ^19.
23. Calculer la fonction de transfert .
24. Calculer la fonction de cohérence comme Où l'astérisque représente le conjugué complexe.
25. Retirez le microphone de référence.
26. Éteignez le haut-parleur et la fonction génératrice.
27. Retirez le haut-parleur.

4. Acquisition de données

1. Allumez la soufflerie.
2. Notez la sortie de tension série temporelle, , Du PGF avec le système d'acquisition de données. Utilisez une fréquence de 40 000 Hz de balayage. Utiliser une durée de l'acquisition de 64 secondes.
3. Éteignez la soufflerie.

1. Calculer la fluctuation de pression acoustique, , Mesurée par le microphone dans le RMP comme .
2. Calculer la densité de l'auto-spectrale, , De la fluctuation de pression de surface , où est automatique de la densité spectrale de la fluctuation de pression acoustique mesurée par le microphone dans la RMP .

Résultats

les résultats d'étalonnage de deux modèles RMP représentatifs sont présentés dans cette section. Le premier utilise un tube primaire de 5,35 cm, et la seconde utilise un tube primaire de 10,4 cm. Les terminaisons dissipatives sont 4,75 m de long pour les deux PGF.

La cohérence entre les fluctuations de pression mesurées par le microphone dans la RMP et par le microphone de référence est représentée sur la figure 3.

Discussion

La mesure de l’USP dans les expériences en soufflerie est nécessaire pour de nombreuses applications liées à l’aéroacoustique et aux vibrations induites par l’écoulement. Par rapport aux méthodes existantes, telles que les capteurs encastrés encastrés, les PSP ou les membranes vibrantes, la méthode décrite ici permet des mesures précises avec une grande sensibilité aux fluctuations de grande amplitude sur une large gamme de fréquences. Plus important encore, il fournit également une méthode pour les mesures USP utilisant...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Microphone	ACO Pacific (http://www.acopacific.com/)	7016	Utilisé pour mesurer la pression acoustique et calibrer le RMP comme référence.
Microphone	Knowles (http://www.knowles.com/eng)	FG-23629-C36	Utilisé pour mesurer la fluctuation de pression dans le cadre de la RMP.
Tube Microbore	Saint-gobain (http://www.biopharm.saint-gobain.com/en/index.asp)	Tygon ND 100-80	Utilisé pour dissiper les ondes sonores comme terminaison de dissipation.
Tube hypodermique	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H21RW	Utilisé pour connecter la prise de surface et permettre à la fluctuation de la pression de surface de convecter au microphone dans le RMP sous forme de son.
Tube hypodermique	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H14H	Utilisé pour réduire l’effet dissipatif et permettre à la fluctuation de la pression de surface de convecter vers le microphone dans le RMP sous forme de son.
plexiglas	Plaskolite (http://www.plaskolite.com/)	1X76204A	Utilisé pour fabriquer des berceaux qui peuvent connecter le tube et le microphone pour le RMP.
Châssis d’acquisition de données	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-1006	Pour l’acquisition de données.
Voie d’acquisition de données	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-4472	Pour l’acquisition de données.
Générateur	de fonctions thinkSRS (http://www.thinksrs.com/)	DS360	Pour générer un signal de bruit blanc.
Pistonphone	B& K (http://www.bksv.com/)	4228	Pour générer des ondes sinusoïdales à fréquence constante qui seront utilisées pour calibrer le microphone de référence.
Haut-parleur	Mackie (http://www.mackie.com/index.html)	HD1531	Utilisé pour convertir le signal de bruit blanc électrique en son. C’est la source sonore pour l’étalonnage du RMP.
MatLab	Mathworks (http://www.mathworks.com/)		Utilisé pour traiter des données expérimentales.
LabVIEW	National Instruments (http://www.ni.com/)		Utilisé pour contrôler le matériel pour l’acquisition des données et enregistrer les données.