המדידה לחץ Surface בלתי עמיד באמצעות בדיקת מיקרופון מרחוק
3 בדצמבר 2016
כאן, אנו מציגים פרוטוקול למדידה, ברזולוציה מרחבית גבוהה, את לחץ פני השטח הלא יציב בזרימות טורבולנטיות. שיטה זו מדגימה את הבנייה של בדיקת מיקרופון מרוחקת (RMP) ואת קביעת פונקציית ההעברה המורכבת התלויה בתדר שלה. קביעה אנליטית של התגובה הדינמית מוצגת ומאומתת.
המטרה הכוללת של שיטה ניסיונית זו היא לבצע מדידה ברזולוציה מרחבית גבוהה של תנודות הלחץ הנגרמות על ידי מערבולות על פני משטחים של גופים השקועים בזרימות נוזלים. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום דינמיקת נוזלים, אווירואקוסטיקה ורעידות מבנה הנגרמות על ידי זרימה, כגון מאפיינים מרחביים וזמניים של לחץ פני השטח הלא יציב הנגרם על ידי תנועות סוערות בקנה מידה קטן. בדיקת המיקרופון המרוחקת יכולה לספק מידע מפורט על המאפיינים של שדות לחץ פני השטח הלא יציבים, עם רזולוציה מרחבית גבוהה יחסית על פני מגוון רחב של תדרים.
התכוננו לניסויים על ידי בניית בדיקת המיקרופון המרוחקת. זה דורש מספר רכיבים. העיקרי ביניהם הוא מיקרופון קטן הרגיש לתדרים המעניינים.
גודל הרכיבים הנותרים תלוי ברגישות הרצויה ובתגובת התדר של הגשושית. בדיקה זו משתמשת באורך של צינורות נירוסטה בקוטר פנימי של חצי מילימטר. זה גם דורש חתיכה ארוכה של צינורות רכים, בקוטר פנימי של 1.25 מילימטר.
חתיכת פרספקס חתוכה וקדוחה בהתאמה אישית תשמש כעריסת המיקרופון. בצד אחד של העריסה, יש חור כדי להכיל את צינור הנירוסטה. בקצה הנגדי של העריסה, יש חור נוסף.
הוא נמצא לאורך אותו ציר ומכיל את הצינור הרך. שני החורים הללו מחוברים דרך הפרספקס. למעלה, ישנם שני חורים קונצנטריים.
החור החיצוני הגדול יותר יחזיק את המיקרופון. החור הפנימי הקטן יותר ניגש לחלל. חתך רוחב זה מספק מדריך לבניית העריסה.
שימו לב שהמחודד הדרוש כדי להתאים לקוטר החור הצדדי נמצא ליד הכניסה לצינור הנירוסטה. הכינו אפוקסי לחיבור הרכיבים לעריסה. קבל את המיקרופון וכוון אותו כשהסרעפת שלו מכוונת לכיוון העריסה, והושיב אותו במקומו.
כשהוא במקומו, יש למרוח אפוקסי כדי לקבע אותו במקומו. לאחר מכן, הכנס את צינור הנירוסטה לפתח המיועד לו לפני האבטחה באפוקסי. חבר את הצינור הרך במקומו באותו אופן.
בקצה השני של הצינור הרך, השתמש בתקע כדי לאטום את הצינור. עם כל האלמנטים המחוברים לעריסה, בדיקה זו מוכנה לשימוש בניסוי. לאחר מכן, הפנה את תשומת הלב למשטח המודל לניסוי.
הדגמה זו משתמשת בלוח שטוח עם נקודות מדידה מוכנות. בנקודת מדידה, צריך להיות חור דרך בניצב לפני השטח. החור צריך להיות בקוטר החיצוני של צינור הנירוסטה בבדיקה.
לצורך הניסוי, הרכיבו את משטח המודל במנהרת הרוח. לאחר מכן, קבל בדיקת מיקרופון לחיבור למשטח הדגם בחור המדידה. מהחלק האחורי של המשטח, השחילו את צינור הנירוסטה של בדיקת המיקרופון לתוך החור.
פתח הצינור צריך להיות צמוד למשטח המדידה. מרחו אפוקסי על הצד שממול לאתר המדידה כדי לאבטח את הצינור במקומו. כאשר בדיקת המיקרופון במקומה, הקף אותה בקצף אקוסטי כדי למנוע מרעש טפילי לזהם את המערכת.
לאחר מכן, עבדו עם הצינור האנכואי הרך מהבדיקה. העבר את הקצה הסגור מקטע הבדיקה של מנהרת הרוח. הקיפו אותו בלוחות אקוסטיים כדי לבודד אותו מסביבתו.
בחזרה לבדיקה, חבר את המיקרופון לכניסות של מגבר בעל רעש נמוך, שנמצא מחוץ לחלק הטכנולוגי של מנהרת הרוח. לאחר מכן, עברו לאלקטרוניקה מחוץ למנהרה. המגבר בעל הרעש הנמוך מחובר למערכת רכישת הנתונים.
הגדר את הרווח של המגבר לעשר. כיול בדיקת המיקרופון המרוחק דורש מספר חלקי ציוד. בשלב הראשון, השתמש במיקרופון ייחוס איכותי עם תגובה בלתי תלויה בתדרים, יחד עם טלפון הבוכנה.
בנוסף, צריך להיות מגבר שהפלט שלו מחובר למערכת רכישת הנתונים. חבר את המיקרופון לכניסה של המגבר, והגדר את הקלט ואת רווח הפלט לעשרה דציבלים. לאחר מכן, קבל את טלפון הבוכנה.
הכנס את המיקרופון לטלפון הבוכנה לצורך המדידה. כשתהיה מוכן, הפעל את טלפון הבוכנה. פנה למערכת רכישת הנתונים כדי להגדיר את תדירות רכישת הנתונים ומספר הדגימות.
התחל לרכוש ולשמור את המתח ממיקרופון הייחוס כדי לחשב את קבוע הכיול. לאחר קביעת קבוע הכיול, הסר את המיקרופון מטלפון הבוכנה. כעת, העבר את המיקרופון אל פני הדגם, השתמש במחזיק כדי למקם את המיקרופון בניצב לפני השטח מעל צינור הבדיקה, שם תימדד תנודת הלחץ.
יישר את המיקרופון עם מרכז ברז הבדיקה, ומילימטר אחד מעליו. השלבים הבאים דורשים רמקול חזק עם מגבר פנימי המחובר למחולל פונקציות. התקן את הרמקול ליד משטח הדגם ובמרחק של 2.5 מטר מהמיקרופון.
הרמקול צריך להיות כבוי והחרוט צריך להיות מכוון לכיוון פני הדגם. מחוץ למנהרת הרוח, עבוד עם מחולל הפונקציות. הפעל אותו והשתמש באפשרות הרעש הלבן כדי לספק את האות האקוסטי.
חזור לרמקול וודא שהמגבר הוא מינימלי. לאחר מכן, הפעל את הרמקול וכוונן את עוצמת הקול שלו גבוה ככל האפשר מבלי לגרום נזק. חזור למערכת רכישת הנתונים.
רכוש וחסוך נתוני סדרות זמן מיציאות המתח של הגשושית ומיקרופוני הייחוס. כיול הוא השלב הקריטי ביותר בהליך זה. כדי להבטיח הצלחה, השתמש במודל כדי לחזות את פונקציית ההעברה ולהשוות אותה לתוצאות הניסוי.
בנוסף, השתמש במכשירים באיכות גבוהה, כולל מיקרופון הייחוס והרמקול החזק. אלו הן עלילות של הקוהרנטיות בין תנודות הלחץ כפי שנמדדו בבדיקת המיקרופון המרוחק לבין מיקרופון הייחוס כפונקציה של תדר. למערכת בדיקה זו יש צינור ראשוני באורך 5.35 סנטימטר.
לשם השוואה, לבדיקה זו יש צינור ראשוני באורך 10.4 סנטימטרים. הקוהרנטיות היא מעל 0.97 בטווח התדרים המעניין. חלקות אלה הן בסדר הגודל של פונקציות ההעברה מאותן שתי בדיקות.
העקומות הכחולות הן תוצאות ניסוי. העקומות הירוקות הן תחזיות תיאורטיות. התחזיות של התגובה הדינמית מדויקות ברוב טווח התדרים.
סטיות קטנות בבדיקה עשויות להסביר חילוקי דעות בתדרים בינוניים וגבוהים. השוואת הנתונים והתחזיות לשיפוע שינוי הפנים מגלה שהתחזיות הן הערכות יתר קלות. זה יכול לנבוע משגיאות קטנות במדידות של אורכי הצינורות, או על ידי שינויי טמפרטורה.
בתרשים זה, הפס האפור הבהיר מייצג את טווח נתוני ספקטרום לחץ פני השטח הקודמים במספרי ריינולדס שונים. נקודות הנתונים מייצגות מדידות באמצעות בדיקות מיקרופון מרוחקות. המדידות נמצאות בהתפשטות המדידות שנצפו בספרות שפורסמה.
לאחר השליטה, ניתן לבצע כיול של בדיקת מיקרופון מרוחקת בודדת תוך חמש דקות אם הוא מבוצע כהלכה. בזמן ניסיון הליך זה, חשוב לחזור על הכיול עם עוצמות רמקולים חזקות שונות כדי להשיג את הקוהרנטיות הגבוהה ביותר עבור בדיקת המיקרופון המרוחק. לאחר התפתחות זו, טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים לחקור את המאפיינים של תנודות הלחץ על פני משטחים עם עקמומיות גדולה ומרווח מוגבל בתנאי זרימה מורכבים.
עבודה עם רמקולים חזקים המייצרים רעש לבן בעוצמה גבוהה עלולה להיות מסוכנת ביותר. אל תשכח אמצעי זהירות, כגון שימוש באוזניות להשתקת רעשים בזמן ביצוע הליך זה. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לבנות, להגדיר ולכייל בדיקת מיקרופון מרוחקת.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול למדידת לחץ פני שאינו יציב בזרימות טורבולנטיות ברזולוציה מרחבית גבוהה. השיטה כוללת בנייה של גשש מיקרופון מרחוק (RMP) וקביעת פונקציית המעבר שלו התלויה בתדר.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- דינמיקת נוזלים
- אורואקוסטיקה
- רעידות מבניות מושפעות מזרימה
רקע
- הבנת תנודות לחץ המושרה על ידי טורבולנציה היא קריטית ביישומים שונים.
- מדידות ברזולוציה מרחבית גבוהה יכולות לספק תובנות לגבי התנהגות נוזלים.
- גשש המיקרופון מרחוק הוא כלי מפתח ללכידה של מאפייני שדה לחץ מפורטים.
- שיטה זו נותנת מענה לאתגרים במדידת תנועות טורבולנטיות בקנה מידה של אורך קטן.
מטרת המחקר
- למדידת תנודות לחץ הנגרמות מטורבולנציה על פני שטח בזרימות נוזלים.
- לניתוח מאפיינים מרחביים וזמניים של לחץ פני שטח לא יציב.
- לתיקוף התגובה הדינמית של גשש המיקרופון המרוחק.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- בנייה של גשש מיקרופון מרחוק באמצעות מיקרופונים רגישים.
- מדידה של תנודות לחץ בזרימות טורבולנטיות.
- קביעת פונקציית המעבר של הגשש התלויה בתדר.
- תיקוף אנליטי של התגובה הדינמית של הגשש.
תוצאות עיקריות
- גשש המיקרופון המרוחק מספק מדידות בעלות רזולוציה מרחבית גבוהה.
- מאפיינים תלויי-תדר של לחץ שטח לא יציב נקלטו בהצלחה.
- השיטה מדגימה מדידה יעילה של תנודות לחץ הנגרמות כתוצאה מתורבולנציה.
- תיקוף התגובה הדינמית של הגשש הושג באמצעות שיטות אנליטיות.
מסקנות
- פרוטוקול זה משפר את ההבנה של זרימות טורבולנטיות והשפעותיהן על משטחים.
- גשש המיקרופון מרחוק הוא כלי בעל ערך עבור חוקרים בתחום דינמיקת הנוזלים.
- יישומים עתידיים עשויים להתרחב לתחומים שונים הדורשים מדידות לחץ מפורטות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית להנהלה
שיטה זו מאפשרת מדידה ברזולוציה גבוהה של לחץ פני שאינו קבוע בזרימות טורבולנטיות, ובכך מסייעת בהפחתת סיכונים מכניסטיים במחקרי אינטראקציה בין נוזל למבנה. היא מספקת ביטחון חיזוי להערכות עומס אווירודינמי ולניתוח רעידות במערכות של מודלים פרה-קליניים. הטכניקה משפרת את הרציפות התרגומית על ידי קישור דינמיקה של נוזלים במעבדה לסביבות זרימה פיזיולוגיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של דפוסי מאמץ גזירה המודינמיים הרלוונטיים לתיקוף מטרות כלי דם.
- ערך תפעולי: תומך בהערכה תפקודית של תגובת האנדותל תחת תנאי זרימה רלוונטיים פיזיולוגית.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- ערך מדעי: מקל על הכנת מערכות זרימה מעל פני שטח (flow-over-surface) מאושרות לסריקת תרכובות במודלים של כלי דם.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות פלט מדיד של תנודות לחץ על פני תדרים שונים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תואם למערכות הרלוונטיות למחלה על ידי לכידה של דינמיקת הלחץ בגיאומטריות סטנוטיות או אנוריזמליות.
- ערך תפעולי: מאפשר קבלת החלטות על קידום מותאם סיכונים באמצעות מיפוי לחצים הדיר במידולים של זרימה פרה-קלינית.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה נטמעת בביולוגיה של גילוי באמצעות בדיקת השערות המודינמיות ובסריקה באמצעות קריאות סטנדרטיות של תנודות לחץ.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבירור נתיבים על ידי קישור תנודות לחץ לאיתות של מכנו-טרנסדוקציה (mechanotransduction) במטרות וסקולריות.
- סריקה: מספק פלט כמותי בעל רזולוציית תדרים המאפשר השוואה של השפעות תרכובות על קשיחות או גמישות וסקולרית.
- אנליטיקה: מספק מדדי פונקציית מעבר וקוהרנטיות המסייעים לצוותים להשוות מאפייני העברת לחץ בין תנאי מודל שונים.
- מחקר תרגומי: מתחבר לרצף פרה-קליני על ידי סימולציה של גלי לחץ הנצפים בסביבות זרימה עורקיות או ורידיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מהווה יכולת לשימוש חוזר עבור מחזורי תכנון-בדיקה איטרטיביים בהערכה של התקנים וסקולריים או ביו-חומרים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון ניבוי במודלים של אינטראקציה בין נוזל למבנה, הפחתת עמימות מכניסטית במחקרי מאמץ המודינמי.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה, הדירות ויכולת הרחבה של מדידות תנודות לחץ בין מעבדות שונות.
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות משופרת לגבי המשך פיתוח או הפסקתו בתעדוף מטרות וסקולריות, יעילות הון בבדיקות פרה-קליניות, והפחתת סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים של פיתוח מכשירים.
- השפעה על הפורט폴יו: תעדוף מועמדים מותאם סיכון על בסיס תאימות המודינמית ופרופילי בטיחות אנדותליאליים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בדינמיקה של נוזלים, כיול מתמרי לחץ ועיבוד אותות אקוסטיים.
- נדרשים מגבר רעש נמוך, מערכת לרכישת נתונים, מחולל פונקציות, רמקול ומיקרופון ייחוס לצורך תיקוף.
- דורש סטנדרטיזציה בין-צוותית של גיאומטריית הגשש, חומרי הצנרת ושיטות האיטום כדי להבטיח עקביות בין מעבדות.
- כולל שיקולי התאמה למשטחים מעוקלים, גמישים או רב-שכבתיים המדמים תכונות של רקמה כלי דם.
- מוגבל על ידי אילוצי גודל של הגשש בגישה לגיאומטריות לומינליות צרות, ועל ידי שינויים פוטנציאליים בתגובת התדר עקב טמפרטורה או דפורמציה של הצנרת.
