リモートマイクプローブを用いた非定常面圧の測定

この実験方法の全体的な目標は、流体の流れに浸された物体の表面上の乱流誘発圧力変動の高空間分解能測定を行うことです。この手法は、流体力学、空力音響学、および流れによる構造振動の分野における重要な疑問(例えば、小さなスケールの乱流運動によって誘発される非定常表面圧力の空間的および時間的特性など)に答えるのに役立ちます。リモートマイクロフォンプローブは、非定常表面圧力場の特性に関する詳細な情報を提供し、広範囲の周波数にわたって比較的高い空間分解能を提供します。

リモートマイクプローブを構築して実験の準備をします。これには、いくつかのコンポーネントが必要です。これらの中で最も重要なのは、対象の周波数に敏感な小さなマイクです。

残りのコンポーネントのサイズは、プローブの所望の感度と周波数応答によって異なります。このプローブは、内径が半ミリメートルの長さのステンレス鋼チューブを使用しています。また、内径1.25mmの長いソフトチューブも必要です。

カスタムカットされ、穴あけされたプレキシガラスの一部がマイククレードルとして機能します。クレードルの片側には、ステンレス鋼管を収容するための穴があります。クレードルの反対側の端には、別の穴があります。

同じ軸に沿っており、ソフトチューブを収容します。これらの2つの穴はプレキシガラスを介して接続されています。上部には、2つの同心円状の穴があります。

大きい方の外側の穴にはマイクが固定されます。小さい方の内側の穴がキャビティにアクセスします。この断面図は、クレードルの構造に関するガイドを提供します。

サイドホールの直径に合わせるために必要なテーパーは、ステンレス鋼管の入口近くにあることに注意してください。コンポーネントをクレードルに取り付ける準備ができているエポキシを用意します。マイクを手に取り、ダイヤフラムをクレードルに向けて向きを変え、その位置に固定します。

所定の位置にあるときは、エポキシを塗布して所定の位置に固定します。次に、ステンレス製のチューブを専用の開口部に挿入してからエポキシで固定します。同様に、ソフトチューブをその位置に取り付けます。

ソフトチューブのもう一方の端で、プラグを使用してチューブをシールします。すべてのエレメントがクレードルに取り付けられたので、このプローブを実験で使用する準備が整いました。次に、実験用のモデル面に注目します。

このデモでは、測定ポイントが準備されたフラットプレートを使用します。測定点には、表面に垂直な貫通穴が必要です。穴は、プローブのステンレス鋼管の外径を持つ必要があります。

実験では、モデル面を風洞に取り付けます。次に、マイクロホンプローブをモデル表面の測定穴に取り付けます。表面の裏側から、マイクプローブのステンレス鋼管を穴に通します。

チューブの開口部は、測定面と同じ高さにする必要があります。測定部位の反対側にエポキシ樹脂を塗布して、チューブを所定の位置に固定します。マイクロホンプローブを所定の位置に置き、寄生ノイズがシステムを汚染しないように、アコースティックフォームで囲みます。

次に、プローブの軟質電波暗管で作業します。閉じた端を風洞のテストセクションから取り出します。音響パネルで囲み、周囲から隔離します。

プローブに戻り、マイクロホンを風洞の技術セクションの外側にある低ノイズアンプの入力に接続します。次に、トンネルの外側の電子機器に移動します。低ノイズアンプは、データ収集システムに接続されています。

アンプのゲインを10に設定します。リモートマイクプローブのキャリブレーションには、いくつかの機器が必要です。最初のフェーズでは、周波数に依存しない応答を持つ高品質のリファレンスマイクとピストンフォンを使用します。

さらに、その出力がデータ収集システムに接続されたアンプが必要です。マイクをアンプの入力に接続し、入力ゲインと出力ゲインを10デシベルに設定します。次に、ピストンフォンを入手します。

測定のためにマイクをピストンフォンに挿入します。準備ができたら、ピストンフォンの電源を入れます。データ集録システムを使用して、データ集録の頻度とサンプル数を設定します。

リファレンスマイクロフォンからの電圧の取得と保存を開始して、キャリブレーション定数を計算します。キャリブレーション定数が決定されたら、ピストンフォンからマイクを取り外します。次に、マイクをモデルの表面に移動し、ホルダーを使用して、圧力変動を測定するプローブチューブの表面に対して垂直にマイクを配置します。

マイクロホンをプローブタップの中央、その1ミリメートル上に合わせます。次のステップでは、ファンクションジェネレータに接続された内部アンプを備えたラウドスピーカーが必要です。スピーカーは、モデルの表面近く、マイクから2.5メートルの

スピーカーをオフにし、コーンをモデルの表面に向けてください。風洞の外では、関数発生器を操作します。電源を入れ、ホワイトノイズオプションを使用して音響信号を提供します。

スピーカーに戻り、増幅が最小限であることを確認します。次に、スピーカーの電源を入れ、損傷を与えないように音量をできるだけ大きく調整します。データ集録システムに戻ります。

プローブとリファレンスマイクロフォンの電圧出力から時系列データを取得して保存します。キャリブレーションは、この手順の最も重要なステップです。成功を確実にするには、モデルを使用して伝達関数を予測し、それを実験結果と比較します。

さらに、リファレンスマイクやスピーカーなどの高品質のデバイスを使用してください。これらは、リモートマイクロフォンプローブで測定された圧力変動と基準マイクロフォンとの間のコヒーレンスを周波数の関数としてプロットしたものです。このプローブシステムには、長さ5.35センチメートルの一次管があります。

比較のために、このプローブには10.4センチメートルの長さの一次管があります。コヒーレンスは、対象の周波数範囲で 0.97 を超えています。これらのプロットは、同じ2つのプローブからの伝達関数の大きさです。

青い曲線は実験結果です。緑色の曲線は理論的な予測値です。動的応答の予測は、ほとんどの周波数範囲で正確です。

プローブの小さな収差が、中周波数と高周波数での不一致を説明する可能性があります。データとフェースシフトの傾きの予測を比較すると、予測がわずかに過大評価されていることがわかります。これは、チューブの長さの測定における小さな誤差、または温度変化によるものである可能性があります。

このプロットでは、明るい灰色のバンドは、さまざまなレイノルズ数での以前の表面圧力スペクトルデータの範囲を表しています。データポイントは、リモートマイクロフォンプローブを使用した測定値を表します。測定値は、公開された文献で観察された測定値の範囲内にあります。

一度マスターすれば、1つのリモートマイクプローブのキャリブレーションは、適切に実行されれば5分で完了します。この手順を試行する際には、さまざまなスピーカーの音量でキャリブレーションを繰り返して、リモートマイクプローブのコヒーレンスを最大限に高めることが重要です。この開発後、この手法は、研究者が複雑な流れ条件下で大きな曲率と限られた間隔を持つ表面の圧力変動の特性を調査する道を開きました。

大音量のホワイトノイズを発生させるスピーカーでの作業は、非常に危険です。この手順を実行している間は、ノイズミュートヘッドホンを使用するなどの予防措置を忘れないでください。このビデオを見れば、リモートマイクプローブの構築、セットアップ、キャリブレーションの方法について十分に理解できるはずです。