원격 프로브를 사용하여 마이크 비정상 면압 측정

요약

여기에서는 난류에서 불안정한 표면 압력을 높은 공간 해상도로 측정하는 프로토콜을 제시합니다. 이 방법은 RMP(Remote Microphone Probe)의 구성과 주파수에 따른 복잡한 전달 함수의 결정을 보여줍니다. 동적 응답에 대한 분석적 결정이 제시되고 검증됩니다.

초록

마이크는 난류에 잠긴 고체의 벽에서 압력 변동을 측정하는 데 널리 사용됩니다. 다양한 특성 길이 스케일을 사용한 난류 운동은 넓은 주파수 범위에서 압력 변동을 초래할 수 있습니다. 이러한 난류의 특성으로 인해 감지 장치는 광범위한 주파수에서 충분한 감도를 가져야 합니다. 또한 난류 구조의 작은 특성 길이 스케일은 작은 감지 영역과 센서를 서로 매우 가깝게 배치할 수 있는 기능을 필요로 합니다. 종종 큰 표면 곡률 또는 불연속성을 포함하는 고체의 복잡한 형상으로 인해 프로브는 매우 제한된 공간에 설정할 수 있어야 합니다. 저렴하고 일관되며 반복 가능한 원격 마이크 프로브의 개발은 현재 통신에 설명되어 있습니다. 이를 통해 광범위한 주파수에서 높은 공간 분해능과 동적 응답으로 압력 변동을 측정할 수 있습니다. 프로브는 일반적인 풍동 모델의 내부에 배치할 수 있을 만큼 충분히 작습니다. 원격 마이크 프로브에는 모델 표면을 관통하여 감지 영역을 형성하는 작고 단단하며 속이 빈 튜브가 포함되어 있습니다. 이 튜브는 "T" 접합을 사용하여 표면에서 약간 떨어진 표준 마이크에 연결됩니다. 원격 마이크 프로브의 동적 응답을 결정하기 위해 실험적 방법이 도입되었습니다. 또한, 동적 응답을 결정하기 위한 분석적 방법이 설명된다. RMP 구성 요소의 치수와 속성을 결정하기 위해 설계 단계에서 분석 방법을 적용할 수 있습니다.

서론

표면을 통해 유체 흐름은 일반적으로 불안정한 표면 압력 (USP) 결과 비정상 난류로 연결됩니다. 흐름에 의한 소음 및 진동은 종종이 비정상의 직접적인 결과이다. 냉각 팬, 프로펠러, 풍력 터빈에 의해 생성 된 방사 소리가 USP ^1에 관련된 소스에 의해 지배된다. 난류의 USP의 시공간 특성의 측정은 일반적으로 방사 음을 예측하기 위해서 요구된다.

USP의 통계적 특성은 일반적으로 자동 스펙트럼 밀도의 형태로 부여하고, 2 점 간 스펙트럼 밀도 및 공간적 상관 함수 ^{(2, 3).} 애플리케이션에 따라 달라질 수 필요한 주파수 응답. 많은 풍동 애플리케이션에서, 10 kHz에서 20 kHz의 반응에 충분하다. 난류 운동 작은 스케일은 종종 감지 영역 센서가 1mm 미만으로 간격을 필요로한다.

Extensive 실험 연구는 난류 유도 압력 변동을 얻기 위해 진행되고있다. 직접적인 방법은 같은 높이에 장착 된 임베디드 센서를 사용합니다. 각각의 센서는 하나의 이산 지점에서의 압력 변동을 측정 할 수 있기 때문에이 방법은 종종 마이크로폰 큰 배열을 사용한다. 이 방법에 사용되는 일반적인 센서는 Gautschi ^(4)에 의해 제안 된 압전 변환기입니다. 압전 센서 어레이 비쌀 수 있으며, 측정 주파수 범위는 종종보다 10kHz로한다.

직접 표면 실장 마이크는 종종 저렴한 USP 센서 ^(5)로 사용된다. 마이크로폰 저속 흐름에 대한 실질적인 이점 높은 감도를 갖는다. 압력의 큰 진폭의 변동이있을 때,이 센서는 포화의 위험에 이르게. 이 방법은 센서 전체를 포함하기에 너무 얇다 큰 곡률 불연속 또는 표면 형상과 적합하지 않다.

두 스펙트럼 및 공간 정보를 얻기위한 간접적 방법은 표면 ^(6)에 얇은 막 매립형를 사용하는 것이다. 시간 - 공간에 의존 진동 운동을 측정 한 후 멤브레인의 알려진 기계적 특성을 이용하여 압력 통계를 표면으로 변환됩니다. 이 방법은주의 깊은 설계, 구현 및 막의 동적 응답의 정확한 보정이 필요하다. 또한, 레이저 도플러 진동계 등의 진동 측정 장비는 고가이다. 마지막으로,이 방법은 평면에 적용될 수있다.

감압 성 도료 (PSP)는 비정상 면압을 측정하는 데 사용될 수있는 또 다른 기술이다. 이 기술은이 특정 파장의 광에 의해 조명 될 때보다 높은 에너지 상태로 여기 될 내의 분자를 발생시키는 투명 중합체 결합제, 코팅 될 표면을 필요로한다. 분자 산소 급냉을 겪을 때, 에너지는 재면압 ^7에 반비례 발광 결과 산소 분압에 비례하는 속도로 광으로서 임대. 마이크로폰에 비해 PSP 방법의 주요 단점은 측정의 비교적 낮은 감도이다. 이것은 PSP 비교적 고속 흐름의 적용을 제한한다.

본 통신 원격 마이크로폰 프로브 (RMP)를 사용하여 USP에 대한 방법을 설명한다. 이 방법은 첫 번째 Englund와 리차드 ^(8)에 의해 설명되었다. 개념은 중공 관 면압 탭에 연결되어있는 표준 소형 마이크를 사용한다. 모형 표면에서 비정상 압력 음파 형태의 튜브로 이동된다. 는 "도파관"으로 튜브 작용 음파를 측정하기 위해 상기 튜브에 수직으로 장착되고 마이크로폰을 허용한다. 파도는 큰 진폭 음향 연구를 제거하기에 충분히 긴 또 다른 튜브에 계속eflections.

Englund와 리차드는 RMP의 동적 응답을 결정하기 위해 바그와 Tijdeman ^(9)에 의해 설명 된 분석 방법을 적용했다. Perrenes 로저 ^(10)은 고 리프트 장치와 이차원 익형 면압을 측정하는 RMP를 이용했다. 그들은 두 개의 단차 변경을 통해 2.5 mm 0.7 mm의 팽창 27 cm 길이의 강성 튜브에 연결된 표면에 0.5 mm 직경의 모세관 튜브 프로브를 개발 하였다. 각 단계 변화는 관의 음향 임피던스의 상대적으로 큰 변화를 일으켰다. LECLERCQ 및 Bohineust ^(11)는 난류 경계층 아래의 벽 압력 필드를 공부했다. 프란 조니 엘리엇 ^(12)에 의해 제안들은 일정한 직경 RMP를 사용했다. 그러나, 동적 응답은 제한된 주파수 범위에서 충분히 높았다. Arguillat 외. ¹³ 차실의 내부로 전달되는 소음을 연구하는 RMP 설계. 그들은 테스트다양한 튜브 마이크로폰에 압력 변동을 수행한다. 양 외. ^(14)는이 보고서에 소개 된 방법과 유사한 튜브 전달 함수 접근법을 사용하여 튜브 왜곡 보정. Hoarau 등. ^(15)은 분리 영역의 하류 벽 압력 추적을 공부했다. 그들이 설계 한 RMPS 일정한 내부 직경이 있고, 튜브는 완전히 비 강체했다.

이전의 연구에 따르면, RMPS를 사용하여 얻은 면압 측정의 정확도 마이크 압력 면압 관한 프로브의 주파수 의존 전달 함수의 결정에 따라 주로 좌우된다. 다음 섹션에서는 간단하고 효과적 인 RMP 형상을 설명한다. 실험 및 분석 방법을 소개하고 정확하게 RMP의 동적 응답을 결정하기 위해 검증된다. RMP 될 수 있도록 해석 모델은 오 수 있습니다애플리케이션 잠재적 광범위한 설계 단계에서 ptimized.

RMPS는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 압력 변동을 측정하는 데 사용될 수있다. 상대적으로 높은 공간 해상도는 공간적으로 분산 비정상 압력 필드 ^(16)의 특성에 대한 자세한 정보를 제공 할 수 있습니다. 프로브가 작을 때, RMPS 그러한 큰 곡률 또는 제한된 공간 ^(17)과 같은 복잡한 형상 위에 압력 변동을 측정하기 위해 이용 될 수있다. 또한, 표면 탭 마이크 센서를 연결하는 튜브 마이크로폰에 의한 압력 변동의 크기를 감소시킬 수있다. 따라서, RMP 센서 구조 및 파라미터의 적절한 디자인은 매립형 위해 모델 표면에 직접 마이크 비해 훨씬 덜 제한적 USP 특성을 얻는 방법을 산출한다.

RMP의 RMPThe 일반적인 구조의 구조는도 1에 도시 . RMP는 확장 부와에 팽창 부로부터 연장되는 제 2 튜브 모형 표면으로부터 선행 한 튜브로 구성 "크래들." 세번째 튜브이어서 무반향 종단 역할에 접속된다. 크래들은 마이크와 튜브 연결을 수용하기 위해 사용되는 가공 플라스틱 구성 요소입니다. RMP 구조의 세부 사항은 다양한 실험 조건에 대해 조정될 수있다. 두번째, 큰 직경의 튜브의 목적은 상대적으로 부피가 마이크 크래들 크게 측정 감도를 감소하지 않고 USP 측정의 관점에서 더 배치 될 수 있도록한다. 이 제 2 튜브는 필요하지 않은 경우 제거 될 수 있고, 확장 부는 거치대에 내장 될 수있다. 무반향 종료는 길이가 약 2m 3이었다 부드러운 플라스틱으로 만들어졌다.

이 예제의 경우, RMP의 설계는 아래 TURB 표면 압력의 변동의 측정을 위해 최적화 된ulent도 2에 도시 된 바와 같이 유선 압력 구배없이 경계층. 제 2 튜브를 제거 하였다. 제 1 튜브의 서로 다른 길이의 효과를 관찰 하였다. 제 1 튜브는 0.5 mm의 내경 및 0.81 mm의 외경을 가진 스테인레스 스틸로 구성 하였다. 제 1 튜브의 길이는 각각 5.35 및 10.40 cm였다. 크래들에 포함 된 확장 부분의 입구의 내경은 0.5 mm이며, 출구의 내경은 소산 종단의 내경과 동일 하였다 1.25 mm였다. 확장 부분의 각도는 11 °였다. 부드럽게 무반향 종단에 확장 부를 연결하기 위해 1.25 mm 직경 크래들에 구멍이 있었다. 감지 영역은 수직 인 0.75 mm의 구멍을 통해 1.25 mm 구멍에 연결되었다.

프로토콜

실험 1. 준비

1. RMP를 구축 할 수있는 적절한 마이크를 선택합니다. 관심있는 주파수 범위 내에서 마이크의 주파수 범위를 사용한다.
   주 :이 실험에서, 100 Hz에서 10,000 사이의 압력 변동이 관심사이다. 선택된 마이크 측정 주파수 범위는 100 내지 10,000 Hz로된다. 크기에 대한 구체적인 조건은 없지만 마이크의 크기는 가능한 한 작아야한다.
2. 부록에 기재된 분석 방법을 사용하여 RMP 시스템의 감도, 주파수 응답을 추정한다. 튜브 및 구조물의 크기를 변화시킴으로써 RMP의 감도, 주파수 응답을 조정한다.
3. 5.25 cm 긴 조각으로 0.5 mm 내경 스테인레스 스틸 튜브를 잘라 드레 멜을 사용합니다.
4. 가위, 4.75 m 길이의 조각에 1.25 mm 내경 부드러운 튜브를 잘라.
5. 플렉시 글라스 (A) 내로의 조각을 잘라 밀링 머신을 사용하여입방. 입방의 길이, 폭 및 높이가 각각 2.54 cm, 1.27 cm, 1.27 cm이어야한다.
6. 그림 2와 같이 0.81, 2, 2.56와 드릴 구멍과 플렉시 글라스 크래들에 0.76 mm 직경.
7. 도 2에 도시 된 바와 같이, 플렉시 크래들의 테이퍼 부분을 확인하기 위해 니들 드릴을 사용한다.
8. 제조사에 의해 제공된 설명서에 마이크 감도를 검색하거나, 웡 ^(18)에 의해 도입되는 방법으로 마이크를 교정.
9. 도 2에 도시 된 바와 같이, 플렉시 크래들에 마이크로폰을 장착 한 에폭시를 사용하여 마이크를 고정한다.
10. 플렉시 글라스 크래들에 스테인리스 스틸 튜브와 부드러운 튜브를 연결하고 에폭시로 고정합니다.
11. 측정 위치에서의 모델의 표면에 수직으로 0.81 mm 직경의 구멍을 뚫는다.

2. 실험 설정

1. 플러시의 기본 스테인레스 스틸 튜브 마운트모형 표면 RMP 센서 및도 2에 도시 된 바와 같이, 대향 모형 표면에 스테인리스 스틸 튜브를 해결하기 위해 에폭시를 추가한다.
2. 시스템을 오염 기생 노이즈를 방지하기 위하여 탄성 발포체로 RMP 서라운드.
3. 국도 터널의 시험 부 중 모든 전기 배선.
4. 국도 터널의 시험 부 밖으로 부드러운 울림 관.
5. 비정상 압력과 동시에 평균 정압 측정 값을 얻기 위해 압력 변환기에 소프트 무반향 튜브의 단부를 연결한다.
6. 저잡음 증폭기 및 데이터 수집 시스템에 연결 RMP.
7. 이득 계수 값이 케이스의 경우에서 변경 될 수있다 (10)에 주 증폭기의 이득 인자를 설정한다.

3. 교정

1. 높은 품질 및 주파수에 독립적 인 감도가 기준 마이크를 선택한다.
2. 기준 마이크로 연결증폭기의 입력에 전화 및 데이터 수집 시스템에 앰프의 출력을 연결한다.
3. 입력 게인과 10dB에 앰프의 출력 게인을 모두 설정합니다. 이득 계수는 다른 측정 조건에서 변화 될 수 있습니다.
4. 부가 도면에 도시 된 바와 같이 교정기로 기준 마이크를 삽입한다.
5. 교정기를 켭니다.
6. 4,000 Hz로 취득 주파수를 설정합니다.
7. 240,000에 샘플의 수를 설정합니다.
8. 획득하고 상기 기준 마이크에서 출력되는 전압을 저장한다.
9. 기준 마이크의 보정 상수를 계산한다. 교정 상수 C의 _REF는 기준 마이크의 출력 전압의 표준 편차에 교정기 생산 음압의 표준 편차의 비율이다.
10. 캘리브레이션 프로세스 (38 및 39 단계)를 여러 번 반복한다. 보정 상수의 평균치, C _심판을 사용한다.
<리>도 1에 도시 된 바와 같이, 압력 변동을 측정하는 동안, 고체 표면에 수직 기준 마이크를 놓는다.
11. RMP 탭의 참조 마이크의 중심을 맞 춥니 다. 상기 기준 마이크와 1mm의 RMP 탭 사이의 거리를 사용한다.
12. 테스트 모델 가까이에 스피커를 배치합니다. 스피커 이러한 측정을위한 2.5 m의 마이크 사이의 거리를 사용합니다.
13. 함수 발생기에 스피커를 연결하고 함수 발생기를 켜십시오.
14. 0.4 V로 원하는 음향 신호를 제공하는 함수 발생기의 "화이트 노이즈"옵션을 사용하고 제곱근 전압 V _{RMS 평균} 설정
15. 최소의 라우드 스피커의 볼륨을 조정합니다.
16. 스피커를 켭니다.
17. 스피커 손상없이 가능한 한 높은 스피커 앰프의 볼륨을 조정한다. 대부분의 스피커가 일을 경고하는 표시등이 있습니다즉 사용자의 출력 진폭은 스피커 범위를 초과하는 경우.
18. 획득하고 60 초 동안 40,000 Hz의 주사 주파수를 이용하여 상기 기준 마이크 및 RMP 양의 전압 출력으로부터 시계열 데이터를 저장한다.
19. 스피커와 함수 발생기에 의해 생성되고, 상기 기준 마이크에서 측정되는 음압의 변동의 시계열 값을 계산한다. 이는 단순히 상기 기준 마이크에서 시계열 전압 출력의 생성물 인 및 그 보정 상수 ; . 시계열 음압 유의, 또한 RMP의 수돗물의 압력 변동이다.
20. RMP A의 마이크로폰에 의해 측정 된 시계열의 음압 편차를 계산 RMP에서 시계열 전압 출력의 생성물 S는, 그리고 마이크 감도 ; . 그 마이크 감도 참고 제조업체가 제공되어야한다.
21. 자동 스펙트럼 밀도를 계산, , 의 . 자동 스펙트럼 밀도를 계산, , 의 . 크로스 스펙트럼 밀도를 계산, 사이.JPG "/>와 . 자동 스펙트럼 밀도와 상호 스펙트럼 밀도는 Bendat 및 Piersol ^(19)에 의해 정의된다.
22. 같은 전달 함수를 계산 .
23. 같은 코 히어 런스 함수를 계산 별표는 복소 공액을 나타낸다.
24. 기준 마이크를 제거합니다.
25. 스피커와 함수 발생기의 전원을 끕니다.
26. 스피커를 제거합니다.

4. 데이터 수집

1. 풍동를 켭니다.
2. 시계열 전압 출력을 녹음 데이터 수집 시스템과의 RMP. 40,000 Hz의 주사 주파수를 사용한다. 64 초 인수의 기간을 사용합니다.
3. 바람 터널을 끕니다.

5. 데이터 처리

1. 사운드 압력 변동을 계산 의 RMP에서 마이크와 같은 측정 .
2. 자동 스펙트럼 밀도를 계산, 표면 압력의 변동 등의 여기서 음압의 변동의 자동 스펙트럼 밀도는 RMP의 마이크로폰에 의해 측정되는 .

결과

이 대표 RMP 디자인에서 교정 결과는이 섹션에 표시됩니다. 첫번째는 5.35 cm 주 튜브를 사용하고, 두 번째는 10.4 cm 주 튜브를 사용했다. 소산 종단은 모두 RMPS을위한 4.75 m 길이.

RMP와 기준 마이크에 의해 마이크로폰에 의해 측정 된 압력 변동 간의 간섭은도 3에 도시되어있다. 데이터는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 거의 화합 간섭 값을 나타낸다. 10 kHz의 상기 주파수에서 상기 간섭은 일반적으로 하이로 유지하지만, 간섭은 어떤 주파수에서 단속적으로 떨어진다. 그 이유 중 하나는 라우드 스피커에 의해 생성 된 소리가이 주파수에서 비교적 낮기 때문이다. 이것은 또한 높은 주파수에서 RMP의 감소 된 감도 발생할 수 있습니다. 배경 및 전기 노이즈 간섭의 손실이 발생할 수 있습니다. 낮은 코 히어 런스 값RMP...

토론

풍동 실험에서 USP 측정은 공기 음향 및 흐름 유도 진동과 관련된 많은 응용 분야에 필요합니다. 매립형 내장 센서, PSP 또는 진동 멤브레인과 같은 기존 방법과 비교하여 여기에 설명된 방법을 사용하면 광범위한 주파수에 걸쳐 큰 크기 변동에 대한 높은 감도로 정확한 측정이 가능합니다. 더 중요한 것은 Corcos²¹에서 설명한 공간 평균화 효과를 최소화하는 작은 감지 영역을 사용하여 USP 측정 방법을 제공한다는 것입니다. 또한 이 방법을 사용하면 복잡한 형상 위에 센서의 간격을 좁힐 수 있습니다. RMP 설계는 과거 문헌에서 제안되었지만 이 커뮤니케이션은 효과적인 측정에 필요한 매개변수를 선택하기 위한 이론적 방법과 함께 효과적인 RMP 설계 방법론에 대한 세부 정보를 제공합니다.

해석 방법은 설계 단계에서 RMP의 동적 반응을 예측할 수 있습니다. 대표적인 결과에서 볼 수 있듯이 공진 최대값의 주파수는 첫 번째 튜브의 길이에 의해 결정됩니다. 결과적으로...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
마이크	ACO Pacific (http://www.acopacific.com/)	7016	음압을 측정하고 RMP를 보정하는 데 사용됩니다.
마이크	Knowles (http://www.knowles.com/eng)	FG-23629-C36	RMP의 일부로 압력 변동을 측정하는 데 사용됩니다.
Microbore Tubing	Saint-gobain (http://www.biopharm.saint-gobain.com/en/index.asp)	Tygon ND 100-80	소산 종단으로 음파를 소멸시키는 데 사용됩니다.
피하 튜브	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H21RW	표면 탭을 연결하고 표면 압력 변동이 소리의 형태로 RMP의 마이크에 대류하도록 하는 데 사용됩니다.
피하 튜브	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H14H	소산 효과를 줄이고 표면 압력 변동이 소리의 형태로 RMP의 마이크에 대류할 수 있도록 하는 데 사용됩니다.
플렉시 유리	Plaskolite (http://www.plaskolite.com/)	1X76204A	RMP 용 튜브와 마이크를 연결할 수있는 크래들을 만드는 데 사용됩니다.
데이터 수집 섀시	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-1006	데이터 수집용.
데이터 수집 채널	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-4472	데이터 수집용.
함수 발생기	thinkSRS (http://www.thinksrs.com/)	DS360	백색 잡음 신호를 생성합니다.
피스톤폰	B& K (http://www.bksv.com/)	4228	레퍼런스 마이크를 보정하는 데 사용될 일정한 주파수의 사인파를 생성합니다.
확성기	Mackie (http://www.mackie.com/index.html)	HD1531	전기적 백색 잡음 신호를 소리로 변환하는 데 사용됩니다. RMP를 교정하기 위한 음원입니다.
MatLab	Mathworks (http://www.mathworks.com/)		실험 데이터를 처리하는 데 사용됩니다.
LabVIEW	National Instruments (http://www.ni.com/)		데이터 수집을 위한 하드웨어를 제어하고 데이터를 기록하는 데 사용됩니다.