De meting van Unsteady Surface Pressure Met behulp van een Remote Microphone Probe

Samenvatting

Hier presenteren we een protocol om, met hoge ruimtelijke resolutie, de onstabiele oppervlaktedruk in turbulente stromingen te meten. Deze methode toont de constructie van een externe microfoon sonde (RMP) en de bepaling van de frequentie-afhankelijke, complexe overdrachtsfunctie. Een analytische bepaling van de dynamische respons wordt gepresenteerd en gevalideerd.

Samenvatting

Microfoons worden veel gebruikt om drukfluctuaties te meten aan de wanden van vaste lichamen die in turbulente stromingen zijn ondergedompeld. Turbulente bewegingen met verschillende karakteristieke lengte-schalen kunnen leiden tot drukfluctuaties over een breed frequentiebereik. Deze eigenschap van turbulentie vereist dat sensorapparaten voldoende gevoeligheid hebben over een breed scala aan frequenties. Bovendien vereisen de kleine karakteristieke lengte-schalen van turbulente structuren kleine meetoppervlakken en de mogelijkheid om de sensoren zeer dicht bij elkaar te plaatsen. De complexe geometrieën van de vaste lichamen, vaak met grote oppervlaktekrommingen of discontinuïteiten, vereisen dat de sonde in zeer beperkte ruimtes kan worden geïnstalleerd. In de huidige communicatie wordt de ontwikkeling van een externe microfoonsonde beschreven, die goedkoop, consistent en herhaalbaar is. Het maakt de meting van drukfluctuaties mogelijk met hoge ruimtelijke resolutie en dynamische respons over een breed frequentiebereik. De sonde is klein genoeg om in het binnenste van typische windtunnelmodellen te worden geplaatst. De externe microfoonsonde bestaat uit een kleine, stijve en holle buis die het modeloppervlak penetreert om het meetgebied te vormen. Deze buis is op enige afstand van het oppervlak verbonden met een standaardmicrofoon via een 'T'-verbinding. Er wordt een experimentele methode geïntroduceerd om de dynamische respons van de externe microfoonsonde te bepalen. Daarnaast wordt een analytische methode beschreven voor het bepalen van de dynamische respons. De analytische methode kan in de ontwerpfase worden toegepast om de afmetingen en eigenschappen van de RMP-componenten te bepalen.

Inleiding

Vloeistofstroom over oppervlakken leidt over het algemeen tot wankel en turbulentie die resulteren in wankele oppervlak druk (USP). Stromingsgeïnduceerde geluid en trillingen zijn vaak een direct gevolg van dit wankel. De uitgestraalde geluid gegenereerd door ventilatoren, propellers, en windturbines worden gedomineerd door bronnen die verband houden met USP ^1. Metingen van de ruimtelijke en temporele kenmerken van USP in turbulente stromingen zijn meestal nodig om de stralingsgeluid voorspellen.

De statistische karakterisering van USP vindt doorgaans plaats in de vorm van auto-spectrale dichtheid tweepunts cross-spectrale dichtheden en ruimtelijke correlatie functies ^{2, 3.} De frequentierespons gewenst kunnen variëren afhankelijk van de toepassing. In veel windtunnel toepassingen, een respons van 10 kHz tot 20 kHz is voldoende. De kleine schaal van turbulente beweging vereisen vaak sensing gebieden en de sensor spacing om minder dan 1 mm.

Extensive experimentele studies zijn uitgevoerd om turbulentie-geïnduceerde drukschommelingen te verkrijgen. Een directe methode maakt gebruik van inbouw ingebedde sensoren. Deze methode maakt gebruik van vaak grote arrays van microfoons, omdat elke sensor alleen de druk fluctuatie op een discrete punt kan meten. Typische sensoren gebruikt in deze werkwijze zijn piëzo-elektrische transducers, door Gautschi ⁴ voorgesteld. Arrays van piëzoelektrische sensoren duur en de frequentie meetbereik vaak minder dan 10 kHz.

Direct opbouw microfoons worden vaak gebruikt als goedkope USP sensoren ^5. Microfoons hebben hoge gevoeligheid, hetgeen een aanzienlijk voordeel voor langzame stromen. Dit leidt echter ook het risico van verzadiging sensor wanneer grote amplitude drukschommelingen aanwezig zijn. Deze methode is niet geschikt voor oppervlakken met grote krommingen discontinuïteiten of geometrieën die te dun om de gehele sensor bevatten.

Een indirecte methode voor het verkrijgen van zowel spectrale en ruimtelijke informatie is te dun membraan inbouw gebruiken om een oppervlak ^6. Het tijd- en ruimte-afhankelijke trillingen bewegingen worden gemeten en vervolgens omgezet in druk statistieken met bekende mechanische eigenschappen van het membraanoppervlak. Deze methode vereist een zorgvuldige ontwerp, de implementatie en nauwkeurige kalibratie van dynamische reactie van het membraan. Bovendien, de trilling meetapparatuur, zoals laser Doppler vibrometers, zijn duur. Tenslotte kan deze methode alleen toegepast worden op vlakke oppervlakken.

Drukgevoelige verf (PSP) is een andere techniek die kan worden gebruikt om de wankele oppervlaktedruk gemeten. Deze techniek vereist de oppervlakken te bekleden transparante polymeer bindmiddel, waarin de moleculen binnen veroorzaakt geëxciteerd naar een hogere energietoestand te zijn als ze worden verlicht door licht van een specifieke golflengte. Als de moleculen zuurstof blussen ondergaan, energie is reverhuurd als licht met een snelheid evenredig met de partiële zuurstofdruk, waardoor luminescentie die omgekeerd evenredig is met de oppervlaktedruk ^7. Het grootste nadeel van PSP methoden is de relatief lage gevoeligheid van de meting ten opzichte van microfoons. Dit beperkt de toepassing van PSP relatief hoge snelheid stroomt.

Deze mededeling beschrijft een methode voor USP dat een externe microfoon sonde (RMP) gebruikt. Deze werkwijze werd eerst beschreven door Englund en Richards ^8. Het concept maakt gebruik van een standaard miniatuur microfoon die is aangesloten op de oppervlaktedruk kraan met een holle buis. De onstabiele druk aan het modeloppervlak reizen in de slang in de vorm van geluidsgolven. De buis werkt als een "golfgeleider" naar de microfoon, die loodrecht op de buis wordt gemonteerd zodat, om de geluidsgolven meten. De golven dan verder naar een andere buis die lang genoeg is om grote amplitude akoestische r eliminereneflections.

Englund en Richards toegepast een analytische benadering door Bergh en Tijdeman ⁹ geschetst om de dynamische respons van de RMP te bepalen. Perrenes en Roger ¹⁰ gebruikt een RMP aan de oppervlakte druk over een twee-dimensionale aërodynamische met high-lift apparaten meten. Ze ontwikkelde een probe met een 0,5 mm diameter capillair aan het oppervlak die was verbonden met een 27 cm lange stijve buis die uitgebreid van 0,7 mm tot 2,5 mm via twee afzonderlijke stap veranderingen. Elke verhoging veroorzaakt een relatief grote verandering in de akoestische impedantie van de buis. Leclercq en Bohineust ¹¹ bestudeerde het veld muur druk onder een turbulente grenslaag. Ze gebruikten een constante diameter RMP, zoals voorgesteld door Franzoni en Elliott ^12. De dynamische respons was hoog genoeg slechts in een beperkt frequentiegebied. Arguillat et al. ¹³ ontwierpen een RMP om het geluid overgedragen naar het inwendige van een voertuigruimte bestuderen. ze testtenverschillende pijpen naar de drukschommeling voeren om de microfoons. Yang et al. ¹⁴ gecorrigeerd voor de buis vervorming door een slang overdrachtsfunctie benadering die vergelijkbaar is met de werkwijze die in dit rapport. Hoarau et al. ¹⁵ onderzochten de muur druk spoor stroomafwaarts van een afgescheiden regio. De RMPs dat ze ontworpen hadden constant binnen diameters en de slang was volledig niet-rigide.

Volgens eerdere studies, de nauwkeurigheid van oppervlakte drukmetingen verkregen met RMPs is voornamelijk afhankelijk van de bepaling van de frequentieafhankelijke overdrachtsfunctie van de sonde dat de oppervlaktedruk op de microfoon betrekking druk. De volgende secties zullen een RMP geometrie die zowel eenvoudig en effectief te beschrijven. Experimentele en analytische methoden worden geïntroduceerd en gevalideerd om de dynamische respons van de RMP nauwkeurig bepalen. De analytische model zorgt voor een RMP te zijn optimized in de ontwerpfase voor een potentieel breed scala van toepassingen.

RMPs kan worden gebruikt om drukschommelingen te meten over een breed frequentiegebied. De relatief hoge ruimtelijke resolutie kunnen gedetailleerde informatie over de kenmerken van de ruimtelijk-verdeelde onvast druk gebied ¹⁶ aan te bieden. Aangezien de sonde klein is, kan RMP worden gebruikt om drukfluctuaties in complexe geometrieën, zoals grote krommingen of beperkte afstand ¹⁷ te meten. Bovendien kan de buis die het oppervlak tap en de microfoon sensor de grootte van de opgewekte druk fluctuatie bij de microfoon verminderen. Zo goed ontwerp of RMP sensorgeometrie en parameters levert een werkwijze voor het verkrijgen USP kenmerken die beduidend minder restrictieve vergelijking met inbouw de microfoon direct naar modeloppervlak.

Structuur van de RMPThe algemene structuur van de RMP wordt weergegeven in figuur 1 . De RMP bestaat uit een buis die vanaf het modeloppervlak een uitbreiding sectie en een tweede buis zich uitstrekt vanaf de expansiesectie een "cradle." Een derde buis wordt dan verbonden om als dode einde. De wieg is een bewerkte plastic onderdeel dat wordt gebruikt voor de huisvesting van de microfoon en de slangaansluitingen. De data van de RMP structuur kan worden aangepast aan verschillende experimentele omstandigheden. Het doel van de tweede grotere diameter buis om de relatief volumineuze microfoon en houder verder vanaf het punt van de USP meting worden gebracht zonder de meetgevoeligheid aanzienlijk verminderen. Deze tweede buis kan worden opgeheven indien het niet nodig is, en de expansiesectie kan worden gebouwd in de houder. Het dode einde is gemaakt van zachte kunststof die lengte ongeveer 2-3 m.

Voor deze demonstratie, het ontwerp van de RMP werd geoptimaliseerd voor het meten van oppervlakte drukschommelingen onder turbulent grenslaag zonder streamwise drukgradiënt, zoals getoond in figuur 2. De tweede buis werd geëlimineerd. Het effect van de twee verschillende lengten van de eerste buis werden waargenomen. De eerste buis is geconstrueerd uit roestvrij staal met een binnendiameter van 0,5 mm en een buitendiameter van 0,81 mm. De lengten van de eerste buis werden 5,35 en 10,40 cm, respectievelijk. De binnendiameter van de inlaat van het expansiegedeelte, die werd opgenomen in de houder, was 0,5 mm en de binnendiameter van de uitgang was 1,25 mm, dat identiek is aan de binnendiameter van de dissipatie beëindiging was. De hoek van de expansiesectie was 7 °. Er was een gat in de houder met een diameter van 1,25 mm teneinde een correcte aansluiting van de expansiesectie de dode beëindiging. Het detectiebereik is verbonden met de 1,25 mm gat door een loodrechte 0,75 mm gat.

Protocol

1. Bereiding van Experimenten

1. Selecteer een geschikte microfoon aan op de RMP op te bouwen. Gebruik een frequentiebereik van de microfoon in het frequentiegebied.
   Opmerking: In dit experiment, drukfluctuaties tussen 100 en 10.000 Hz zijn plaats. De meetfrequentie bereik van de geselecteerde microfoon 100 tot 10.000 Hz. De afmeting van de microfoon moet zo klein mogelijk zijn, hoewel er geen specifieke criteria voor de grootte.
2. Schat de gevoeligheid en de frequentieresponsie van het RMP systeem met de analysemethode beschreven in de bijlage. De gevoeligheid en de frequentieresponsie van de RMP door het variëren van de afmetingen van de buizen en structuren.
3. Gebruik een Dremel om de 0,5 mm inwendige diameter roestvrij stalen buis gesneden in een 5,25 cm lang stuk.
4. Met een schaar, knip de 1,25-mm inwendige diameter van zachte buis in een 4,75 m lang stuk.
5. Gebruik een freesmachine om een ​​stuk plexiglas gesneden in eenkubusvormig. De lengte, breedte en hoogte van de balk moet 2,54 cm, 1,27 cm en 1,27 cm, respectievelijk.
6. Boorgaten 0,81, 2, 2,56 en 0,76 mm diameter op het plexiglas houder, zie figuur 2.
7. Gebruik een naald boor het tapse gedeelte van het plexiglas houder maken, zie figuur 2.
8. Zoek de gevoeligheid van de microfoon in de handleiding van de fabrikant, of kalibreren de microfoon met behulp van de methode geïntroduceerd door Wong ^18.
9. Seat de microfoon in de plexiglas wieg, zoals weergegeven in figuur 2, en bevestig de microfoon met behulp van epoxy.
10. Sluit de roestvrij-stalen buis en de zachte buis naar de plexiglas wieg en zet ze vast met epoxy.
11. Boor een gat met een diameter van 0,81 mm loodrecht op het model oppervlak ter plaatse van de meting.

2. Experiment Setup

1. Inbouw van de primaire roestvrij stalen buizen van deRMP sensoren die de modeloppervlak en voeg epoxy aan de roestvrij stalen buizen vast aan de tegenoverliggende modeloppervlak, zie figuur 2.
2. Omringen de RMP met akoestisch schuim om parasitaire ruis te voorkomen van besmetting van het systeem.
3. Route alle elektrische bedrading van de test sectie van de tunnel.
4. Route de zachte dode slang uit de test sectie van de tunnel.
5. Sluit het uiteinde van de zachte anechoische buis een drukomzetter om metingen van de gemiddelde statische druk gelijktijdig met de onvaste spanning te bereiken.
6. Sluit de RMP om een ​​low-noise versterker en data-acquisitie systeem.
7. Stel de versterkingsfaktor van de versterker 10. Merk op dat de waarde van de versterkingsfactor kan worden aangepast van geval tot geval.

3. Calibration

1. Selecteer een referentie microfoon die hoge kwaliteit en heeft een frequentie-onafhankelijke gevoeligheid.
2. Sluit de verwijzing microtelefoon naar de ingang van een versterker en sluit de uitgang van de versterker naar de data-acquisitiesysteem.
3. Stel zowel de input gain en output versterking van de versterker tot 10 dB. Merk op dat de versterkingsfaktor onder verschillende meetomstandigheden kunnen worden gevarieerd.
4. Voeg hier de referentie microfoon in een pistonfoon, zoals in de aanvullende figuur.
5. Schakel de pistonfoon.
6. Stel de overname frequentie tot 4.000 Hz.
7. Stel het aantal monsters tot 240.000.
8. Verwerven en te redden van de uitgangsspanning van de referentie-microfoon.
9. Bereken de kalibratieconstante de verwijzing microfoon. De kalibratieconstante, C _ref, is de verhouding van de standaarddeviatie van de pistonfoon geproduceerde geluidsdruk de standaarddeviatie van de spanningsuitgang van de referentie microfoon.
10. Herhaal de kalibratie (stappen 3.8 en 3.9) meerdere malen. Gebruik de gemiddelde waarde, C _ref, de ijkconstante.
11. Referentiegewicht microfoon loodrecht op het vaste oppervlak waarop de drukschommeling wordt gemeten, zie figuur 1.
12. Lijn het midden van de referentie-microfoon met de RMP kraan. Gebruik een afstand tussen de referentie microfoon en de RMP tik van 1 mm.
13. Plaats de luidspreker in dichte nabijheid van het testmodel. Gebruik een afstand tussen de luidspreker en de microfoon van 2,5 m voor deze metingen.
14. Sluit de luidspreker aan een functie generator en zet de functie generator.
15. Gebruik de "witte ruis" optie van de functie generator om het gewenste akoestisch signaal en zet de kwadratisch gemiddelde spanning, V _rms, tot 0,4 V.
16. Het volume van de luidspreker aan de minimum.
17. Schakel de luidspreker.
18. Het volume van de luidspreker versterker zo hoog mogelijk zonder beschadiging van de luidspreker. Merk op dat de meeste sprekers hebben een lampje om th waarschuwene gebruiker als de output amplitude boven de luidspreker range.
19. Verwerven en tijdreeksen gegevens op te slaan van de spanning uitgangen van zowel de referentie-microfoon en de RMP met behulp van een scanning frequentie van 40000 Hz voor 60 sec.
20. Bereken de tijdreeksen waarden van de geluidsdruk fluctuatie die wordt gegenereerd door de luidspreker en functiegenerator en gemeten door de referentie microfoon. Dit is eenvoudig het product van de tijdreeksen spanningen op de referentie microfoon, En de kalibratieconstante, ; . Merk op dat de tijdreeksen geluidsdruk, , Is ook de druk fluctuatie aan de kraan van de RMP.
21. Bereken de tijdreeksen geluidsdruk fluctuatie gemeten door de microfoon in de RMP een is het product van de tijdreeksen uitgangsspanning van het RMP, En de gevoeligheid van de microfoon, ; . Merk op dat de gevoeligheid van de microfoon, , Moet worden verstrekt door de fabrikant.
22. Bereken de auto-spectrale dichtheid, van . Bereken de auto-spectrale dichtheid, van . Bereken de cross-spectrale dichtheid, tussen.jpg "/> en . De auto-spectrale dichtheden en cross-spectrale dichtheid worden gedefinieerd door Bendat en Piersol ^19.
23. Bereken de overdrachtsfunctie als .
24. Bereken de samenhang functie als Wanneer de asterisk de complex geconjugeerde representeert.
25. Verwijder de referentie microfoon.
26. Schakel de luidspreker en de functie generator.
27. Verwijder de luidspreker.

4. Data Acquisition

1. Schakel de windtunnel.
2. Noteer de tijdreeksen uitgangsspanning, , Van de RMP met de data-acquisitie systeem. Gebruik een aftastfrequentie van 40.000 Hz. Gebruik een duur van de overname van 64 sec.
3. Schakel de windtunnel.

5. data Processing

1. Bereken de geluidsdruk fluctuatie, , Gemeten door de microfoon in de RMP als .
2. Bereken de auto-spectrale dichtheid, , Van het oppervlak druk fluctuatie als waar is de auto-spectrale dichtheid van de geluidsdruk fluctuatie gemeten door de microfoon in de RMP .

Resultaten

Calibration resultaten van twee representatieve RMP ontwerpen worden getoond in deze sectie. De eerste gebruikt een 5.35 cm primaire buis, en de tweede gebruikte een 10,4 cm primaire buis. De dissipatieve opzeggingen zijn 4.75 m lang voor beide RMPs.

De samenhang tussen de drukfluctuaties gemeten door de microfoon in de RMP en de referentie microfoon wordt getoond in figuur 3. De gegevens tonen een bijna-eenhe...

Discussie

De meting van USP in windtunnelexperimenten is nodig voor veel toepassingen met betrekking tot aeroacoustics en door stroming veroorzaakte trillingen. In vergelijking met bestaande methoden, zoals ingebouwde sensoren die vlak met het oppervlak zijn gemonteerd, PSP of trillende membranen, stelt de hier beschreven methode nauwkeurige metingen mogelijk met een hoge gevoeligheid voor fluctuaties met grote amplituden over een breed frequentiebereik. Belangrijker nog, het biedt ook een methode voor USP-metingen met een klein d...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Microfoon	ACO Pacific (http://www.acopacific.com/)	7016	Wordt gebruikt om de geluidsdruk te meten en de RMP als referentie te kalibreren.
Microfoon	Knowles (http://www.knowles.com/eng)	FG-23629-C36	Wordt gebruikt om de drukfluctuatie te meten als onderdeel van de RMP.
Microbore buis	Saint-gobain (http://www.biopharm.saint-gobain.com/en/index.asp)	Tygon ND 100-80	Wordt gebruikt om de geluidsgolven te dissiperen als een dissipatie-terminatie.
Hypodermische buis	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H21RW	Wordt gebruikt om de oppervlaktetap aan te sluiten en de oppervlaktedrukfluctuatie te laten convecteren naar de microfoon in de RMP in de vorm van geluid.
Hypodermische buis	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H14H	Wordt gebruikt om het dissipatieve effect te verminderen en de oppervlaktedrukfluctuatie te laten convecteren naar de microfoon in de RMP in de vorm van geluid.
plexiglas	Plaskolite (http://www.plaskolite.com/)	1X76204A	Wordt gebruikt om wiegjes te maken die de buis en de microfoon voor de RMP kunnen verbinden.
Data-acquisitiechassis	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-1006	Voor data-acquisitie.
Data-acquisitiekanaal	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-4472	Voor data-acquisitie.
Functiegenerator	thinkSRS (http://www.thinksrs.com/)	DS360	Om een witte ruissignaal te genereren.
Pistonfoon	B&K (http://www.bksv.com/)	4228	Om sinusgolven met constante frequentie te genereren die zullen worden gebruikt om de referentiemicrofoon te kalibreren.
Luidspreker	Mackie (http://www.mackie.com/index.html)	HD1531	Wordt gebruikt om het elektrische witte ruissignaal om te zetten in geluid. Het is de geluidsbron voor het kalibreren van de RMP.
MatLab	Mathworks (http://www.mathworks.com/)		Wordt gebruikt om experimentele gegevens te verwerken.
LabVIEW	National Instruments (http://www.ni.com/)		Wordt gebruikt om de hardware voor data-acquisitie te bedienen en de gegevens op te nemen.