Pomiar niestabilnego nacisku powierzchniowego za pomocą zdalnej sondy mikrofonowej

Ogólnym celem tej metody eksperymentalnej jest wykonanie pomiarów o wysokiej rozdzielczości przestrzennej wywołanych turbulencjami wahań ciśnienia nad powierzchniami ciał zanurzonych w przepływach płynów. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu dynamiki płynów, aeroakustyki i drgań konstrukcji wywołanych przepływem, takie jak przestrzenne i czasowe charakterystyki nieustalonego ciśnienia powierzchniowego wywołanego ruchami turbulentnymi o małych skalach długości. Zdalna sonda mikrofonowa może dostarczyć szczegółowych informacji o charakterystyce niestabilnych pól nacisku powierzchniowego, ze stosunkowo wysoką rozdzielczością przestrzenną w szerokim zakresie częstotliwości.

Przygotuj się do eksperymentów, konstruując sondę zdalnego mikrofonu. Wymaga to kilku elementów. Podstawowym z nich jest mały mikrofon, który jest czuły na interesujące nas częstotliwości.

Wielkość pozostałych elementów zależy od pożądanej czułości i charakterystyki częstotliwościowej sondy. Ta sonda wykorzystuje długość rurki ze stali nierdzewnej o średnicy wewnętrznej pół milimetra. Wymaga również długiego kawałka miękkiej rurki o średnicy wewnętrznej 1,25 milimetra.

Specjalnie wycięty i wywiercony kawałek pleksi posłuży jako podstawka mikrofonu. Po jednej stronie kołyski znajduje się otwór, w którym znajduje się rurka ze stali nierdzewnej. Na przeciwległym końcu kołyski znajduje się kolejna.

Znajduje się wzdłuż tej samej osi i mieści miękką rurkę. Te dwa otwory są połączone przez pleksi. Na górze znajdują się dwa koncentryczne otwory.

Większy zewnętrzny otwór pomieści mikrofon. Mniejszy otwór wewnętrzny uzyskuje dostęp do wnęki. Ten przekrój stanowi wskazówkę dotyczącą budowy kołyski.

Należy pamiętać, że stożek potrzebny do dopasowania do średnic otworów bocznych znajduje się w pobliżu wejścia do rury ze stali nierdzewnej. Przygotuj żywicę epoksydową do przymocowania elementów do kołyski. Weź mikrofon i ustaw go tak, aby jego membrana była skierowana w stronę podstawki, a następnie umieść go na swoim miejscu.

Gdy znajdzie się na swoim miejscu, nałóż żywicę epoksydową, aby go zamocować. Następnie włóż rurkę ze stali nierdzewnej do przeznaczonego do tego otworu przed zabezpieczeniem żywicą epoksydową. W ten sam sposób przymocuj miękką rurkę na swoim miejscu.

Na drugim końcu miękkiej rurki użyj zatyczki, aby uszczelnić rurkę. Dzięki wszystkim elementom przymocowanym do kołyski, sonda ta jest gotowa do użycia w eksperymencie. Następnie zwróć uwagę na powierzchnię modelu na potrzeby eksperymentu.

W tej demonstracji wykorzystano płaską płytkę z przygotowanymi punktami pomiarowymi. W punkcie pomiaru powinien znajdować się otwór przelotowy prostopadły do powierzchni. Otwór powinien mieć zewnętrzną średnicę rurki ze stali nierdzewnej w sondzie.

Na potrzeby eksperymentu zamontuj powierzchnię modelu w tunelu aerodynamicznym. Następnie zaopatrz się w sondę mikrofonową, którą przymocujesz do powierzchni modelu w otworze pomiarowym. Od tyłu powierzchni wkręć rurkę ze stali nierdzewnej sondy mikrofonowej w otwór.

Otwór rurki powinien być zlicowany z powierzchnią pomiarową. Nałóż żywicę epoksydową na stronę przeciwną do miejsca pomiaru, aby zabezpieczyć rurkę na miejscu. Gdy sonda mikrofonowa jest na swoim miejscu, otocz ją pianką akustyczną, aby zapobiec zanieczyszczeniu systemu przez hałas pasożytniczy.

Następnie pracuj z miękką rurką bezechową z sondy. Przesuń zamknięty koniec z części testowej tunelu aerodynamicznego. Otocz go panelami akustycznymi, aby odizolować go od otoczenia.

Wróć do sondy, podłącz mikrofon do wejść wzmacniacza o niskim poziomie szumów, który znajduje się poza sekcją techniczną tunelu aerodynamicznego. Następnie przejdź do elektroniki na zewnątrz tunelu. Wzmacniacz o niskim poziomie szumów jest podłączony do systemu akwizycji danych.

Ustaw wzmocnienie wzmacniacza na dziesięć. Kalibracja sondy zdalnego mikrofonu wymaga kilku elementów wyposażenia. W pierwszej fazie należy użyć wysokiej jakości mikrofonu referencyjnego o niezależnym paśmie przenoszenia, wraz z telefonem tłokowym.

Dodatkowo powinien być wzmacniacz z wyjściem podłączonym do układu akwizycji danych. Podłącz mikrofon do wejścia amplifier i ustaw wzmocnienie wejściowe i wyjściowe na dziesięć decybeli. Następnie zdobądź telefon tłokowy.

Włóż mikrofon do telefonu tłokowego w celu pomiaru. Gdy będziesz gotowy, włącz telefon tłokowy. Zwróć się do systemu akwizycji danych, aby ustawić częstotliwość zbierania danych i liczbę próbek.

Rozpocznij rejestrację i zapisywanie napięcia z mikrofonu referencyjnego, aby obliczyć stałą kalibracji. Po ustaleniu stałej kalibracji wyjmij mikrofon z telefonu tłokowego. Teraz przesuń mikrofon na powierzchnię modelu, użyj uchwytu, aby ustawić mikrofon prostopadle do powierzchni nad rurką sondy, gdzie będą mierzone wahania ciśnienia.

Ustaw mikrofon na środku krana sondy i jeden milimetr nad nim. Kolejne kroki wymagają głośnika z wewnętrznym wzmacniaczem podłączonym do generatora funkcyjnego. Zamontuj głośnik w pobliżu powierzchni modelu i 2.5 metra od mikrofonu.

Głośnik powinien być wyłączony, a stożek powinien być skierowany w stronę powierzchni modelu. Na zewnątrz tunelu aerodynamicznego pracuj z generatorem funkcyjnym. Włącz go i użyj opcji białego szumu, aby dostarczyć sygnał dźwiękowy.

Wróć do głośnika i upewnij się, że amplifikacja jest minimalna. Następnie włącz głośnik i wyreguluj jego głośność tak wysoko, jak to możliwe, nie powodując uszkodzeń. Wróć do systemu akwizycji danych.

Pozyskiwanie i zapisywanie danych szeregów czasowych z wyjść napięciowych sondy i mikrofonów referencyjnych. Kalibracja jest najbardziej krytycznym etapem tej procedury. Aby zapewnić powodzenie, użyj modelu do przewidywania funkcji transferu i porównania jej z wynikami eksperymentu.

Ponadto korzystaj z wysokiej jakości urządzeń, w tym mikrofonu referencyjnego i głośnika. Są to wykresy koherencji między wahaniami ciśnienia mierzonymi w sondzie zdalnego mikrofonu a mikrofonem odniesienia w funkcji częstotliwości. Ten system sondy ma rurkę główną o długości 5,35 centymetra.

Dla porównania, ta sonda ma rurkę główną o długości 10,4 centymetra. Koherencja wynosi powyżej 0,97 w interesującym nas zakresie częstotliwości. Wykresy te są wielkości funkcji transferu z tych samych dwóch sond.

Niebieskie krzywe są wynikami eksperymentu. Zielone krzywe są przewidywaniami teoretycznymi. Przewidywania odpowiedzi dynamicznej są dokładne w większości zakresu częstotliwości.

Małe aberracje w sondzie mogą wyjaśniać niezgodności przy średnich i wysokich częstotliwościach. Porównanie danych i przewidywań dotyczących nachylenia przesunięcia czoła pokazuje, że przewidywania są nieco zawyżone. Może to być spowodowane niewielkimi błędami w pomiarach długości rur lub zmianami temperatury.

Na tym wykresie jasnoszary pasek reprezentuje zakres poprzednich danych widm ciśnienia powierzchniowego przy różnych liczbach Reynoldsa. Punkty danych reprezentują pomiary za pomocą zdalnych sond mikrofonowych. Pomiary mieszczą się w rozpiętości pomiarów zaobserwowanych w opublikowanej literaturze.

Po opanowaniu kalibracji pojedynczej sondy zdalnego mikrofonu można ją wykonać w ciągu pięciu minut, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby powtórzyć kalibrację z różnymi głośnościami głośników, aby uzyskać najwyższą spójność dla sondy zdalnego mikrofonu. Po tym odkryciu technika ta utorowała naukowcom drogę do zbadania charakterystyki wahań ciśnienia na powierzchniach o dużej krzywiźnie i ograniczonych odstępach w złożonych warunkach przepływu.

Praca z głośnikami generującymi głośny biały szum o dużej głośności może być niezwykle niebezpieczna. Nie zapomnij o środkach ostrożności, takich jak używanie słuchawek wyciszających hałas podczas wykonywania tej procedury. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zbudować, skonfigurować i skalibrować zdalną sondę mikrofonową.