A medição da pressão de superfície instável Usando um microfone sonda remota

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para medir, com alta resolução espacial, a pressão superficial instável em escoamentos turbulentos. Este método demonstra a construção de uma sonda de microfone remoto (RMP) e a determinação de sua função de transferência complexa e dependente da frequência. Uma determinação analítica da resposta dinâmica é apresentada e validada.

Resumo

Os microfones são amplamente aplicados para medir flutuações de pressão nas paredes de corpos sólidos imersos em fluxos turbulentos. Movimentos turbulentos com várias escalas de comprimento características podem resultar em flutuações de pressão em uma ampla faixa de frequência. Essa propriedade da turbulência requer que os dispositivos sensores tenham sensibilidade suficiente em uma ampla faixa de frequências. Além disso, as pequenas escalas de comprimento características de estruturas turbulentas requerem pequenas áreas de detecção e a capacidade de colocar os sensores muito próximos uns dos outros. As geometrias complexas dos corpos sólidos, muitas vezes incluindo grandes curvaturas ou descontinuidades da superfície, exigem que a sonda tenha a capacidade de ser configurada em espaços muito limitados. O desenvolvimento de uma sonda de microfone remoto, que é barata, consistente e repetível, é descrito na presente comunicação. Ele permite a medição de flutuações de pressão com alta resolução espacial e resposta dinâmica em uma ampla faixa de frequências. A sonda é pequena o suficiente para ser colocada no interior de modelos típicos de túnel de vento. A sonda do microfone remoto inclui um tubo pequeno, rígido e oco que penetra na superfície do modelo para formar a área de detecção. Este tubo é conectado a um microfone padrão, a alguma distância da superfície, usando uma junção em "T". Um método experimental é introduzido para determinar a resposta dinâmica da sonda do microfone remoto. Além disso, é descrito um método analítico para determinar a resposta dinâmica. O método analítico pode ser aplicado na fase de projeto para determinar as dimensões e propriedades dos componentes RMP.

Introdução

O fluxo de fluido sobre as superfícies em geral conduz a instabilidade e turbulência que resultará em pressão superfície instável (USP). som induzida por fluxo e vibração são muitas vezes um resultado direto deste desequilíbrio. O som irradiado gerado por ventiladores, hélices e turbinas eólicas são dominados por fontes relacionadas com a USP ^1. As medições das características espaciais e temporais da USP em escoamentos turbulentos são geralmente necessários, a fim de prever o som irradiado.

A caracterização estatística da USP é administrado geralmente sob a forma de densidade auto-espectral, de dois pontos densidades multi-espectrais, e funções de correlação espacial ^{2, 3.} A frequência de resposta necessária pode variar dependendo da aplicação. Em muitas aplicações em túnel de vento, uma resposta de 10 kHz a 20 kHz é suficiente. As pequenas escalas de movimento turbulento muitas vezes exigem áreas de detecção e sensor de espaçamento deve ser inferior a 1 mm.

exteEstudos experimentais nsive foram realizados de forma a obter variações de pressão induzida pela turbulência. Um método direto usa sensores embutidos de embutir. Este método emprega frequentemente grandes conjuntos de microfones, porque cada sensor só pode medir a flutuação da pressão em um ponto discreto. Sensores típicos utilizados neste método são transdutores piezoeléctricos, sugeridos pela Gautschi ^4. Redes de sensores piezoelétricos podem ser caros, e da gama de medição de frequência é muitas vezes inferior a 10 kHz.

Microfones montadas à superfície diretos são frequentemente utilizados como sensores de baixo custo da USP ^5. Microfones têm alta sensibilidade, que é um benefício substancial para os fluxos de baixa velocidade. No entanto, isto também leva ao risco de saturação do sensor quando grandes flutuações de amplitude de pressão estão presentes. Este método não é adequado para superfícies com grandes curvaturas, descontinuidades ou geometrias que são muito finas para conter todo o sensor.

Um método indirecto para a obtenção de informações tanto espectral e espacial é a utilização de membranas finas de embutir a uma superfície ^6. Os movimentos de vibração e tempo-dependente do espaço são medidos e em seguida convertido para a superfície, utilizando as propriedades estatísticas de pressão mecânicos conhecidos da membrana. Este método requer um projeto cuidadoso, implementação e calibração precisa da resposta dinâmica da membrana. Além disso, o equipamento de medição de vibração, tal como vibrómetros Doppler a laser, são caros. Por último, este método só pode ser aplicado a superfícies planas.

Sensível à pressão tinta (PSP) é uma outra técnica que pode ser utilizada para medir a pressão de superfície instável. Esta técnica exige que as superfícies a serem revestidas num ligante de polímero transparente, o que faz com que as moléculas de dentro para ser animado para um estado de energia mais elevado à medida que são iluminadas por luz de um comprimento de onda específico. Como as moléculas sofrem têmpera de oxigénio, a energia é rearrendado como a luz, a uma taxa proporcional à pressão parcial de oxigénio, resultando em luminescência que é inversamente proporcional à pressão de superfície ^7. A principal desvantagem com os métodos de PSP é relativamente baixa sensibilidade da medição em comparação aos microfones. Isto limita a aplicação de PSP para relativamente fluxos de alta velocidade.

A presente comunicação descreve um método para USP que usa uma sonda microfone remoto (PGR). Este método foi descrito pela primeira vez por Englund e Richards ^8. O conceito utiliza um microfone miniatura padrão que está ligada à torneira de pressão de superfície com um tubo oco. A pressão instável na superfície do modelo irá deslocar-se para a tubagem sob a forma de ondas de som. A tubagem actua como uma "guia de ondas" para permitir que o microfone, que está montada perpendicularmente ao tubo, para medir as ondas sonoras. As ondas em seguida, continuar em um outro tubo que é longo o suficiente para eliminar r acústica de grande amplitudeeflections.

Englund e Richards aplicada uma abordagem analítica delineada por Bergh e Tijdeman ⁹ para determinar a resposta dinâmica do PGR. Perrenes e Roger ¹⁰ utilizado um PGR para medir a pressão de superfície sobre um aerofólio de duas dimensões com dispositivos high-lift. Eles desenvolveram uma sonda com um tubo capilar de diâmetro médio de 0,5 mm na superfície que foi ligado a um tubo rígido de 27 cm de comprimento que expandido desde 0,7 mm a 2,5 mm por meio de duas alterações passo separado. Cada alteração causou um passo relativamente grande alteração na impedância acústica do tubo. Leclercq e Bohineust ¹¹ estudou o campo de pressão parede abaixo de uma camada limite turbulenta. Eles usaram um RMP-diâmetro constante, como sugerido por Franzoni e Elliott ^12. No entanto, a resposta dinâmica era alta o suficiente apenas numa gama de frequência limitada. Arguillat et al. ¹³ desenhado um PGR para estudar o barulho transmitido para o interior de um compartimento do veículo. eles testaramvários tubos para conduzir a flutuação da pressão para os microfones. Yang et ai. ¹⁴ corrigido para a distorção tubagem usando uma abordagem de função de transferência de tubagem, que é semelhante ao método apresentado no presente relatório. Hoarau et al. ¹⁵ estudaram o traçado da pressão parede a jusante de uma região separada. Os RMP que eles tinham diâmetros internos concebidos constantes, e o tubo foi completamente não-rígida.

De acordo com estudos anteriores, a precisão das medições de pressão de superfície obtidos usando RMP é principalmente dependente da determinação da função de transferência de frequência dependente da sonda que se relaciona com a pressão de superfície à pressão microfone. As seções a seguir irá descrever uma geometria RMP que é simples e eficaz. Métodos experimentais e analíticas serão introduzidos e validadas de modo a determinar com precisão a resposta dinâmica do PGR. O modelo analítico permite um PGR para ser optimized na fase de concepção para uma potencialmente ampla gama de aplicações.

RMP pode ser usado para medir as flutuações de pressão ao longo de um ampla gama de frequências. A relativamente alta resolução espacial pode oferecer informações detalhadas sobre as características do campo de pressão instável espacialmente distribuídos ^16. Como a sonda é pequeno, RMP pode ser utilizado para medir as flutuações de pressão mais de geometrias complexas, como grandes curvaturas ou espaçamento limitada ^17. Além disso, o tubo de ligação à torneira de superfície e o sensor de microfone pode reduzir a magnitude da flutuação da pressão induzida no microfone. Assim, concepção adequada da geometria do sensor PGR e parâmetros proporciona um método para a obtenção de características USP, que são significativamente menos restritivos quando comparados com montagem embutida o microfone directamente para a superfície do modelo.

Estrutura da estrutura geral da PGR RMPThe é mostrado na Figura 1 . O PGR é constituído por um tubo que conduz a partir da superfície do modelo de uma secção de expansão e um segundo tubo que se estende a partir da secção de expansão a um "berço". Um terceiro tubo é então ligado a agir como uma terminação anecóica. O berço é um componente de plástico usinado utilizado para alojar o microfone e as conexões de tubos. Os detalhes da estrutura PGR pode ser ajustado para várias condições experimentais. O objectivo do segundo tubo, de diâmetro maior é para permitir que o microfone relativamente volumosos e berço para ser colocado mais longe do ponto de medição da USP, sem reduzir significativamente a sensibilidade da medição. Este segundo tubo pode ser eliminado, se não é necessário, e a secção de expansão pode ser incorporado no suporte. A terminação anecóica foi feita de plástico macio, que foi de aproximadamente 2 a 3 m de comprimento.

Para esta demonstração, a concepção da PGR foi optimizado para a medição das flutuações de pressão da superfície sob um turbulent camada limite sem um gradiente de pressão streamwise, como mostrado na Figura 2. O segundo tubo foi eliminado. Foram observados os efeitos dos dois comprimentos diferentes do primeiro tubo. O primeiro tubo foi construído a partir de aço inoxidável com um diâmetro interno de 0,5 mm e um diâmetro exterior de 0,81 mm. Os comprimentos do primeiro tubo foram 5,35 e 10,40 cm, respectivamente. O diâmetro interior da entrada da secção de expansão, o qual foi incorporado no berço, foi de 0,5 mm e o diâmetro interno da saída foi de 1,25 mm, o que era idêntico ao diâmetro interno da terminação de dissipação. O ângulo da secção de expansão foi de 7 °. Houve um furo no suporte, com um diâmetro de 1,25 milímetros, a fim de ligar suavemente a secção de expansão com a terminação anecóica. A área de sensibilidade foi ligado ao orifício de 1,25 milímetros através de um furo perpendicular 0,75 milímetros.

Protocolo

1. Preparação de Experimentos

1. Escolha um microfone adequada para construir o PGR. Usar uma gama de microfone a frequência dentro da gama de frequências de interesse.
   NOTA: Neste experimento, as flutuações de pressão entre 100 e 10.000 Hz são de interesse. A gama de frequência seleccionada o microfone de medição é de 100 a 10000 Hz. O tamanho do microfone deve ser tão pequeno quanto possível, embora não existem critérios específicos para o tamanho.
2. Estimar a sensibilidade e frequência de resposta do sistema PGR utilizando o método analítico descrito no apêndice. Ajustar a sensibilidade e a frequência de resposta da PGR variando as dimensões dos tubos e estruturas.
3. Usar uma Dremel para cortar o tubo de aço inoxidável interior de diâmetro 0,5 milímetros para uma peça de 5,25 cm de comprimento.
4. Com uma tesoura, corte a 1,25 mm interior diâmetro do tubo macio em um 4,75 m de comprimento peça.
5. Use uma máquina de moagem para cortar um pedaço de Plexiglas em umcubóide. O comprimento, largura e altura do cuboide deve ser 2,54 cm, 1,27 cm e 1,27 cm, respectivamente.
6. Faça furos com 0,81, 2, 2,56 e 0,76 mm de diâmetro sobre o berço de acrílico, como mostrado na Figura 2.
7. Usar uma broca de agulhas para fazer a secção inclinada do suporte de plexiglas, como mostrado na Figura 2.
8. Olhe-se a sensibilidade do microfone no manual fornecido pelo fabricante, ou calibrar o microfone usando o método introduzido por Wong ^18.
9. Assentar o microfone no suporte de plexiglas, como mostrado na Figura 2, e fixar o microfone utilizando epoxi.
10. Ligue o tubo de aço inoxidável e tubo macio para o berço de acrílico e corrigi-los com epóxi.
11. Perfurar um furo com um diâmetro de 0,81 milímetros perpendicularmente à superfície do modelo na posição de medição.

Setup 2. Experiment

1. Lave montar os tubos de aço inoxidável primárias doRMP sensores para a superfície do modelo e adicionar epóxi para fixar os tubos de aço inoxidável com a superfície modelo oposto, como mostrado na Figura 2.
2. Rodeiam o PGR com espuma acústica, a fim de evitar ruídos parasitas a partir de contaminando o sistema.
3. Route toda a fiação elétrica fora da seção de teste do túnel.
4. Passe o tubo anecóica macia para fora da seção de teste do túnel.
5. Ligar a extremidade do tubo anecóica suave a um transdutor de pressão, a fim de se obter as medições da pressão estática significativo simultaneamente com a pressão instável.
6. Ligue o PGR a um sistema de aquisição de amplificador de baixo ruído e dados.
7. Definir o factor de ganho do amplificador a 10. Note-se que o valor do factor de ganho pode ser alterado a partir de um caso para outro.

3. Calibração

1. Escolha um microfone de referência que é de alta qualidade e tem uma sensibilidade independente de frequência.
2. Ligue o micro de referênciatelefone para a entrada de um amplificador e ligar a saída do amplificador para o sistema de aquisição de dados.
3. Definir tanto o ganho de entrada e ganho do amplificador de 10 dB. Note-se que o factor de ganho pode ser variada, sob diferentes condições de medição.
4. Inserir o microfone de referência em um pistonfone, como mostrado na figura complementar.
5. Ligue o pistonfone.
6. Defina a frequência de aquisição de 4.000 Hz.
7. Defina o número de amostras a 240.000.
8. Adquirir e conservar a tensão de saída do microfone de referência.
9. Calcule a constante de calibração do microfone de referência. A constante de calibração, _Ref C, é a razão entre o desvio padrão da pressão acústica produzida pistonfone-se ao desvio padrão da tensão de saída do microfone de referência.
10. Repita o processo de calibração (passos 3.8 e 3.9) várias vezes. Use o valor médio, C _referência, como a constante de calibração.
11. Coloque o microfone de referência perpendicularmente à superfície sólida sobre a qual a flutuação da pressão é medida, como mostrado na Figura 1.
12. Alinhar o centro do microfone de referência, com a torneira de PGR. Utilização de uma distância entre o microfone de referência e a torneira PGR de 1 mm.
13. Coloque o altifalante em estreita proximidade com o modelo de teste. Utilização de uma distância entre o altifalante e o microfone de 2,5 m para essas medições.
14. Conecte o alto-falante a um gerador de função e ligar o gerador de função.
15. Use a opção "ruído branco" do gerador de função para fornecer o sinal acústico desejado e definir a voltagem da raiz quadrada, V _rms, para 0,4 V.
16. Ajustar o volume do altifalante ao mínimo.
17. Ligue o alto-falante.
18. Ajustar o volume do amplificador de altifalante tão alta quanto possível, sem danificar o altifalante. Note-se que a maioria dos alto-falantes têm uma luz indicadora para avisar the usuário se a amplitude de saída está acima da gama de colunas.
19. Adquirir e guardar dados de séries temporais a partir das saídas de tensão de ambos o microfone de referência eo PGR utilizando uma freqüência de varredura de 40.000 Hz para 60 seg.
20. Calcular os valores de séries temporais da flutuação de pressão sonora, que é gerada pelo gerador de alto-falante e função e medidos pelo microfone de referência. Isto é simplesmente o produto da tensão de saída-série de tempo a partir do microfone de referência, E sua calibração constante, ; . Note-se que a pressão sonora de séries temporais, , É também a flutuação da pressão na torneira da PGR.
21. Calcule a série temporal flutuação de pressão sonora medido pelo microfone na PGR um é o produto da tensão de saída-série temporal da PGR, E a sensibilidade do microfone, ; . Note-se que a sensibilidade do microfone, , Devem ser fornecidos pelo fabricante.
22. Calcular a densidade de auto-espectral, , do . Calcular a densidade de auto-espectral, , do . Calcular a densidade espectral cruzada, , entre.jpg "/> e . As densidades de auto-espectral e densidade espectral cruzada são definidos por Bendat e Piersol ^19.
23. Calcule a função de transferência como .
24. Calcule a função de coerência como , Em que o asterisco representa o conjugado complexo.
25. Remover o microfone de referência.
26. Desligue o gerador de alto-falante e função.
27. Remover o altifalante.

4. Aquisição de Dados

1. Ligue o túnel de vento.
2. Grave a saída de tensão de séries temporais, , Da PGR com o sistema de aquisição de dados. Use uma freqüência de varredura de 40.000 Hz. Usar uma duração de aquisição de 64 seg.
3. Desligue o túnel de vento.

1. Calcular a variação de pressão sonora, , Medido pelo microfone no PGR como .
2. Calcular a densidade de auto-espectral, , A flutuação da pressão de superfície tão , Onde é a densidade de auto-espectral da variação de pressão sonora medido pelo microfone no PGR .

Resultados

Os resultados da calibração de dois modelos representativos RMP são mostrados nesta seção. O primeiro é usado um 5.35 cm tubo primário, eo segundo é usado um 10,4 cm tubo primário. As terminações dissipativas são 4,75 m de comprimento para ambos os RMP.

A coerência entre as flutuações de pressão medidos pelo microfone no PGR e pelo microfone de referência é mostrado na Figura 3. Os dados mostram um valor próxi...

Discussão

A medição da USP em experimentos em túnel de vento é necessária para muitas aplicações relacionadas à aeroacústica e vibrações induzidas por fluxo. Em comparação com os métodos existentes, como sensores embutidos embutidos, PSP ou membranas vibradas, o método descrito aqui permite medições precisas com alta sensibilidade a flutuações de grande magnitude em uma ampla faixa de frequências. Mais importante, ele também fornece um método para medições USP usando uma pequena área de detecção que minimiza os efeitos de média es...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Microfone	ACO Pacific (http://www.acopacific.com/)	7016	Usado para medir a pressão sonora e calibrar o RMP como referência.
Microfone	Knowles (http://www.knowles.com/eng)	FG-23629-C36	Usado para medir a flutuação de pressão como parte do RMP.
Tubulação Microbore	Saint-gobain (http://www.biopharm.saint-gobain.com/en/index.asp)	Tygon ND 100-80	Usado para dissipar as ondas sonoras como uma terminação de dissipação.
Tubo hipodérmico	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H21RW	Usado para conectar a torneira de superfície e permitir que a flutuação da pressão superficial seja convectiva para o microfone no RMP na forma de som.
Tubo hipodérmico	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H14H	Usado para reduzir o efeito dissipativo e permitir que a flutuação da pressão superficial seja convectiva para o microfone no RMP na forma de som.
plexiglass	Plaskolite (http://www.plaskolite.com/)	1X76204A	Usado para fazer berços que podem conectar a tubulação e o microfone para o RMP.
Chassi de aquisição de dados	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-1006	Para aquisição de dados.
Canal de aquisição de dados	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-4472	Para aquisição de dados.
Gerador	de funções thinkSRS (http://www.thinksrs.com/)	DS360	Para gerar sinal de ruído branco.
Pistonphone	B& K (http://www.bksv.com/)	4228	Para gerar ondas senoidais com frequência constante que serão usadas para calibrar o microfone de referência.
Alto-falante	Mackie (http://www.mackie.com/index.html)	HD1531	Usado para converter o sinal de ruído branco elétrico em som. É a fonte sonora para calibrar o RMP.
MatLab	Mathworks (http://www.mathworks.com/)		Usado para processar dados experimentais.
LabVIEW	National Instruments (http://www.ni.com/)		Usado controla o hardware para aquisição de dados e registra os dados.