A medição da pressão de superfície instável Usando um microfone sonda remota
3 de dezembro de 2016
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.
O objetivo geral deste método experimental é realizar medições de alta resolução espacial das flutuações de pressão induzidas por turbulência sobre superfícies de corpos imersos em fluxos de fluidos. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da dinâmica de fluidos, aeroacústica e vibrações de estrutura induzidas por fluxo, como características espaciais e temporais da pressão superficial instável induzida por movimentos turbulentos com escalas de comprimento pequeno. A sonda de microfone remoto pode fornecer informações detalhadas sobre as características dos campos de pressão de superfície instáveis, com resolução espacial relativamente alta em uma ampla faixa de frequências.
Prepare-se para os experimentos construindo a sonda de microfone remoto. Isso requer vários componentes. O principal deles é um pequeno microfone sensível às frequências de interesse.
O tamanho dos componentes restantes depende da sensibilidade desejada e da resposta de frequência da sonda. Esta sonda usa um comprimento de tubo de aço inoxidável com um diâmetro interno de meio milímetro. Também requer um longo pedaço de tubo macio, com um diâmetro interno de 1,25 milímetros.
Um pedaço de acrílico cortado e perfurado personalizado servirá como suporte do microfone. De um lado do berço, há um orifício para acomodar o tubo de aço inoxidável. Na extremidade oposta do berço, há outro buraco.
Está ao longo do mesmo eixo e acomoda o tubo macio. Esses dois orifícios são conectados através do Plexiglass. Na parte superior, existem dois orifícios concêntricos.
O orifício externo maior segurará o microfone. O orifício interno menor acessa a cavidade. Esta seção transversal fornece um guia para a construção do berço.
Observe que o cone necessário para corresponder aos diâmetros dos orifícios laterais está próximo à entrada do tubo de aço inoxidável. Tenha epóxi pronto para prender os componentes ao berço. Pegue o microfone e oriente-o com o diafragma apontando para o suporte e coloque-o em sua posição.
Quando estiver na posição, aplique epóxi para fixá-lo no lugar. Em seguida, insira o tubo de aço inoxidável na abertura feita para ele antes de prendê-lo com epóxi. Prenda o tubo macio em sua posição da mesma maneira.
Na outra extremidade do tubo macio, use um tampão para vedar o tubo. Com todos os elementos presos ao berço, esta sonda está pronta para ser usada em um experimento. Em seguida, volte a atenção para a superfície do modelo para o experimento.
Esta demonstração usa uma placa plana com pontos de medição preparados. Em um ponto de medição, deve haver um orifício de passagem perpendicular à superfície. O orifício deve ter o diâmetro externo do tubo de aço inoxidável na sonda.
Para o experimento, monte a superfície do modelo no túnel de vento. Em seguida, obtenha uma sonda de microfone para conectar à superfície do modelo no orifício de medição. Na parte traseira da superfície, rosqueie o tubo de aço inoxidável da sonda do microfone no orifício.
A abertura do tubo deve estar nivelada com a superfície de medição. Aplique epóxi no lado oposto ao local de medição para prender o tubo no lugar. Com a sonda do microfone na posição, envolva-a com espuma acústica para evitar que ruídos parasitas contaminem o sistema.
Em seguida, trabalhe com o tubo anecóico macio da sonda. Mova a extremidade fechada para fora da seção de teste do túnel de vento. Cerque-o com painéis acústicos para isolá-lo do ambiente.
De volta à sonda, conecte o microfone às entradas de um amplificador de baixo ruído, que está fora da seção técnica do túnel de vento. Em seguida, vá para a eletrônica fora do túnel. O amplificador de baixo ruído é conectado ao sistema de aquisição de dados.
Defina o ganho do amplificador para dez. A calibração da sonda do microfone remoto requer vários equipamentos. Para a primeira fase, use um microfone de referência de alta qualidade com resposta independente de frequência, junto com o telefone de pistão.
Além disso, deve haver um amplificador com sua saída conectada ao sistema de aquisição de dados. Conecte o microfone à entrada do amplificador e defina a entrada e o ganho de saída para dez decibéis. Em seguida, pegue o telefone de pistão.
Insira o microfone no telefone de pistão para a medição. Quando estiver pronto, ligue o telefone do pistão. Recorra ao sistema de aquisição de dados para definir a frequência de aquisição de dados e o número de amostras.
Comece a adquirir e salvar o voltage do microfone de referência para calcular a constante de calibração. Assim que a constante de calibração for determinada, remova o microfone do telefone de pistão. Agora, mova o microfone para a superfície do modelo, use um suporte para posicionar o microfone perpendicularmente à superfície sobre o tubo da sonda, onde a flutuação de pressão será medida.
Alinhe o microfone com o centro da torneira da sonda e um milímetro acima dela. As próximas etapas requerem um alto-falante com um amplificador interno conectado a um gerador de funções. Monte o alto-falante próximo à superfície do modelo e a 2.5 metros do microfone.
O alto-falante deve estar desligado e o cone deve ser direcionado para a superfície do modelo. Fora do túnel de vento, trabalhe com o gerador de funções. Ligue-o e use a opção de ruído branco para fornecer o sinal acústico.
Retorne ao alto-falante e certifique-se de que a amplificação está no mínimo. Em seguida, ligue o alto-falante e ajuste o volume o mais alto possível sem causar danos. Retorne ao sistema de aquisição de dados.
Adquira e salve dados de séries temporais das saídas de tensão da sonda e dos microfones de referência. A calibração é a etapa mais crítica deste procedimento. Para garantir o sucesso, use um modelo para prever a função de transferência e compare-a com os resultados experimentais.
Além disso, use dispositivos de alta qualidade, incluindo o microfone de referência e o alto-falante. Estes são gráficos da coerência entre as flutuações de pressão medidas na sonda do microfone remoto e o microfone de referência em função da frequência. Este sistema de sonda possui um tubo primário de 5,35 centímetros de comprimento.
Para comparação, esta sonda possui um tubo primário de 10,4 centímetros de comprimento. A coerência está acima de 0,97 na faixa de frequência de interesse. Esses gráficos são da magnitude das funções de transferência das mesmas duas sondas.
As curvas azuis são resultados de experimentos. As curvas verdes são previsões teóricas. As previsões da resposta dinâmica são precisas na maior parte da faixa de frequência.
Pequenas aberrações na sonda podem explicar divergências em frequências médias e altas. A comparação dos dados e as previsões para a inclinação do deslocamento facial revelam que as previsões são ligeiramente superestimadas. Isso pode ser devido a pequenos erros nas medições dos comprimentos dos tubos ou por variações de temperatura.
Neste gráfico, a faixa cinza claro representa a faixa de dados anteriores de espectros de pressão superficial em vários números de Reynolds. Os pontos de dados representam medições usando sondas de microfone remotas. As medidas estão dentro da dispersão das medidas observadas na literatura publicada.
Uma vez dominada, a calibração de uma única sonda de microfone remoto pode ser feita em cinco minutos se for executada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante repetir a calibração com vários volumes de alto-falante para obter a maior coerência para a sonda do microfone remoto. Após esse desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para os pesquisadores explorarem as características das flutuações de pressão em superfícies com grande curvatura e espaçamento limitado sob condições complexas de fluxo.
Trabalhar com alto-falantes que geram ruído branco de alto volume pode ser extremamente perigoso. Não se esqueça das precauções, como usar fones de ouvido com silenciamento de ruído durante a execução deste procedimento. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como construir, configurar e calibrar uma sonda de microfone remoto.
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Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo para medir a pressão superficial instável em fluxos turbulentos com alta resolução espacial. O método envolve a construção de uma sonda de microfone remoto (RMP) e a determinação de sua função de transferência dependente da frequência.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Dinâmica dos fluidos
- Aeroacústica
- Vibrações estruturais induzidas por fluxo
Contexto
- Compreender as flutuações de pressão induzidas por turbulência é fundamental em diversas aplicações.
- Medições com alta resolução espacial podem fornecer informações sobre o comportamento do fluido.
- A sonda de microfone remoto é uma ferramenta essencial para capturar características detalhadas do campo de pressão.
- Este método aborda os desafios na medição de movimentos turbulentos em pequena escala.
Objetivo do Estudo
- Medir flutuações de pressão induzidas por turbulência em superfícies em escoamentos de fluidos.
- Analisar as características espaciais e temporais da pressão superficial não estacionária.
- Validar a resposta dinâmica da sonda de microfone remoto.
Métodos Utilizados
- Construção de uma sonda microfônica remota utilizando microfones sensíveis.
- Medição de flutuações de pressão em escoamentos turbulentos.
- Determinação da função de transferência da sonda dependente da frequência.
- Validação analítica da resposta dinâmica da sonda.
Resultados Principais
- A sonda microfônica remota fornece medições com alta resolução espacial.
- As características dependentes da frequência da pressão superficial não estacionária foram capturadas com sucesso.
- O método demonstra medição eficaz das flutuações de pressão induzidas por turbulência.
- A validação da resposta dinâmica da sonda foi realizada por meio de métodos analíticos.
Conclusões
- Este protocolo aprimora a compreensão dos fluxos turbulentos e seus efeitos sobre superfícies.
- A sonda de microfone remota é uma ferramenta valiosa para pesquisadores em dinâmica de fluidos.
- Aplicações futuras podem se expandir para diversas áreas que exigem medições detalhadas de pressão.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este método permite a medição com alta resolução da pressão superficial instável em escoamentos turbulentos, apoiando a redução de riscos mecanicistas em estudos de interação fluido-estrutura. Ele fornece confiabilidade preditiva para avaliações de cargas aerodinâmicas e análise de vibrações em sistemas modelo pré-clínicos. A técnica melhora a continuidade translacional ao vincular a dinâmica de fluidos em bancada aos ambientes fisiológicos de fluxo.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de padrões de estresse cisalhante hemodinâmico relevantes para a validação de alvos vasculares.
- Valor Operacional: Apoia a avaliação funcional da resposta endotelial sob condições de fluxo fisiologicamente relevantes.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Valor Científico: Facilita a preparação de sistemas validados de fluxo sobre superfície para triagem de compostos em modelos vasculares.
- Valor Operacional: Garante a padronização do ensaio por meio de saídas quantificáveis de flutuações de pressão em diferentes frequências.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Alinha-se a sistemas relevantes para doenças ao capturar a dinâmica de pressão em geometrias estenóticas ou aneurismáticas.
- Valor Operacional: Permite decisões de avanço ajustadas ao risco por meio de mapeamento reprodutível de pressão em modelos de fluxo pré-clínicos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método integra-se à biologia de descoberta por meio da testagem de hipóteses hemodinâmicas e à triagem por meio de leituras padronizadas de flutuações de pressão.
- Biologia da Descoberta: Apoia a elucidação de vias ao associar flutuações de pressão a sinais de mecanotransdução em alvos vasculares.
- Triagem: Fornece saídas quantitativas e resolvidas por frequência que permitem comparar os efeitos de compostos sobre a rigidez ou complacência vascular.
- Análises: Oferece métricas de função de transferência e coerência que ajudam as equipes a comparar as características de transmissão de pressão entre diferentes condições do modelo.
- Pesquisa Translacional: Conecta-se à continuidade pré-clínica ao simular formas de onda de pressão observadas em ambientes de fluxo arterial ou venoso.
- Reutilização Empresarial: Representa uma capacidade reutilizável para ciclos iterativos de projeto e teste na avaliação de dispositivos vasculares ou biomateriais.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Confiança preditiva em modelos de interação fluido-estrutura, redução da ambiguidade mecanicista em estudos de estresse hemodinâmico.
- Valor Operacional: Padronização, reprodutibilidade e escalabilidade das medições de flutuação de pressão entre laboratórios.
- Valor Estratégico: Tomada de decisões mais eficaz sobre prosseguimento ou interrupção de projetos na priorização de alvos vasculares, eficiência no uso de capital em testes pré-clínicos e redução de riscos biológicos em fases avançadas do desenvolvimento de dispositivos.
- Impacto no Portfólio: Priorização ajustada ao risco de candidatos com base na compatibilidade hemodinâmica e nos perfis de segurança endotelial.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em dinâmica dos fluidos, calibração de transdutores de pressão e processamento de sinais acústicos.
- Exige amplificador de baixo ruído, sistema de aquisição de dados, gerador de funções, alto-falante e microfone de referência para validação.
- Exige padronização entre equipes quanto à geometria da sonda, materiais dos tubos e métodos de vedação para garantir consistência entre laboratórios.
- Envolve considerações de adaptação para superfícies curvas, flexíveis ou com múltiplas camadas, que imitam as propriedades dos tecidos vasculares.
- Limitado pelas restrições de tamanho da sonda no acesso a geometrias luminas estreitas e por possíveis alterações na resposta de frequência devido à temperatura ou deformação dos tubos.
