Измерение неустойчивую поверхность давления с помощью выносного микрофона Probe

Краткое содержание

Здесь мы представляем протокол для измерения с высоким пространственным разрешением нестационарного поверхностного давления в турбулентных потоках. Этот метод демонстрирует построение выносного микрофонного зонда (RMP) и определение его частотно-зависимой сложной передаточной функции. Представлено и проверено аналитическое определение динамической реакции.

Аннотация

Микрофоны широко применяются для измерения колебаний давления на стенках твердых тел, погруженных в турбулентные потоки. Турбулентные движения с различными характеристическими масштабами длины могут приводить к колебаниям давления в широком диапазоне частот. Это свойство турбулентности требует, чтобы чувствительные устройства обладали достаточной чувствительностью в широком диапазоне частот. Кроме того, малые характеристические масштабы длины турбулентных структур требуют небольших зон восприятия и возможности размещения датчиков в непосредственной близости друг от друга. Сложная геометрия твердых тел, часто включающая большие кривизны поверхности или разрывы, требует, чтобы зонд мог быть установлен в очень ограниченном пространстве. Разработка дистанционного микрофонного зонда, который является недорогим, стабильным и воспроизводимым, описана в настоящем сообщении. Он позволяет измерять колебания давления с высоким пространственным разрешением и динамическим откликом в широком диапазоне частот. Зонд достаточно мал, чтобы его можно было разместить внутри типичных моделей аэродинамической трубы. Дистанционный щуп микрофона включает в себя небольшую жесткую полую трубку, которая проникает в поверхность модели, формируя зону восприятия. Эта трубка подключается к стандартному микрофону, расположенному на некотором расстоянии от поверхности, с помощью Т-образного перехода. Представлен экспериментальный метод определения динамического отклика выносного микрофонного щупа. Кроме того, описан аналитический метод определения динамического отклика. Аналитический метод может быть применен на этапе проектирования для определения размеров и свойств компонентов RMP.

Введение

Течение жидкости над поверхностью, как правило, приводит к неустойчивости и турбулентности, которые приводят к неустановившегося давления на поверхности (USP). Flow-индуцированный звук и вибрация часто являются прямым результатом этого неустойчивостью. Излучаемый звук генерируется вентиляторов охлаждения, пропеллер и ветровых турбин преобладают источники , связанные с USP ^1. Измерения пространственных и временных характеристик USP в турбулентных потоках, как правило, требуется для того, чтобы предсказать, что излучаемый звук.

Статистическая характеристика USP как правило , дается в виде автоматической спектральной плотности, двухточечный кросс-спектральные плотности и пространственные корреляционные функции ^{2, 3.} Частотная характеристика требуется может меняться в зависимости от конкретного применения. Во многих случаях в аэродинамической трубе, ответ 10 кГц до 20 кГц достаточно. Небольшие масштабы турбулентного движения часто требуют зондирования зон и датчик интервал составляет менее 1 мм.

Exteонительных экспериментальные исследования были проведены с целью получения турбулентности, вызванной колебания давления. Прямой метод использует скрытого монтажа встроенных датчиков. Этот метод часто используют большие массивы микрофонов, потому что каждый датчик может измерять только колебание давления в одной дискретной точке. Типичные датчики , используемые в этом методе являются пьезоэлектрические преобразователи, предложенные Gautschi ^4. Массивы пьезоэлектрических датчиков могут быть дорогими, а частотный диапазон измерения часто составляет менее 10 кГц.

Прямые монтируемые на поверхность микрофоны часто используются в качестве датчиков недороги USP ^5. Микрофоны имеют высокую чувствительность, что является существенным преимуществом для потоков низкоскоростных. Тем не менее, это также приводит к риску насыщения датчика, когда большие флуктуации амплитуды давления присутствуют. Этот способ не подходит для поверхностей с большими искривлений, разрывов или геометрии, которые являются слишком тонкими, чтобы содержать весь датчик.

Косвенный способ получения как спектрального и пространственной информации заключается в использовании тонких мембран заподлицо с поверхностью ^6. В во времени и пространстве зависимый движения вибрации измеряются и затем преобразуются в поверхностные статистические данные давления с использованием известных механических свойств мембраны. Этот метод требует тщательного проектирования, реализации и точной калибровки динамической реакции мембраны. Кроме того, измерительное оборудование вибрации, таких как лазерные доплеровские виброметров, являются дорогостоящими. И, наконец, этот метод может быть применен только к плоским поверхностям.

Чувствительный к давлению краска (PSP) является еще один метод, который может быть использован для измерения неустановившегося давления у поверхности. Этот метод требует, чтобы поверхности, подлежащей покрытию, в прозрачном полимерном связующем, что приводит к молекулам внутри возбуждаться на более высокий энергетический уровень, как они освещены светом определенной длины волны. Поскольку молекулы подвергаются закалке кислород, энергия повторноарендуемый как свет со скоростью , пропорциональной парциального давления кислорода, что приводит к люминесценции , который обратно пропорционален давлению поверхности ^7. Основной недостаток методов PSP является относительно низкая чувствительность измерения по сравнению с микрофонами. Это ограничивает применение PSP с относительно высокоскоростных течений.

Настоящее сообщение описывает способ USP, который использует удаленный датчик микрофона (РМП). Этот метод впервые был описан Энглунд и Ричардс ^8. Концепция использует стандартный миниатюрный микрофон, который подключен к крану давления поверхности с полой трубкой. Неустойчивый давление на поверхности модели будет путешествовать в трубку в виде звуковых волн. Трубочные действует как "волноводу", чтобы микрофон, который установлен перпендикулярно по отношению к трубке, для измерения звуковых волн. Волны затем продолжают в другую трубу, которая достаточно долго, чтобы исключить большие амплитуды акустического гeflections.

Энглунд и Ричардс применяется аналитический подход , изложенный Берга и Tijdeman ⁹ для определения динамической реакции РМП. Perrenes и Роджер ¹⁰ использовали ПРХ для измерения поверхностного давления над двумерной несущей поверхности с высокой подъемной силы устройств. Они разработали зонд с диаметром капиллярной трубки 0,5 мм на поверхности, которая была соединена с 27-см длиной жесткой трубки, которая возросла с 0,7 мм до 2,5 мм с помощью двух отдельных ступенчатых изменений. Каждое ступенчатое изменение вызвано относительно большое изменение акустического импеданса трубки. Леклерк и Bohineust ¹¹ исследовал поле давления стенки под турбулентным пограничным слоем. Они использовали RMP постоянного диаметра, как это было предложено Франзони и Эллиотом ^12. Тем не менее, динамический ответ был достаточно высоким, только в ограниченном диапазоне частот. Arguillat и др. ¹³ разработали RMP для изучения шума , передаваемый во внутреннюю часть отсека транспортного средства. Они протестировалиразличные трубки для проведения колебания давления к микрофонам. Ян и др. ¹⁴ с поправкой на искажения насосно - компрессорных труб с использованием функционального подхода переноса трубки , который аналогичен методу , введенной в настоящем докладе. Оаро и др. ¹⁵ изучили следы давления стенки ниже по потоку от отрывной области. В ПРХ, что они предназначены были постоянные внутренние диаметры, и трубка была полностью нежесткой.

По данным предыдущих исследований, точность измерений поверхности давления, полученные с использованием ПРХ в основном зависит от определения частотно-зависимой передаточной функции зонда, который имеет отношение давления поверхности к давлению микрофона. В следующих разделах будут описывать RMP геометрию, которая является одновременно простым и эффективным. Экспериментальные и аналитические методы будут введены и проверены для того, чтобы точно определить динамическую реакцию РМП. Аналитическая модель позволяет ПРХ быть оptimized на стадии проектирования для потенциально широкого спектра применений.

ПРХ могут быть использованы для измерения колебаний давления в широком диапазоне частот. Относительно высокое пространственное разрешение может предложить подробную информацию о характеристиках пространственно-распределенной неустойчивом поле ¹⁶ давления. По мере того как зонд мал, ПРХ может быть использован для измерения колебаний давления более сложной геометрии, такие как большие искривлений или в условиях ограниченного расстояния ^17. Кроме того, трубка, соединяющая поверхности крана и датчика микрофона может уменьшить величину индуцированного колебанием давления у микрофона. Таким образом, соответствующие конструкции RMP геометрии и параметров датчика приводит к способу получения USP характеристики, которые значительно меньше ограничений по сравнению с Крепёжную микрофон непосредственно к поверхности модели.

Структура общей структуры RMPThe ПУХ показано на рисунке 1 . ПРХ состоит из одной трубы, идущей от поверхности модели в секцию расширения, и второй трубки, проходящей от секции расширения к "люльке". Третья труба затем соединяется выступать в качестве звукопоглощающей прекращения. Колыбель механически обработанный пластиковый компонент, используемый для размещения микрофона и соединительными патрубками. Детали конструкции RMP можно отрегулировать для различных условий эксперимента. Целью второго, большего диаметра трубы, чтобы позволить относительно громоздкими микрофон и люлька для размещения дальше от точки измерения USP без значительного снижения чувствительности измерений. Эта вторая трубка может быть устранена, если он не нужен, и секция расширения может быть построен в колыбели. Безэховой прекращение была сделана из мягкого пластика, который был приблизительно от 2 до 3 м в длину.

Для этой демонстрации, дизайн ПРХ был оптимизирован для измерения колебаний давления поверхности под TURBulent пограничный слой без градиента давления вдоль потока, как показано на рисунке 2. Вторая труба была устранена. Наблюдались эффекты двух различных длин первой трубы. Первая труба была построена из нержавеющей стали с внутренним диаметром 0,5 мм и внешним диаметром 0,81 мм. Длины первой трубы были 5,35 и 10,40 см, соответственно. Внутренний диаметр входа секции расширения, которая была включена в каретку, составляла 0,5 мм, а внутренний диаметр выходного был 1,25 мм, который был идентичен внутреннему диаметру прекращения диссипации. Угол секции расширения составила 7 °. Был отверстие в люльке с диаметром 1,25 мм для того, чтобы плавно соединить секции расширения с безэховой прекращения. Область зондирования была связана с 1,25 мм отверстие через перпендикулярную 0,75 мм отверстие.

Протокол

1. Приготовление Экспериментов

1. Выберите правильный микрофон, чтобы построить РМП. Используйте частотный диапазон микрофона в интересующем диапазоне частот.
   Примечание: В этом эксперименте колебания давления составляет от 100 до 10000 Гц представляют интерес. Диапазон частот измерения выбранного микрофона составляет от 100 до 10000 Гц. Размер микрофона должен быть настолько мал, насколько это возможно, хотя и не существует каких-либо конкретных критериев для размера.
2. Оценка чувствительности и частотной характеристики системы RMP с использованием аналитического метода, описанного в приложении. Регулировка чувствительности и частотной характеристики РМП путем изменения размеров труб и конструкций.
3. Используйте Dremel, чтобы сократить 0,5 мм внутренний диаметра трубки из нержавеющей стали в 5,25 см длинной части.
4. С помощью ножниц обрежьте 1,25-мм внутреннего диаметра мягкой трубки в 4,75 м длинной части.
5. Используйте фрезерный станок, чтобы отрезать кусок оргстекла впараллелепипед. Длина, ширина и высота параллелепипеда должна быть 2,54 см, 1,27 см, 1,27 см и, соответственно.
6. Проделайте отверстие с 0,81, 2, 2,56 и 0,76 мм Диаметр на подставке из плексигласа, как показано на рисунке 2.
7. С помощью иглы дрель , чтобы сделать раздел заостренной части подставки из оргстекла, как показано на рисунке 2.
8. Посмотрите чувствительность микрофона в руководстве , поставляемом изготовителем, или калибровки микрофона с помощью метода , введенный Wong ^18.
9. Сиденье микрофон в подставку из оргстекла, как показано на рисунке 2, и закрепить микрофон с помощью эпоксидной смолы.
10. Подключите трубку из нержавеющей стали и мягкую трубку к люльке из плексигласа и закрепите их с помощью эпоксидной смолы.
11. Просверлите отверстие диаметром 0,81 мм перпендикулярно к поверхности модели в положении измерения.

Настройка 2. Эксперимент

1. Заподлицо первичные трубы из нержавеющей стали поRMP датчики к поверхности модели и добавить эпоксидной смолы для крепления труб из нержавеющей стали , к противоположной поверхности модели, как показано на рисунке 2.
2. Окружите RMP с акустической пеной, чтобы предотвратить паразитный шум от загрязнения системы.
3. Маршрут электрическая проводка из испытательной секции туннеля.
4. Маршрут мягкий безэховой трубки из испытательной секции туннеля.
5. Подсоедините конец мягкого заглушенной трубки к датчику давления для получения измерения среднего статического давления одновременно с неустановившегося давления.
6. Подключите RMP к системе сбора данных усилителя с низким уровнем шума и данных.
7. Установите коэффициент усиления усилителя 10. Следует отметить, что значение коэффициента усиления может быть изменен от случая к случаю.

3. Калибровка

1. Выберите эталонный микрофон, который является высокое качество и имеет частотно-независимой чувствительности.
2. Подключите опорный микротелефон к входу усилителя и подключить выход усилителя к системе сбора данных.
3. Установить как усиление входного и выходного усиления усилителя на 10 дБ. Следует отметить, что коэффициент усиления может изменяться при различных условиях измерения.
4. Вставьте измерительный микрофон в пистонфона, как показано на дополнительном рисунке.
5. Включите пистонфона.
6. Установите частоту сбора до 4000 Гц.
7. Установите количество образцов 240,000.
8. Приобретать и сохранить выходное напряжение опорного микрофона.
9. Вычисляют калибровочная константа опорного микрофона. Константа калибровки, С _исх, это отношение стандартного отклонения пистонфона производства звукового давления стандартного отклонения выходного напряжения опорного микрофона.
10. Повторите процесс калибровки (шаги 3.8 и 3.9) в несколько раз. Используйте среднее значение, C _реф, как константа калибровки.
11. Поместите опорный микрофон перпендикулярно к твердой поверхности , по которой измеряется колебания давления, как показано на рисунке 1.
12. Совместите центр опорного микрофона с RMP крана. С помощью расстояния между опорным микрофоном и ПРХ отводом 1 мм.
13. Поместите громкоговоритель в непосредственной близости от тестовой модели. Используйте расстояние между громкоговорителем и микрофоном 2,5 м для этих измерений.
14. Подключите громкоговоритель к функции генератора и включите функции генератора.
15. Используйте опцию "белого шума" функционального генератора , чтобы обеспечить желаемый звуковой сигнал и установить среднеквадратичное напряжение, _СКЗ, до 0,4 В.
16. Регулировка громкости громкоговорителя к минимуму.
17. Включите громкоговоритель.
18. Регулировка громкости громкоговорителя усилителя, как можно выше, не повредив динамик. Обратите внимание, что большинство ораторов имеют световой индикатор, чтобы предупредить тысе пользователем, если амплитуда выходного сигнала выше диапазона громкоговорителя.
19. Приобретать и сохранять данные временных рядов с выходов напряжения как опорного микрофона и RMP с использованием частоты развертки 40000 Гц в течение 60 сек.
20. Вычисление значения временных рядов от колебаний звукового давления, который генерируется генератором акустических систем и функции и измеряется эталонным микрофоном. Это просто произведение выходного напряжения временных рядов от опорного микрофона, И постоянная его калибровка, ; , Обратите внимание, что звуковое давление временных рядов, , Также колебание давления в отводе РМП.
21. Подсчитать колебания звукового давления временных рядов, измеренной микрофоном в RMP а S продукт выходного напряжения временных рядов от РМП, И чувствительность микрофона, ; , Следует отметить, что чувствительность микрофона, , Должны быть предоставлены изготовителем.
22. Подсчитать авто-спектральная плотность, , из , Подсчитать авто-спектральная плотность, , из , Рассчитайте плотность поперечных спектральную, между.jpg "/> и , В авто-спектральная плотность и плотность поперечных спектральное определяются Bendat и Пирсол ^19.
23. Вычислить передаточную функцию как ,
24. Вычислить функцию когерентности как , Где звездочка обозначает комплексное сопряжение.
25. Снимите опорный микрофон.
26. Выключите генератор акустических систем и функции.
27. Удалить громкоговоритель.

4. Сбор данных

1. Включите аэродинамической трубе.
2. Запись выходного напряжения временных рядов, , Из РМП с системой сбора данных. Используйте частоту развертки 40000 Гц. Используйте длительность приобретения 64 сек.
3. Выключите аэродинамическую трубу.

1. Подсчитать колебания звукового давления, , Измеренная с помощью микрофона в RMP как ,
2. Подсчитать авто-спектральная плотность, , Флуктуации поверхностного давления, как , где является автоматическая спектральная плотность колебаний звукового давления измеряется с помощью микрофона в RMP ,

Результаты

Результаты калибровки из двух типичных конструкций RMP приведены в данном разделе. Первый из них использовали 5,35 см первичной трубки, а второй использовали 10,4 см первичной трубки. Диссипативные окончаний являются 4,75 м для обоих ПРХ.

Когерентности между флуктуациями давления , измеренных с помощью микрофона в RMP и Справочной микрофона показан на рисунке 3. Данные показывают значение когерентности близкой...

Обсуждение

Измерение USP в экспериментах в аэродинамической трубе необходимо для многих приложений, связанных с аэроакустикой и вибрациями, вызванными потоком. По сравнению с существующими методами, такими как встраиваемые датчики скрытого монтажа, PSP или вибрационные мембраны, описанный здесь метод позволяет проводить точные измерения с высокой чувствительностью к большим колебаниям величины в широком диапазоне частот. Что еще более важно, он также предоставляет метод измерения USP с использованием небольшой области восприятия, ч...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Микрофон	ACO Pacific (http://www.acopacific.com/)	7016	Используется для измерения звукового давления и калибровки RMP в качестве эталона.
Микрофон	Knowles (http://www.knowles.com/eng)	FG-23629-C36	Используется для измерения колебаний давления в рамках RMP.
Трубка с микроотверстием	Saint-gobain (http://www.biopharm.saint-gobain.com/en/index.asp)	Tygon ND 100-80	Используется для рассеивания звуковых волн в качестве заделки диссипации.
Трубка для подкожных инъекций	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H21RW	Используется для подключения поверхностного крана и позволяет колебаниям поверхностного давления конвектироваться к микрофону в RMP в виде звука.
Трубка для подкожных инъекций	MicroGroup (http://www.microgroup.com/)	304H14H	Используется для уменьшения диссипативного эффекта и позволяет колебаниям поверхностного давления конвектироваться к микрофону в RMP в виде звука.
Плексиглас	Пласколит (http://www.plaskolite.com/)	1X76204A	Используется для изготовления подставок, которые могут соединять трубку и микрофон для RMP.
Шасси сбора данных	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-1006	Для сбора данных.
Канал сбора данных	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-4472	Для сбора данных.
Генератор функций	thinkSRS (http://www.thinksrs.com/)	DS360	Для генерации сигнала белого шума.
Поршневой фон	B& K (http://www.bksv.com/)	4228	Для генерации синусоидальных волн с постоянной частотой, которые будут использоваться для калибровки опорного микрофона.
Громкоговоритель	Mackie (http://www.mackie.com/index.html)	HD1531	Используется для преобразования электрического сигнала белого шума в звук. Это источник звука для калибровки RMP.
MatLab	Mathworks (http://www.mathworks.com/)		Используется для обработки экспериментальных данных.
LabVIEW	National Instruments (http://www.ni.com/)		Используется для управления оборудованием для сбора данных и записи данных.