Измерение неустойчивую поверхность давления с помощью выносного микрофона Probe
3 декабря 2016 г.
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.
Общая цель данного экспериментального метода заключается в измерении с высоким пространственным разрешением индуцированных турбулентностью колебаний давления на поверхностях тел, погруженных в потоки жидкости. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области гидродинамики, аэроакустики и вибрации конструкций, вызванных потоком, такие как пространственные и временные характеристики нестационарного поверхностного давления, вызванного турбулентными движениями с малыми масштабами. Выносной микрофонный щуп может предоставить подробную информацию о характеристиках нестационарных полей поверхностного давления с относительно высоким пространственным разрешением в широком диапазоне частот.
Подготовьтесь к экспериментам, сконструировав зонд дистанционного микрофона. Для этого необходимо несколько компонентов. Главным среди них является небольшой микрофон, который чувствителен к интересующим частотам.
Размер остальных компонентов зависит от желаемой чувствительности и частотной характеристики пробника. В этом зонде используется отрезок трубки из нержавеющей стали с внутренним диаметром в полмиллиметра. Для этого также требуется длинный кусок мягкой трубки с внутренним диаметром 1,25 миллиметра.
Специально вырезанный и просверленный кусок плексигласа будет служить подставкой для микрофона. С одной стороны люльки находится отверстие для размещения трубки из нержавеющей стали. На противоположном конце люльки находится еще одно отверстие.
Он находится вдоль одной оси и вмещает мягкую трубку. Эти два отверстия соединяются через оргстекло. Сверху есть два концентрических отверстия.
Большее внешнее отверстие будет удерживать микрофон. Меньшее внутреннее отверстие обеспечивает доступ к полости. Этот поперечный разрез служит руководством по конструкции люльки.
Обратите внимание, что конус, необходимый для соответствия диаметрам боковых отверстий, находится рядом с входом для трубки из нержавеющей стали. Подготовьте эпоксидную смолу для крепления компонентов к люльке. Возьмите микрофон и расположите его так, чтобы диафрагма была направлена к подставке, и установите его на место.
Когда он будет на месте, нанесите эпоксидную смолу, чтобы зафиксировать его на месте. Далее вставьте трубку из нержавеющей стали в сделанное для нее отверстие перед фиксацией эпоксидной смолой. Прикрепите мягкую трубку на свое место таким же образом.
На другом конце мягкой трубки используйте заглушку, чтобы герметизировать трубку. Со всеми элементами, прикрепленными к люльке, этот зонд готов к использованию в эксперименте. Далее обратите внимание на поверхность модели для проведения эксперимента.
В этой демонстрации используется плоская пластина с подготовленными точками измерения. В точке измерения должно быть сквозное отверстие, перпендикулярное поверхности. Отверстие должно иметь наружный диаметр трубки из нержавеющей стали в щупе.
Для эксперимента смонтируйте поверхность модели в аэродинамической трубе. Затем возьмите щуп микрофона, чтобы прикрепить его к поверхности модели в измерительном отверстии. С тыльной стороны поверхности проденьте трубку из нержавеющей стали щупа микрофона в отверстие
.Отверстие трубки должно быть заподлицо с измеряемой поверхностью. Нанесите эпоксидную смолу на сторону, противоположную месту измерения, чтобы зафиксировать трубку на месте. Когда щуп микрофона находится на месте, окружите его акустической пеной, чтобы предотвратить загрязнение системы паразитным шумом.
Далее поработайте с мягкой безэховой трубкой от зонда. Переместите закрытый конец за пределы испытательного участка аэродинамической трубы. Окружите его акустическими панелями, чтобы изолировать его от окружающей среды.
Вернувшись к щупу, подключите микрофон к входам малошумящего усилителя, который находится за пределами технической части аэродинамической трубы. Далее перейдите к электронике за пределами туннеля. Малошумящий усилитель подключается к системе сбора данных.
Установите коэффициент усиления усилителя на десять. Для калибровки датчика дистанционного микрофона требуется несколько единиц оборудования. На первом этапе используйте высококачественный референсный микрофон с частотно-независимой характеристикой, а также поршневой телефон.
Кроме того, должен быть усилитель со своим выходом, подключенным к системе сбора данных. Подключите микрофон ко входу усилителя, и установите входное и выходное усиление на десять децибел. Далее достаньте поршневой телефон.
Вставьте микрофон в поршневую трубу для измерения. Когда все будет готово, включите поршеневой телефон. Обратитесь к системе сбора данных, чтобы задать частоту сбора данных и количество выборок.
Начните сбор и сохранение напряжения от опорного микрофона, чтобы рассчитать калибровочную константу. После определения калибровочной константы снимите микрофон с поршневого телефона. Теперь переместите микрофон на поверхность модели, с помощью держателя расположите микрофон перпендикулярно поверхности над трубкой зонда, где будут измеряться колебания давления.
Выровняйте микрофон по центру щупа и на один миллиметр выше него. Для следующих шагов требуется громкоговоритель с внутренним усилителем, подключенным к функциональному генератору. Установите громкоговоритель рядом с поверхностью модели и в 2,5 метрах от микрофона.
Динамик должен быть выключен, а диффузор должен быть направлен к поверхности модели. За пределами аэродинамической трубы работайте с генератором функций. Включите его и используйте опцию белого шума для подачи акустического сигнала.
Вернитесь к громкоговорителю и убедитесь, что усиление минимально. Затем включите громкоговоритель и отрегулируйте его громкость как можно выше, не причинив повреждений. Вернитесь к системе сбора данных.
Сбор и сохранение данных временных рядов с выходов напряжения пробника и опорного микрофона. Калибровка является наиболее важным этапом этой процедуры. Чтобы обеспечить успех, используйте модель для прогнозирования передаточной функции и сравнения ее с экспериментальными результатами.
Кроме того, используйте высококачественные устройства, в том числе эталонный микрофон и громкоговоритель. Это графики когерентности между колебаниями давления, измеренными в датчике дистанционного микрофона и опорном микрофоне в зависимости от частоты. Эта система зондов имеет первичную трубку длиной 5,35 сантиметра.
Для сравнения, этот зонд имеет первичную трубку длиной 10,4 сантиметра. Когерентность выше 0,97 в интересующем частотном диапазоне. Эти графики имеют величину передаточных функций от тех же двух зондов.
Синие кривые — это результаты эксперимента. Зеленые кривые являются теоретическими прогнозами. Прогнозы динамической реакции точны на большей части частотного диапазона.
Небольшие аберрации в зонде могут объяснить разногласия на средних и высоких частотах. Сравнение данных и прогнозов для наклона смещения лица показывает, что прогнозы немного завышены. Это может быть связано с небольшими погрешностями при измерении длины труб или с колебаниями температуры.
На этом графике светло-серая полоса представляет диапазон предыдущих данных спектров поверхностного давления при различных числах Рейнольдса. Точки данных представляют собой измерения с помощью дистанционных датчиков микрофона. Измерения находятся в пределах диапазона измерений, наблюдаемых в опубликованной литературе.
После освоения калибровка одного датчика удаленного микрофона может быть выполнена за пять минут, если она выполнена правильно. При выполнении этой процедуры важно повторить калибровку с различной громкостью громкоговорителей, чтобы получить максимальную когерентность для датчика удаленного микрофона. После этой разработки этот метод проложил путь исследователям к изучению характеристик колебаний давления на поверхностях с большой кривизной и ограниченным расстоянием между поверхностями в сложных условиях потока.
Работа с громкоговорителями, генерирующими белый шум высокой громкости, может быть чрезвычайно опасной. Не забывайте о мерах предосторожности, таких как использование наушников с шумоподавлением во время выполнения этой процедуры. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как собрать, настроить и откалибровать датчик удаленного микрофона.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен протокол измерения нестационарного поверхностного давления в турбулентных потоках с высоким пространственным разрешением. Метод включает в себя создание дистанционного микрофонного зонда (RMP) и определение его частотно-зависимой передаточной функции.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Гидрогазодинамика
- Аэроакустика
- Вибрации конструкций, вызванные потоком
Теоретическая часть
- Понимание вызванных турбулентностью колебаний давления имеет решающее значение в различных областях применения.
- Измерения с высоким пространственным разрешением позволяют получить представление о поведении жидкости.
- Дистанционный микрофонный зонд является ключевым инструментом для регистрации детальных характеристик поля давления.
- Данный метод позволяет решить проблемы, связанные с измерением турбулентных движений на малых пространственных масштабах.
Цель исследования
- Для измерения колебаний давления, вызванных турбулентностью, на поверхностях в потоках жидкости.
- Для анализа пространственных и временных характеристик нестационарного давления на поверхности.
- Для проверки динамического отклика дистанционного микрофонного зонда.
Используемые методы
- Изготовление дистанционного микрофонного зонда с использованием чувствительных микрофонов.
- Измерение флуктуаций давления в турбулентных потоках.
- Определение частотно-зависимой передаточной функции зонда.
- Аналитическая проверка динамического отклика зонда.
Основные результаты
- Дистанционный микрофонный датчик обеспечивает измерения с высоким пространственным разрешением.
- Были успешно зафиксированы частотно-зависимые характеристики нестационарного давления на поверхности.
- Метод демонстрирует эффективность измерения колебаний давления, вызванных турбулентностью.
- Валидация динамического отклика датчика была осуществлена с помощью аналитических методов.
Выводы
- Данный протокол позволяет углубить понимание турбулентных потоков и их воздействия на поверхности.
- Дистанционный микрофонный зонд является ценным инструментом для исследователей в области гидрогазодинамики.
- В будущем область применения может быть расширена на различные сферы, требующие детальных измерений давления.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Данный метод позволяет проводить измерения нестационарного поверхностного давления в турбулентных потоках с высоким разрешением, что способствует механистическому снижению рисков при изучении взаимодействия жидкости и конструкций. Он обеспечивает прогностическую достоверность при оценке аэродинамических нагрузок и анализе вибраций в доклинических модельных системах. Эта методика улучшает трансляционную преемственность, связывая лабораторную гидродинамику с физиологическими условиями потока.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: Позволяет исследовать паттерны гемодинамического напряжения сдвига, имеющие значение для валидации сосудистых мишеней.
- Практическая ценность: Обеспечивает функциональную оценку эндотелиального ответа в физиологически релевантных условиях потока.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: облегчает подготовку валидированных систем с потоком над поверхностью для скрининга соединений в сосудистых моделях.
- Практическая ценность: обеспечивает стандартизацию анализа за счет количественной оценки колебаний давления на различных частотах.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Соответствует системам, релевантным для заболеваний, за счет фиксации динамики давления в геометриях со стенозом или аневризмой.
- Практическая ценность: Позволяет принимать обоснованные с учетом рисков решения о дальнейшем продвижении благодаря воспроизводимому картированию давления в доклинических моделях потока.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в фундаментальную биологию посредством проверки гемодинамических гипотез, а в скрининговые исследования — через стандартизированные показатели колебаний давления.
- Открывающая биология: способствует уточнению путей передачи сигнала, связывая колебания давления с механотрансдукционным сигналингом в сосудистых мишенях.
- Скрининг: обеспечивает количественные данные с разным частотным разрешением, что позволяет сравнивать воздействие соединений на жесткость или податливость сосудов.
- Аналитика: предоставляет передаточные функции и показатели когерентности, которые помогают исследовательским группам сравнивать характеристики передачи давления при различных модельных условиях.
- Трансляционные исследования: обеспечивает преемственность с доклиническими исследованиями за счет имитации кривых давления, наблюдаемых в условиях артериального или венозного кровотока.
- Корпоративное повторное использование: представляет собой воспроизводимую методику для итерационных циклов «проектирование-тестирование» при оценке сосудистых устройств или биоматериалов.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышение прогностической достоверности моделей взаимодействия жидкости и конструкции, устранение механистической неопределенности в исследованиях гемодинамического стресса.
- Практическая ценность: Стандартизация, воспроизводимость и масштабируемость измерений колебаний давления в различных лабораториях.
- Стратегическая ценность: Оптимизация принятия решений о целесообразности разработки при приоритизации сосудистых мишеней, эффективность использования капитала при доклинических испытаниях, снижение биологических рисков на поздних стадиях разработки устройств.
- Влияние на портфель проектов: Приоритизация перспективных разработок с учетом рисков на основе показателей гемодинамической совместимости и профилей эндотелиальной безопасности.
Особенности реализации
- Требуются экспертные знания в области гидродинамики, калибровки датчиков давления и обработки акустических сигналов.
- Необходимы малошумящий усилитель, система сбора данных, генератор сигналов, громкоговоритель и контрольный микрофон для валидации.
- Требуется межкомандная стандартизация геометрии зондов, материалов трубок и методов герметизации для обеспечения согласованности результатов между разными лабораториями.
- Необходимо учитывать особенности адаптации для изогнутых, податливых или многослойных поверхностей, имитирующих свойства сосудистых тканей.
- Ограничения связаны с размером зонда при доступе к узким просветам, а также возможными изменениями частотной характеристики из-за температуры или деформации трубок.
