Uzak Mikrofon Probe kullanarak Kararsız Yüzey Basınç Ölçümü

Özet

Burada, türbülanslı akışlarda kararsız yüzey basıncını yüksek uzamsal çözünürlükle ölçmek için bir protokol sunuyoruz. Bu yöntem, bir uzak mikrofon probunun (RMP) yapısını ve frekansa bağlı, karmaşık aktarım fonksiyonunun belirlenmesini gösterir. Dinamik yanıtın analitik bir belirlemesi sunulur ve doğrulanır.

Özet

Mikrofonlar, türbülanslı akışlara daldırılmış katı cisimlerin duvarlarındaki basınç dalgalanmalarını ölçmek için yaygın olarak uygulanır. Çeşitli karakteristik uzunluk ölçeklerine sahip türbülanslı hareketler, geniş bir frekans aralığında basınç dalgalanmalarına neden olabilir. Türbülansın bu özelliği, algılama cihazlarının geniş bir frekans aralığında yeterli hassasiyete sahip olmasını gerektirir. Ayrıca, türbülanslı yapıların küçük karakteristik uzunluk ölçekleri, küçük algılama alanları ve sensörleri birbirine çok yakın yerleştirme yeteneği gerektirir. Katı cisimlerin karmaşık geometrileri, genellikle büyük yüzey eğrilikleri veya süreksizlikleri içeren, probun çok sınırlı alanlarda kurulabilme yeteneğine sahip olmasını gerektirir. Ucuz, tutarlı ve tekrarlanabilir bir uzak mikrofon probunun geliştirilmesi mevcut iletişimde açıklanmaktadır. Geniş bir frekans aralığında yüksek uzamsal çözünürlük ve dinamik tepki ile basınç dalgalanmalarının ölçülmesine izin verir. Prob, tipik rüzgar tüneli modellerinin iç kısmına yerleştirilebilecek kadar küçüktür. Uzak mikrofon probu, algılama alanını oluşturmak için model yüzeyine nüfuz eden küçük, sert ve içi boş bir tüp içerir. Bu tüp, bir "T" bağlantısı kullanılarak yüzeyden belirli bir mesafede standart bir mikrofona bağlanır. Uzak mikrofon probunun dinamik tepkisini belirlemek için deneysel bir yöntem tanıtıldı. Ek olarak, dinamik yanıtı belirlemek için analitik bir yöntem açıklanmaktadır. Analitik yöntem, RMP bileşenlerinin boyutlarını ve özelliklerini belirlemek için tasarım aşamasında uygulanabilir.

Giriş

yüzeylerde akışkan akışı genellikle kararsız yüzey basıncı (USP) neden dengesizlik ve türbülansa yol açar. Akış kaynaklı ses ve titreşim sık sık bu dengesizlik doğrudan bir sonucudur. Soğutma fanları, pervaneler, ve rüzgar türbinleri tarafından üretilen yayılan ses USP ¹ ile ilgili kaynaklar tarafından hakimdir. türbülanslı akışlarda USP mekansal ve zamansal özellikleri Ölçümler genellikle yayılan ses tahmin etmek için gereklidir.

USP istatistiksel karakterizasyonu, genellikle otomatik spektral yoğunluk şeklinde verilir, iki noktalı çapraz-spektral yoğunluklar ve mekansal ilişki işlevleri ^{2, 3.,} Uygulamaya bağlı olarak değişebilir gerekli frekans yanıtı. çok sayıda rüzgâr tüneli uygulamalarda, 10 kHz ile 20 kHz arasında bir cevap yeterlidir. türbülans hareketi küçük ölçekler genellikle algılama alanları ve sensör en az 1 mm olacak şekilde bir mesafeye gerek duyulabilir.

Extensive deneysel çalışmalar türbülans kaynaklı basınç dalgalanmalarını elde etmek amacıyla yapılmıştır. Doğrudan bir yöntem gömme montajlı gömülü sensörler kullanır. her bir sensör tek ayrık noktada basınç dalgalanmasını ölçebilirsiniz, çünkü bu yöntem genellikle, mikrofonların büyük diziler kullanır. Bu yöntemde kullanılan tipik sensörler Gautschi ⁴ önerdiği piezoelektrik transdüserler vardır. piezoelektrik sensörleri diziler pahalı olabilir, ve ölçüm frekans aralığı genellikle en az 10 kHz'dir.

Doğrudan yüzeye monte mikrofonlar genellikle ucuz USP sensörleri ⁵ olarak kullanılır. Mikrofonlar düşük hızlı akışlar için önemli bir avantajdır yüksek duyarlılık var. basınç büyük genlikli dalgalanmalar mevcut, ancak bu aynı zamanda, sensor doygunluk riskini de beraberinde getirir. Bu yöntem tüm sensörü içeren çok ince büyük eğrilikler, süreksizliklerin veya geometriye sahip yüzeyler için uygun değildir.

hem spektral ve mekansal bilgi elde etmek için dolaylı bir yöntem yüzeye ⁶ ince zarları gömme montajlı kullanmaktır. zaman ve mekan bağımlı titreşim hareketleri ölçülmektedir ve zarın bilinen mekanik özelliklerini kullanarak basıncı istatistikleri yüzey dönüştürülür. Bu yöntem dikkatli bir tasarım, uygulama ve zarının dinamik tepki doğru kalibrasyon gerektirir. Ayrıca, bu tür lazer Doppler vibrometreler olarak titreşim ölçüm cihazları, pahalıdır. Son olarak, bu yöntem, sadece düz yüzeylere uygulanabilir.

Basınca duyarlı boya (PSP) kararsız bir yüzey basıncı ölçmek için kullanılabilecek başka bir tekniktir. Bu teknik, belli bir dalga boyundaki ışık ile aydınlatılan gibi daha yüksek bir enerji durumuna heyecan olması olan moleküllerin neden olan bir şeffaf polimer bağlayıcı, kaplanacak olan yüzeyler gerektirir. moleküller oksijen su verme tabi olarak, enerji yeniden olduğunuYüzey basıncı ⁷ ile ters orantılıdır lüminesans sonuçlanan oksijen kısmi basıncı ile orantılı bir hızda, önceki ışık kiralanan. mikrofonlar ile karşılaştırıldığında PSP yöntemlerine büyük dezavantajı ölçüm nispeten düşük hassasiyettir. Bu PSP nispeten yüksek hızlı akışlar uygulanmasını sınırlandırır.

Bu iletişim, mikrofon ve sonda (RMP) kullanan USP için bir yöntem tarif eder. Bu yöntem, ilk Englund ve Richards ⁸ tarafından tarif edilmiştir. kavram içi boş bir tüp ile yüzey basıncı musluğa bağlı bir standart minyatür mikrofon kullanır. Model yüzeyinde kararsız basınç ses dalgaları şeklinde tüp içine gidecek. Bir "dalga kılavuzu" olarak boru donanımı davranır ses dalgaları ölçmek için, boru dik olarak monte edilen bir mikrofon, izin vermek. dalgalar daha sonra büyük amplitüdlü akustik r ortadan kaldırmak için yeterince uzun bir tüp içine devameflections.

Englund ve Richards RMP dinamik tepkisini belirlemek için Bergh ve Tijdeman ⁹ tarafından açıklanan analitik bir yaklaşım uygulandı. Perrenes ve Roger ¹⁰ yüksek kaldırma cihazları ile iki boyutlu bir kanat profili üzerinde yüzey basıncını ölçmek için bir RMP kullanılmıştır. Bu iki ayrı adım değişiklikler ile 2,5 mm 0,7 mm arasında yayılan bir 27 cm uzunluğundaki katı tüpe bağlanmış olan yüzeyinde bir 0.5 mm çaplı bir kılcal boru içeren bir prob geliştirdi. Her adım değişikliği borunun akustik empedans nispeten büyük bir değişikliğe neden. Leclercq ve Bohineust ¹¹ türbülanslı sınır tabakası altında duvar basınç alanını inceledi. Franzoni ve Elliott ¹² tarafından önerildiği gibi Onlar, sabit çaplı RMP kullanılır. Ancak, dinamik tepki sadece sınırlı bir frekans aralığında kadar yüksek olmuştur. Arguillat ve ark., ^13, taşıt bölmesi içine iletilen gürültü incelemek için bir RMP tasarlanmıştır. onlar testçeşitli tüpler mikrofonlar basınç dalgalanmasını yapmak. Yang ve ark. ¹⁴ Bu raporda sunulan yönteme benzer bir boru transfer fonksiyonu yaklaşımı kullanılarak boru bozulma için düzeltildi. Hoarau ve ark., ¹⁵ ayrı bir bölgenin alt duvar basıncı izleme incelenmiştir. onlar tasarlanmış RMP sürekli iç çapları vardı ve tüp tamamen rijit olmayan oldu.

önceki çalışmalara göre, RMPS kullanılarak elde edilen yüzey basıncı ölçümlerinin doğruluğu mikrofon basıncına yüzey basıncını ilgilidir prob frekans bağımlı transfer fonksiyonunun belirlenmesi üzerine ağırlıklı olarak bağımlıdır. Aşağıdaki bölümlerde hem basit ve etkili bir RMP geometri anlatacağız. Deneysel ve analitik yöntemler tanıtıldı ve doğru RMP dinamik tepkisini belirlemek amacıyla tasdik edilecektir. Bir RMP olabilmesi için analitik model o veriyorbir uygulama potansiyel olarak geniş bir aralığı için tasarım aşamasında ptimized.

RMP, geniş bir frekans aralığı üzerinde basınç dalgalanmalarını ölçmek için kullanılabilir. Nispeten yüksek uzaysal çözünürlüğü mekansal dağıtılmış kararsız basınç alanının ¹⁶ özelliklerine ilişkin ayrıntılı bilgiler sunabilir. Prob küçük olduğu için, RMP, bu tür büyük eğrilik ya da sınırlı aralığı ¹⁷ gibi karmaşık geometriler üzerinde basınç dalgalanmalarını ölçmek için kullanılabilir. Buna ek olarak, yüzey musluğunu ve mikrofon sensörü bağlayan tüp mikrofon indüklenen basınç dalgalanma büyüklüğünü azaltabilir. Böylece, RMP sensör geometrisi ve parametrelerin uygun tasarım gömme montaj model yüzeyine doğrudan mikrofon karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha az kısıtlayıcı USP özelliklerini elde etmek için bir yöntem verir.

RMP bölgesinin RMPThe genel yapısının yapısı, Şekil 1 'de gösterilmiştir . RMP bir genişleme bölümü ve bir genişleme bölümü arasında uzanan bir ikinci tüp model yüzeyden gelen bir tüp oluşur "beşik." Bir üçüncü tüp daha sonra bir anekoik sonlandırma olarak hareket bağlanır. beşik mikrofon ve tüp bağlantılarını konut için kullanılan işlenmiş plastik bileşenidir. RMP yapısının detayları çeşitli deneysel koşullar için ayarlanabilir. İkinci olarak, daha büyük çaplı bir tüp amacı, nispeten büyük bir mikrofon ve beşik önemli oranda ölçüm hassasiyeti azaltmadan USP ölçüm noktasından daha yerleştirilmesini sağlamaktır. Bu ikinci tüp gerekli değilse elimine edilebilir, ve genişleme bölümü beşiği inşa edilebilir. anekoik sonlandırma uzunluğu yaklaşık 2 m3 idi yumuşak plastikten yapılmıştır.

Bu gösteri için, RMP tasarımı TUR-M altında yüzey basınç dalgalanmaları ölçümü için optimize edildiulent Şekil 2'de gösterildiği gibi, bir akım içerisinde basınç gradyanı olmayan sınır tabakası. ikinci tüp ortadan kaldırılmıştır. ilk tübün iki farklı uzunlukta etkileri gözlenmiştir. birinci tüp, 0.5 mm'lik bir iç çap ve 0.81 mm'lik bir dış çapa sahip, paslanmaz çelikten imal edilmiştir. İlk tüp uzunlukları sırasıyla 5.35 ve 10.40 cm idi. yuvasının içine dahil edilmiştir genişletme bölümünde girişinin iç çapı, 0.5 mm idi ve çıkış iç çapı dağılımı sonlandırma iç çapı ile aynı olan 1.25 mm idi. Genişleme bölümünün açısı 7 ° idi. sorunsuz yankısız sona ermesi ile genişleme bölümü bağlamak için bir 1.25 mm çaplı beşikteki bir delik oluştu. algılama alanı bir dik 0.75 mm deliğinden 1.25 mm delik bağlandı.

Protokol

Deney 1. Hazırlık

1. RMP oluşturmak için uygun bir mikrofon seçin. ilgili frekans aralığında mikrofon frekans aralığı kullanın.
   NOT: Bu deneyde, 100 ve 10.000 Hz arasındaki basınç dalgalanmaları ilgi çekicidir. Seçilen mikrofonun ölçüm frekans aralığı 100 ila 10.000 Hz etmektir. boyutu için belirli bir kriter olsa mikrofon boyutu, mümkün olduğunca küçük olması gerekir.
2. ekte açıklanan analitik yöntem kullanılarak RMP sisteminin duyarlılık ve frekans cevabı tahmin edin. tüpler ve yapıların boyutlarını değiştirerek RMP duyarlılığı ve frekans cevabı ayarlayın.
3. 5.25 cm uzunluğunda parça halinde 0,5 mm iç çaplı paslanmaz çelik boru kesmek için Dremel kullanın.
4. makasla, bir 4.75 m uzunluğunda parça halinde 1.25 mm iç çaplı yumuşak tüp kesti.
5. Bir içine pleksiglas bir parça kesmek için bir freze makinesi kullanıncuboid. küboidin uzunluk, genişlik ve yükseklik, sırasıyla, 2.54 cm, 1.27 cm ve 1.27 cm olmalıdır.
6. Şekil 2'de görüldüğü gibi 0.81, 2, 2.56 ile delikler açın ve pleksiglas yuvaya 0.76 mm çap.
7. Şekil 2'de gösterildiği gibi, pleksiglas yatağı konik bölüm için iğne delme kullanın.
8. Üretici tarafından sağlanan kılavuzda mikrofon duyarlılığını Look up veya Wong ¹⁸ tarafından tanıtılan yöntem kullanılarak mikrofonu kalibre edin.
9. Şekil 2'de görüldüğü gibi, pleksiglas yuvaya mikrofonu koltuk ve epoksi kullanarak mikrofonu düzeltmek.
10. Pleksiglas beşiğe paslanmaz çelik boru ve yumuşak tüp bağlayın ve epoksi ile bunları düzeltmek.
11. ölçüm konumunda modeli yüzeyine dik bir 0.81 mm çapında bir delik delin.

2. Deney Kurulumu

1. Gömme birincil paslanmaz çelik borular monteModel yüzeyine RMP sensör ve Şekil 2'de gösterildiği gibi, ters model yüzeyine paslanmaz çelik borular düzeltmek için epoksi ekleyin.
2. karışmasını parazit gürültü önlemek için akustik köpük ile RMP Surround.
3. Rota tünelin test bölümünün bütün elektrik tesisatı.
4. Rota tünelin test bölümünün dışında yumuşak yankısız tüp.
5. kararsız basınç ile eş zamanlı olarak, ortalama statik basınç ölçümlerini elde etmek için bir basınç transdüktörüne yumuşak anekoik borunun ucunu.
6. düşük ses amplifikatör ve veri toplama sistemine RMP bağlayın.
7. kazanç faktörü değeri duruma göre değiştirilebilir 10. Not amplifikatör kazanç faktörünü ayarlayın.

3. Kalibrasyon

1. yüksek kaliteli ve bir frekans-bağımsız hassasiyete sahip bir referans mikrofonu seçin.
2. Referans mikro bağlayınbir amplifikatör girişine telefon ve veri toplama sistemine yükselticinin çıkışını bağlayın.
3. giriş kazancını ve 10 dB amplifikatör çıkış kazancını hem ayarlayın. kazanç faktörü, farklı ölçüm koşulları altında değiştirilebilir unutmayın.
4. Ek, şekilde gösterildiği gibi, bir pistonphone verilen referans mikrofon yerleştirin.
5. pistonphone açın.
6. 4.000 Hz edinme frekansı ayarlayın.
7. 240.000 örneklerin sayısını ayarlayın.
8. Edinme ve referans mikrofon gerilim çıkışını kaydedin.
9. Referans mikrofonun kalibrasyon sabiti hesaplayınız. Kalibrasyon sabiti, C _ref referans mikrofon gerilim çıkışının standart sapmasına pistonphone üretilen ses basıncı standart sapma oranıdır.
10. Kalibrasyon işlemi (3.8 ve 3.9 adımları) birkaç kez tekrarlayın. Kalibrasyon sabiti olarak, ortalama değeri, C _ref kullanın.
11. Şekil 1 'de gösterildiği gibi, basınç dalgalanması, ölçüldüğü fazla katı yüzeye dik bir referans mikrofon yerleştirin.
12. RMP musluklu referans mikrofon merkezini hizalayın. Referans mikrofon ve 1 mm RMP musluk arasında bir mesafe kullanın.
13. Test modeline yakın hoparlörü yerleştirin. hoparlör ve bu ölçümler için 2.5 m mikrofon arasında mesafe kullanın.
14. bir fonksiyon jeneratörü için hoparlörü bağlayın ve fonksiyon jeneratörü açın.
15. 0.4 V, istenen akustik sinyal sağlamak için fonksiyon jeneratörü "beyaz gürültü" seçeneğini kullanın ve karekök voltajı, V _rms ortalama set
16. minimuma hoparlörün ses seviyesini ayarlamak.
17. Hoparlörü açın.
18. hoparlör zarar vermeden mümkün olduğunca yüksek hoparlör amplifikatör seviyesini ayarlayın. En hoparlörler th uyarmak için bir gösterge ışığı olduğunu unutmayıne kullanıcı çıkış genlik hoparlör aralığının üstünde ise.
19. Edinme ve 60 saniye boyunca 40.000 Hz tarama frekansı kullanarak referans mikrofon ve RMP hem gerilim çıkışlarından zaman serisi verileri kaydetmek.
20. Hoparlör ve fonksiyon üreteci tarafından üretilen ve referans mikrofon ile ölçülür ses basıncı dalgalanması, zaman serisi değerlerini hesaplayın. Bu, sadece referans mikrofon zaman serileri gerilim çıkışı ürünüdür Ve kalibrasyon sabiti, ; . Zaman serisi ses basıncı unutmayın, Ayrıca RMP dokunuşuyla basınç dalgalanma olduğunu.
21. RMP a mikrofon ile ölçülen zaman serisi ses basıncı dalgalanma hesaplayın RMP gelen zaman serisi voltaj çıkışının ürünü s, Ve mikrofon hassasiyeti, ; . O mikrofon duyarlılığını unutmayın , Üretici tarafından sağlanmalıdır.
22. Otomatik spektral yoğunluğunu hesaplamak, , ve . Otomatik spektral yoğunluğunu hesaplamak, , ve . Çapraz spektral yoğunluğunu hesaplamak, , arasında.jpg "/> ve . Otomatik spektral yoğunluklar ve çapraz spektral yoğunluk Bendat ve Piersol ¹⁹ tarafından tanımlanır.
23. olarak transfer fonksiyonunu hesaplayınız .
24. olarak uygunluk fonksiyonunun hesaplayın , Yıldız kompleks eşleniğinin temsil eder.
25. Referans mikrofonu çıkartın.
26. Hoparlör ve fonksiyon jeneratörü kapatın.
27. Hoparlörü çıkarın.

4. Veri Toplama

1. Rüzgar tünelinde açın.
2. Zaman serisi voltaj çıkışı kaydedin , Veri toplama sistemi ile RPM arasında. 40.000 Hz tarama frekansı kullanın. 64 sn edinimi bir süreyi kullanın.
3. Rüzgar tüneli kapatın.

1. Ses basınç dalgalanmasını hesaplayın , RMP mikrofon olarak ölçülen .
2. Otomatik spektral yoğunluğunu hesaplamak, Yüzey basınç dalgalanması olarak bir , nerede Ses basınç dalgalanma otomatik spektral yoğunluk RMP mikrofon ile ölçülür .

Sonuçlar

İki temsilci RMP tasarımları Kalibrasyon sonuçları bu bölümde gösterilmiştir. İlki 5.35 cm'lik birincil tüp kullanılan, ikincisi ise 10,4 cm birincil tüp kullanılır. Enerji tüketen sonlandırmaları hem RMPS için 4,75 m uzunluğundadır.

RMP ve referans mikrofon tarafından mikrofon tarafından ölçülen basınç dalgalanmaları arasındaki tutarlılık, Şekil 3 'de gösterilmiştir. Veriler geniş frekans aralığı üzerinde yak...

Tartışma

Rüzgar tüneli deneylerinde USP'nin ölçümü, aeroakustik ve akış kaynaklı titreşimlerle ilgili birçok uygulama için gereklidir. Gömme montajlı gömülü sensörler, PSP veya titreşimli membranlar gibi mevcut yöntemlerle karşılaştırıldığında, burada açıklanan yöntem, geniş bir frekans aralığında büyük büyüklükteki dalgalanmalara karşı yüksek hassasiyetle doğru ölçümlere olanak tanır. Daha da önemlisi, Corcos²¹ tarafından açıklanan uzamsal ortalama etkilerini en aza indiren küçük bir algılama alanı kullanarak USP ölçü...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Mikrofon	ACO Pacific (http://www.acopacific.com/)	7016	Ses basıncını ölçmek ve RMP'yi referans olarak kalibre etmek için kullanılır.
Mikrofon	Knowles (http://www.knowles.com/eng)	FG-23629-C36	RMP'nin bir parçası olarak basınç dalgalanmasını ölçmek için kullanılır.
Mikro Delikli Boru	Saint-gobain (http://www.biopharm.saint-gobain.com/en/index.asp)	Tygon ND 100-80	Dağıtma sonlandırması olarak ses dalgalarını dağıtmak için kullanılır.
Hipodermik Boru Mikro	Grubu (http://www.microgroup.com/)	304H21RW	Yüzey musluğunu bağlamak ve yüzey basıncı dalgalanmasının RMP'deki mikrofona ses şeklinde konveksiyon yapmasına izin vermek için kullanılır.
Hipodermik Boru Mikro	Grubu (http://www.microgroup.com/)	304H14H	Dağıtıcı etkiyi azaltmak ve yüzey basıncı dalgalanmasının RMP'deki mikrofona ses şeklinde konveksiyonuna izin vermek için kullanılır.
pleksiglas	Plaskolit (http://www.plaskolite.com/)	1X76204A	RMP için boruyu ve mikrofonu bağlayabilen beşikler yapmak için kullanılır.
Veri toplama şasisi	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-1006	Veri toplama için.
Veri toplama kanalı	National Instruments (http://www.ni.com/)	PXI-4472	Veri alımı için.
Fonksiyon üreteci	thinkSRS (http://www.thinksrs.com/)	DS360	Beyaz gürültü sinyali oluşturmak için.
Pistonphone	B & K (http://www.bksv.com/)	4228	Referans mikrofonu kalibre etmek için kullanılacak sabit frekanslı sinüs dalgaları oluşturmak için.
Hoparlör	Mackie (http://www.mackie.com/index.html)	HD1531	Elektriksel beyaz gürültü sinyalini sese dönüştürmek için kullanılır. RMP'yi kalibre etmek için ses kaynağıdır.
MatLab	Mathworks (http://www.mathworks.com/)		Deneysel verileri işlemek için kullanılır.
LabVIEW	Ulusal Cihazlar (http://www.ni.com/)		Veri toplama için donanımı kontrol etmek ve verileri kaydetmek için kullanılır.