リモートマイクプローブを用いた非定常面圧の測定
Summary
Here, we present a protocol to measure, with high spatial resolution, the unsteady surface pressure in turbulent flows. This method demonstrates the construction of a remote microphone probe (RMP) and the determination of its frequency-dependent, complex transfer function. An analytical determination of the dynamic response is presented and validated.
Abstract
Microphones are widely applied to measure pressure fluctuations at the walls of solid bodies immersed in turbulent flows. Turbulent motions with various characteristic length scales can result in pressure fluctuations over a wide frequency range. This property of turbulence requires sensing devices to have sufficient sensitivity over a wide range of frequencies. Furthermore, the small characteristic length scales of turbulent structures require small sensing areas and the ability to place the sensors in very close proximity to each other. The complex geometries of the solid bodies, often including large surface curvatures or discontinuities, require the probe to have the ability to be set up in very limited spaces. The development of a remote microphone probe, which is inexpensive, consistent, and repeatable, is described in the present communication. It allows for the measurement of pressure fluctuations with high spatial resolution and dynamic response over a wide range of frequencies. The probe is small enough to be placed within the interior of typical wind tunnel models. The remote microphone probe includes a small, rigid, and hollow tube that penetrates the model surface to form the sensing area. This tube is connected to a standard microphone, at some distance away from the surface, using a “T” junction. An experimental method is introduced to determine the dynamic response of the remote microphone probe. In addition, an analytical method for determining the dynamic response is described. The analytical method can be applied in the design stage to determine the dimensions and properties of the RMP components.
Introduction
表面上の流体の流れは、一般的に不安定と不安定な面圧（USP）につながる乱れにつながります。流れに誘導される音と振動は、多くの場合、この不安定の直接の結果です。冷却ファン、プロペラ、および風力タービンによって生成された放射音は、USP 1に関連したソースによって支配されています。乱流におけるUSPの空間的および時間的特性の測定は、一般に、放射音を予測するために必要とされます。
USPの統計的特徴付けは、一般に、自動スペクトル密度の形で与えられ、二点のクロススペクトル密度、及び空間相関関数の2、3。用途に応じて変化することができ、必要な周波数応答。多くの風洞の用途では、10キロヘルツ〜20キロヘルツの応答が十分です。乱流運動の小さなスケールは、多くの場合、1mm未満であることを検知エリアとセンサーの間隔が必要です。
エクステnsive実験的研究は、乱流誘導性の圧力変動を得るために行われています。直接法は、フラッシュマウント型埋め込みセンサーを使用しています。各センサは、一つだけの離散点での圧力変動を測定することができるので、この方法は、多くの場合、マイクの大きな配列を採用しています。この方法で利用される典型的なセンサはGautschi 4によって示唆された圧電トランスデューサ、です。圧電センサのアレイは、高価になることができ、測定の周波数範囲は、しばしば、10kHz未満です。
直接表面実装マイクロフォンは、多くの場合、安価なUSPセンサ5として使用されます。マイクロホンは、低速の流れのために実質的な利点である高感度を有します。圧力の大きな振幅変動が存在する場合しかし、これは、センサの飽和のリスクをもたらします。この方法は、大きな曲率、不連続、またはセンサ全体を含めるにはあまりにも薄い形状を有する表面には適していません。
<p class= "jove_content">スペクトルおよび空間情報の両方を取得するための間接的な方法は、フラッシュ搭載面6に薄い膜を使用することです。時間と空間依存の振動運動を測定した後、膜の既知の機械的性質を用いて、圧力の統計を表面に変換されます。この方法は慎重に設計、実装、および膜の動的応答の正確なキャリブレーションが必要です。さらに、レーザードップラー振動計などの振動測定装置は、高価です。最後に、この方法は、平らな表面に適用することができます。感圧塗料（PSP）は、不安定な面圧を測定するために使用できる別の技術です。この技術は、それらが特定の波長の光が照射されるように内のより高いエネルギー状態に励起される分子を引き起こす透明ポリマーバインダーでコーティングされる表面を必要とします。分子酸素消光を起こすように、エネルギーが再あります面圧7に反比例すること発光を生じ、酸素分圧に比例した速度での光としてリース。マイクロホンと比較した場合、PSP方法の主な欠点は、測定の比較的低感度です。これは、比較的高速に流れるPSPの適用を制限します。
現在の通信は、リモートマイクプローブ（RMP）を使用するUSPする方法が記載されています。この方法は、最初Englundとリチャーズ8により説明しました。コンセプトは、中空管で表面の圧力タップに接続されている標準的な小型のマイクを使用しています。モデル表面における非定常圧力は、音波の形でチューブ内に移動します。音波を測定するために、チューブに垂直に取り付けられているマイクロホンを可能にするために「導波路」としてチューブ働きます。波は次いで大振幅の音響Rを除去するのに十分な長さである別のチューブに続行しますeflections。
Englundとリチャーズは、RMPの動的応答を決定するために、ベルグとTijdeman 9によって概説分析的アプローチを適用しました。 Perrenes及びロジャー10は、高揚力装置の2次元翼形上の面圧を測定するためにRMPを利用しました。彼らは、2つの別々のステップ変化を経て2.5ミリメートルに0.7ミリメートルから展開27-cmの長剛性管に接続された表面で直径0.5mmの毛細管を有するプローブを開発しました。各ステップ変化は、管の音響インピーダンスの比較的大きな変化をもたらしました。 LeclercqとBohineust 11は、乱流境界層の下壁の圧力場を検討しました。 Franzoniとエリオット12によって示唆されるように彼らは、一定の直径のRMPを使用しました。しかし、動的応答は、限られた周波数範囲で十分に高いです。 Arguillat ら 13車室内に送信ノイズを研究するRMPを設計しました。彼らは、試験しましたマイクロホンに圧力変動を実施するための様々なチューブ。 Yangら 14は、このレポートに導入方法と同様であるチューブ伝達関数法を用いてチューブの歪みを補正します。 Hoarau ら 15は、分離領域の下流壁圧力トレースを検討しました。彼らは設計RMPSは、一定の内径を有しており、チューブは完全に非剛性でした。
以前の研究によれば、RMPSを用いて得られた面圧測定の精度は、マイクロフォン、圧力に対する表面圧力に関するプローブの周波数に依存する伝達関数の決意時主として依存しています。次のセクションでは、シンプルかつ効果的であるRMPジオメトリを説明します。実験および分析方法は、正確にRMPの動的応答を決定するために導入され、検証されます。解析モデルは、OであるためにRMPを可能にしますアプリケーションの潜在的に広い範囲のために設計段階でptimized。
RMPSは、広範囲の周波数にわたって圧力変動を測定することができます。比較的高い空間分解能は、空間的に分布する非定常圧力場16の特性に関する詳細な情報を提供することができます。プローブが小さいように、RMPSは、大きな曲率または制限された間隔17のような複雑な幾何学的形状、上圧力変動を測定するために利用することができます。また、表面のタップとマイクロフォンセンサを接続するチューブは、マイクに誘起圧力変動の大きさを低減することができます。これにより、RMPセンサジオメトリおよびパラメータの適切な設計は、モデル表面に直接マイクを搭載フラッシュと比較して有意に少ない制限であるUSP特性を得るための方法を与えます。
RMPのRMPThe一般的な構造の構成は、図1に示されています</stronグラム>。 RMPは、伸張部とに伸張部から延びる第2のチューブにモデル表面から先頭の1のチューブで構成され、「クレードル」。第3チューブは、その後、無響終端として作用するように接続されています。クレードルは、マイクとチューブの接続を収容するために使用される機械加工されたプラスチック部品です。 RMP構造の詳細は、種々の実験条件のために調整することができます。第二の、より大きな直径の管の目的は、比較的かさばるマイクとクレードルが著しく測定感度を低下させることなく、USPの測定点から遠くに配置することができるようにすることです。それが必要でない場合には、この第二の管を排除することができ、拡張部がクレードルに構築することができます。無響終端は、長さが約2〜3メートルだった軟質プラスチックで作られました。
このデモでは、RMPの設計は、TURBの下表面圧力変動の測定に最適化しましたulent 図2に示すように、流れ方向の圧力勾配なしの境界層、第二のチューブを除去しました。第1のチューブの二つの異なる長さの効果が観察されました。第1のチューブは、0.5mmの内径0.81 mmで外径のステンレス鋼から構築しました。第1のチューブの長さは、それぞれ、5.35および10.40センチメートルました。クレードルに組み込まれた拡張部の注入口の内径は、0.5mmであり、出口の内径が散逸終端の内径と同一であった1.25 mmでした。拡大部の角度は7°でした。スムーズに無響終端で伸長部を接続するために1.25ミリメートル径のクレードルに穴がありました。検出領域は、垂直な0.75ミリメートルの穴を通って1.25ミリメートルの穴に接続されていました。
Protocol
Representative Results
Discussion
The measurement of USP in wind tunnel experiments is needed for many applications related to aeroacoustics and flow-induced vibrations. Compared to existing methods, such as flush-mounted imbedded sensors, PSP, or vibrated membranes, the method described here allows for accurate measurements with a high sensitivity to large-magnitude fluctuation over a wide range of frequencies. More importantly, it also provides a method for USP measurements using a small sensing area that minimizes the spatial averaging effects describ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究では、助成金番号N000141210337、デボラNalchajianとロナルド・ジョスリンの下で海軍研究の米国オフィスからの資金によって可能になりました。
Materials
| Microphone | ACO Pacific (http://www.acopacific.com/) | 7016 | Used to measure the sound pressure and calibrate the RMP as a reference. |
| Microphone | Knowles (http://www.knowles.com/eng) | FG-23629-C36 | Used to measure the pressure fluctuation as a part of the RMP. |
| Microbore Tubing | Saint-gobain (http://www.biopharm.saint-gobain.com/en/index.asp) | Tygon ND 100-80 | Used to dissipate the sound waves as a dissipation termination. |
| Hypodermic Tubing | MicroGroup (http://www.microgroup.com/) | 304H21RW | Used to connect the surface tap and allow the surface pressure fluctuation to convect to the microphone in the RMP in the form of sound. |
| Hypodermic Tubing | MicroGroup (http://www.microgroup.com/) | 304H14H | Used to reduce the dissipative effect and allow the surface pressure fluctuation to convect to the microphone in the RMP in the form of sound. |
| plexiglass | Plaskolite (http://www.plaskolite.com/) | 1X76204A | Used to make cradles which can connect the tubing and the microphone for the RMP. |
| Data acquisition chassis | National Instruments (http://www.ni.com/) | PXI-1006 | For data acquisition. |
| Data acquisition channel | National Instruments (http://www.ni.com/) | PXI-4472 | For data acquisiton. |
| Function generator | thinkSRS (http://www.thinksrs.com/) | DS360 | To generate white noise signal. |
| Pistonphone | B&K (http://www.bksv.com/) | 4228 | To generate sine waves with constant frequency which will be used to calibrate the reference microphone. |
| Loudspeaker | Mackie (http://www.mackie.com/index.html) | HD1531 | Used to convert the electrical white noise signal into sound. It is the sound source for calibrating the RMP. |
| MatLab | Mathworks (http://www.mathworks.com/) | Used to process experimental data. | |
| LabVIEW | National Instruments (http://www.ni.com/) | Used control the hardware for data acquisition and record the data. |
References
- Blake, W. K. Mechanics of Flow-induced sound and vibration. Academic Press, Orlando, FL (1986).
- Schloemer, H. Effects of pressure gradients on turbulent-boundary-layer wall-pressurefluctuations. J Acoust Soc Am., 42 (1), 93 – 113 (1967).
- Willmarth, W., Wooldridge, C. Measurements of fluctuating pressure at wall beneath a thick turbulent boundary layer, J Fluid Mech., 14 (2), 187-210 (1962).
- Gautschi, G. Piezoelectric Sensorics: Force, Strain, Pressure, Acceleration and Acoustic Emission Sensors, Materials and Amplifiers. Springer Berlin (2002).
- Blake, W. K. A statistical description of pressure and velocity fields at the trailing edges of a flat strut. David W. Taylor Naval Ship Research and Development Center – Report 4241. (1975).
- Huettenbrink, K. B. Lasers in Otorhinolaryngology. Thieme (2005).
- Bell, J. H., Schairer, E. T., Hand, L. A., Mehta, R. D. Surface Pressure Measurement using Luminescent Coatings. Annu Rev Fluid Mech., 33,155-205 (2001).
- Englund, D., Richards, W. The infinite line pressure probe. ISA Transactions., 24 (2), 11-19 (1985).
- Bergh, H.,Tijdeman, H. Theoretical and Experimental Results for the Dynamic Response of Pressure Measuring Systems. NRL Report TR F 238., National Aero-and Astronautical Research Inst., Amsterdam (1965).
- Perennes, S., Roger, M. Aerodynamic noise of a two-dimensional wing with high-lift devices. 4th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference., 98-2338, Toulouse (1998).
- Leclercq, D., Bohineust, X. Investigation and modeling of the wall pressure field beneath a turbulent boundary layer at low and medium frequencies. J Sound Vibrat., 257 (3), 477-501 (2002).
- Franzoni, L. P., Elliott, C. M. An innovative design of a probe-tube attachment for a half in. microphone. JASA . 104, 2903-2910 (1998).
- Arguillat, B., Ricot, D., Robert, G. and Bailly, C. Measurements of the wavenumber-frequency spectrum of wall pressure fluctuations under turbulent flows. In Collection of Technical Papers – 11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference., 1,722-739 (2005).
- Yang, H., Sims-Williams, D., He, L. Unsteady pressure measurement with correction on tubing distortion. Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics and Aeroelasticity of Turbomachines, 521-529. Springer Berlin (2006).
- Hoarau, C., Boree, J., Laumonier, J., Gervais, Y. Analysis of the wall pressure trace downstream of a separated region using extended proper orthogonal decomposition. Phys Fluids., 18 (5), 055107 (2006).
- Bilka, M. J., Paluta, M. R., Silver, J. C. Spatial correlation of measured unsteady surface pressure behind a backward-facing step. EXIF., 56 (2),doi:10.1007/s00348-015-1897-7 (2015).
- Probsting, S., Gupta, A., Scarano, F., Guan, Y., Morris, S. C. Tomographic PIV for Beveled Trailing Edge Aeroacoustics. 20'th' AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA Paper. 2014-3301, (2014).
- Wong, G. Microphones and Their Calibration. Springer Handbook of Acoustics (2007).
- Bendat, J. S., Piersol, A. G. Random data: analysis and measurement procedures. John Wiley & Sons, New York, NY, 2nd edition (1986).
- Goody, M. Empirical spectral model of surface pressure fluctuations. Am Instit Aero Astronaut., 42 (9), 1788-1794 (2004).
- Corcos, G. M. Resolution of pressure in turbulence. J Acoust Soc Am., 35 (2), 192-199 (1963).
- Tijdeman, H. On the propagation of sound waves in cylindrical tubes. J Sound Vibrat., 39 (1), 1-33 (1975).
- Iberall, A. S. Attenuation of oscillatory pressures in instrument lines. J Res Natl Bureau Stand ., 45 (1), 85-108 (1950).
- Zwikker, C. Kosten, C. Sound Absorbing Materials. Amsterdam: Elsevier (1949).
