A medição da pressão de superfície instável Usando um microfone sonda remota

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

O fluxo de fluido sobre as superfícies em geral conduz a instabilidade e turbulência que resultará em pressão superfície instável (USP). som induzida por fluxo e vibração são muitas vezes um resultado direto deste desequilíbrio. O som irradiado gerado por ventiladores, hélices e turbinas eólicas são dominados por fontes relacionadas com a USP ^1. As medições das características espaciais e temporais da USP em escoamentos turbulentos são geralmente necessários, a fim de prever o som irradiado.

A caracterização estatística da USP é administrado geralmente sob a forma de densidade auto-espectral, de dois pontos densidades multi-espectrais, e funções de correlação espacial ^{2, 3.} A frequência de resposta necessária pode variar dependendo da aplicação. Em muitas aplicações em túnel de vento, uma resposta de 10 kHz a 20 kHz é suficiente. As pequenas escalas de movimento turbulento muitas vezes exigem áreas de detecção e sensor de espaçamento deve ser inferior a 1 mm.

exteEstudos experimentais nsive foram realizados de forma a obter variações de pressão induzida pela turbulência. Um método direto usa sensores embutidos de embutir. Este método emprega frequentemente grandes conjuntos de microfones, porque cada sensor só pode medir a flutuação da pressão em um ponto discreto. Sensores típicos utilizados neste método são transdutores piezoeléctricos, sugeridos pela Gautschi ^4. Redes de sensores piezoelétricos podem ser caros, e da gama de medição de frequência é muitas vezes inferior a 10 kHz.

Microfones montadas à superfície diretos são frequentemente utilizados como sensores de baixo custo da USP ^5. Microfones têm alta sensibilidade, que é um benefício substancial para os fluxos de baixa velocidade. No entanto, isto também leva ao risco de saturação do sensor quando grandes flutuações de amplitude de pressão estão presentes. Este método não é adequado para superfícies com grandes curvaturas, descontinuidades ou geometrias que são muito finas para conter todo o sensor.

<p class= "jove_content"> Um método indirecto para a obtenção de informações tanto espectral e espacial é a utilização de membranas finas de embutir a uma superfície ^6. Os movimentos de vibração e tempo-dependente do espaço são medidos e em seguida convertido para a superfície, utilizando as propriedades estatísticas de pressão mecânicos conhecidos da membrana. Este método requer um projeto cuidadoso, implementação e calibração precisa da resposta dinâmica da membrana. Além disso, o equipamento de medição de vibração, tal como vibrómetros Doppler a laser, são caros. Por último, este método só pode ser aplicado a superfícies planas.

Sensível à pressão tinta (PSP) é uma outra técnica que pode ser utilizada para medir a pressão de superfície instável. Esta técnica exige que as superfícies a serem revestidas num ligante de polímero transparente, o que faz com que as moléculas de dentro para ser animado para um estado de energia mais elevado à medida que são iluminadas por luz de um comprimento de onda específico. Como as moléculas sofrem têmpera de oxigénio, a energia é rearrendado como a luz, a uma taxa proporcional à pressão parcial de oxigénio, resultando em luminescência que é inversamente proporcional à pressão de superfície ^7. A principal desvantagem com os métodos de PSP é relativamente baixa sensibilidade da medição em comparação aos microfones. Isto limita a aplicação de PSP para relativamente fluxos de alta velocidade.

A presente comunicação descreve um método para USP que usa uma sonda microfone remoto (PGR). Este método foi descrito pela primeira vez por Englund e Richards ^8. O conceito utiliza um microfone miniatura padrão que está ligada à torneira de pressão de superfície com um tubo oco. A pressão instável na superfície do modelo irá deslocar-se para a tubagem sob a forma de ondas de som. A tubagem actua como uma "guia de ondas" para permitir que o microfone, que está montada perpendicularmente ao tubo, para medir as ondas sonoras. As ondas em seguida, continuar em um outro tubo que é longo o suficiente para eliminar r acústica de grande amplitudeeflections.

Englund e Richards aplicada uma abordagem analítica delineada por Bergh e Tijdeman ⁹ para determinar a resposta dinâmica do PGR. Perrenes e Roger ¹⁰ utilizado um PGR para medir a pressão de superfície sobre um aerofólio de duas dimensões com dispositivos high-lift. Eles desenvolveram uma sonda com um tubo capilar de diâmetro médio de 0,5 mm na superfície que foi ligado a um tubo rígido de 27 cm de comprimento que expandido desde 0,7 mm a 2,5 mm por meio de duas alterações passo separado. Cada alteração causou um passo relativamente grande alteração na impedância acústica do tubo. Leclercq e Bohineust ¹¹ estudou o campo de pressão parede abaixo de uma camada limite turbulenta. Eles usaram um RMP-diâmetro constante, como sugerido por Franzoni e Elliott ^12. No entanto, a resposta dinâmica era alta o suficiente apenas numa gama de frequência limitada. Arguillat et al. ¹³ desenhado um PGR para estudar o barulho transmitido para o interior de um compartimento do veículo. eles testaramvários tubos para conduzir a flutuação da pressão para os microfones. Yang et ai. ¹⁴ corrigido para a distorção tubagem usando uma abordagem de função de transferência de tubagem, que é semelhante ao método apresentado no presente relatório. Hoarau et al. ¹⁵ estudaram o traçado da pressão parede a jusante de uma região separada. Os RMP que eles tinham diâmetros internos concebidos constantes, e o tubo foi completamente não-rígida.

De acordo com estudos anteriores, a precisão das medições de pressão de superfície obtidos usando RMP é principalmente dependente da determinação da função de transferência de frequência dependente da sonda que se relaciona com a pressão de superfície à pressão microfone. As seções a seguir irá descrever uma geometria RMP que é simples e eficaz. Métodos experimentais e analíticas serão introduzidos e validadas de modo a determinar com precisão a resposta dinâmica do PGR. O modelo analítico permite um PGR para ser optimized na fase de concepção para uma potencialmente ampla gama de aplicações.

RMP pode ser usado para medir as flutuações de pressão ao longo de um ampla gama de frequências. A relativamente alta resolução espacial pode oferecer informações detalhadas sobre as características do campo de pressão instável espacialmente distribuídos ^16. Como a sonda é pequeno, RMP pode ser utilizado para medir as flutuações de pressão mais de geometrias complexas, como grandes curvaturas ou espaçamento limitada ^17. Além disso, o tubo de ligação à torneira de superfície e o sensor de microfone pode reduzir a magnitude da flutuação da pressão induzida no microfone. Assim, concepção adequada da geometria do sensor PGR e parâmetros proporciona um método para a obtenção de características USP, que são significativamente menos restritivos quando comparados com montagem embutida o microfone directamente para a superfície do modelo.

Estrutura da estrutura geral da PGR RMPThe é mostrado na Figura 1 </strong>. O PGR é constituído por um tubo que conduz a partir da superfície do modelo de uma secção de expansão e um segundo tubo que se estende a partir da secção de expansão a um "berço". Um terceiro tubo é então ligado a agir como uma terminação anecóica. O berço é um componente de plástico usinado utilizado para alojar o microfone e as conexões de tubos. Os detalhes da estrutura PGR pode ser ajustado para várias condições experimentais. O objectivo do segundo tubo, de diâmetro maior é para permitir que o microfone relativamente volumosos e berço para ser colocado mais longe do ponto de medição da USP, sem reduzir significativamente a sensibilidade da medição. Este segundo tubo pode ser eliminado, se não é necessário, e a secção de expansão pode ser incorporado no suporte. A terminação anecóica foi feita de plástico macio, que foi de aproximadamente 2 a 3 m de comprimento.

Para esta demonstração, a concepção da PGR foi optimizado para a medição das flutuações de pressão da superfície sob um turbulent camada limite sem um gradiente de pressão streamwise, como mostrado na Figura 2. O segundo tubo foi eliminado. Foram observados os efeitos dos dois comprimentos diferentes do primeiro tubo. O primeiro tubo foi construído a partir de aço inoxidável com um diâmetro interno de 0,5 mm e um diâmetro exterior de 0,81 mm. Os comprimentos do primeiro tubo foram 5,35 e 10,40 cm, respectivamente. O diâmetro interior da entrada da secção de expansão, o qual foi incorporado no berço, foi de 0,5 mm e o diâmetro interno da saída foi de 1,25 mm, o que era idêntico ao diâmetro interno da terminação de dissipação. O ângulo da secção de expansão foi de 7 °. Houve um furo no suporte, com um diâmetro de 1,25 milímetros, a fim de ligar suavemente a secção de expansão com a terminação anecóica. A área de sensibilidade foi ligado ao orifício de 1,25 milímetros através de um furo perpendicular 0,75 milímetros.

Protocol

1. Preparação de Experimentos Escolha um microfone adequada para construir o PGR. Usar uma gama de microfone a frequência dentro da gama de frequências de interesse. NOTA: Neste experimento, as flutuações de pressão entre 100 e 10.000 Hz são de interesse. A gama de frequência seleccionada o microfone de medição é de 100 a 10000 Hz. O tamanho do microfone deve ser tão pequeno quanto possível, embora não existem critérios específicos para o tamanho. Estimar a sensibilida…

Representative Results

Os resultados da calibração de dois modelos representativos RMP são mostrados nesta seção. O primeiro é usado um 5.35 cm tubo primário, eo segundo é usado um 10,4 cm tubo primário. As terminações dissipativas são 4,75 m de comprimento para ambos os RMP. A coerência entre as flutuações de pressão medidos pelo microfone no PGR e pelo microfone de referência é mostrado na Figura 3. Os dados most…

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…

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.