La misurazione della pressione instabile superficie utilizzando una sonda microfono remoto
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
Il flusso del fluido su superfici in genere porta a instabilità e turbolenza che si traducono in pressione superficiale instabile (USP). suono indotto dal flusso e le vibrazioni sono spesso il risultato diretto di questa instabilità. Il suono irradiato generato da ventole di raffreddamento, eliche, turbine eoliche e sono dominati da fonti legate alla USP 1. Le misurazioni delle caratteristiche spaziali e temporali di USP nei flussi turbolenti sono generalmente richiesti al fine di prevedere il suono irradiato.
La caratterizzazione statistica di USP viene indicata generalmente in forma di densità automatica-spettrale, due punti densità cross-spettrali, e funzioni di correlazione spaziale 2, 3. La risposta in frequenza richiesto può variare a seconda dell'applicazione. In molte applicazioni in galleria del vento, una risposta di 10 kHz a 20 kHz è sufficiente. Le piccole scale di moto turbolento spesso richiedono aree di rilevamento ed il sensore spaziatura essere inferiore a 1 mm.
Extestudi sperimentali nsive sono stati condotti per ottenere fluttuazioni di pressione turbolenza indotta. Un metodo diretto utilizza sensori incorporati incasso. Questo metodo utilizza spesso grandi array di microfoni, perché ogni sensore può misurare solo la fluttuazione della pressione in un punto discreto. Sensori tipici utilizzati in questo metodo sono trasduttori piezoelettrici, suggerite da Gautschi 4. Array di sensori piezoelettrici possono essere costosi, e la gamma di frequenza di misura è spesso inferiore a 10 kHz.
Microfoni diretti a plafone sono spesso utilizzati come sensori economico USP 5. Microfoni hanno alta sensibilità, che è un vantaggio sostanziale per i flussi a bassa velocità. Tuttavia, ciò comporta anche il rischio di saturazione del sensore quando grandi fluttuazioni di ampiezza della pressione sono presenti. Questo metodo non è adatto per superfici di grandi curvature, discontinuità, o geometrie che sono troppo sottili per contenere l'intero sensore.
<p class= "jove_content"> Un metodo indiretto per ottenere informazioni sia spettrale e spaziale è di utilizzare sottili membrane da incasso per una superficie di 6. I movimenti vibrazioni accelerano e spazio-dipendenti sono misurati e poi convertiti in superficie statistiche pressione utilizzando note proprietà meccaniche della membrana. Questo metodo richiede un'attenta progettazione, l'implementazione e la calibrazione accurata della risposta dinamica della membrana. Inoltre, l'apparecchiatura di misura vibrazioni, come vibrometri Doppler laser, sono costosi. Infine, questo metodo può essere applicato solo su superfici piane.Sensibile alla pressione della vernice (PSP) è un'altra tecnica che può essere utilizzato per misurare la pressione superficiale instabile. Questa tecnica richiede che le superfici da verniciare in un legante polimerico trasparente, che provoca le molecole all'interno di essere eccitato ad uno stato energetico superiore come vengono illuminate con luce di una specifica lunghezza d'onda. Come le molecole subiscono tempra di ossigeno, l'energia è relocazione come luce ad una velocità proporzionale alla pressione parziale di ossigeno, con conseguente luminescenza che è inversamente proporzionale alla pressione superficiale 7. Il principale svantaggio di metodi PSP è relativamente bassa sensibilità della misura rispetto ai microfoni. Questo limita l'applicazione di PSP relativamente flussi ad alta velocità.
La presente comunicazione descrive un metodo per USP che utilizza una sonda microfono a distanza (RMP). Questo metodo è stato descritto da Englund e Richards 8. Il concetto utilizza un microfono miniatura standard che è collegato alla presa di pressione superficie con un tubo cavo. La pressione instabile alla superficie del modello viaggerà nel tubo sotto forma di onde sonore. Gli atti tubi come "guida d'onda" per consentire il microfono, che è montato perpendicolarmente al tubo, per misurare le onde sonore. Le onde poi continuano in un altro tubo che è insufficiente per eliminare r acustica grande ampiezzaeflections.
Englund e Richards applicato un approccio analitico delineato da Bergh e Tijdeman 9 per determinare la risposta dinamica del RMP. Perrenes e Roger 10 utilizzati un RMP per misurare la pressione superficiale su un profilo aerodinamico bidimensionale dispositivi high-lift. Hanno sviluppato una sonda con un tubo capillare 0,5 mm di diametro in corrispondenza della superficie che è stato collegato ad un 27-cm lungo tubo rigido che si è espansa da 0,7 mm a 2,5 mm tramite due variazioni a gradino separati. Ogni gradino causato un cambiamento relativamente grande di impedenza acustica del tubo. Leclercq e Bohineust 11 hanno studiato il campo di pressione parete sotto uno strato limite turbolento. Hanno usato un RMP diametro costante, come suggerito da Franzoni e Elliott 12. Tuttavia, la risposta dinamica era abbastanza alto solo in una gamma di frequenza limitata. Arguillat et al. 13 progettato un RMP per studiare il rumore trasmesso all'interno di un vano del veicolo. Hanno testatovari tubi di condurre la fluttuazione di pressione ai microfoni. Yang et al. 14 corretta per la distorsione tubo utilizzando un approccio di funzione di trasferimento tubazione che è simile al metodo presentato in questa relazione. Hoarau et al. 15 hanno studiato la parete traccia pressione a valle di una regione separata. Le RMP che hanno progettato avevano diametri interni costanti, e il tubo è stato interamente non rigido.
Secondo studi precedenti, l'accuratezza delle misurazioni della pressione di superficie ottenuti utilizzando RMP dipende principalmente sulla determinazione della funzione di trasferimento dipendente dalla frequenza della sonda che riguarda la pressione superficiale alla pressione microfono. Le sezioni seguenti descrivono una geometria RMP che è allo stesso tempo semplice ed efficace. Metodi sperimentali ed analitici saranno introdotti e validati per determinare con precisione la risposta dinamica del RMP. Il modello analitico consente un RMP per essere optimized in fase di progettazione per un potenzialmente un'ampia gamma di applicazioni.
RMP può essere utilizzato per misurare variazioni di pressione in un ampio intervallo di frequenze. La risoluzione spaziale relativamente alto grado di offrire informazioni dettagliate sulle caratteristiche del campo di pressione instabile spazialmente distribuiti 16. Poiché la sonda è piccola, RMP possono essere utilizzati per misurare variazioni di pressione oltre geometrie complesse, quali grandi curvature o spaziatura limitata 17. Inoltre, il tubo di collegamento rubinetto superficie e il sensore microfono può ridurre l'ampiezza della fluttuazione della pressione indotta al microfono. Così, la corretta progettazione di RMP geometria del sensore e parametri produce un metodo per ottenere caratteristiche di USP che sono significativamente meno restrittivi rispetto ad incasso il microfono direttamente sulla superficie del modello.
Struttura della struttura generale RMPThe del RMP è mostrato in Figura 1 </strong>. Il RMP costituito da un tubo che conduce dalla superficie del modello ad una sezione di espansione ed un secondo tubo che si estende dalla sezione di espansione ad una "culla". Un terzo tubo viene quindi collegato ad agire come una terminazione anecoica. La culla è un componente in plastica lavorata utilizzati per ospitare il microfono e le connessioni dei tubi. I dettagli della struttura RMP può essere regolata per varie condizioni sperimentali. Lo scopo del secondo tubo di maggior diametro è di consentire il microfono relativamente ingombrante e culla da collocare ulteriormente dal punto di misurazione USP senza ridurre significativamente la sensibilità di misura. Questo secondo tubo può essere eliminato se non è necessario, e la sezione di espansione può essere costruita nella culla. La terminazione anecoica è fatto di plastica morbida che è stato di circa 2 a 3 m di lunghezza.
Per questa dimostrazione, il disegno del RMP è stato ottimizzato per la misurazione di variazioni di pressione superficiale sotto un turbulent strato limite senza un gradiente di pressione streamwise, come mostrato in Figura 2. Il secondo tubo è stato eliminato. sono stati osservati Gli effetti dei due differenti lunghezze del primo tubo. Il primo tubo è stato costruito da acciaio inossidabile con un diametro interno di 0,5 mm e un diametro esterno di 0,81 mm. Le lunghezze del primo tubo erano 5,35 e 10,40 cm, rispettivamente. Il diametro interno della bocca della sezione di espansione, che è stato accolto nella base, era di 0,5 mm e il diametro interno della uscita era 1,25 millimetri, che era identico al diametro interno della terminazione dissipazione. L'angolo della sezione di espansione è 7 °. C'era un buco nella culla di diametro 1,25 millimetri per collegare agevolmente sezione di espansione con la terminazione anecoica. La zona di rilevamento è collegato al foro 1,25 millimetri attraverso un foro perpendicolare 0,75 millimetri.
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…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata resa possibile attraverso il finanziamento del Office of Naval Research sotto di Grant No. N000141210337, Deborah Nalchajian e Ronald Joslin.
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. |
Riferimenti
- 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).
