De meting van Unsteady Surface Pressure Met behulp van een Remote Microphone Probe
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
Vloeistofstroom over oppervlakken leidt over het algemeen tot wankel en turbulentie die resulteren in wankele oppervlak druk (USP). Stromingsgeïnduceerde geluid en trillingen zijn vaak een direct gevolg van dit wankel. De uitgestraalde geluid gegenereerd door ventilatoren, propellers, en windturbines worden gedomineerd door bronnen die verband houden met USP 1. Metingen van de ruimtelijke en temporele kenmerken van USP in turbulente stromingen zijn meestal nodig om de stralingsgeluid voorspellen.
De statistische karakterisering van USP vindt doorgaans plaats in de vorm van auto-spectrale dichtheid tweepunts cross-spectrale dichtheden en ruimtelijke correlatie functies 2, 3. De frequentierespons gewenst kunnen variëren afhankelijk van de toepassing. In veel windtunnel toepassingen, een respons van 10 kHz tot 20 kHz is voldoende. De kleine schaal van turbulente beweging vereisen vaak sensing gebieden en de sensor spacing om minder dan 1 mm.
Extensive experimentele studies zijn uitgevoerd om turbulentie-geïnduceerde drukschommelingen te verkrijgen. Een directe methode maakt gebruik van inbouw ingebedde sensoren. Deze methode maakt gebruik van vaak grote arrays van microfoons, omdat elke sensor alleen de druk fluctuatie op een discrete punt kan meten. Typische sensoren gebruikt in deze werkwijze zijn piëzo-elektrische transducers, door Gautschi 4 voorgesteld. Arrays van piëzoelektrische sensoren duur en de frequentie meetbereik vaak minder dan 10 kHz.
Direct opbouw microfoons worden vaak gebruikt als goedkope USP sensoren 5. Microfoons hebben hoge gevoeligheid, hetgeen een aanzienlijk voordeel voor langzame stromen. Dit leidt echter ook het risico van verzadiging sensor wanneer grote amplitude drukschommelingen aanwezig zijn. Deze methode is niet geschikt voor oppervlakken met grote krommingen discontinuïteiten of geometrieën die te dun om de gehele sensor bevatten.
<p class= "jove_content"> Een indirecte methode voor het verkrijgen van zowel spectrale en ruimtelijke informatie is te dun membraan inbouw gebruiken om een oppervlak 6. Het tijd- en ruimte-afhankelijke trillingen bewegingen worden gemeten en vervolgens omgezet in druk statistieken met bekende mechanische eigenschappen van het membraanoppervlak. Deze methode vereist een zorgvuldige ontwerp, de implementatie en nauwkeurige kalibratie van dynamische reactie van het membraan. Bovendien, de trilling meetapparatuur, zoals laser Doppler vibrometers, zijn duur. Tenslotte kan deze methode alleen toegepast worden op vlakke oppervlakken.Drukgevoelige verf (PSP) is een andere techniek die kan worden gebruikt om de wankele oppervlaktedruk gemeten. Deze techniek vereist de oppervlakken te bekleden transparante polymeer bindmiddel, waarin de moleculen binnen veroorzaakt geëxciteerd naar een hogere energietoestand te zijn als ze worden verlicht door licht van een specifieke golflengte. Als de moleculen zuurstof blussen ondergaan, energie is reverhuurd als licht met een snelheid evenredig met de partiële zuurstofdruk, waardoor luminescentie die omgekeerd evenredig is met de oppervlaktedruk 7. Het grootste nadeel van PSP methoden is de relatief lage gevoeligheid van de meting ten opzichte van microfoons. Dit beperkt de toepassing van PSP relatief hoge snelheid stroomt.
Deze mededeling beschrijft een methode voor USP dat een externe microfoon sonde (RMP) gebruikt. Deze werkwijze werd eerst beschreven door Englund en Richards 8. Het concept maakt gebruik van een standaard miniatuur microfoon die is aangesloten op de oppervlaktedruk kraan met een holle buis. De onstabiele druk aan het modeloppervlak reizen in de slang in de vorm van geluidsgolven. De buis werkt als een "golfgeleider" naar de microfoon, die loodrecht op de buis wordt gemonteerd zodat, om de geluidsgolven meten. De golven dan verder naar een andere buis die lang genoeg is om grote amplitude akoestische r eliminereneflections.
Englund en Richards toegepast een analytische benadering door Bergh en Tijdeman 9 geschetst om de dynamische respons van de RMP te bepalen. Perrenes en Roger 10 gebruikt een RMP aan de oppervlakte druk over een twee-dimensionale aërodynamische met high-lift apparaten meten. Ze ontwikkelde een probe met een 0,5 mm diameter capillair aan het oppervlak die was verbonden met een 27 cm lange stijve buis die uitgebreid van 0,7 mm tot 2,5 mm via twee afzonderlijke stap veranderingen. Elke verhoging veroorzaakt een relatief grote verandering in de akoestische impedantie van de buis. Leclercq en Bohineust 11 bestudeerde het veld muur druk onder een turbulente grenslaag. Ze gebruikten een constante diameter RMP, zoals voorgesteld door Franzoni en Elliott 12. De dynamische respons was hoog genoeg slechts in een beperkt frequentiegebied. Arguillat et al. 13 ontwierpen een RMP om het geluid overgedragen naar het inwendige van een voertuigruimte bestuderen. ze testtenverschillende pijpen naar de drukschommeling voeren om de microfoons. Yang et al. 14 gecorrigeerd voor de buis vervorming door een slang overdrachtsfunctie benadering die vergelijkbaar is met de werkwijze die in dit rapport. Hoarau et al. 15 onderzochten de muur druk spoor stroomafwaarts van een afgescheiden regio. De RMPs dat ze ontworpen hadden constant binnen diameters en de slang was volledig niet-rigide.
Volgens eerdere studies, de nauwkeurigheid van oppervlakte drukmetingen verkregen met RMPs is voornamelijk afhankelijk van de bepaling van de frequentieafhankelijke overdrachtsfunctie van de sonde dat de oppervlaktedruk op de microfoon betrekking druk. De volgende secties zullen een RMP geometrie die zowel eenvoudig en effectief te beschrijven. Experimentele en analytische methoden worden geïntroduceerd en gevalideerd om de dynamische respons van de RMP nauwkeurig bepalen. De analytische model zorgt voor een RMP te zijn optimized in de ontwerpfase voor een potentieel breed scala van toepassingen.
RMPs kan worden gebruikt om drukschommelingen te meten over een breed frequentiegebied. De relatief hoge ruimtelijke resolutie kunnen gedetailleerde informatie over de kenmerken van de ruimtelijk-verdeelde onvast druk gebied 16 aan te bieden. Aangezien de sonde klein is, kan RMP worden gebruikt om drukfluctuaties in complexe geometrieën, zoals grote krommingen of beperkte afstand 17 te meten. Bovendien kan de buis die het oppervlak tap en de microfoon sensor de grootte van de opgewekte druk fluctuatie bij de microfoon verminderen. Zo goed ontwerp of RMP sensorgeometrie en parameters levert een werkwijze voor het verkrijgen USP kenmerken die beduidend minder restrictieve vergelijking met inbouw de microfoon direct naar modeloppervlak.
Structuur van de RMPThe algemene structuur van de RMP wordt weergegeven in figuur 1 </strong>. De RMP bestaat uit een buis die vanaf het modeloppervlak een uitbreiding sectie en een tweede buis zich uitstrekt vanaf de expansiesectie een "cradle." Een derde buis wordt dan verbonden om als dode einde. De wieg is een bewerkte plastic onderdeel dat wordt gebruikt voor de huisvesting van de microfoon en de slangaansluitingen. De data van de RMP structuur kan worden aangepast aan verschillende experimentele omstandigheden. Het doel van de tweede grotere diameter buis om de relatief volumineuze microfoon en houder verder vanaf het punt van de USP meting worden gebracht zonder de meetgevoeligheid aanzienlijk verminderen. Deze tweede buis kan worden opgeheven indien het niet nodig is, en de expansiesectie kan worden gebouwd in de houder. Het dode einde is gemaakt van zachte kunststof die lengte ongeveer 2-3 m.
Voor deze demonstratie, het ontwerp van de RMP werd geoptimaliseerd voor het meten van oppervlakte drukschommelingen onder turbulent grenslaag zonder streamwise drukgradiënt, zoals getoond in figuur 2. De tweede buis werd geëlimineerd. Het effect van de twee verschillende lengten van de eerste buis werden waargenomen. De eerste buis is geconstrueerd uit roestvrij staal met een binnendiameter van 0,5 mm en een buitendiameter van 0,81 mm. De lengten van de eerste buis werden 5,35 en 10,40 cm, respectievelijk. De binnendiameter van de inlaat van het expansiegedeelte, die werd opgenomen in de houder, was 0,5 mm en de binnendiameter van de uitgang was 1,25 mm, dat identiek is aan de binnendiameter van de dissipatie beëindiging was. De hoek van de expansiesectie was 7 °. Er was een gat in de houder met een diameter van 1,25 mm teneinde een correcte aansluiting van de expansiesectie de dode beëindiging. Het detectiebereik is verbonden met de 1,25 mm gat door een loodrechte 0,75 mm gat.
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
Dit onderzoek werd mogelijk gemaakt door financiële steun van het Amerikaanse Office of Naval Research onder Grant No. N000141210337, Deborah Nalchajian en 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. , (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. , (2002).
- Blake, W. K. . A statistical description of pressure and velocity fields at the trailing edges of a flat strut. , (1975).
- Huettenbrink, K. B. . Lasers in Otorhinolaryngology. , (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. , (1965).
- Perennes, S., Roger, M. Aerodynamic noise of a two-dimensional wing with high-lift devices. , (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., Bailly, C. Measurements of the wavenumber-frequency spectrum of wall pressure fluctuations under turbulent flows. 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 (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), (2015).
- Probsting, S., Gupta, A., Scarano, F., Guan, Y., Morris, S. C. Tomographic PIV for Beveled Trailing Edge Aeroacoustics. , (2014).
- Wong, G. . Microphones and Their Calibration. Springer Handbook of Acoustics. , (2007).
- Bendat, J. S., Piersol, A. G. . Random data: analysis and measurement procedures. , (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. , (1949).
