Uzak Mikrofon Probe kullanarak Kararsız Yüzey Basınç Ölçümü
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
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.
<p class= "jove_content"> 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 </strong>. 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.
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
Bu araştırma Grant No N000141210337, Deborah Nalchajian ve Ronald Joslin altında Donanma Araştırma ABD Ofisi tarafından finanse sayesinde mümkün olmuştur.
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).
