La mesure des Unsteady Pression de surface Utilisation d'un microphone sonde à distance

Introduction

L'écoulement de fluide sur des surfaces conduit généralement à l'instabilité et de la turbulence qui se traduisent par une pression de surface instable (USP). bruit et les vibrations induites par l'écoulement sont souvent une conséquence directe de cette instabilité. Le bruit rayonné généré par les ventilateurs de refroidissement, des hélices et des éoliennes sont dominées par des sources liées à USP ^1. Les mesures des caractéristiques spatiales et temporelles de l'USP dans les écoulements turbulents sont généralement nécessaires afin de prédire le bruit rayonné.

La caractérisation statistique de l' USP est généralement administré sous la forme de la densité spectrale automatique, deux points de densités spectrales croisées et les fonctions de corrélation spatiale ^{2, 3.} La réponse en fréquence requise peut varier en fonction de l'application. Dans de nombreuses applications en soufflerie, une réponse de 10 kHz à 20 kHz est suffisante. Les petites échelles de mouvement turbulent nécessitent souvent des zones de détection et capteur espacer être inférieur à 1 mm.

Exteétudes expérimentales nsive ont été menées afin d'obtenir des fluctuations de pression induite par la turbulence. Une méthode directe utilise des capteurs embarqués encastrés. Cette méthode utilise souvent de grands réseaux de microphones, parce que chaque capteur ne peut mesurer la variation de pression à un point discret. Capteurs typiques utilisés dans ce procédé sont des transducteurs piézoélectriques, proposés par Gautschi ^4. Des réseaux de capteurs piézo-électriques peuvent être coûteux, et la plage de fréquence de mesure est souvent inférieure à 10 kHz.

Microphones montés en surface directs sont souvent utilisés comme capteurs USP bon marché ^5. Microphones ont une sensibilité élevée, ce qui est un avantage important pour les flux à faible vitesse. Toutefois, cela entraîne également le risque de saturation du capteur lorsque de grandes variations d'amplitude de la pression sont présents. Cette méthode ne convient pas pour les surfaces avec de grandes courbures, des discontinuités ou des géométries qui sont trop minces pour contenir l'ensemble du capteur.

6. Les mouvements de vibration en temps et en dépendant de l'espace sont mesurées et ensuite converties en surface des statistiques de pression à l'aide de propriétés mécaniques connues de la membrane. Cette méthode nécessite une conception soignée, la mise en œuvre, et un étalonnage précis de la réponse dynamique de la membrane. En outre, l'équipement de mesure de vibrations, telles que laser vibromètres Doppler, sont chers. Enfin, ce procédé ne peut être appliqué à des surfaces planes.

Peinture sensible à la pression (PSP) est une autre technique qui peut être utilisée pour mesurer la pression de surface instable. Cette technique exige que les surfaces à enduire dans un liant polymère transparent, ce qui amène les molécules à l'intérieur d'être excité à un état d'énergie plus élevé car elles sont éclairées par une lumière d'une longueur d'onde spécifique. Comme les molécules subissent une trempe à l'oxygène, l'énergie est reloué à la lumière à un débit proportionnel à la pression partielle d'oxygène, ce qui entraîne une luminescence qui est inversement proportionnelle à la pression de surface ^7. L'inconvénient majeur de méthodes PSP est relativement faible sensibilité de la mesure par rapport aux microphones. Cela limite l'application de la PSP à relativement Les flux à grande vitesse.

La présente communication décrit une méthode pour USP qui utilise une sonde de microphone à distance (RMP). Cette méthode a été décrite par Englund et Richards ^8. Le concept utilise un microphone miniature standard qui est reliée à la prise de pression de surface à l'aide d'un tube creux. La pression instable à la surface du modèle se rendra dans le tube sous la forme d'ondes sonores. Les actes de tube comme un "guide d'ondes" pour permettre le microphone, qui est monté perpendiculairement à la tubulure, afin de mesurer les ondes sonores. Les ondes continuent ensuite dans un autre tube qui est suffisamment longue pour éliminer de grande amplitude acoustique reflections.

Englund et Richards appliqué une approche analytique décrite par Bergh et Tijdeman ⁹ pour déterminer la réponse dynamique de la RMP. Perrenes et Roger ¹⁰ utilisés un PGR pour mesurer la pression de surface sur une aile à deux dimensions avec des dispositifs hypersustentateurs. Ils ont développé une sonde avec un tube capillaire de 0,5 mm de diamètre à la surface qui était relié à un tube rigide 27 cm de longueur qui est passée de 0,7 mm à 2,5 mm par l'intermédiaire de deux changements par paliers séparés. Chaque variation de l'étape a provoqué une variation relativement importante de l'impédance acoustique du tube. Leclercq et Bohineust ¹¹ ont étudié le champ de pression de la paroi sous une couche limite turbulente. Ils ont utilisé un RMP diamètre constant, tel que suggéré par Franzoni et Elliott ^12. Cependant, la réponse dynamique était assez élevé que dans une plage de fréquence limitée. Arguillat et al. , ¹³ conçu un PGR pour étudier le bruit transmis à l'intérieur d'un compartiment de véhicule. Ils ont testéplusieurs tubes pour effectuer la fluctuation de pression aux microphones. Yang et al. ¹⁴ corriger la distorsion de tube en utilisant une approche de la fonction de transfert de tube qui est similaire à la méthode introduite dans le présent rapport. Hoarau et al. , ¹⁵ ont étudié la trace de la pression de la paroi en aval d'une région séparée. Les PGF qu'ils avaient conçus diamètres intérieurs constants, et le tube est entièrement non-rigide.

D'après des études antérieures, la précision des mesures de pression de surface obtenue à l'aide PGF est principalement dépendante de la détermination de la fonction de transfert dépendant de la fréquence de la sonde qui concerne la pression de surface à la pression du microphone. Les sections suivantes décrivent une géométrie RMP qui est à la fois simple et efficace. Les méthodes expérimentales et analytiques seront présentés et validés afin de déterminer avec précision la réponse dynamique de la RMP. Le modèle analytique permet un PGR soit optimized dans la phase de conception pour une potentiellement large gamme d'applications.

PGF peut être utilisé pour mesurer les fluctuations de pression sur une large plage de fréquences. La résolution spatiale relativement élevée peut offrir des informations détaillées sur les caractéristiques du champ de pression instationnaire spatialement distribué ^16. Comme la sonde est petite, PGF peuvent être utilisés pour mesurer les fluctuations de pression sur des géométries complexes, telles que les grandes courbures ou l' espacement limité ^17. En outre, le tube reliant le robinet de surface et le capteur de microphone peut réduire l'amplitude de la fluctuation de pression induite au niveau du microphone. Par conséquent, une conception appropriée de la géométrie et des paramètres du capteur PGR donne une méthode pour obtenir des caractéristiques de l'USP qui sont sensiblement moins restrictive par rapport à montage affleurant le microphone directement sur la surface du modèle.

Structure de la structure générale RMPThe du PGF est représenté sur la figure 1

Pour cette démonstration, la conception du PGR a été optimisé pour la mesure des variations de la pression de surface sous une turbulent de la couche limite , sans gradient de pression direction de l' écoulement, comme représenté sur la figure 2. Le second tube a été éliminé. Les effets des deux longueurs différentes du premier tube ont été observés. Le premier tube a été construit à partir d'acier inoxydable d'un diamètre intérieur de 0,5 mm et un diamètre extérieur de 0,81 mm. La longueur du premier tube sont 5,35 et 10,40 cm, respectivement. Le diamètre intérieur de l'entrée de la section d'expansion, qui a été incorporé dans le berceau, était de 0,5 mm et le diamètre intérieur de la sortie était de 1,25 mm, ce qui était identique au diamètre intérieur de la terminaison de la dissipation. L'angle de la section d'expansion était de 7 °. Il y avait un trou dans le berceau d'un diamètre de 1,25 mm afin de relier facilement la section d'extension avec la terminaison anéchoïque. La zone de détection est relié au trou de 1,25 mm à travers un trou perpendiculaire à 0,75 mm.

Protocol

1. Préparation des expériences

1. Sélectionnez un microphone approprié pour construire le RMP. Utiliser une plage de fréquence du microphone à l'intérieur de la gamme de fréquences d'intérêt.
   NOTE: Dans cette expérience, les fluctuations de pression comprise entre 100 et 10 000 Hz sont intéressantes. La gamme de fréquences de mesure du microphone sélectionné est de 100 à 10 000 Hz. La taille du microphone doit être aussi petit que possible, bien qu'il n'y ait pas de critères spécifiques pour la taille.
2. Estimer la réponse de la sensibilité et de la fréquence du système RMP en utilisant la méthode d'analyse décrite dans l'annexe. Ajuster la réponse de la sensibilité et de la fréquence du PGR en faisant varier les dimensions des tubes et des structures.
3. Utilisez un Dremel pour couper le tube en acier inoxydable de diamètre intérieur de 0,5 mm dans un long morceau de 5,25 cm.
4. Avec des ciseaux, couper le 1,25 mm de diamètre intérieur tube souple dans une longue pièce de 4,75 m.
5. Utiliser une machine de fraisage pour couper un morceau de plexiglas dans uncuboïde. La longueur, la largeur et la hauteur du parallélépipède devrait être de 2,54 cm, 1,27 cm et 1,27 cm, respectivement.
6. Percer avec 0,81, 2, 2,56 et 0,76 mm de diamètre sur le berceau en plexiglas, comme le montre la figure 2.
7. Utiliser une perceuse à aiguille pour rendre la section conique du support en plexiglas, comme représenté sur la figure 2.
8. Consulter la sensibilité du microphone dans le manuel fourni par le fabricant, ou calibrer le microphone à l' aide de la méthode introduite par Wong ^18.
9. Seat le microphone dans le support en plexiglas, comme le montre la figure 2, et fixer le microphone à l' aide d' époxy.
10. Connecter le tube en acier inoxydable et le tube souple au berceau en plexiglas et les fixer avec époxy.
11. Forer un trou d'un diamètre de 0,81 mm, perpendiculairement à la surface du modèle à la position de mesure.

Configuration 2. Expérience

1. Flush monter les principaux tubes de l'acier inoxydableDes capteurs de PGF à la surface du modèle et ajouter époxy pour fixer les tubes en acier inoxydable à la surface du modèle opposé, comme le montre la figure 2.
2. Entourez le RMP avec mousse acoustique afin d'éviter les bruits parasites de contaminer le système.
3. Route tout le câblage électrique de la section d'essai du tunnel.
4. Route le tube anéchoïque doux de la section d'essai du tunnel.
5. Connectez l'extrémité du tube souple anéchoïque à un capteur de pression afin d'obtenir des mesures de la pression statique moyenne simultanément avec la pression instable.
6. Branchez le RMP à un système d'acquisition amplificateur à faible bruit et des données.
7. Définir le facteur de gain de l'amplificateur 10. On notera que la valeur du facteur de gain peut être modifié selon les cas.

3. Calibration

1. Sélectionnez un microphone de référence qui est de haute qualité et a une sensibilité indépendante de la fréquence.
2. Connectez le micro de référencetéléphone à l'entrée d'un amplificateur et connecter la sortie de l'amplificateur au système d'acquisition de données.
3. Réglez la fois le gain d'entrée et le gain de sortie de l'amplificateur à 10 dB. A noter que le facteur de gain peut varier dans différentes conditions de mesure.
4. Insérez le microphone de référence dans un pistonphone, comme le montre la figure supplémentaire.
5. Allumez le pistonphone.
6. Réglez la fréquence d'acquisition à 4.000 Hz.
7. Réglez le nombre d'échantillons à 240.000.
8. Acquérir et enregistrer la tension de sortie du microphone de référence.
9. Calculer la constante d'étalonnage du microphone de référence. La constante d'étalonnage, _Cref, est le rapport de l'écart - type de la pression acoustique produite pistonphone à l'écart - type de la tension de sortie du microphone de référence.
10. Répétez le processus d'étalonnage (étapes 3.8 et 3.9) plusieurs fois. Utiliser la valeur moyenne, _Cref, comme la constante d'étalonnage.
<li> placer le microphone de référence , perpendiculairement à la surface solide sur laquelle la fluctuation de pression est mesurée, comme le montre la figure 1.
11. Alignez le centre du microphone de référence avec le robinet RMP. Utilisez une distance entre le microphone de référence et la prise RMP de 1 mm.
12. Placer le haut-parleur à proximité immédiate du modèle d'essai. Utiliser une distance entre le haut-parleur et le microphone de 2,5 m pour les mesures.
13. Branchez le haut-parleur à un générateur de fonction et activer le générateur de fonction.
14. Utilisez l'option "bruit blanc" du générateur de fonction pour fournir le signal acoustique désiré et régler la racine de la moyenne tension carré, V _eff, à 0,4 V.
15. Ajuster le volume du haut-parleur au minimum.
16. Allumez le haut-parleur.
17. Régler le volume de l'amplificateur de haut-parleur le plus haut possible sans endommager l'enceinte. Notez que la plupart des haut-parleurs ont un voyant lumineux pour avertir the utilisateur si l'amplitude de sortie est supérieure à la gamme d'enceintes.
18. Acquérir et enregistrer les données de séries chronologiques à partir des sorties de tension à la fois le microphone de référence et le RMP en utilisant une fréquence de 40 000 Hz de balayage pendant 60 secondes.
19. Calculer les valeurs de série temporelle de la fluctuation de pression acoustique, qui est produit par le haut-parleur et la fonction génératrice et mesurée par le microphone de référence. Ceci est tout simplement le produit de la tension de sortie de série chronologique à partir du microphone de référence, , Et son étalonnage constant, ; . On notera que la pression acoustique de séries temporelles, , Est aussi la fluctuation de pression au robinet de la RMP.
20. Calculer le temps de la série fluctuation de pression acoustique mesuré par le microphone dans la RMP a s le produit de la tension de sortie des séries chronologiques de la RMP, Et la sensibilité du microphone, ; . On notera que la sensibilité du microphone, , Doit être fourni par le fabricant.
21. Calculer la densité de l'auto-spectrale, , de . Calculer la densité de l'auto-spectrale, , de . Calculer la densité spectrale croisée, , entre.jpg "/> et . Les densités d'auto-spectrale et la densité spectrale croisée sont définis par Bendat et Piersol ^19.
22. Calculer la fonction de transfert .
23. Calculer la fonction de cohérence comme Où l'astérisque représente le conjugué complexe.
24. Retirez le microphone de référence.
25. Éteignez le haut-parleur et la fonction génératrice.
26. Retirez le haut-parleur.

4. Acquisition de données

1. Allumez la soufflerie.
2. Notez la sortie de tension série temporelle, , Du PGF avec le système d'acquisition de données. Utilisez une fréquence de 40 000 Hz de balayage. Utiliser une durée de l'acquisition de 64 secondes.
3. Éteignez la soufflerie.

1. Calculer la fluctuation de pression acoustique, , Mesurée par le microphone dans le RMP comme .
2. Calculer la densité de l'auto-spectrale, , De la fluctuation de pression de surface , où est automatique de la densité spectrale de la fluctuation de pression acoustique mesurée par le microphone dans la RMP .

Representative Results

les résultats d'étalonnage de deux modèles RMP représentatifs sont présentés dans cette section. Le premier utilise un tube primaire de 5,35 cm, et la seconde utilise un tube primaire de 10,4 cm. Les terminaisons dissipatives sont 4,75 m de long pour les deux PGF.

La cohérence entre les fluctuations de pression mesurées par le microphone dans la RMP et par le microphone de référence est représentée sur la figure 3. Les données montrent une valeur de cohérence quasi-unité sur une large gamme de fréquences. Aux fréquences supérieures à 10 kHz, la cohérence reste généralement élevé, mais la cohérence tombe par intermittence à certaines fréquences. Une raison à cela est que le bruit généré par le haut-parleur est relativement faible à ces fréquences. Cela peut aussi résulter de la sensibilité réduite de la RMP à des fréquences élevées. Le fond et le bruit électrique peut entraîner la perte de cohérence. Une valeur faible cohérenceindique que les fluctuations de pression mesurées par le microphone dans le RMP et le microphone de référence ne sont pas fortement corrélées. Dans cette étude, la cohérence est supérieure à 0,97 dans la gamme de fréquences d'intérêt.

La figure 4 montre l'amplitude de la fonction de transfert obtenue expérimentalement et de façon analytique. La méthode d'analyse est exacte pour prédire la réponse dynamique à travers la majeure partie de la gamme de fréquences. Les désaccords dans les moyens et à haute fréquence gammes sont supposées être le résultat de petites aberrations du RMP, comme les fraises ou de légères discordances aux jonctions de tubes.

Les oscillations de la grandeur fonction de transfert à des fréquences comprises entre 100 Hz et 500 Hz sont liés aux réflexions acoustiques dans la terminaison anéchoïque plus longue. Ce sont généralement de l'ordre de 1 ou 2 dB en amplitude. Les réflexions acoustiques au sein de la prTube imary sont évidentes dans les oscillations à des fréquences plus élevées.

La figure 5 montre le décalage de phase des fonctions de transfert. La méthode d'analyse surestime légèrement la pente du déphasage. Bien que l'incertitude de la mesure, ce qui représente environ 1,6%, peut entraîner la divergence, cette surestimation est considérée comme étant causée par de petites erreurs dans les longueurs de tube ou estimées par des variations de température, ce qui affectera la vitesse acoustique appliquée dans la méthode d'analyse en raison de la tendance constante.

mesures USP ont été acquises dans un écoulement de couche limite turbulente de plaque plane. Cette méthode a été choisie pour cette communication en raison de la simplicité du dispositif expérimental et du fait qu'un ensemble important de données pour l'USP existe pour la couche limite de plaque plane. Les densités spectrales mesurées automatiquement par le microprocesseur éloigné sur plusieurs valeurs de Reynolds nombre sont représentés sur la figure 6. Les spectres de pression ont été normalisées par rapport au cisaillement de paroi, l' épaisseur de déplacement et la vitesse d'écoulement uniforme. La région gris clair contient toutes les données provenant de différents groupes de recherche, compilées par Goody ^20. Le groupe gris foncé représente les spectres de pression qui correspondent à un très grand nombre de Reynolds. Les présentes mesures sont dans la propagation des mesures observées dans la littérature antérieure et démontrent la tendance anticipée de l'ampleur décroissante avec le nombre de Reynolds, comme indiqué par Goody. On notera également que les spectres de pression mesurée ne contiennent aucun des pics harmoniques qui existent dans la fonction de transfert, ce qui indique qu'une fonction d'étalonnage dépendant de la fréquence exacte a été appliquée.

Figure 1:. Schéma de la structure RMP et la configuration Le schéma montre le desi générale gn du RMP. Les détails de la RMP peuvent être ajustés pour optimiser la conception pour différentes conditions de mesure. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2: Les dimensions et la configuration du RMP utilisé pour mesurer la pression de surface sous la couche limite turbulente canonique dans la présente étude La conception du RMP utilisé pour cette mesure est légèrement différente de la structure représentée sur la figure 1;. la section d'expansion est incorporé dans le berceau. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 3: fonctions de cohérence pour PGF avec différentes longueurs de première tubes ( à gauche) 5,35 cm premier tube et ( à droite) 10,40 cm premier tube.. L'axe des x est la fréquence en Hz, et l'axe y est la valeur de la cohérence. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4: Ampleur des fonctions de transfert pour PGF avec différentes longueurs de première tubes ( à gauche) 5,35 cm premier tube et ( à droite) 10,40 cm premier tube.. La courbe bleue représente les résultats expérimentaux, tandis que la courbe verte représente les prédictions théoriques. L'axe des abscisses est la fréquence en Hz et l'axe y est l'amplitude de la fonction de transfert en dB.target = "_ blank"> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5: Décalage de phase des fonctions de transfert pour PGF avec différentes longueurs de première tubes ( à gauche) 5,35 cm premier tube et ( à droite) 10,40 cm premier tube.. La courbe bleue représente les résultats expérimentaux et la courbe verte représente les prédictions théoriques. L'axe des x est la fréquence en Hz, alors que l'axe y est le décalage de phase de la fonction de transfert en rad. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6: densité spectrale automatique de la pression de surface mesurée par PGF sous différents nombres de Reynolds. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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.