המדידה לחץ Surface בלתי עמיד באמצעות בדיקת מיקרופון מרחוק
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
זרימה מעל משטחים מוביל בדרך כלל יציבות ואת המערבולת לגרום ללחץ משטח לא יציב (USP). Flow-induced צליל ורטט הם בדרך כלל תוצאה ישירה של חוסר יציבות זה. הצליל המוקרן שנוצר על ידי מאווררים, מדחפים, וטורבינות רוח נשלט על ידי מקורות הקשורים USP 1. מדידות של התכונות במרחב ובזמן של USP בתזרים סוער נדרשות בדרך כלל כדי לחזות את הצליל המוקרן.
האפיון הסטטיסטי של USP ניתן בדרך כלל בצורה של צפיפות אוטומטית רפאים, שתי נקודות צולבות ספקטרלי צפיפויות, ופונקציות קורלציה מרחבית 2, 3. התגובה בתדירות הנדרשת יכול להשתנות בהתאם ליישום. ביישומי מנהרה רבים רוח, תגובה של 10 קילוהרץ עד 20 קילוהרץ מספיקה. המאזניים הקטנים של תנועה טורבולנטית לעתים קרובות דורשים באזורי חישת חיישן הריווח להיות פחות מ -1 מ"מ.
exte nsive מחקרי ניסויים שנערכו על מנת לקבל תנודות לחץ נגרם מערבולת. שיטה ישירה משתמש בחיישני מוטבעים רכוב סומק. שיטה זו לעתים קרובות מעסיקה מערכים גדולים של מיקרופונים, כי כל חיישן יכול למדוד את תנודות לחץ רק בשלב נפרד אחד. חיישנים אופייניים מנוצלים בשיטה זו הם מתמר פיזואלקטריים, שהוצע על ידי Gautschi 4. מערכים של חיישנים פיזואלקטריים יכול להיות יקר, ואת טווח תדרים של מדידה הוא לעתים קרובות פחות מ -10 קילו-הרץ.
משטח רכוב ישירים מיקרופונים משמשים לעתים קרובות כמו חיישני USP הזול 5. יש מיקרופונים רגישים גבוהה, שהינה תועלת מהותית תזרים במהירות נמוכה. עם זאת, זה מוביל גם את הסיכון של רווית חיישן כאשר תנודות משרעת גדולות בלחץ נוכחות. שיטה זו אינה מתאימה משטחים עם עקמומיות גדולה, שיבושים, או גיאומטריות כי הם דקים מלהכיל את החיישן כולו.
<p class= "jove_content"> שיטה עקיפה לזכות בשני מידע ספקטרלי ומרחבית הוא להשתמש קרומים דקים סומק רכוב על גבי משטח 6. בקשות רטט הזמן- ומרחב תלוי נמדדות מומרות משטח סטטיסטיקה לחץ באמצעות תכונות מכאניות ידועות של הממברנה. שיטה זו דורשת תכנון זהיר, יישום, כיול מדויק של התגובה הדינמית של הממברנה. בנוסף, ציוד מדידה רטט, כגון רטט לייזר דופלר, הם יקרים. לבסוף, שיטה זו יכולה להיות מיושמת רק על משטחים שטוחים.רגיש ללחץ צבע (PSP) היא טכניקה נוספת שיכולה לשמש למדידת הלחץ משטח לא יציב. טכניקה זו דורשת המשטחים להיות מצופים בקלסר פולימר שקופה, הגורמת מולקולות בתוך להתרגש למצב אנרגיה גבוה יותר כפי שהם מוארים על ידי אור באורך גל מסוים. ככל שמולקולות לעבור מרווה חמצן, אנרגיה הוא מחדשמושכר כאור בשיעור יחסי הלחץ החלקי של החמצן, וכתוצאה מכך ההארה כי הוא ביחס הפוך ללחץ המשטח 7. החיסרון העיקרי לשיטות PSP הוא רגישות נמוכה יחסית של מדידה בהשוואה מיקרופונים. זה מגביל את היישום של PSP כדי יחסית תזרים במהירות גבוהה.
התקשורת הנוכחית מתארת שיטה USP המשתמשת בדיקת מיקרופון מרחוק (RMP). שיטה זו תוארה לראשונה על ידי אנגלונד וריצ'רדס 8. המושג משתמש מיקרופון זעיר סטנדרטי המחובר לברז לחץ שטח עם צינור חלול. הלחץ היציב על פני שטח המודל יטייל לתוך הצינורות בצורה גל קול. מעשי הצינורות בתור "גל-מדריך" כדי לאפשר את המיקרופון, אשר מותקן בניצב הצינורות, כדי למדוד את גלי קול. הגלים ואז להמשיך לתוך צינור אחר זה מספיק זמן כדי לחסל r אקוסטי גדול משרעתeflections.
אנגלונד וריצ'רדס להחיל בגישה אנליטית שהתוותה ברג ו Tijdeman 9 כדי לקבוע את התגובה הדינמית של המשטרה הצבאית. Perrenes ורוג'ר 10 ולנצל RMP למדידת לחץ משטח פני כנף דו מימדי עם התקנים גבוהה מעלית. הם פיתחו בדיקה עם צינור נימי בקוטר 0.5 מ"מ על פני השטח שהיה קשור צינור נוקשה-ארוך 27 ס"מ שהרחיבו מ 0.7 מ"מ עד 2.5 מ"מ באמצעות שני שינויים צעד נפרדים. כל שינוי צעד גרם לשינוי גדול יחסית עכבה אקוסטית של הצינור. לקלרק Bohineust 11 למדו בתחום לחץ הקיר מתחת שכבת גבול סוערת. הם השתמשו RMP קבוע בקוטר, כפי שהוצע על ידי Franzoni ואליוט 12. עם זאת, התגובה הדינמית הייתה גבוהה מספיק רק בתחום תדרים מוגבל. Arguillat et al. 13 עיצב RMP ללמוד הרעש שמשודר הפנים של תא הרכב. הם בדקוצינורות שונים לנהל את תנודות לחץ אל המיקרופונים. יאנג et al. 14 תקן את עיוות הצינורות באמצעות גישת פונקצית צינורות העברת דומה לשיטה הציגה בדוח זה. Hoarau et al. 15 בחנו את עקבות לחץ הקיר במורד הזרם של אזור מופרד. RMPs שהם תכננו היו בקטרים בתוך מתמיד, ואת הצינורות היו בלתי נוקשים לחלוטין.
על פי מחקרים קודמים, את הדיוק של מדידות לחצו משטח שהושג באמצעות RMPs תלוי בעיקר על קביעת פונקצית התמסורת תלויה בתדירות של החללית המתייחס לחץ השטח ללחץ המיקרופון. הסעיפים הבאים יתארו גיאומטריה RMP הוא כי הוא פשוט ויעיל. שיטות ניסיוניות ואנליטית תושקינה ומאומתות על מנת לקבוע את התגובה הדינמית מדויק של RMP. המודל האנליטי מאפשר עבור RMP להיות optimized בשלב התכנון עבור מגוון רחב של יישומים פוטנציאליים.
RMPs ניתן להשתמש כדי למדוד תנודות לחץ על פני טווח רחב של תדרים. רזולוציה מרחבית גבוהה יחסית יכול להציע מידע מפורט על מאפייני השדה הלחץ יציב-מופץ מרחבית 16. כמו החללית היא קטנה, יכול להיות מנוצל RMPs למדוד תנודות לחצו על גיאומטריות מורכבות, כגון עקמומיות גדולה או 17 מרווח מצומצם. בנוסף, הצינור המחבר את ברז שטח ואת חיישן המיקרופון יכול להפחית את עוצמת תנודות לחץ מושרה ליד המיקרופון. לפיכך, תכנון נכון של גיאומטרית חיישן RMP ופרמטרים מניב שיטה לקבלת מאפייני USP כי הם פחות מגבילים בהשוואה לשטוף התקנת המיקרופון ישירות על פני המודל.
מבנה מבנה RMPThe הכללי של המשטרה הצבאית מוצג באיור 1 </strong>. המשטרה הצבאית מורכבת צינור אחד מובילים מפני שטח המודל לאגף התרחבות צינור שני המשתרע סעיף ההתפשטות עד "ערש". צינור שלישי קשור אז לשמש סיום anechoic. העריסה היא מרכיב פלסטיק במכונה המשמשים לדיור המיקרופון ואת קשרי הצינור. הפרטים של מבנה RMP יכולים להיות מותאמים עבור תנאי ניסויים שונים. מטרת הצינור השני, גדול-קוטר היא לאפשר את המיקרופון מגושם יחסית והתושבת להציב נוספת מנקודת המדידה USP מבלי להקטין את רגישות המדידה באופן משמעותי. צינור שני זה יכול להתבטל אם זה לא הכרחי, ואת סעיף ההרחבה ניתן לבנות בעריסה. סיומו anechoic היה עשוי מפלסטיק רך כי היה כ 2 עד 3 מ 'אורך.
להדגמה זו, העיצוב של RMP היה מותאם למדידת תנודות לחץ שטח תחת TURBulent שכבת הגבול בלי הפרש לחצים streamwise, כפי שמוצג באיור 2. חוסל הצינור השני. ההשפעות של שני אורכים שונים של הצינור הראשון נצפו. הצינור הראשון נבנה נירוסטה בקוטר פנימי של 0.5 מ"מ ו קוטר חיצוני של 0.81 מ"מ. האורכים של הצינור הראשון היו 5.35 ו 10.40 סנטימטר, בהתאמה. הקוטר הפנימי של המפרצון של הסעיף הרחב, אשר התאגד לתוך התושבת, היה 0.5 מ"מ, ואת הקוטר הפנימי של היציאה היה 1.25 מ"מ, אשר היה זהה לקוטר הפנימי של סיום הפיזור. הזווית של סעיף ההתרחבות 7 °. היה חור בתושבת בקוטר 1.25 מ"מ על מנת חלק לחבר את הסעיף הרחב עם סיום anechoic. אזור החישה חובר אל חור 1.25 מ"מ דרך חור בניצב 0.75 מ"מ.
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…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה התאפשר באמצעות מימון ממשרד המחקר של הצי האמריקאי תחת גרנט מס 'N000141210337, דבורה Nalchajian ורונלד ג'וסלין.
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. |
Referências
- 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).
