원격 프로브를 사용하여 마이크 비정상 면압 측정
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
표면을 통해 유체 흐름은 일반적으로 불안정한 표면 압력 (USP) 결과 비정상 난류로 연결됩니다. 흐름에 의한 소음 및 진동은 종종이 비정상의 직접적인 결과이다. 냉각 팬, 프로펠러, 풍력 터빈에 의해 생성 된 방사 소리가 USP 1에 관련된 소스에 의해 지배된다. 난류의 USP의 시공간 특성의 측정은 일반적으로 방사 음을 예측하기 위해서 요구된다.
USP의 통계적 특성은 일반적으로 자동 스펙트럼 밀도의 형태로 부여하고, 2 점 간 스펙트럼 밀도 및 공간적 상관 함수 (2, 3). 애플리케이션에 따라 달라질 수 필요한 주파수 응답. 많은 풍동 애플리케이션에서, 10 kHz에서 20 kHz의 반응에 충분하다. 난류 운동 작은 스케일은 종종 감지 영역 센서가 1mm 미만으로 간격을 필요로한다.
Extensive 실험 연구는 난류 유도 압력 변동을 얻기 위해 진행되고있다. 직접적인 방법은 같은 높이에 장착 된 임베디드 센서를 사용합니다. 각각의 센서는 하나의 이산 지점에서의 압력 변동을 측정 할 수 있기 때문에이 방법은 종종 마이크로폰 큰 배열을 사용한다. 이 방법에 사용되는 일반적인 센서는 Gautschi (4)에 의해 제안 된 압전 변환기입니다. 압전 센서 어레이 비쌀 수 있으며, 측정 주파수 범위는 종종보다 10kHz로한다.
직접 표면 실장 마이크는 종종 저렴한 USP 센서 (5)로 사용된다. 마이크로폰 저속 흐름에 대한 실질적인 이점 높은 감도를 갖는다. 압력의 큰 진폭의 변동이있을 때,이 센서는 포화의 위험에 이르게. 이 방법은 센서 전체를 포함하기에 너무 얇다 큰 곡률 불연속 또는 표면 형상과 적합하지 않다.
<p class= "jove_content"> 두 스펙트럼 및 공간 정보를 얻기위한 간접적 방법은 표면 (6)에 얇은 막 매립형를 사용하는 것이다. 시간 – 공간에 의존 진동 운동을 측정 한 후 멤브레인의 알려진 기계적 특성을 이용하여 압력 통계를 표면으로 변환됩니다. 이 방법은주의 깊은 설계, 구현 및 막의 동적 응답의 정확한 보정이 필요하다. 또한, 레이저 도플러 진동계 등의 진동 측정 장비는 고가이다. 마지막으로,이 방법은 평면에 적용될 수있다.감압 성 도료 (PSP)는 비정상 면압을 측정하는 데 사용될 수있는 또 다른 기술이다. 이 기술은이 특정 파장의 광에 의해 조명 될 때보다 높은 에너지 상태로 여기 될 내의 분자를 발생시키는 투명 중합체 결합제, 코팅 될 표면을 필요로한다. 분자 산소 급냉을 겪을 때, 에너지는 재면압 7에 반비례 발광 결과 산소 분압에 비례하는 속도로 광으로서 임대. 마이크로폰에 비해 PSP 방법의 주요 단점은 측정의 비교적 낮은 감도이다. 이것은 PSP 비교적 고속 흐름의 적용을 제한한다.
본 통신 원격 마이크로폰 프로브 (RMP)를 사용하여 USP에 대한 방법을 설명한다. 이 방법은 첫 번째 Englund와 리차드 (8)에 의해 설명되었다. 개념은 중공 관 면압 탭에 연결되어있는 표준 소형 마이크를 사용한다. 모형 표면에서 비정상 압력 음파 형태의 튜브로 이동된다. 는 "도파관"으로 튜브 작용 음파를 측정하기 위해 상기 튜브에 수직으로 장착되고 마이크로폰을 허용한다. 파도는 큰 진폭 음향 연구를 제거하기에 충분히 긴 또 다른 튜브에 계속eflections.
Englund와 리차드는 RMP의 동적 응답을 결정하기 위해 바그와 Tijdeman (9)에 의해 설명 된 분석 방법을 적용했다. Perrenes 로저 (10)은 고 리프트 장치와 이차원 익형 면압을 측정하는 RMP를 이용했다. 그들은 두 개의 단차 변경을 통해 2.5 mm 0.7 mm의 팽창 27 cm 길이의 강성 튜브에 연결된 표면에 0.5 mm 직경의 모세관 튜브 프로브를 개발 하였다. 각 단계 변화는 관의 음향 임피던스의 상대적으로 큰 변화를 일으켰다. LECLERCQ 및 Bohineust (11)는 난류 경계층 아래의 벽 압력 필드를 공부했다. 프란 조니 엘리엇 (12)에 의해 제안들은 일정한 직경 RMP를 사용했다. 그러나, 동적 응답은 제한된 주파수 범위에서 충분히 높았다. Arguillat 외. 13 차실의 내부로 전달되는 소음을 연구하는 RMP 설계. 그들은 테스트다양한 튜브 마이크로폰에 압력 변동을 수행한다. 양 외. (14)는이 보고서에 소개 된 방법과 유사한 튜브 전달 함수 접근법을 사용하여 튜브 왜곡 보정. Hoarau 등. (15)은 분리 영역의 하류 벽 압력 추적을 공부했다. 그들이 설계 한 RMPS 일정한 내부 직경이 있고, 튜브는 완전히 비 강체했다.
이전의 연구에 따르면, RMPS를 사용하여 얻은 면압 측정의 정확도 마이크 압력 면압 관한 프로브의 주파수 의존 전달 함수의 결정에 따라 주로 좌우된다. 다음 섹션에서는 간단하고 효과적 인 RMP 형상을 설명한다. 실험 및 분석 방법을 소개하고 정확하게 RMP의 동적 응답을 결정하기 위해 검증된다. RMP 될 수 있도록 해석 모델은 오 수 있습니다애플리케이션 잠재적 광범위한 설계 단계에서 ptimized.
RMPS는 넓은 주파수 범위에 걸쳐 압력 변동을 측정하는 데 사용될 수있다. 상대적으로 높은 공간 해상도는 공간적으로 분산 비정상 압력 필드 (16)의 특성에 대한 자세한 정보를 제공 할 수 있습니다. 프로브가 작을 때, RMPS 그러한 큰 곡률 또는 제한된 공간 (17)과 같은 복잡한 형상 위에 압력 변동을 측정하기 위해 이용 될 수있다. 또한, 표면 탭 마이크 센서를 연결하는 튜브 마이크로폰에 의한 압력 변동의 크기를 감소시킬 수있다. 따라서, RMP 센서 구조 및 파라미터의 적절한 디자인은 매립형 위해 모델 표면에 직접 마이크 비해 훨씬 덜 제한적 USP 특성을 얻는 방법을 산출한다.
RMP의 RMPThe 일반적인 구조의 구조는도 1에 도시 </strong>. RMP는 확장 부와에 팽창 부로부터 연장되는 제 2 튜브 모형 표면으로부터 선행 한 튜브로 구성 "크래들." 세번째 튜브이어서 무반향 종단 역할에 접속된다. 크래들은 마이크와 튜브 연결을 수용하기 위해 사용되는 가공 플라스틱 구성 요소입니다. RMP 구조의 세부 사항은 다양한 실험 조건에 대해 조정될 수있다. 두번째, 큰 직경의 튜브의 목적은 상대적으로 부피가 마이크 크래들 크게 측정 감도를 감소하지 않고 USP 측정의 관점에서 더 배치 될 수 있도록한다. 이 제 2 튜브는 필요하지 않은 경우 제거 될 수 있고, 확장 부는 거치대에 내장 될 수있다. 무반향 종료는 길이가 약 2m 3이었다 부드러운 플라스틱으로 만들어졌다.
이 예제의 경우, RMP의 설계는 아래 TURB 표면 압력의 변동의 측정을 위해 최적화 된ulent도 2에 도시 된 바와 같이 유선 압력 구배없이 경계층. 제 2 튜브를 제거 하였다. 제 1 튜브의 서로 다른 길이의 효과를 관찰 하였다. 제 1 튜브는 0.5 mm의 내경 및 0.81 mm의 외경을 가진 스테인레스 스틸로 구성 하였다. 제 1 튜브의 길이는 각각 5.35 및 10.40 cm였다. 크래들에 포함 된 확장 부분의 입구의 내경은 0.5 mm이며, 출구의 내경은 소산 종단의 내경과 동일 하였다 1.25 mm였다. 확장 부분의 각도는 11 °였다. 부드럽게 무반향 종단에 확장 부를 연결하기 위해 1.25 mm 직경 크래들에 구멍이 있었다. 감지 영역은 수직 인 0.75 mm의 구멍을 통해 1.25 mm 구멍에 연결되었다.
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
이 연구는 부여 번호 N000141210337, 데보라 Nalchajian 로널드 조슬린에서 미 해군 연구소의 자금 지원을 통해 가능하게되었다.
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. |
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