Измерение неустойчивую поверхность давления с помощью выносного микрофона 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
Течение жидкости над поверхностью, как правило, приводит к неустойчивости и турбулентности, которые приводят к неустановившегося давления на поверхности (USP). Flow-индуцированный звук и вибрация часто являются прямым результатом этого неустойчивостью. Излучаемый звук генерируется вентиляторов охлаждения, пропеллер и ветровых турбин преобладают источники , связанные с USP 1. Измерения пространственных и временных характеристик USP в турбулентных потоках, как правило, требуется для того, чтобы предсказать, что излучаемый звук.
Статистическая характеристика USP как правило , дается в виде автоматической спектральной плотности, двухточечный кросс-спектральные плотности и пространственные корреляционные функции 2, 3. Частотная характеристика требуется может меняться в зависимости от конкретного применения. Во многих случаях в аэродинамической трубе, ответ 10 кГц до 20 кГц достаточно. Небольшие масштабы турбулентного движения часто требуют зондирования зон и датчик интервал составляет менее 1 мм.
Exteонительных экспериментальные исследования были проведены с целью получения турбулентности, вызванной колебания давления. Прямой метод использует скрытого монтажа встроенных датчиков. Этот метод часто используют большие массивы микрофонов, потому что каждый датчик может измерять только колебание давления в одной дискретной точке. Типичные датчики , используемые в этом методе являются пьезоэлектрические преобразователи, предложенные Gautschi 4. Массивы пьезоэлектрических датчиков могут быть дорогими, а частотный диапазон измерения часто составляет менее 10 кГц.
Прямые монтируемые на поверхность микрофоны часто используются в качестве датчиков недороги USP 5. Микрофоны имеют высокую чувствительность, что является существенным преимуществом для потоков низкоскоростных. Тем не менее, это также приводит к риску насыщения датчика, когда большие флуктуации амплитуды давления присутствуют. Этот способ не подходит для поверхностей с большими искривлений, разрывов или геометрии, которые являются слишком тонкими, чтобы содержать весь датчик.
<p class= "jove_content"> Косвенный способ получения как спектрального и пространственной информации заключается в использовании тонких мембран заподлицо с поверхностью 6. В во времени и пространстве зависимый движения вибрации измеряются и затем преобразуются в поверхностные статистические данные давления с использованием известных механических свойств мембраны. Этот метод требует тщательного проектирования, реализации и точной калибровки динамической реакции мембраны. Кроме того, измерительное оборудование вибрации, таких как лазерные доплеровские виброметров, являются дорогостоящими. И, наконец, этот метод может быть применен только к плоским поверхностям.Чувствительный к давлению краска (PSP) является еще один метод, который может быть использован для измерения неустановившегося давления у поверхности. Этот метод требует, чтобы поверхности, подлежащей покрытию, в прозрачном полимерном связующем, что приводит к молекулам внутри возбуждаться на более высокий энергетический уровень, как они освещены светом определенной длины волны. Поскольку молекулы подвергаются закалке кислород, энергия повторноарендуемый как свет со скоростью , пропорциональной парциального давления кислорода, что приводит к люминесценции , который обратно пропорционален давлению поверхности 7. Основной недостаток методов PSP является относительно низкая чувствительность измерения по сравнению с микрофонами. Это ограничивает применение PSP с относительно высокоскоростных течений.
Настоящее сообщение описывает способ USP, который использует удаленный датчик микрофона (РМП). Этот метод впервые был описан Энглунд и Ричардс 8. Концепция использует стандартный миниатюрный микрофон, который подключен к крану давления поверхности с полой трубкой. Неустойчивый давление на поверхности модели будет путешествовать в трубку в виде звуковых волн. Трубочные действует как "волноводу", чтобы микрофон, который установлен перпендикулярно по отношению к трубке, для измерения звуковых волн. Волны затем продолжают в другую трубу, которая достаточно долго, чтобы исключить большие амплитуды акустического гeflections.
Энглунд и Ричардс применяется аналитический подход , изложенный Берга и Tijdeman 9 для определения динамической реакции РМП. Perrenes и Роджер 10 использовали ПРХ для измерения поверхностного давления над двумерной несущей поверхности с высокой подъемной силы устройств. Они разработали зонд с диаметром капиллярной трубки 0,5 мм на поверхности, которая была соединена с 27-см длиной жесткой трубки, которая возросла с 0,7 мм до 2,5 мм с помощью двух отдельных ступенчатых изменений. Каждое ступенчатое изменение вызвано относительно большое изменение акустического импеданса трубки. Леклерк и Bohineust 11 исследовал поле давления стенки под турбулентным пограничным слоем. Они использовали RMP постоянного диаметра, как это было предложено Франзони и Эллиотом 12. Тем не менее, динамический ответ был достаточно высоким, только в ограниченном диапазоне частот. Arguillat и др. 13 разработали RMP для изучения шума , передаваемый во внутреннюю часть отсека транспортного средства. Они протестировалиразличные трубки для проведения колебания давления к микрофонам. Ян и др. 14 с поправкой на искажения насосно – компрессорных труб с использованием функционального подхода переноса трубки , который аналогичен методу , введенной в настоящем докладе. Оаро и др. 15 изучили следы давления стенки ниже по потоку от отрывной области. В ПРХ, что они предназначены были постоянные внутренние диаметры, и трубка была полностью нежесткой.
По данным предыдущих исследований, точность измерений поверхности давления, полученные с использованием ПРХ в основном зависит от определения частотно-зависимой передаточной функции зонда, который имеет отношение давления поверхности к давлению микрофона. В следующих разделах будут описывать RMP геометрию, которая является одновременно простым и эффективным. Экспериментальные и аналитические методы будут введены и проверены для того, чтобы точно определить динамическую реакцию РМП. Аналитическая модель позволяет ПРХ быть оptimized на стадии проектирования для потенциально широкого спектра применений.
ПРХ могут быть использованы для измерения колебаний давления в широком диапазоне частот. Относительно высокое пространственное разрешение может предложить подробную информацию о характеристиках пространственно-распределенной неустойчивом поле 16 давления. По мере того как зонд мал, ПРХ может быть использован для измерения колебаний давления более сложной геометрии, такие как большие искривлений или в условиях ограниченного расстояния 17. Кроме того, трубка, соединяющая поверхности крана и датчика микрофона может уменьшить величину индуцированного колебанием давления у микрофона. Таким образом, соответствующие конструкции RMP геометрии и параметров датчика приводит к способу получения USP характеристики, которые значительно меньше ограничений по сравнению с Крепёжную микрофон непосредственно к поверхности модели.
Структура общей структуры RMPThe ПУХ показано на рисунке 1 </stronг>. ПРХ состоит из одной трубы, идущей от поверхности модели в секцию расширения, и второй трубки, проходящей от секции расширения к "люльке". Третья труба затем соединяется выступать в качестве звукопоглощающей прекращения. Колыбель механически обработанный пластиковый компонент, используемый для размещения микрофона и соединительными патрубками. Детали конструкции RMP можно отрегулировать для различных условий эксперимента. Целью второго, большего диаметра трубы, чтобы позволить относительно громоздкими микрофон и люлька для размещения дальше от точки измерения USP без значительного снижения чувствительности измерений. Эта вторая трубка может быть устранена, если он не нужен, и секция расширения может быть построен в колыбели. Безэховой прекращение была сделана из мягкого пластика, который был приблизительно от 2 до 3 м в длину.
Для этой демонстрации, дизайн ПРХ был оптимизирован для измерения колебаний давления поверхности под TURBulent пограничный слой без градиента давления вдоль потока, как показано на рисунке 2. Вторая труба была устранена. Наблюдались эффекты двух различных длин первой трубы. Первая труба была построена из нержавеющей стали с внутренним диаметром 0,5 мм и внешним диаметром 0,81 мм. Длины первой трубы были 5,35 и 10,40 см, соответственно. Внутренний диаметр входа секции расширения, которая была включена в каретку, составляла 0,5 мм, а внутренний диаметр выходного был 1,25 мм, который был идентичен внутреннему диаметру прекращения диссипации. Угол секции расширения составила 7 °. Был отверстие в люльке с диаметром 1,25 мм для того, чтобы плавно соединить секции расширения с безэховой прекращения. Область зондирования была связана с 1,25 мм отверстие через перпендикулярную 0,75 мм отверстие.
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
Это исследование стало возможным благодаря финансовой поддержке со стороны Управления США по военно-морских исследований под грант № N000141210337, Дебора Nalchajian и Рональда Джослин.
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).
