La mesure des Unsteady Pression de surface Utilisation d'un microphone sonde à distance
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
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.
<p class= "jove_content"> Une méthode indirecte pour obtenir à la fois l' information spectrale et spatiale est d'utiliser des membranes minces encastré sur une surface 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 </strong>. Le PGR se compose d'un tube partant de la surface du modèle d'une section d'expansion et un second tube étendant à partir de la section d'expansion à un «berceau». Un troisième tube est ensuite reliée à agir en tant que terminaison anéchoïque. Le berceau est une pièce en matière plastique usiné utilisé pour loger le microphone et les raccordements de tubes. Les détails de la structure du PGR peuvent être ajustés pour tenir compte de diverses conditions expérimentales. Le but du deuxième tube, de plus grand diamètre est de permettre le microphone et le berceau relativement encombrant pour être placé plus loin du point de la mesure de l'USP, sans réduire de manière significative la sensibilité de la mesure. Ce second tube peut être éliminée si elle est inutile, et la section d'extension peut être construite dans le berceau. La terminaison anéchoïque a été faite de plastique mou qui était d'environ 2 à 3 m de longueur.
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
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été rendue possible grâce au financement du Bureau américain de la recherche navale sous Grant No. N000141210337, Deborah Nalchajian et Ronald Joslin.
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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