अस्थिर सतह दबाव के मापन के लिए एक दूरस्थ माइक्रोफोन जांच का उपयोग
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
सतहों पर द्रव का प्रवाह आम तौर पर अस्थिरता और अशांति कि अस्थिर सतह दबाव (खासियत) में परिणाम की ओर जाता है। प्रवाह प्रेरित ध्वनि और कंपन अक्सर इस अस्थिरता का एक सीधा परिणाम हैं। प्रशंसकों ठंडा, प्रोपेलर, और हवा टर्बाइनों द्वारा उत्पन्न निकलने वाली ध्वनि खासियत 1 से संबंधित सूत्रों का प्रभुत्व है। अशांत प्रवाह में खासियत के स्थानिक और लौकिक विशेषताओं की माप आम तौर पर आदेश निकलने वाली ध्वनि की भविष्यवाणी करने के लिए आवश्यक हैं।
खासियत के सांख्यिकीय लक्षण वर्णन आम तौर पर ऑटो वर्णक्रमीय घनत्व के रूप में दिया जाता है, दो बिंदु पार वर्णक्रमीय घनत्व, और स्थानिक सहसंबंध कार्यों 2, 3। आवृत्ति प्रतिक्रिया आवेदन के आधार पर भिन्न हो सकते हैं की आवश्यकता है। कई हवा सुरंग अनुप्रयोगों में, 10 kHz से 20 किलोहर्ट्ज़ के लिए एक प्रतिक्रिया के लिए पर्याप्त है। अशांत गति के छोटे तराजू अक्सर संवेदन क्षेत्रों और सेंसर कम से कम 1 मिमी होना करने के लिए रिक्ति की आवश्यकता होती है।
extensive प्रयोगात्मक अध्ययन के क्रम में अशांति प्रेरित दबाव उतार चढ़ाव प्राप्त करने के लिए आयोजित किया गया है। एक सीधा तरीका फ्लश घुड़सवार एम्बेडेड सेंसरों का उपयोग करता है। इस विधि अक्सर, माइक्रोफोन की बड़ी सरणियों कार्यरत हैं क्योंकि प्रत्येक संवेदक केवल एक असतत बिंदु पर दबाव अस्थिरता उपाय कर सकते हैं। ठेठ सेंसर इस पद्धति में उपयोग पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर, Gautschi 4 से सुझाव दिया है। पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर की सारणियों महंगा हो सकता है, और माप की आवृत्ति रेंज अक्सर कम से कम 10 kHz है।
प्रत्यक्ष सतह पर चढ़कर माइक्रोफोन अक्सर सस्ती खासियत सेंसर 5 के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं। माइक्रोफोन जो कम गति प्रवाह के लिए एक बड़ा लाभ है उच्च संवेदनशीलता, लोगों की है। बहरहाल, यह भी सेंसर संतृप्ति का जोखिम होता है जब दबाव में बड़े आयाम उतार चढ़ाव मौजूद हैं। इस विधि बड़े curvatures, discontinuities, या geometries वह भी पूरे सेंसर को रोकने के लिए पतली हैं साथ सतहों के लिए उपयुक्त नहीं है।
<p class= "jove_content"> दोनों वर्णक्रम और स्थानिक जानकारी प्राप्त करने के लिए एक अप्रत्यक्ष तरीका एक सतह से 6 पतली झिल्ली फ्लश घुड़सवार का उपयोग करने के लिए है। समय और अंतरिक्ष पर निर्भर कंपन गतियों मापा जाता है और फिर झिल्ली के यांत्रिक गुणों में जाना जाता है का उपयोग कर दबाव सांख्यिकी सतह के लिए बदल दिया। इस विधि को सावधान डिजाइन, क्रियान्वयन, और झिल्ली के गतिशील प्रतिक्रिया की सटीक अंशांकन की आवश्यकता है। इसके अतिरिक्त, इस तरह के लेजर डॉपलर vibrometers के रूप में कंपन माप उपकरण, महंगे हैं। अन्त में, इस पद्धति का ही फ्लैट सतहों के लिए लागू किया जा सकता है।दबाव के प्रति संवेदनशील रंग (पीएसपी) एक और तकनीक है कि अस्थिर सतह दबाव को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। इस तकनीक सतहों एक पारदर्शी बहुलक बांधने की मशीन है, जो के रूप में वे एक विशेष तरंगदैर्ध्य के प्रकाश से प्रकाशित कर रहे हैं एक उच्च ऊर्जा राज्य के लिए उत्साहित होने का कारण बनता है के भीतर अणुओं में लिपटे होने की आवश्यकता है। अणुओं में ऑक्सीजन शमन गुजरना रूप में, ऊर्जा पुन हैएक दर ऑक्सीजन आंशिक दबाव के लिए आनुपातिक, luminescence में जिसके परिणामस्वरूप है कि विपरीत रूप से सतह दबाव 7 के लिए आनुपातिक है पर प्रकाश के रूप में काम पर रखा। PSP के तरीकों के लिए बड़ी खामी माप की अपेक्षाकृत कम संवेदनशीलता जब माइक्रोफोन की तुलना में है। इस PSP करने के लिए अपेक्षाकृत उच्च गति प्रवाह के आवेदन की सीमा।
वर्तमान संचार दूरदराज के एक माइक्रोफोन जांच (आरएमपी) का उपयोग करता है खासियत के लिए एक विधि का वर्णन है। इस विधि को पहले Englund और रिचर्ड्स 8 से वर्णित किया गया था। अवधारणा एक मानक लघु माइक्रोफोन है कि एक खोखले ट्यूब के साथ सतह दबाव नल से जुड़ा है उपयोग करता है। मॉडल सतह पर अस्थिर दबाव ध्वनि तरंगों के रूप में ट्यूबिंग में यात्रा करेंगे। एक 'लहर-गाइड "के रूप में कार्य करता है ट्यूबिंग ध्वनि तरंगों को मापने के लिए माइक्रोफोन, जो ट्यूबिंग के लंबवत मुहिम शुरू की है अनुमति देने के लिए। लहरों फिर एक और ट्यूब कि काफी लंबे समय के बड़े आयाम ध्वनिक आर समाप्त करने के लिए है में जारीeflections।
Englund और रिचर्ड्स बेर्घ और Tijdeman 9 द्वारा उल्लिखित आरएमपी के गतिशील प्रतिक्रिया निर्धारित करने के लिए एक विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण लागू होता है। Perrenes और रोजर 10 एक आरएमपी उपयोग किया उच्च लिफ्ट उपकरणों के साथ एक दो आयामी airfoil के ऊपर सतह दबाव को मापने के लिए। वे सतह है कि एक 27 सेमी लंबे कठोर ट्यूब है कि दो अलग कदम परिवर्तन के माध्यम से 2.5 मिमी 0.7 मिमी से विस्तार से जुड़ा था पर एक 0.5 मिमी व्यास केशिका ट्यूब के साथ एक जांच विकसित की है। हर कदम परिवर्तन ट्यूब के ध्वनिक प्रतिबाधा में एक अपेक्षाकृत बड़े परिवर्तन का कारण बना। Leclercq और Bohineust 11 एक अशांत सीमा परत के नीचे दीवार दबाव क्षेत्र का अध्ययन किया। के रूप में Franzoni और इलियट 12 से सुझाव दिया कि वे एक निरंतर व्यास आरएमपी इस्तेमाल किया। हालांकि, गतिशील प्रतिक्रिया केवल एक सीमित आवृत्ति रेंज में काफी अधिक था। Arguillat एट अल। 13 शोर एक वाहन डिब्बे के इंटीरियर के लिए प्रेषित अध्ययन करने के लिए एक आरएमपी बनाया गया है। वे परीक्षणविभिन्न ट्यूबों माइक्रोफोन करने के लिए दबाव में उतार-चढ़ाव का संचालन करने के लिए। यांग एट अल। 14 एक ट्यूबिंग हस्तांतरण समारोह दृष्टिकोण है कि विधि इस रिपोर्ट में पेश करने के लिए इसी तरह की है का उपयोग करके ट्यूबिंग विरूपण के लिए सही। Hoarau एट अल। 15 दीवार दबाव का पता लगाने के लिए एक अलग क्षेत्र के बहाव का अध्ययन किया। RMPs कि वे तैयार निरंतर अंदर व्यास की थी, और ट्यूबिंग पूरी तरह गैर कठोर था।
पिछले अध्ययनों के अनुसार, RMPs का उपयोग कर प्राप्त सतह दबाव माप की सटीकता मुख्य रूप से जांच है कि माइक्रोफोन के दबाव के सतह दबाव से संबंधित है की आवृत्ति पर निर्भर हस्तांतरण समारोह के निर्धारण पर निर्भर है। निम्न वर्गों एक आरएमपी ज्यामिति कि दोनों सरल और प्रभावी है वर्णन करेंगे। प्रायोगिक और विश्लेषणात्मक तरीकों शुरू की है और आदेश में सही आरएमपी के गतिशील प्रतिक्रिया निर्धारित करने के लिए मान्य होगा। विश्लेषणात्मक मॉडल एक आरएमपी होने के लिए अनुमति देता हेआवेदनों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए संभावित डिजाइन चरण में ptimized।
RMPs आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला पर दबाव उतार चढ़ाव को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। अपेक्षाकृत उच्च स्थानिक संकल्प स्थानिक वितरित अस्थिर दबाव क्षेत्र 16 की विशेषताओं के बारे में विस्तृत जानकारी प्रदान कर सकते हैं। जांच छोटा है के रूप में, इस तरह के बड़े RMPs curvatures या सीमित रिक्ति 17 के रूप में जटिल geometries, पर दबाव में उतार-चढ़ाव को मापने के लिए उपयोग किया जा सकता है। इसके अलावा, ट्यूब की सतह नल और माइक्रोफोन संवेदक को जोड़ने माइक्रोफोन पर प्रेरित दबाव में उतार-चढ़ाव की भयावहता को कम कर सकते हैं। इस प्रकार, के आरएमपी सेंसर ज्यामिति और मापदंडों उचित डिजाइन खासियत विशेषताओं है कि काफी कम प्रतिबंधक हैं जब फ्लश बढ़ते मॉडल सतह को सीधे माइक्रोफोन की तुलना में प्राप्त करने के लिए एक विधि पैदावार।
आरएमपी की RMPThe सामान्य संरचना की संरचना चित्र 1 में दिखाया गया है </stronजी>। आरएमपी एक ट्यूब मॉडल की सतह से एक विस्तार खंड और एक दूसरे ट्यूब विस्तार अनुभाग से एक को विस्तार देने के लिए अग्रणी के होते हैं "पालने।" एक तीसरा ट्यूब तो एक anechoic समाप्ति के रूप में कार्य करने के लिए जुड़ा हुआ है। पालने एक machined प्लास्टिक माइक्रोफोन और ट्यूब कनेक्शन आवास के लिए इस्तेमाल घटक है। आरएमपी संरचना के विवरण के विभिन्न प्रयोगात्मक शर्तों के लिए समायोजित किया जा सकता है। दूसरा, बड़े व्यास ट्यूब के उद्देश्य अपेक्षाकृत भारी माइक्रोफोन और पालने में काफी माप संवेदनशीलता कम करने के बिना खासियत माप के बिंदु से आगे रखा जा करने की अनुमति है। अगर यह आवश्यक नहीं है यह दूसरी ट्यूब समाप्त किया जा सकता है, और विस्तार खंड पालने में बनाया जा सकता है। anechoic समाप्ति नरम प्लास्टिक कि लंबाई में था लगभग 2 से 3 मीटर का बनाया गया था।
इस प्रदर्शन के लिए, आरएमपी के डिजाइन एक Turb तहत सतह दबाव में उतार-चढ़ाव की माप के लिए अनुकूलित किया गया थाulent एक streamwise दबाव ढाल के बिना सीमा परत के रूप में चित्रा 2 में दिखाया गया है। दूसरे ट्यूब का सफाया कर दिया गया था। पहली ट्यूब के दो अलग अलग लंबाई के प्रभाव को मनाया गया। पहली ट्यूब 0.5 मिमी की एक आंतरिक व्यास और 0.81 मिमी बाहरी व्यास के साथ स्टेनलेस स्टील से निर्मित किया गया था। पहली ट्यूब की लंबाई 5.35 और 10.40 सेमी, क्रमशः थे। विस्तार खंड है, जो पालने में शामिल किया गया था के प्रवेश के भीतरी व्यास, 0.5 मिमी था, और बाहर निकलने के भीतरी व्यास 1.25 मिमी, जो अपव्यय समाप्ति के भीतरी व्यास के समान था। विस्तार खंड के कोण 7 डिग्री था। वहाँ आदेश में आसानी anechoic समाप्ति के साथ विस्तार खंड कनेक्ट करने के लिए एक 1.25 मिमी व्यास के साथ पालने में एक छेद था। संवेदन क्षेत्र एक सीधा 0.75 मिमी छेद के माध्यम से 1.25 मिमी छेद से जुड़ा था।
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
इस शोध अनुदान सं N000141210337, डेबोरा Nalchajian और रोनाल्ड Joslin के तहत नौसेना अनुसंधान कार्यालय अमेरिका से धन के माध्यम से संभव बनाया गया था।
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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