وقياس الضغط متقلب السطحية باستخدام ميكروفون التحقيق عن بعد
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
تدفق السوائل فوق السطوح يؤدي عموما إلى عدم الثبات والاضطراب الذي يؤدي إلى زيادة الضغط سطح غير ثابت (USP). الصوت الناجم عن التدفق والاهتزاز وغالبا ما تكون نتيجة مباشرة لهذا الثبات. ويهيمن على الصوت المنبعث الناتجة عن مراوح التبريد، مراوح، وتوربينات الرياح من مصادر ذات علاقة USP 1. إجراء قياسات الخصائص المكانية والزمانية لجامعة جنوب المحيط الهادئ في التدفقات المضطربة بصفة عامة من أجل التنبؤ الصوت المنبعث.
وتعطى عادة للتوصيف الإحصائي من جامعة جنوب المحيط الهادئ في شكل كثافة السيارات الطيفية، وهما نقطة الكثافة عبر الأطياف، وظائف علاقة المكانية 2 و 3. واستجابة التردد المطلوب يمكن أن تختلف تبعا للتطبيق. في العديد من التطبيقات نفق الرياح، استجابة من 10 كيلو هرتز إلى 20 كيلو هرتز كافية. وغالبا ما تتطلب مستويات صغيرة من حركة مضطربة المناطق الاستشعار وأجهزة الاستشعار تباعد لتكون أقل من 1 ملم.
يكستي وقد أجريت دراسات تجريبية nsive من أجل الحصول على تقلبات الضغط الناجم عن الاضطراب. يستخدم الأسلوب المباشر أجهزة الاستشعار المدمجة تدفق محمولة. هذه الطريقة غالبا ما يستخدم صفائف كبيرة من الميكروفونات، لأن كل جهاز استشعار يمكن قياس فقط تذبذب ضغط في مرحلة منفصلة واحدة. أجهزة الاستشعار التقليدية المستخدمة في هذه الطريقة هي محولات كهرضغطية، التي اقترحتها Gautschi 4. صفائف من أجهزة الاستشعار كهرضغطية يمكن أن تكون مكلفة، ومدى التردد القياس في كثير من الأحيان أقل من 10 كيلو هرتز.
وغالبا ما تستخدم مكبرات الصوت المثبتة على السطح مباشرة في أجهزة الاستشعار USP غير مكلفة 5. الميكروفونات حساسية عالية، وهو فائدة كبيرة للتدفقات منخفضة السرعة. ومع ذلك، وهذا يؤدي أيضا إلى خطر استشعار التشبع عندما تقلبات سعة كبيرة في ضغط موجودة. هذه الطريقة ليست مناسبة للأسطح مع انحناءات كبيرة، ثغرات، أو هندستها التي هي رقيقة جدا لاحتواء استشعار كامل.
<p class= "jove_content"> هناك طريقة غير مباشرة للحصول على كل من المعلومات الطيفية والمكانية هو استخدام أغشية رقيقة مطاردة محمولة على سطح 6. يتم قياس حركات الاهتزاز زمنية والتي تعتمد على الفضاء وتحويلها بعد ذلك إلى السطح إحصاءات الضغط باستخدام الخواص الميكانيكية المعروفة من الغشاء. هذا الأسلوب يتطلب التصميم الدقيق والتنفيذ، ومعايرة دقيقة من الاستجابة الديناميكية الغشاء ل. بالإضافة إلى ذلك، ومعدات قياس الاهتزاز، مثل تهتز دوبلر الليزر، وغالية الثمن. وأخيرا، يمكن تطبيق هذه الطريقة فقط على الأسطح المسطحة.حساسة للضغط الطلاء (PSP) هو أسلوب آخر والتي يمكن استخدامها لقياس ضغط سطح غير ثابت. تتطلب هذه التقنية على الأسطح لتكون مغلفة في الموثق البوليمر شفافة، والذي يسبب جزيئات في أن يكون متحمس لحالة أعلى من الطاقة كما هي مضيئة من قبل ضوء طول موجي معين. كما الجزيئات تخضع لتبريد الأكسجين والطاقة هي إعادةالمؤجرة كما ضوء بمعدل يتناسب مع ضغط الأكسجين الجزئي، مما أدى إلى التألق الذي يتناسب عكسيا مع الضغط السطحي 7. العيب الرئيسي لأساليب PSP هو حساسية منخفضة نسبيا القياس بالمقارنة مع الميكروفونات. وهذا يحد من تطبيق PSP لنسبيا تدفقات عالية السرعة.
يصف هذا البلاغ وسيلة لجامعة جنوب المحيط الهادئ الذي يستخدم مسبار ميكروفون بعيد (RMP). وقد وصفت هذه الطريقة لأول مرة انجلند وريتشاردز (8). يستخدم مفهوم ميكروفون مصغر القياسية التي تتصل ضغط سطح الصنبور مع أنبوب مجوف. فإن الضغط غير مستقرة على سطح نموذج السفر إلى الأنبوب في شكل موجات الصوت. أعمال أنابيب بأنه "موجة دليل" للسماح للميكروفون، التي شنت عموديا على الأنابيب، لقياس الموجات الصوتية. ثم تستمر موجات إلى أنبوب آخر هو طويل بما فيه الكفاية للقضاء على نطاق واسع، السعة ص الصوتيةeflections.
انجلند وريتشاردز تطبيق النهج التحليلي الذي حدده بيرغ وTijdeman 9 لتحديد الاستجابة الديناميكية من الشرطة العسكرية الملكية. Perrenes وروجر 10 تستخدم في الشرطة العسكرية الملكية لقياس ضغط السطح على الجنيح ثنائي الأبعاد مع أجهزة رفع عالية. أنها وضعت التحقيق مع 0.5 ملم الأنابيب الشعرية قطر على السطح الذي كان متصلا إلى أنبوب جامدة 27 سم طويلة التي توسعت من 0.7 ملم إلى 2.5 ملم عبر تغييرين خطوة منفصلة. تسبب كل تغيير خطوة تغيير كبير نسبيا في مقاومة الصوتية من الأنبوب. لوكليرك وBohineust 11 درس مجال الضغط الجدار أسفل طبقة الحدود المضطربة. واستخدم الباحثون RMP ثابت قطر، على النحو الذي اقترحه FRANZONI وإليوت 12. ومع ذلك، كانت استجابة ديناميكية عالية بما فيه الكفاية إلا في نطاق تردد محدود. Arguillat وآخرون. 13 صممت الشرطة العسكرية الملكية لدراسة الضوضاء التي تنتقل إلى داخل مقصورة السيارة. واختبر الباحثونأنابيب مختلفة لإجراء تذبذب الضغط على الميكروفونات. يانغ وآخرون. 14 تصحيح لتشويه الأنابيب باستخدام نهج وظيفة نقل أنابيب مشابهة للطريقة التي أدخلت في هذا التقرير. هوارو وآخرون. 15 درس الجدار الضغط أثر الخارجة من المنطقة المنفصلة. وكانت خطة إدارة المبردات التي صمموا بأقطار داخلية ثابتة، وكان الأنبوب بالكامل لغير جامدة.
ووفقا للدراسات السابقة، ودقة قياسات الضغط سطح تم الحصول عليها باستخدام خطط إدارة غازات التبريد تعتمد أساسا على تحديد وظيفة النقل التي تعتمد على وتيرة التحقيق الذي يربط ضغط السطح إلى الضغط الميكروفون. سوف الأقسام التالية تصف على هندسة هذه الخطط على حد سواء بسيطة وفعالة. وسيتم عرض الطرق التجريبية والتحليلية والتحقق من صحتها من أجل تحديد دقيق للاستجابة ديناميكية من الشرطة العسكرية الملكية. نموذج تحليلي يسمح لRMP أن تكون سptimized في مرحلة التصميم لمجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة.
خطط إدارة غازات التبريد يمكن استخدامها لقياس تقلبات الضغط على نطاق واسع من الترددات. القرار مكانية عالية نسبيا يمكن أن تقدم معلومات مفصلة عن خصائص الحقل الضغط متقلب توزيعها مكانيا-16. كما مسبار صغير، خطط إدارة غازات التبريد يمكن استخدامها لقياس تقلبات الضغط على هندستها معقدة، مثل التقوسات كبيرة أو تباعد محدود 17. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للأنبوب يربط بين الصنبور السطحية وأجهزة الاستشعار ميكروفون يقلل من حجم تذبذب الضغط الناجم في الميكروفون. وهكذا، تصميم مناسب من الشرطة العسكرية الملكية استشعار الهندسة والمعلمات غلة طريقة للحصول على الخصائص جامعة جنوب المحيط الهادئ التي هي إلى حد كبير أقل تقييدا بالمقارنة مع طرد لتركيب الميكروفون مباشرة إلى سطح النموذج.
ويرد هيكل الهيكل العام RMPThe من الشرطة العسكرية الملكية في الشكل 1 </stronز>. تتألف RMP من أنبوب واحد مما يؤدي من سطح النموذج لقسم التوسع وأنبوب الثاني يمتد من باب التوسع إلى "مهد". أنبوب ثالث ثم يتم توصيل ليكون بمثابة إنهاء كاتمة للصدى. مهد هو أحد مكونات البلاستيك تشكيله تستخدم للسكن الميكروفون والاتصالات أنبوب. تفاصيل هيكل RMP يمكن تعديلها لظروف تجريبية مختلفة. الغرض من الثاني، أنبوب قطره أكبر هو السماح للميكروفون ضخمة نسبيا، ومهد لتوضع مزيد من وجهة قياس جامعة جنوب المحيط الهادئ دون الحد بشكل كبير من حساسية القياس. هذا الأنبوب الثاني يمكن القضاء إذا كان ليس من الضروري، وقسم التوسع يمكن أن يبنى في المهد. وجاء إنهاء كاتمة للصدى من البلاستيك اللين الذي كان ما يقرب من 2 إلى 3 أمتار في الطول.
لهذه التظاهرة، وكان محسن تصميم RMP لقياس تقلبات ضغط السطح تحت TURBulent الطبقة الحدودية دون التدرج الضغط streamwise، كما هو مبين في الشكل (2). وقد تم التخلص من الأنبوب الثاني. وقد لوحظت آثار اثنين من أطوال مختلفة من الأنبوب الأول. تم بناء الأنبوب الأول من الفولاذ المقاوم للصدأ مع قطرها الداخلي 0.5 ملم وقطرها الخارجي من 0.81 ملم. وكانت أطوال الأنبوب الأول 5.35 و10.40 سم، على التوالي. والقطر الداخلي للمدخل من قسم التوسع، والتي تأسست في المهد، وكان 0.5 ملم، وكان القطر الداخلي للخروج 1.25 ملم، والتي كانت متطابقه إلى القطر الداخلي للإنهاء تبديد. وكانت زاوية من قسم توسع 7 °. كان هناك ثقب في المهد بقطر 1.25 ملم من أجل ربط بسلاسة قسم التوسع مع انتهاء كاتمة للصدى. كان متصلا منطقة الاستشعار لثقب 1.25 مم من خلال عمودي حفرة 0.75 مم.
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
وقدم هذا البحث من الممكن بتمويل من مكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية في إطار منحة رقم N000141210337، ديبورا Nalchajian ورونالد جوسلين.
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. |
References
- Blake, W. K. . Mechanics of Flow-induced sound and vibration. , (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. , (2002).
- Blake, W. K. . A statistical description of pressure and velocity fields at the trailing edges of a flat strut. , (1975).
- Huettenbrink, K. B. . Lasers in Otorhinolaryngology. , (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. , (1965).
- Perennes, S., Roger, M. Aerodynamic noise of a two-dimensional wing with high-lift devices. , (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., Bailly, C. Measurements of the wavenumber-frequency spectrum of wall pressure fluctuations under turbulent flows. 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 (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), (2015).
- Probsting, S., Gupta, A., Scarano, F., Guan, Y., Morris, S. C. Tomographic PIV for Beveled Trailing Edge Aeroacoustics. , (2014).
- Wong, G. . Microphones and Their Calibration. Springer Handbook of Acoustics. , (2007).
- Bendat, J. S., Piersol, A. G. . Random data: analysis and measurement procedures. , (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. , (1949).
