3.2.1 Acústicos
O sistema de aquisição de dados acústicos é baseado no hardware da National Ins-
truments. Os sinais são adquiridos pelo chassi PXI-1042Q, que possui 8 slots nos quais
são alocadas as placas de aquisição PXI-4496 e PXI-4498. Cada placa possui 16 canais analógicos de 24 bits, operando com faixa dinâmica de 114 [dB], taxa de amostragem de 204,8 [kS/s] por canal (1 [kS/s] = 1000 amostras por segundo), equipados com Ąltro
anti-aliasing. Sua corrente de polarização é de 4 [mA] IEPE (Integrated Electronic Pi- ezoelectric) e podem efetuar leitura de TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) para
microfones e acelerômetros, (NATIONAL INSTRUMENTS CORPORATION, 2012). Os TEDS são sistemas integrados aos microfones que, por exemplo, armazenam informações técnicas do sensor, tais como o número de série e a sensibilidade. A interface PXI-PCI8336 é responsável pela transmissão de dados, por Ąbra ótica, entre o chassi PXI-1042Q e o supercomputador/controlador PXI-8351. A máxima taxa de transmissão do PXI-PCI8336 é de 132 [MB/s], sendo 78 [MB/s] sustentáveis, (NATIONAL INSTRUMENTS CORPORATION, 2010). O controlador PXI-8353 é equipado com processador Intel Core 2 Quad Q6600 de 2.4 [GHz], 4 [GB] de memória RAM e quatro discos rígidos SATA II HD com 250 [GB] de capacidade de armazenamento cada, (NATIONAL INSTRUMENTS CORPORATION, 2007). A Fig. 13 exibe o chassi PXI-1042Q e a placa de aquisição de dados PXI-4498.
(a)
(b)
Figura 13: Hardware da National Instruments. (a) PXI-1042Q e (b) PXI-4498. Figuras obtidas do catálogo do fabricante.
O software de aquisição de dados, DAQ, é baseado na plataforma da National Instru-
ments e foi desenvolvido pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC ), especi-
almente para medições aeroacústicas em túneis de vento ou em ensaios em voo. Neste software é possível selecionar a quantidade de microfones utilizados no ensaio, a sensibili- dade de cada microfone, o formato de saída do arquivo de dados adquiridos (para este trabalho os dados são salvos como arquivos binários), o tempo de aquisição de dados, a taxa de amostragem, entre outros parâmetros. O arquivo de saída contém todas estas
54 Capítulo 3. Metodologia Experimental
informações escolhidas no software em um cabeçalho e a série temporal de cada um dos microfones selecionados na ordem de entrada dos canais de aquisição de dados. Os sinais medidos são convertidos, através do fator de sensibilidade dos microfones, de tensão, [mV], para pressão, [Pa]. A sensibilidade de cada microfone é obtida a partir da calibração destes.
Para o mapeamento de fontes acústicas a partir de técnicas de beamforming, faz-se necessário a utilização de uma antena (array), com a qual é efetuada a medição de amostras discretas em um campo de ondas acústicas. A antena utilizada foi projetada possuindo uma geometria do tipo espiral logarítmica com múltiplos braços, (FONSECA et al., 2010). Sua abertura diametral é de 850 [mm], possuindo 62 microfones distribuídos ao longo de nove braços e sua geometria é otimizada de forma a evitar ao máximo o fenômeno de
aliasing espacial (que ocorre quando o comprimento da onda acústica incidente é menor
ou igual ao espaçamento regular entre dois microfones da antena). O aliasing espacial é um dos fenômenos responsáveis pelo surgimento de lóbulos laterais (imagens fantasma decorrentes de radiação em direções indesejadas). Devido à este fenômeno, a máxima frequência a qual é possível ser analisada é dada por
��á�= �/� (3)
em que ��á� é a frequência máxima, � é a velocidade do som e � é o espaçamento entre
dois sensores. Para a atenuar este fenômeno, a antena foi projetada de forma a eliminar repetições entre os espaçamentos de quaisquer sensores.
A resposta da antena, Fig. 14(a) a uma fonte pontual de amplitude unitária (point
spread function - psf ), pode ser utilizada para avaliar a performance da antena, na qual
é veriĄcada a distribuição discreta de níveis de pressão sonora associadas à esta fonte pontual em um plano situado a uma determinada distância da antena. Como a abertura da antena é Ąnita e a amostragem espacial das frentes de onda é discreta, seu padrão de resposta mostra um lóbulo principal bem deĄnido e alargado, e diversos lóbulos laterais distribuídos irregularmente. Este padrão de resposta depende exclusivamente da abertura e da geometria da antena. A largura do lóbulo principal fornecida pela resposta da antena à psf à 3 [dB] abaixo de seu valor de pico é conhecida como beamwidth, curva de linha contínua na Fig. 14(b). A faixa dinâmica da antena, curva de linha pontilhada na Fig. 14(b), é deĄnida pela diferença entre os picos do lóbulo principal e do lóbulo lateral de maior pico. Ambos, beamwidth e faixa dinâmica, são curvas tidas como função da frequência e são parâmetros que permitem avaliar as características da antena.
A Fig. 15 apresenta a reposta da antena à psf localizada em seu centro num plano distante de 850 [mm] e faixa dinâmica de 20 [dB]. Nota-se nas Figs. 15(a) e 15(d) os conceitos utilizados para obtenção das curvas de beamwidth e faixa dinâmica anteriormente expostos.
S p a n w is e D ir ec ti o n [m ] Streamwise Direction [m] −0.5 0 0.5 −0.5 0 0.5 (a) Frequency [Hz] B ea m w id th [m ] #104 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 0.2 0.4 0 .6 0.8 1 5 10 15 20 25 30 D y n a m ic R a n g e [d B ] Beamwidth Dynamic Range (b)
Figura 14: Antena. (a) Geometria e (b) curvas características da antena para uma faixa de frequência compreendida entre 500 [Hz] e 18 [kHz]: beamwidth e faixa dinâmica.
-1 0 1 -1 0 1 -12 -10 -8 -6 -4 -2 [d B ] 3 33 3 [[[[dddBdBBB]]]] (a) -1 0 1 -1 0 1 -20 -15 -10 -5 [d B ] (b) -1 0 1 -1 0 1 -20 -15 -10 -5 0 [d B ] (c) -1 0 1 -1 0 1 -15 -10 -5 0 [d B ] F F F Faaaaiiiixxxxaaaa D D D Diiiinnnânâââmmmmiiiiccccaaaa (d) -1 0 1 -1 0 1 -20 -15 -10 -5 0 [d B ] (e) -1 0 1 -1 0 1 -20 -15 -10 -5 0 [d B ] (f)
Figura 15: Características da antena. point spread function (psf ) para o centro da antena num plano localizado à 850 [mm] da antena. Faixa dinâmica de 20 [dB/Hz]. Frequências: (a) 500 [Hz], (b) 1000 [Hz], (c) 2000 [Hz], (d) 4000 [Hz], (e) 8000 [Hz] e (f) 16000 [Hz].
Nota-se na Fig. 14(b) que o beamwidth é cerca de 870 [mm] para a frequência de 500 [Hz] e de 2 [mm] para a frequência de 18 [kHz], sendo que a curva se aproxima de um decaimento exponencial, podendo ser reduzida na forma
�� ≡ ���������.�.�� (4)
56 Capítulo 3. Metodologia Experimental
(no qual o beamwidth é medido), � é a frequência e � é a abertura diametral da antena. Considera-se esta antena adequada aos propósitos deste trabalho desde que utilizados algoritmos de deconvolução, tal como o DAMAS, devido ao beamwidth ser elevado para baixas frequências.
Os microfones da antena são de 1
4 [pol] do tipo 46BD fabricados pela G.R.A.S. Sound
and Vibration. Estes microfones possuem uma faixa de frequência usual de até 70 [kHz],
faixa dinâmica em torno de 168 [dB], com pré-ampliĄcadores integrados e transdutores que permitem com que cada microfone possa ser programado individualmente, (G.R.A.S SOUND AND VIBRATION, 2014). Os microfones 46BD requerem uma fonte de alimentação de corrente constante ou qualquer outra fonte compatível com os pré-ampliĄcadores. Na antena, estão instalados sem o grid de proteção padrão e são montados em um painel de MDF com 18 [mm] de espessura, estando sujeitos ao ruído hidrodinâmico induzido pela instabilidade da camada limite da parede do túnel. A Fig. 16 mostra o microfone
G.R.A.S. 46BD.
Figura 16: Microfone G.R.A.S. 46BD.
A Fig. 17(a) expõe a vista posterior da antena, na qual é possível visualizar o cabeamento dos microfones. Estes cabos estão conectados às placas de aquisição PXI-4496 e PXI-4498, por sua vez acopladas ao chassi PXI-1042Q, sendo que este possui uma placa de comunicação e transmissão de dados PXI-PCI8336 para o supercomputador PXI-8351. No supercomputador, o software de aquisição de dados DAQ é utilizado para controle do ensaio. Na Fig. 17(b) observa-se o cabeamento vindo da antena conectado às placas de aquisição.
3.2.2 Pressão
Os módulos de medição e escaneamento de pressão são provenientes da Scanivalve
Corporation, modelo ZOC33, sendo utilizados para medição eletrônica de pressão (con-
vertendo entradas pneumáticas em sinais eletrônicos), e projetados especiĄcamente para a utilização em túneis de vento e ensaios em voo, nas quais as condições operacionais envolvam espaço restrito e pressões que não excedam 50 [psi]. Os escâneres de pressão são divididos em blocos de 8 sensores independentes, cada um com sua válvula de calibração individual, e é permitida a substituição de cada bloco se necessário. O módulo exige uma fonte de alimentação de ∘15 [Vdc] e sua taxa de aquisição é de 45 [kHz]. As válvulas de calibração possuem quatro modos de operação Ű operate, calibrate, purge e leak test Ű
(a) C C C Caaaabbbbeeeeaamaammmeeeennnnttttoooo p pp
prrrroovoovviiiinvnnnddddoo doo ddadaaa aaaannnntttteeeennannaaa PPPPXXXXIIII----1101100044442222QQQQ
(b)
Figura 17: Sistema de aquisição de dados acústicos. (a) Vista posterior da antena e (b)
PXI-1042Q com o cabeamento provindo da antena.
selecionados pela aplicação de pressões de controle em uma predeterminada ordem lógica. Os módulos ZOC33 operam em conjunto com o módulo de controle de pressão DSM contendo três válvulas solenoides para efetuar o controle, sendo o módulo alimentado por um compressor de ar. A comunicação com um computador, via ethernet, é realizada com o software de aquisição de dados DSM Link, responsável pelo controle do módulo DSM. Maiores informações podem ser encontradas nos manuais do fabricante, (SCANIVALVE CORP., 2010) e (SCANIVALVE CORP., 1999). A Fig. 18 mostra o escâner de pressão e o módulo de controle.
(a)
(b)
Figura 18: Sistema de medição de pressão. (a) Módulo de medição, ZOC33 e (b) módulo de controle, DSM. Figuras obtidas do catálogo do fabricante.
As tomadas de pressão estão dispostas na superfície dos elementos do modelo MDA
30P30N, conectadas por meio de tubos em 2 escâneres de pressão ZOC33, um contendo
58 Capítulo 3. Metodologia Experimental
é dividido em dois slots, � e �, cada um contendo 64 canais. Os tubos são numerados, de acordo com a tomada de pressão conectada a eles, e dispostos dentro dos elementos do modelo MDA 30P30N, possuindo extensão o suĄciente para percorrerem os elementos, por meio de canais existentes em suas estruturas internas, e serem conectados aos escâneres de pressão por fora do túnel de vento, estando os escâneres posicionados no teto da câmara de ensaios. Existem ainda as tomadas de controle (CAL CTL), pressão total (PxA 64 dos dois escâneres de pressão e PxB 64 do escâner de pressão com 64 canais) e pressão estática (R). A tomada de controle (CAL CTL), bem como as tomadas dos slots (PxA
CTL e PxB CTL), são conectadas ao módulo DSM para permitir o controle e operação dos
sensores. Para operar o slot A dos escâneres de pressão, as tomadas de controle CAL CTL e a tomada PxB CTL são pressurizadas. Para operar o slot B dos escâneres, as tomadas de controle CAL CTL e PxA CTL são pressurizadas. Caso o objetivo seja calibrar os escâneres, ou seja, zerar a pressão nas tomadas, os controles PxA CTL e PxB CTL são pressurizados. Todo esse processo é realizado via software DSM Link. O arquivo de saída do software de aquisição de dados de pressão fornece o coeĄciente de pressão, ��, das
tomadas medidas. Este arquivo é então carregado em um código escrito em Matlab, que objetiva plotar os gráĄcos de distribuição de pressão ao longo das cordas dos elementos (eslate, principal e Ćape), e da envergadura do elemento principal (tomadas próximas aos
bordos de ataque e de fuga do extradorso).
O coeĄciente de pressão pode ser deĄnido como a diferença entre as pressões estáticas local (no ponto de tomada de pressão), e de escoamento livre, divididas pela pressão dinâmica do escoamento livre
�� = ����,�����⊗ ����,∞ ����,∞ = ����,�����⊗ ����,∞ ������,∞⊗ ����,∞ (5) A pressão estática local, ����,�����, é fornecida pelas tomadas de pressão PxA e PxB dos
escâneres de pressão, conectadas ao longo dos elementos; a pressão estática do escoamento livre, ����,∞, é fornecida pela tomada R dos escâneres de pressão; e a pressão dinâmica, ����,∞, é obtida indiretamente, subtraindo-se a pressão total do escoamento livre (tomadas
PxA 64 e PxB 64 ), ������,∞, da pressão estática do escoamento livre. As pressões referentes
ao escoamento livre são adquiridas por medição em um tubo de Pitot, localizado a montante do modelo na câmara de ensaios.
A Fig. 19 apresenta os escâneres de pressão de 128 e 64 tomadas de pressão e a vista superior do túnel de vento, por cima da câmara de ensaios, na qual observa-se a saída das tomadas de pressão provindas do modelo por meio dos tubos e suas conexões com os escâneres de pressão, além da tubulação de sucção da turntable superior.
As medições aerodinâmicas são importantes em ensaios aeroacústicos, pois permitem associar os níveis de emissão de ruído do modelo ao seu desempenho aerodinâmico para cada conĄguração (ângulo de ataque, velocidade, presença ou não de selo, posição do selo e etc.), tal como a sustentação gerada, e aplicar leis de escala e adimensionalização dos
(a)
(b)
E E E
Essssccccâââânnnneeeerrrreeeessss ddddeeee p p p prrrreeeessssssssããããoooo M M M Maaaannngngugguuueeeeiiiirrrraaaa ddddeeee ssssuuuuccccççççããããoooo
(c)
Figura 19: Escâneres de pressão. (a) ZOC33 com 128 tomadas, (b) ZOC33 com 64 tomadas e (c) vista superior da câmara de ensaios.
parâmetros, permitindo uma melhor compreensão da física envolvida na geração de ruído aerodinâmico.
3.2.3 Demais Sistemas
Do lado de fora da seção de ensaios do túnel há um barômetro de mercúrio para medição da pressão atmosférica, assim como um termômetro de mercúrio para medição da temperatura ambiente. Na seção de ensaios existe um tubo de Pitot conectado a dois manômetros digitais DP-CALC Micromanometer 8705 (que possuem um módulo de calibração/zero acoplado), permitindo a medição da pressão estática e da pressão dinâmica dentro da seção, assim como um termômetro para obtenção da temperatura interna na seção. Dessa maneira é possível obter a velocidade do escoamento na seção de ensaios e a massa especíĄca do ar dentro e fora da seção de ensaios. Também são calculados a velocidade do som na câmara de ensaios, o número de Mach, o número de Reynolds e a viscosidade do ar. A Fig. 20 apresenta o termômetro e o barômetro de mercúrio (para medição de dados atmosféricos), o display do termômetro que está localizado internamente à câmara de ensaios e o manômetro digital para obtenção das pressões provenientes do tubo de Pitot.
A velocidade do escoamento é controlada pela frequência fornecida ao inversor de frequência do ventilador do túnel. É provisionada uma determinada frequência ao ventilador e são medidas as pressões estática, dinâmica e atmosférica, além das temperaturas na seção de testes e atmosférica. De posse destas medições, calcula-se a velocidade do escoamento,
�∞, como �∞= ︃ 2.����,∞ �∞ (6)
60 Capítulo 3. Metodologia Experimental
(a) (b)
(c)
(d)
Figura 20: Sistemas de medição. (a) Termômetro de mercúrio, (b) barômetro de mercúrio, (c) termômetro digital e (d) manômetro digital.
onde ����,∞ é a pressão dinâmica e �∞ é a densidade do escoamento livre dentro da seção
de testes do túnel de vento. Parte-se da hipótese de que o escoamento (ar) comporta-se como gás ideal e, portanto, obedece a lei dos gases ideais.