Dr. Kenichiro Nagai - Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
“LabVIEW、NI視覺開發(fā)模塊和NI聲音與振動(dòng)測(cè)量套件為我們開發(fā)方案提供了有效的工具。所開發(fā)的系統(tǒng)能夠進(jìn)行快速設(shè)置，數(shù)據(jù)記錄，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)瀏覽。”
- Dr. Kenichiro Nagai, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
挑戰(zhàn)：
開發(fā)一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)定位飛行過(guò)程中飛機(jī)的噪聲源。
解決方案：
基于NI LabVIEW軟件搭建一個(gè)應(yīng)用程序，并使用NI PXI硬件從布置在跑道上的相位麥克風(fēng)陣列采集數(shù)據(jù)。
研究客機(jī)上的噪聲源
為了能開發(fā)出更為安靜的客機(jī)，我們必須定位所有的噪聲源，以加強(qiáng)我們對(duì)噪音生成原理的認(rèn)識(shí)。在開發(fā)一架飛機(jī)時(shí)，我們可以通過(guò)數(shù)值分析和模型測(cè)試預(yù)測(cè)噪音等級(jí)。然而，實(shí)際飛機(jī)噪音的屬性和特性只能在實(shí)際飛行測(cè)試中才能獲得。利用聲音波束成形技術(shù)來(lái)定位噪音源定位是一種有效可行的方法。波束成形是一種使用相位麥克風(fēng)陳列定位噪聲源的方法，同時(shí)能獲得噪聲源的振幅。雖然我們?cè)贘AXA項(xiàng)目上小型模型飛機(jī)的風(fēng)洞測(cè)試和飛行測(cè)試中已經(jīng)發(fā)展并改進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)，但還未曾將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際飛行的飛機(jī)中。2009年，我們擁有了一架小型Mitsubishi MU-300 Diamond商務(wù)機(jī)。2010年，我們開始在跑道上設(shè)置了相位麥克風(fēng)陳列，通過(guò)噪聲源定位測(cè)量來(lái)驗(yàn)證我們現(xiàn)有的技術(shù)，并找到可以提高的空間。
相位麥克風(fēng)陣列的測(cè)量
相位陣列包含了許多麥克風(fēng)，分布在一個(gè)大直徑的范圍上。利用噪聲源的聲波到達(dá)每個(gè)麥克風(fēng)時(shí)間的微小差別，我們可以估算出每個(gè)噪聲源的位置和強(qiáng)度。在這個(gè)測(cè)試中，我們?cè)O(shè)計(jì)了相位陣列來(lái)辨識(shí)飛行于120米高度的飛機(jī)上兩個(gè)相距4米的1kHz音頻信號(hào)。這個(gè)相控陣列包含了99個(gè)麥克風(fēng)，分布在一個(gè)直徑30米的圓形區(qū)域上。
飛行中的噪聲源定位測(cè)試必須包括飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，聲覺測(cè)量，飛機(jī)飛過(guò)相位陣列時(shí)的位置、高度和速度。因?yàn)轱w機(jī)產(chǎn)生的噪音傳輸?shù)降孛嫔消溈孙L(fēng)的過(guò)程中會(huì)被大氣削弱，因此我們還需要記錄氣象數(shù)據(jù)，例如風(fēng)向、速度、溫度和濕度
圖1：跑道上的相位陣列和線掃描攝像機(jī)
圖2：相位麥克風(fēng)陣列
圖3：線掃描攝像機(jī)
我們系統(tǒng)主要的一個(gè)特性是能對(duì)聲音和飛行參數(shù)進(jìn)行同步測(cè)量。我們將兩臺(tái)線掃描攝像機(jī)與地面上的相位陣列放置在一起，從而完成了這個(gè)測(cè)試。如圖1所示，這兩臺(tái)攝像機(jī)分別直立在飛機(jī)飛行方向的兩個(gè)側(cè)邊。攝像機(jī)能捕捉經(jīng)過(guò)飛機(jī)的同步圖像，并提供3D信息以便于我們分析飛機(jī)飛行速度和高度。另一臺(tái)電腦通過(guò)獲取的聲音數(shù)據(jù)同步進(jìn)行噪聲定位處理。這些數(shù)據(jù)會(huì)在飛機(jī)飛過(guò)相位陣列后很快進(jìn)行結(jié)合，從而將噪聲源地圖疊加顯示在飛機(jī)圖像上。
測(cè)量系統(tǒng)
我們選用了NI PXI系統(tǒng)及大量的模塊來(lái)達(dá)到緊湊系統(tǒng)的要求。我們的系統(tǒng)包含了一個(gè)嵌入式控制器和一個(gè)NI 8260， 一個(gè)4驅(qū)動(dòng)、可插入機(jī)箱型、高速數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊。LabVIEW、NI視覺開發(fā)模塊和NI聲音與振動(dòng)測(cè)量套件為我們的方案開發(fā)提供了有效的工具。我們的系統(tǒng)能進(jìn)行快速設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)瀏覽。我們將其裝載在移動(dòng)平臺(tái)上以獲得更好的便攜性。
NI PXI-4498動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊通過(guò)集成電路式壓電（IEPE）調(diào)理為麥克風(fēng)提供電能，并能夠同時(shí)采集高分辨率的數(shù)據(jù)。由于每個(gè)模塊可以處理16個(gè)通道，7個(gè)模塊可以同時(shí)對(duì)112個(gè)通道進(jìn)行采樣，并且還具備了進(jìn)一步擴(kuò)展的空間。
NI PXI-1428圖像采集模塊可以利用線掃描攝像機(jī)進(jìn)行線掃描數(shù)字成像。我們使用NI視覺開發(fā)模塊開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)⒆詣?dòng)處理這些被采集的 圖像。此外，NI PXI-6682H定時(shí)和同步模塊可以通過(guò)GPS進(jìn)行同步來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)識(shí)，并能對(duì)飛機(jī)中的噪音和地面上的噪音進(jìn)行協(xié)調(diào)處理。
圖4：我們將PXI測(cè)量系統(tǒng)放在一個(gè)平板車上，從而使得系統(tǒng)能夠更加接近麥克風(fēng)陣列。
圖5：MU-300 Diamond商務(wù)機(jī)
我們于2010年11月16日至18日在北海道大樹航空航天研究所進(jìn)行了飛行測(cè)試。MU-300商務(wù)機(jī)進(jìn)行了一系列重復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬不同飛行高度和速度下的起飛和降落，而我們則同時(shí)在地面和飛機(jī)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量工作。圖6展示了飛機(jī)在降落設(shè)置時(shí)1000Hz和2000Hz的噪聲定位圖結(jié)果。對(duì)于1000Hz噪聲，我們確定了更高振幅（紅色表示）的噪聲源是在主起落架附近，靠近襟翼的外邊緣和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的地方。對(duì)于2000Hz噪聲，我們發(fā)現(xiàn)噪聲源靠近發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，主起落架和前起落架，但不會(huì)出現(xiàn)在襟翼的外邊緣處。通過(guò)這個(gè)測(cè)試，我們展示了對(duì)飛行中飛機(jī)的多個(gè)噪聲源進(jìn)行定位的技術(shù)。
我們會(huì)繼續(xù)提高我們?cè)肼曉炊ㄎ患夹g(shù)的精確度，并開發(fā)更深入的噪聲源屬性評(píng)估，如噪聲光譜。
圖6：顯示飛機(jī)處于降落設(shè)置（放下襟翼，放下起落架，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，高度60米，飛行速度60米/秒，水平飛行）時(shí)，在1000Hz和2000Hz時(shí)的噪聲源
