Dr. Kenichiro Nagai - Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
“LabVIEW、NI視覺開發(fā)模塊和NI聲音與振動測量套件為我們開發(fā)方案提供了有效的工具。所開發(fā)的系統(tǒng)能夠進行快速設(shè)置，數(shù)據(jù)記錄，實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)瀏覽。”
- Dr. Kenichiro Nagai, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
挑戰(zhàn)：
開發(fā)一個測量系統(tǒng)來定位飛行過程中飛機的噪聲源。
解決方案：
基于NI LabVIEW軟件搭建一個應(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)。
研究客機上的噪聲源
為了能開發(fā)出更為安靜的客機，我們必須定位所有的噪聲源，以加強我們對噪音生成原理的認識。在開發(fā)一架飛機時，我們可以通過數(shù)值分析和模型測試預(yù)測噪音等級。然而，實際飛機噪音的屬性和特性只能在實際飛行測試中才能獲得。利用聲音波束成形技術(shù)來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，同時能獲得噪聲源的振幅。雖然我們在JAXA項目上小型模型飛機的風(fēng)洞測試和飛行測試中已經(jīng)發(fā)展并改進了這項技術(shù)，但還未曾將這項技術(shù)應(yīng)用于實際飛行的飛機中。2009年，我們擁有了一架小型Mitsubishi MU-300 Diamond商務(wù)機。2010年，我們開始在跑道上設(shè)置了相位麥克風(fēng)陳列，通過噪聲源定位測量來驗證我們現(xiàn)有的技術(shù)，并找到可以提高的空間。
相位麥克風(fēng)陣列的測量
相位陣列包含了許多麥克風(fēng)，分布在一個大直徑的范圍上。利用噪聲源的聲波到達每個麥克風(fēng)時間的微小差別，我們可以估算出每個噪聲源的位置和強度。在這個測試中，我們設(shè)計了相位陣列來辨識飛行于120米高度的飛機上兩個相距4米的1kHz音頻信號。這個相控陣列包含了99個麥克風(fēng)，分布在一個直徑30米的圓形區(qū)域上。
飛行中的噪聲源定位測試必須包括飛機發(fā)動機狀態(tài)，聲覺測量，飛機飛過相位陣列時的位置、高度和速度。因為飛機產(chǎn)生的噪音傳輸?shù)降孛嫔消溈孙L(fēng)的過程中會被大氣削弱，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
圖2：相位麥克風(fēng)陣列
圖3：線掃描攝像機
我們系統(tǒng)主要的一個特性是能對聲音和飛行參數(shù)進行同步測量。我們將兩臺線掃描攝像機與地面上的相位陣列放置在一起，從而完成了這個測試。如圖1所示，這兩臺攝像機分別直立在飛機飛行方向的兩個側(cè)邊。攝像機能捕捉經(jīng)過飛機的同步圖像，并提供3D信息以便于我們分析飛機飛行速度和高度。另一臺電腦通過獲取的聲音數(shù)據(jù)同步進行噪聲定位處理。這些數(shù)據(jù)會在飛機飛過相位陣列后很快進行結(jié)合，從而將噪聲源地圖疊加顯示在飛機圖像上。
測量系統(tǒng)
我們選用了NI PXI系統(tǒng)及大量的模塊來達到緊湊系統(tǒng)的要求。我們的系統(tǒng)包含了一個嵌入式控制器和一個NI 8260， 一個4驅(qū)動、可插入機箱型、高速數(shù)據(jù)儲存模塊。LabVIEW、NI視覺開發(fā)模塊和NI聲音與振動測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)能進行快速設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄、實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)瀏覽。我們將其裝載在移動平臺上以獲得更好的便攜性。
NI PXI-4498動態(tài)信號采集模塊通過集成電路式壓電（IEPE）調(diào)理為麥克風(fēng)提供電能，并能夠同時采集高分辨率的數(shù)據(jù)。由于每個模塊可以處理16個通道，7個模塊可以同時對112個通道進行采樣，并且還具備了進一步擴展的空間。
NI PXI-1428圖像采集模塊可以利用線掃描攝像機進行線掃描數(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詣犹幚磉@些被采集的 圖像。此外，NI PXI-6682H定時和同步模塊可以通過GPS進行同步來對數(shù)據(jù)進行時間標識，并能對飛機中的噪音和地面上的噪音進行協(xié)調(diào)處理。
圖4：我們將PXI測量系統(tǒng)放在一個平板車上，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
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行了飛行測試。MU-300商務(wù)機進行了一系列重復(fù)實驗來模擬不同飛行高度和速度下的起飛和降落，而我們則同時在地面和飛機內(nèi)進行測量工作。圖6展示了飛機在降落設(shè)置時1000Hz和2000Hz的噪聲定位圖結(jié)果。對于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)動機噴管的地方。對于2000Hz噪聲，我們發(fā)現(xiàn)噪聲源靠近發(fā)動機噴管，主起落架和前起落架，但不會出現(xiàn)在襟翼的外邊緣處。通過這個測試，我們展示了對飛行中飛機的多個噪聲源進行定位的技術(shù)。
我們會繼續(xù)提高我們噪聲源定位技術(shù)的精確度，并開發(fā)更深入的噪聲源屬性評估，如噪聲光譜。
圖6：顯示飛機處于降落設(shè)置（放下襟翼，放下起落架，發(fā)動機怠速，高度60米，飛行速度60米/秒，水平飛行）時，在1000Hz和2000Hz時的噪聲源
