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  • 使用LabVIEW和PXI定位飛行過程中飛機的噪聲源
    美國NI儀器公司
          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(jìn)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(rèn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)行采樣,并且還具備了進(jìn)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(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(jìn)行同步來對數(shù)據(jù)進(jìn)行時間標(biāo)識,并能對飛機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(jìn)行了飛行測試。MU-300商務(wù)機進(jìn)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(jìn)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(jìn)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
     
     
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