LabVIEW​と​PXI​で​飛行​中​の​航空機​の​ノイズ​音源​を​特定

「LabVIEW、​NI Vision Development (Vision​開発) モジュール、​NI Sound and Vibration Measurement Suite​は、​ソリューション​を​開発​する​ため​の​効果​的​な​ツール​を​提供​し​てく​れ​ま​した。​この​システム​では、​迅速​な​セットアップ、​データ​ロギング、​リアルタイム​監視、​および​データ​確認​を​実行​しま​した」

―​宇宙​航空​研究​開発​機構​(JAXA) 永井​健一郎​(Dr.)

課題:

飛行​中​の​航空機​の​騒音​音源​探査​を​行う​計測​システム​の​開発。 ​

ソリューション:

NI PXI​ハードウェア​を​使用​し​て​滑走​路上​の​位相​マイクロホン​アレイ​から​データ​を​取得​する​NI LabVIEW​ソフトウェア​に​基づく​アプリケーション​の​構築。 ​

旅客機​の​騒音​音源​の​調査

より​静か​な​旅客機​を​開発​する​に​は、​全て​の​騒音​音源​を​特定​し​て、​騒音​が​発生​する​メカニズム​を​より​よく​理解​する​必要​が​あり​ます。​航空機​の​設計​中​に、​数字​による​解析​と​モデル​テスト​で​騒音​レベル​を​予測​する​こと​が​でき​ます。​しかし、​実際​の​航空機​の​騒音​の​特性​は、​実際​の​飛行​テスト​によって​のみ​取得​でき​ます。​音響​ビーム​形成​を​使用​した​騒音​音源​の​特定​は、​この​目的​に​最適​な​方法​です。​ビーム​形成​と​は、​位相​マイクロホン​アレイ​を​使用​し​て​騒音​音源​を​マッピング​し、​振幅​を​表示​する​方法​です。​JAXA​では、​小規模​な​モデル​航空機​を​使用​し、​風洞​テスト​および​飛行​テスト​の​両方​を​駆使​し​て、​この​技術​を​開発・​改善​してき​ま​した​が、​実際​に​飛行​中​の​航空機​に​この​方法​を​適用​した​こと​は​ありま​せん​で​した。​2009​年、​私​たち​は​三菱​MU-300​ダイヤモンド​の​小型​ビジネス​ジェット機​を​手​に​入れ​ま​した。​2010​年、​滑走​路​に​位相​マイクロホン​アレイ​を​セットアップ​し​て、​騒音​音源​探査​計測​の​実施​を​開始​しま​した。​これ​によって、​現在​の​技術​を​検証​し、​改善​する​べ​き​領域​を​見極める​ため​です。

 

位相​マイクロホン​アレイ​計測

位相​アレイ​は、​大きな​直径​に​分散​さ​れ​た​多数​の​マイクロホン​から​構成​さ​れ​ます。​騒音​音源​から​放射​さ​れ​た​音波​が​各​マイクロホン​に​到達​する​まで​の​わずか​な​時間​差​を​利用​し​て、​各​騒音​源​の​位置​と​強​さ​を​推定​でき​ます。​この​テスト​では、​高度​120 m​で​飛行​する​航空機​で​4 m​の​距離​に​ある​2​つ​の​分離​した​1 kHz トーン​を​区別​する​よう​に​位相​アレイ​を​設計​しま​した。​直径​30 m​の円形領域に配置された​99​個​の​マイクロホン​から​なる​アレイ​を​設計​しま​した。

 

飛行​中​の​騒音​音源​探査​テスト​に​は、​ジェット​エンジン​の​状態、​音響​計測、​そして、​位相​アレイ​の​上​を​飛行​する​際​の​航空機​の​位置、​高度、​および​速度​を​含める​必要​が​あり​ます。​また、​航空機​から​発生​した​騒音​は​地上​の​マイクロホン​に​到達​する​前​に​大気​によって​減衰​さ​れる​ため、​風向​と​風速、​温度、​湿度​など​の​気象​データ​も​記録​し​ます。

 

この​システム​の​重要​な​機能​は、​音響​と​飛行​パラメータ​の​同時​計測​です。​これ​に​は、​位相​アレイ​とともに​地上​に​配置​した​2​台​の​ライン​スキャン​カメラ​を​使用​し​ます。​これら​2​台​の​カメラ​は​図​1​に​示​さ​れ​た​とおり、​直立​状態​で、​飛行​方向​と​横​方向​の​両方​に​調整​さ​れ​て​配置​さ​れ​ます。​カメラ​は、​通過​する​航空機​の​同期​画像​を​キャプチャ​し​て、​3D​情報​を​提供​し​ます。​これ​によって、​航空機​の​飛行​速度​および​飛行​高度​を​解析​する​こと​が​でき​ます。​この​騒音​音源​探査​の​プロセス​は、​別​の​コンピュータ​で​音響​データ​を​集録​する​の​と同時に​実行​さ​れ​ます。​このデータは位相アレイの上を航空機が飛行した直後に結合されて、​航空機​画像​に​重ね​た​騒音​音源​マップ​として​可視​化​さ​れ​ます。

 

測定​システム

私​たち​は、​コンパクト​な​システム​の​要件​を​満たす​ため​に、​さまざま​な​モジュール​を​備え​た​NI PXI​システムを​選択​しま​した。​この​システム​に​は、​組​込​コントローラ​と​NI 8260(4​ドライブ、​イン​シャー​シ、​高速​データ​ストレージ​モジュール)​が​含​まれ​てい​ます。LabVIEW 、​NI Vision Development (Vision​開発) モジュール 、​NI Sound and Vibration Measurement Suiteは、​ソリューション​を​開発​する​ため​の​効果​的​な​ツール​を​提供​し​てく​れ​ま​した。​この​システム​では、​迅速​な​セットアップ、​データ​ロギング、​リアルタイム​監視、​および​データ​確認​を​実行​しま​した。​この​システム​は​持ち運び​できる​よう​に​モバイル​プラットフォーム​に​取り付け​ら​れ​ま​した。

 

NI PXI-4498​ダイナミック​信号​収集 (DSA) モジュール​は、​統合​さ​れ​た​電子​圧​電 (IEPE) コンディショニング​を​介​し​て​マイクロホン​に​電力​を​供給​し、​同時に​マイクロホン​から​高​解像度​データ​を​集録​し​ます。​各​モジュール​は​最大​16​チャンネル​を​処理​できる​ため、​7​つ​の​モジュール​で​112​チャンネル​を​同時に​サンプリング​する​こと​が​でき、​拡張​の​余地​が​あり​ます。   

 

NI PXI-1428​画像​集録​モジュール​は、​ライン​スキャン​カメラ​から​の​ライン​スキャン​デジタル​イメージ​ン​グ​を​可能​にし​ます。​こうして​集録​さ​れ​た​画像​は、​NI Vision Development (Vision​開発) モジュール​で​開発​した​アプリケーション​で​自動​処理​さ​れ​ます。​さらに、​NI PXI-6682H​タイミング​および​同期​モジュール​は、​GPS​を​介​し​て​同期​を​行い、​データ​に​タイム​スタンプ​を​付け​て、​機内​および​地上​の​アビオニクス​と​調整​し​ます。

 


​2010​年​11​月​16​~​18​日、​北海道​の​大樹​航空​宇宙​実験​場​に​て​飛行​テスト​を​実施​しま​した。​MU-300​ビジネス ジェット​は、​さまざま​な​飛行​高度​と​速度​で​の​離着陸​を​シミュレート​する​ため​に​一連​の​アプローチ​と​上昇​を​繰り返し​実行​しま​した​が、​地上​と​機内​で​同時に​測定​を​行​いま​した。​図 6​は、​着陸​構成​の​航空機​の​1,000 Hz​と​2,000 Hz​の​ノイズ​ロー​カリ​ゼ​ー​ション​マップ​の​典型​的​な​結果​を​示し​てい​ます。​1,000 Hz​では、​主​着陸​装置、​フラップ​の​外側​の​端、​エンジン​ノズル​の​近く​に、​より​振幅​の​大きい​騒音​源 (赤色​で​表示) が​確認​さ​れ​ま​した。​2,000 Hz​では、​エンジン​ノズル、​主​着陸​装置、​および​前​脚​の​近く​に​騒音​源​が​観測​さ​れ​ま​した​が、​フラップ​の​外側​の​端​では​なく​なり​ま​した。​この​試験​を通じて、​飛行​中​の​航空機​の​複数​の​騒音​源​を​特定​する​技術​を​実証​しま​した。

 

私​たち​は、​騒音​源​を​より​正確​に​特定​し、​騒音​スペクトル​など​の​騒音​源​特性​を​より​詳細​に​評価​できる​よう​に、​技術​の​改善​を​続​け​てい​ます。

 

投稿​者​情報:

(Dr.)​長井 健一郎
宇宙​航空​研究​開発​機構 (JAXA)
​日本
nagai.kenichiro@jaxa.jp

図​1. ​ ​滑走​路​の​位相​アレイ​と​ライン​スキャン​カメラ ​
図​2. ​ ​位相​マイクロホン​配列 ​
図​3. ​ ​ライン​スキャン​カメラ ​
図​4. ​ ​PXI​計測​システム​を​カート​に​取り付け、​アレイ​近く​へ​の​配置​を​容易​に​しま​した。 ​
図​5. ​ ​MU-300​ダイ​ア​モン​ド​ビジネス​ジェット ​
図​6. ​ ​着陸​位置​(フラップ​ダウン、​着陸​装置​ダウン、​エンジン​アイドリング、​高度​60 m、​飛行​速度​60 m/​秒、​水平​飛行)​の​航空機​内​における​1,000 Hz​と​2,000 Hz​の​騒音​音源​を​可視​化 ​