LabVIEW​と​PXI​を​使用​した​飛行​中​の​航空機​の​騒音​音源​探査

"LabVIEW、​NI Vision​開発​モジュール、​および​NI​音響/​振動​計測​ソフトウェア​パッケージ​は、​私​たち​の​求める​ソリューション​を​開発​する​の​に​効果​的​な​ツール​で​した。​この​システム​では、​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​が​す​ば​やく​実行​でき​ま​した。" ​

- Dr. Kenichiro Nagai, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)

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​を​開発​する。 ​

ソリューション:

NI PXI​ハードウェア​を​使用​する​NI LabVIEW​ソフトウェア​に​基​づ​い​た​アプリケーション​を​作成​し​て、​滑走​路​の​位相​マイクロ​フォン​アレイ​から​データ​を​集録​する。 ​ ​

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​フォン​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​フォン​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​フォン​アレイ​計測

位相​アレイ​は、​大​直径​に​分散​さ​れ​た​多数​の​マイクロ​フォン​から​構成​さ​れ​ます。​騒音​音源​から​音波​が​発生​し​て​から​各​マイクロ​フォン​に​届く​まで​の​微妙​な​時間​差​を​利用​し​て、​各​騒音​音源​の​位置​と​強​さ​を​推測​し​ます。​この​テスト​では、​位相​アレイ​を​設計​し​て、​高度​120 m​で​飛行​する​航空機​上​で​4 m​離れ​た​位置​で​2​つ​の​1 kHz​の​トーン​を​区別​し​ます。​直径​30 m​の円形領域に配置された​99​個​の​マイクロ​フォン​から​構成​さ​れ​た​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、​風向き​および​速度、​温度、​湿度​といった​気象​データ​も​記録​し​ます。​航空機​から​発生​する​騒音​は、​大気​によって​軽減​さ​れ​て​から、​地上​の​マイクロ​フォン​に​届く​ため​です。

 

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​行動​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組み合わされて、​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。

 

 

計測​システム

私​たちはNI PXIシステム​と​様々​な​種類​の​モジュール​を​選択​し​て、​小型​システム​の​要件​を​満​た​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。LabVIEWNI Vision Development(Vision​開発)​モジュール、​およびNI Sound and Vibration Measurement Suite(NI​音響/​振動​計測​ソフトウェア​パッケージ)は、​私​たち​の​求める​ソリューション​を​開発​する​の​に​効果​的​な​ツール​で​した。​この​システム​では、​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​が​す​ば​やく​実行​でき​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​集録​(DSA)​モジュール​は、​IEPE​調節​機能​を​使用​し​て、G.R.A.S.​タイプ​40PH​アレイ​マイクロ​フォンに​電源​供給​し、​同時に​高​分解能​の​データ​を​そこ​から​集録​し​ます。​各​モジュール​は​最大​16​チャンネル​に​対応​できる​ため、​拡張​可能​な​スペース​を​備え​た​7​つ​の​モジュール​で​112​チャンネル​を​同時​サンプリング​でき​ます。

 

NI PXI-1428画像​入力​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​画像​入力​を​可能​にし​ます。​こうして​集録​さ​れ​た​画像​は、​NI 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/​同期​モジュール​は、​GPS​を​使用​し​て​同期​を​行い、​データ​に​タイム​スタンプ​を​付加​し​て、​機上​と​地上​で​アビオニクス​の​調整​を​行い​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​ジェット機​が​進入​および​上昇​の​一連​の​動作​を​繰り返し、​様々​な​飛行​高度​および​速度​で​離陸​および​着陸​を​シミュレート​し​て​いる​間​に、​地上​と​機内​で​同時に​計測​を​行​いま​した。​図​6​は、​着陸​位置​の​航空機​内​における​1,000 Hz​~​2,000 Hz​の​騒音​音源​探査​マップ​の​標準​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​縁​の​外側、​および​エンジン​ノズル​の​近く​で​高​振幅​(赤​で​示し​た​箇所)​の​騒音​音源​を​確認​しま​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​音源​を​観測​しま​した​が、​既に​フラップ​の​縁​の​外側​に​は​確認​さ​れ​ま​せん​で​した。​この​テスト​を通して、​機内​の​複数​の​騒音​音源​を​特定​する​技術​を​お​見​せ​しま​した。

 

私​たち​は​引き続き、​騒音​音源​を​より​正確​に​特定​する​技術​を​向上​し、​騒音​スペクトル​など​の​騒音​音源​特性​の​より​詳細​な​評価​を​可能​にし​てい​く​つもり​です。

 

著者​情報:

Dr. Kenichiro Nagai
Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
​Japan
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​フォン​アレイ ​
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​の​近く​へ​の​配置​を​容易​に​しま​した。 ​
図​5. ​ ​MU-300​ダイヤモンド​の​ビジネス​ジェット機 ​
図​6. ​ ​着陸​位置​(フラップ​ダウン、​脚下​げ​状態、​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 ​