- James Underbrink，波音航空公司/噪音/推进实验室
构建一个可扩展的低成本系统来测试不同设计在降低商用喷气客机起飞、降落和持续飞行时的噪声的有效性。
使用National Instruments PXI控制器和机箱、动态信号分析仪及LabVIEW软件，来设计一个可扩展的分布式测试系统，其具有紧凑的定时和同步功能，可执行相位数组数据采集，用于飞越测试。
作为“安静技术验证2”（QTD2）项目的一部分，波音公司通过飞行试验来测试用于降低飞机噪声的新技术。为了测量这些技术带来的改进，他们需要使用一种灵活、准确且可扩展的测试系统，以在测试过程中执行相控阵声成像。我们需要使用一种分布式系统架构，该架构要能够扩展到多达1,000个通道或更多，同时仍保持通道之间的紧密定时和同步。
为了飞行测试新技术以实现更安静的运行，我们在蒙塔那州格拉斯哥的一个设施进行了研究。我们使用麦克风阵列获取噪音数据，然后将其处理成噪音水平图，以显示噪音产生的位置和频率以及声音大小。
通过将噪声水平图与视觉图像重叠，我们可以评估噪声降低技术的效率，确定进一步降低噪声源的机会，并区分发动机和机箱源。
借助NI工具，我们可以验证几个先进的降噪概念，包括发动机排气管上的V形翅片、对发动机进气口进行的全新声学处理以及主起落架的气动整流罩。
在2001年QTD项目的第一阶段中，我们部署了一个在通道数和通道带宽方面受限的VXI测试系统。该系统需要集中化的数据架构，因而我们需要将所有VXI机箱同址，以便进行同步，因此需要从麦克风到数据采集系统的长线连接，每100个数据采集通道约需要10英里的线缆。
除了通道和架构限制之外，我们面临的挑战还包括在多个VXI机箱中同步仪器的时间延迟、每个通道的大量成本以及数据获取所需的大量时间。我们希望在项目的第二阶段（QTD2）部署一个能够解决这些问题的新系统。
借助PXI的灵活性和模块化性，我们能够创建一个具有几乎无限通道数功能的可扩展系统。另外，通过利用NI定时和同步卡，我们将数据采集硬件分布到麦克风阵列中，从而将布线减少了近80%，与此同时保证了不同采集通道间的相位一致，误差极小。
为了收集数据，我们使用了NI PXI声音和振动模块，该模块的采集速率高达204.8 kS/s。我们使用了8个PXI机箱，每个机箱都包含声音和振动模块、PXI定时和同步卡以及光纤连接。借助定时和同步卡，我们将采集时钟和开始触发器分配给系统的每个数据采集通道。
每个光纤卡将PXI机箱与运行Windows和NI LabVIEW的NI PXI控制器服务器类机器连接。我们可以使用光纤链接将机箱与控制计算机分隔长达200米。我们使用千兆以太网将每个NI PXI控制器连接到一个中央主机，从而更快地将采集后数据恢复到主机和其他用于数据处理和分析的系统。通过提高性能和无限分布式架构，相比之前的系统，我们将每通道成本降低了50%以上。
相位数组飞越测试
我们为测试设施配备了600多个基于地面的麦克风，这些麦克风以自定义螺栓模式分布在250英尺宽、300英尺长的跑道末尾。我们采集了飞机上空飞行时777-300ER的噪声，立即获取并处理数据，从而获取飞机的声音图像。使用千兆以太网连接至主机的数据处理计算机簇可以实时分析数据。
在一个典型的测试周期中，飞机大约每隔六分钟飞越麦克风阵列。系统能够上传先前采集的数据，并能够在该窗口中采集更多数据。在测试序列中，我们执行了300多个采集事件，产生了78分钟的飞行结果，即超过1 TB的数据。
为了创建一个可扩展至1,000个通道的系统，NI系统架构使用了多个基于PC的控制器和PXI机箱。在该架构中，主机箱控制定时和触发，而从机箱分配时钟、控制本地采集和存储数据至磁盘。主机控制所有PXI系统的配置，提供用于软件设置和控制的用户界面，并接收每个PXI系统的所有数据。主PXI机箱控制定时和触发，而从机箱接收定时和触发信号，并在本地采集数据并将数据存储至磁盘。借助PXI-8350 1U机架式服务器级控制器，我们可以透明地远程控制PXI系统，并使用光纤链接捆绑，这使我们能够灵活地将动态信号采集设备分布在麦克风阵列周围的几个簇中，而设备控制器位于高达200米的拖车中。
基于商用现成硬件，在PXI控制器的RAID 0中配置的串口ATA驱动器可让我们以全采样率直接传输所有通道至磁盘。该模块化系统提供了一个框架，可根据需要轻松扩展通道以达到更高的通道数，或为更低的通道数应用程序分解系统。
我们完全使用LabVIEW开发了该系统。我们可以直接复用或轻松调整来自其他波音开发人员以及NI网站的代码和设计。即使使用了LabVIEW学习曲线，一个人也需要近六个月才能开发整个应用程序。
借助精心选择的软件架构和PXI系统的模块化特性，我们简化了系统扩展的过程。在开发过程中，我们清楚地表明了我们需要为系统添加128个通道。从解压缩和插入输入模块到对配置文件进行两分钟更新，将系统从320个通道扩展到448个通道仅花费了大约两个小时。
我们使用NI PXI同步模块，在单个机箱中的模块之间提供紧密的同步，并将定时和同步扩展到多个机箱中。通过结合使用NI PXI同步模块，所有PXI机箱都可以使用相同的时钟运行。 线缆在整个系统中分布定时信号，使机箱间距高达200米，同时在动态信号采集设备之间保持紧密同步。借助该架构，我们可以在93 kHz的1度内匹配分布在8个机箱的全部448个通道。
在我们数据系统选择的过程中展望未来，我们知道我们需要一个可用于各种应用的系统，其涵盖全规模测试到风扇模型测试。我们还需要一个比现有系统具备更高采样率和更大的动态范围的系统。为了满足这些需求，我们选择了具备4个同步采样输入通道和93 kHz带宽的PXI-4462动态信号采集模块。
对于全量程测试，所需频率通常不高于11.2 kHz；但是，对于比例模型小于1:20的风扇测试，则需要更高的采样率。借助24位sigma-delta模数转换器，我们可以测量低于1.25微伏的信号。 借助PXI声音和振动模块提供的传感器集成电子压电(IEPE)集成电流源，我们能够降低成本30倍，并大幅降低某些应用的换能器复杂性。
借助NI软件和硬件，我们开发了一个高性能低成本系统。该系统不仅能够将采集系统分布到多个机箱，紧密同步所有通道，提供了几乎可无限扩展的高通道数，而且所有通道还能够同时以全带宽运行。借助该新系统，我们不仅可以提高单个采集通道的功能，还将所需的线缆数量减少了5:1，并在飞行测试应用中将麦克风系统的成本降低了30:1。
James Underbrink
波音航空/噪声/推进实验室
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