波音 (Boeing)​公司​使用​NI PXI​和​NI LabVIEW​测量​飞行​器​减少​噪声​排放

“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。”

- James Underbrink,​波音​航空公司/​噪音/​推进​实验室

挑战:

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。 ​

解决​方案:

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。

 

相位​数​组​数据​采集​和​分析

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。

 

此​前​的​系统​限制

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。

 

NI​系统​解决​方案

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​采集​数据,​我们​使用​了​NI PXI-4462​动态​信号​采集​模​块,​该​模​块​可​提供​高达​204.8 kS/​s​的​采集​速率。​我们​使用​了​8​个​PXI​机​箱,​每​个​机​箱​包含​NI PXI-4462、​PXI​定​时​和​同步​卡​和​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 XP​和​NI LabVIEW的​NI PXI-8350​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-8350​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。

 

硬件​系统​架构

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​数​组​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-8350​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。

 

软件​系统​架构

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。

 

定​时​和​同步

我们​使用​NI PXI-665x​定​时​和​同步​控制​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​将​NI PXI-6653​主​模​块​与​NI PXI-6651​从​模​块​结合​使用,​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。

 

动态​信号​采集

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-4462​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​传感器​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。

 

作者​信息:

James Underbrink
波音​航空/​噪声/​推进​实验室
​电话:​206-655-1476
james.runderbrink@boeing.com

 

图​1. ​ ​我们​采集​和​分析​了​600​多台​接地​麦克​风​的​数据,​以便​确定​噪声​降低​技术​的​有效性。 ​