使用​LabVIEW​和​PXI​定位​飞行​过程​中​飞机​的​噪声源

"LabVIEW、​NI​视觉​开发​模​块​和​NI​声音​与​振动​测量​套​件​为​我们​开发​方案​提供​了​有效​的​工具。​所​开发​的​系统​能够​进行​快速​设置,​数据​记录,​实​时​监测​和​数据​浏览。" ​

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

挑战:

开发​一个​测量​系统​来​定位​飞行​过程​中​飞机​的​噪声​源。 ​

解决​方案:

基于​NI LabVIEW​软件​搭建​一个​应用​程序,​并​使用​NI PXI​硬件​从​布置​在​跑道​上​的​相位​麦克​风​阵​列​采集​数据。 ​

研究​客机​上​的​噪声源

为了​能​开发​出​更​为​安静​的​客机,​我们​必须​定位​所有​的​噪声​源,​以​加强​我们​对​噪音​生成​原理​的​认识。​在​开发​一架​飞机​时,​我们​可以​通过​数值​分析​和​模型​测试​预测​噪音​等级。​然而,​实际​飞机​噪音​的​属性​和​特性​只能​在​实际​飞行​测试​中​才能​获得。​利用​声音​波束​成形​技术​来​定位​噪音​源​是​一种​有效​可行​的​方法。​波束​成形​是​一种​使用​定位​噪声​源​的​方法,​同时​能​获得​噪声​源​的​振幅。​虽然​我们​在​JAXA​项目​上​小型​模型​飞机​的​风洞​测试​和​飞行​测试​中​已经​发展​并​改进​了​这项​技术,​但​还​未曾​将​这项​技术​应用​于​实际​飞行​的​飞机​中。​2009​年,​我们​拥有​了​一架​小型​Mitsubishi MU-300 Diamond​商务​机。​2010​年,​我们​开始​在​跑道​上​设置​了​相位​麦克​风​阵​列,​通过​噪声​源​定位​测量​来​验证​我们​现有​的​技术,​并​找到​可以​提高​的​空间。

 

相位​麦克​风​阵​列​的​测量

相位​阵​列​包含​了​许多​麦克​风,​分布​在​一个​大​直径​的​范围​上。​利用​噪声​源​的​声波​到达​每​个​麦克​风​时间​的​微小​差别,​我们​可以​估算​出​每​个​噪声​源​的​位置​和​强度。​在​这个​测试​中,​我们​设计​了​相位​阵​列​来​辨识​飞行​于​120​米​高度​的​飞机​上​两​个​相距​4​米​的​1kHz​音​频​信号。​这个​相​控​阵​列​包含​了​99​个​麦克​风,​分布​在​一个​直径​30​米​的​圆形​区域​上。

 

飞行​中的​噪声​源​定位​测试​必须​包括​飞机​发动​机​状态; 声​觉​测量,​以及​飞机​飞过​相位​阵​列​时​的​位置、​高度​和​速度。​因为​飞机​产生​的​噪音​在​传输​到​地面​麦克​风​的​过程​中​会​被​大气​削弱,​因此​我们​还​需要​记录​气象​数据,​例如​风​向、​速度、​温度​和​湿度。

 

我们​系统​主要​的​一个​特性​是能​对​声音​和​飞行​参数​进行​同步​测量。​我们​将​两​台​线​扫描​摄像​机​与​地面上​的​相位​阵​列​放置​在一起,​从而​完成​了​这个​测试。​如​图​1​所​示,​这​两​台​摄像​机​分别​直立​在​飞机​飞行​方向​的​两​个​侧边。​摄像​机能​捕捉​经过​飞机​的​同步​图像,​并​提供​3D​信息​以便​于​我们​分析​飞机​飞行​速度​和​高度。​另一​台​电脑​通过​获取​的​声音​数据​同步​进行​噪声​定位​处理。​这些​数据​会​在​飞机​飞过​相位​阵​列​后​很快​进行​结合,​从而​将​噪声​源​地图​叠​加​显示​在​飞机​图像​上。

 

测量​系统

我们​选用​了​NI PXI​系统​及​大量​的​模​块​来​达到​紧凑​系统​的​要求。​我们​的​系统​包含​了​一个​嵌入式​控制器​和​一个​NI 8260, 一个​4​驱动、​可​插入​机​箱​型、​高速​数据​储存​模​块。​LabVIEW、​NI​视觉​开发​模​块​和​NI​声音​与​振动​测量​套​件​为​我们​的​方案​开发​提供​了​有效​的​工具。​系统​能​进行​快速​设置、​数据​记录、​实​时​监测​和​数据​浏览。​我们​将​其​装载​在​移动​平台​上​以​获得​更好​的​便​携​性。

NI PXI-4498​动态​信号​采集​模​块​通过​集成​电路​式​压​电​(IEPE)​调理​为​麦克​风​提供​电能,​并​能够​同时​采集​高​分辨​率​的​数据。​由于​每​个​模​块​可以​处理​16​个​通道,​7​个​模​块​可以​同时​对​112​个​通道​进行​采样,​并且​还​具备​了​进一步​扩展​的​空间。

NI PXI-1428​图像​采集​模​块​可以​利用​线​扫描​摄像​机​进行​线​扫描​数字​成像。​我们​使用​NI​视觉​开发​模​块​开发​的​应用​程序​将​自动​处理​这些​被​采集​的​图像。​此外,​NI PXI-6682H​定​时​和​同步​模​块​可以​通过​GPS​进行​同步​来​对​数据​进行​时间​标识,​并​能​对​飞机​中的​噪音​和​地面上​的​噪音​进行​协调​处理。

 

 

我们​于​2010​年​11​月​16​日​至​18​日​在​北海道​大​树​航空​航天​研究所​进行​了​飞行​测试。​MU-300​商务​机​进行​了​一系列​重复​实验​来​模拟​不同​飞行​高度​和​速度​下​的​起飞​和​降落,​而​我们​则​同时​在​地面​和​飞机​内​进行​测量​工作。​图​6​展示​了​飞机​在​降落​设置​时​1000Hz​和​2000Hz​的​噪声​定位​图​结果。​对于​1000Hz​噪声,​我们​确定​了​更高​振幅​(红色​表示)​的​噪声​源​是在​主​起落架​附近,​靠近​襟翼​的​外​边缘​和​发动​机​喷​管​的​地方。​对于​2000Hz​噪声,​我们​发现​噪声​源​靠近​发动​机​喷​管,​主​起落架​和​前​起落架,​但​不会​出现​在​襟翼​的​外​边缘​处。​通过​这个​测试,​我们​展示​了​对​飞行​中​飞机​的​多个​噪声​源​进行​定位​的​技术。

 

我们​会​继续​提高​噪声​源​定位​技术​的​精确​度,​并​开发​更​深入​的​噪声​源​属性​评估,​如​噪声​光谱。

 

图​6:​显示​飞机​处于​降落​设置​(放下​襟翼,​放下​起落架,​发动​机​怠​速,​高度​60​米,​飞行​速度​60​米/​秒,​水平​飞行)​时,​在​1000Hz​和​2000Hz​时​的​噪声源

 

作者​信息:

Dr. Kenichiro Nagai
Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
​Japan
nagai.kenichiro@jaxa.jp

图​1: ​ ​跑道​上​的​相位​阵​列​和​线​扫描​摄像​机 ​
图​2: ​ ​相位​麦克​风​阵​列 ​
图​3: ​ ​线​扫描​摄像​机 ​
图​4: ​ ​我们​将​PXI​测量​系统​放在​一个​平板​车​上,​从而​使得​系统​能够​更加​接近​麦克​风​阵​列。 ​
图​5: ​ ​MU-300 Diamond​商务​机 ​
图​6: ​ ​显示​飞机​处于​降落​设置​(放下​襟翼,​放下​起落架,​发动​机​怠​速,​高度​60​米,​飞行​速度​60​米/​秒,​水平​飞行)​时,​在​1000Hz​和​2000Hz​时​的​噪声​源 ​