使用​LabVIEW​和​PXI​确认​空中​飞行​器​的​噪声源

“LabVIEW、​NI Vision Development​模​块​和​NI​声音​和​振动​测量​套​件​为​我们​开发​解决​方案​提供​了​有效​的​工具。​该​系统​提供​了​快速​设置、​数据​记录、​实​时​监测​和​数据​审查。”

-​Kenichiro Nagai​博士,​日本​航空​航天​研究​局​(JAXA)

挑战:

开发​用于​识别​飞机​上​噪声​源​的​测量​系统。 ​

解决​方案:

创建​基于​NI LabVIEW​软件​的​应用​程序,​使用​NI PXI​硬件​在​跑道​上​从​相位​麦克​风​数​组​采集​数据。 ​

调查​客机​上​的​噪声源

为了​开发​更​安静​的​客机,​我们​必须​识别​所有​噪声​源,​从而​更好​地​了解​噪声​生成​机制。​在​设计​飞机​时,​我们​可以​通过​数值​分析​和​模型​测试​来​预测​噪声​水平。​但是,​实际​飞机​噪声​的​属性​和​特性​只能​通过​实际​飞行​测试​得到。​通过​声波​波束​成形​实现​噪声​源​本地​化​是​实现​这​一​目标​的​强大​工具。​波束​成形​是​使用​相位​的​麦克​风​数​组​对​噪声​源​进行​映射,​并​显示​其​幅​值​的​方法。​虽然​我们​在​JAXA​通过​风​隧道​测试​和​使用​小型​模型​飞机​的​飞行​测试​开发​并​改进​了​该​技术,​但​我们​尚未​将​该​技术​应用​于​实际​飞行​的​飞机。​2009​年,​我们​购买​了一​辆​小型​Mitsubishi MU-300 Diamond​商用​飞机。​2010​年,​我们​在​跑道​上​设置​了​一个​相位​麦克​风​数​组,​并​开始​进行​噪声​源​本地​化​测量,​以​验证​当前​技术​并​确定​需要​改进​的​领域。

 

相位​麦克​风​数​组​测量

相位​数​组​由​多个​分布​在​大​直径​上​的​麦克​风​组成。​借助​从​噪声​源​发射​的​声波​到达​每​个​麦克​风​的​时间​延迟,​我们​可以​估计​每​个​噪声​源​的​位置​和​强度。​在​本​测试​中,​我们​设计​了​相位​数​组,​以便​在​飞行​高度​为​120​米​的​飞机​中​区分​4​米​距离​的​两​个​分离​的​1 kHz​单​频。​我们​设计​了​一个​由​99​个​麦克​风​组成​的​数​组,​这些​麦克​风​分布​在​直径​为​30​米​的​圆形​区域​上。

 

飞行​时​噪声​源​本地​化​测试​必须​包含​引擎​状态、​声学​测量​以及​飞机​在​相位​数​组​上​飞行​时​的​位置、​高度​和​速度。​我们​还​会​记录​风​向​和​速度、​温度​和​湿度​等​气象​数据,​因为​飞机​生成​的​噪声​在​达到​地面​的​麦克​风​之前​会​被​大气​层​削弱。

 

我们​系统​的​一个​关键​特性​是​使用​声学​进行​飞行​参数​的​同步​测量。​为此,​我们​使用​两​个​线​扫描​相机,​将​相位​数​组​放置​在​地上。​如​图​1​所​示,​这​两​个​相机​的​方向​是​垂直​的,​并​分布​在​飞行​方向​和​侧面​方向。​相机​捕捉​了​经过​飞机​的​同步​图像,​从而​为​我们​提供​三维​信息,​使​我们​能够​分析​飞机​的​飞行​速度​和​飞行​高度。​噪声​本地​化​过程​与​另一​台​计算​机​采集​声音​数据​同时​执行。​飞机​飞越​相位​数​组​后​不久,​这些​数据​将​结合​在一起,​并​将​其​视觉​化​为​重叠​在​飞机​图像​上​的​噪声​源​映射。

 

测量​系统

我们​选择​了​具有​多种​模​块​的​NI PXI​系统,​以便​满足​我们​对​紧凑​型​系统​的​要求。​我们​的​系统​包含​一个​嵌入式​控制器​和​一个​NI 8260,​这​是​一个​4​驱动​的​机​箱​内​高速​数据​存储​模​块。LabVIEW、​NI Vision Development​模块及​NI声音​和​振动​测量​套件为​我们​开发​解决​方案​提供​了​有效​的​工具。​该​系统​提供​了​快速​设置、​数据​记录、​实​时​监测​和​数据​审查。​为了​便于​携带,​我们​将​其​安装​在​移动​平台​上。

 

NI PXI-4498​动态​信号​采集​(DSA)​模​块​通过​集成​电子​压​电​(IEPE)​调理​为​麦克​风​提供​电源,​并​同时​从​麦克​风中​采集​高​分辨​率​数据。​鉴于​每​个​模​块​最多​可​处理​16​个​通道,​7​个​模​块​可​同时​采样​112​个​通道,​并​提供​扩展​空间。   

 

NI PXI-1428​图像​采集​模​块​可以​运用​线​扫描​相机​进行​线​扫描​数字​图像。​这些​采集​的​图像​由​我们​使用​NI Vision Development​模​块​开发​的​应用​程序​自动​处理。​此外,​NI PXI-6682H​定​时​和​同步​模​块​提供​了​GPS​同步​功能,​可​对​数据​进行​时间​标识,​并与​飞机​和​地面上​的​航空​航天​技术​进行​协调。

 


​我们​于​2010​年​11​月​16​日​至​18​日​在​Hokkaido​省​Taiki​航空​航天​研究​场​进行​了​飞行​测试。​MU-300​商用​飞机​执行​了​一系列​重复​的​接近​和​升降,​以​仿真​不同​飞行​高度​和​速度​的​起飞​和​着陆,​而​我们​在​地面​和​飞机​上​同时​进行​测量。​图​6​显示​了​飞机​在​降落​配置​下​的​1,000 Hz​和​2,000 Hz​噪声​本地​化​映射​的​典型​结果。​在​1,000 Hz​时,​我们​确认​了​主​着陆​机、​槽​外​边沿​和​发动​机​口​附近​的​振幅​较​高​的​噪声​源​(以​红色​显示)。​在​2,000 Hz​时,​我们​观察​到​发动​机​孔、​主​着陆​轴​和​螺栓​着陆​轴​附近​的​噪声​源,​但​其​不再​存在​于​焊​盘​的​外​边沿。​通过​该​测试,​我们​演示​了​在​飞机​上​本地​化​多个​噪声​源​的​技术。

 

我们​正在​不断​改进​我们​的​技术,​以​更​准确​地​定位​噪声​源,​并​能够​对​噪声​源​属性​(例如​噪声​谱)​进行​更​详细​的​评估。

 

作者​信息:

Zhizhong WangKenichiro Nagai
日本​航空​航天​研究​局​(JAXA)
​日本
nagai.kenichiro@jaxa.jp

图​1. ​ ​车道​上​的​相位​数​组​和​线​扫描​相机 ​
图​2. ​ ​相位​麦克​风​数​组 ​
图​3. ​ ​行​扫描​相机 ​
图​4. ​ ​我们​将​PXI​测量​系统​安装​在​车辆​上,​以便​将​其​放置​在​数​组​附近。 ​
图​5. ​ ​MU-300 Diamond Business Jet ​
图​6. ​ ​飞机​在​着陆​配置​下​的​1,000 Hz​和​2,000 Hz​噪声​源​可​视​化​(下降,​着陆​变速​器​下降,​发动​机​空闲,​高度​60​米,​飞行​速度​60 m/​s,​水平​飞行) ​