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

      “LabVIEW、NI視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊和NI聲音與振動(dòng)測量套件為我們開(kāi)發(fā)方案提供了有效的工具。所開(kāi)發(fā)的系統能夠進(jìn)行快速設置，數據記錄，實(shí)時(shí)監測和數據瀏覽。”
      - Dr. Kenichiro Nagai, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) 

      挑戰：

      開(kāi)發(fā)一個(gè)測量系統來(lái)定位飛行過(guò)程中飛機的噪聲源。

      解決方案：

      基于NI LabVIEW軟件搭建一個(gè)應用程序，并使用NI PXI硬件從布置在跑道上的相位麥克風(fēng)陣列采集數據。

      研究客機上的噪聲源
      為了能開(kāi)發(fā)出更為安靜的客機，我們必須定位所有的噪聲源，以加強我們對噪音生成原理的認識。在開(kāi)發(fā)一架飛機時(shí)，我們可以通過(guò)數值分析和模型測試預測噪音等級。然而，實(shí)際飛機噪音的屬性和特性只能在實(shí)際飛行測試中才能獲得。利用聲音波束成形技術(shù)來(lái)定位噪音源定位是一種有效可行的方法。波束成形是一種使用相位麥克風(fēng)陳列定位噪聲源的方法，同時(shí)能獲得噪聲源的振幅。雖然我們在JAXA項目上小型模型飛機的風(fēng)洞測試和飛行測試中已經(jīng)發(fā)展并改進(jìn)了這項技術(shù)，但還未曾將這項技術(shù)應用于實(shí)際飛行的飛機中。2009年，我們擁有了一架小型Mitsubishi MU-300 Diamond商務(wù)機。2010年，我們開(kāi)始在跑道上設置了相位麥克風(fēng)陳列，通過(guò)噪聲源定位測量來(lái)驗證我們現有的技術(shù)，并找到可以提高的空間。

      相位麥克風(fēng)陣列的測量

      相位陣列包含了許多麥克風(fēng)，分布在一個(gè)大直徑的范圍上。利用噪聲源的聲波到達每個(gè)麥克風(fēng)時(shí)間的微小差別，我們可以估算出每個(gè)噪聲源的位置和強度。在這個(gè)測試中，我們設計了相位陣列來(lái)辨識飛行于120米高度的飛機上兩個(gè)相距4米的1kHz音頻信號。這個(gè)相控陣列包含了99個(gè)麥克風(fēng)，分布在一個(gè)直徑30米的圓形區域上。

      飛行中的噪聲源定位測試必須包括飛機發(fā)動(dòng)機狀態(tài)，聲覺(jué)測量，飛機飛過(guò)相位陣列時(shí)的位置、高度和速度。因為飛機產(chǎn)生的噪音傳輸到地面上麥克風(fēng)的過(guò)程中會(huì )被大氣削弱，因此我們還需要記錄氣象數據，例如風(fēng)向、速度、溫度和濕度

      我們系統主要的一個(gè)特性是能對聲音和飛行參數進(jìn)行同步測量。我們將兩臺線(xiàn)掃描攝像機與地面上的相位陣列放置在一起，從而完成了這個(gè)測試。如圖1所示，這兩臺攝像機分別直立在飛機飛行方向的兩個(gè)側邊。攝像機能捕捉經(jīng)過(guò)飛機的同步圖像，并提供3D信息以便于我們分析飛機飛行速度和高度。另一臺電腦通過(guò)獲取的聲音數據同步進(jìn)行噪聲定位處理。這些數據會(huì )在飛機飛過(guò)相位陣列后很快進(jìn)行結合，從而將噪聲源地圖疊加顯示在飛機圖像上。

      測量系統

      我們選用了NI PXI系統及大量的模塊來(lái)達到緊湊系統的要求。我們的系統包含了一個(gè)嵌入式控制器和一個(gè)NI 8260， 一個(gè)4驅動(dòng)、可插入機箱型、高速數據儲存模塊。LabVIEW、NI視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊和NI聲音與振動(dòng)測量套件為我們的方案開(kāi)發(fā)提供了有效的工具。我們的系統能進(jìn)行快速設置、數據記錄、實(shí)時(shí)監測和數據瀏覽。我們將其裝載在移動(dòng)平臺上以獲得更好的便攜性。

      NI PXI-4498動(dòng)態(tài)信號采集模塊通過(guò)集成電路式壓電（IEPE）調理為麥克風(fēng)提供電能，并能夠同時(shí)采集高分辨率的數據。由于每個(gè)模塊可以處理16個(gè)通道，7個(gè)模塊可以同時(shí)對112個(gè)通道進(jìn)行采樣，并且還具備了進(jìn)一步擴展的空間。

NI PXI-1428圖像采集模塊可以利用線(xiàn)掃描攝像機進(jìn)行線(xiàn)掃描數字成像。我們使用NI視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊開(kāi)發(fā)的應用程序將自動(dòng)處理這些被采集的      圖像。此外，NI PXI-6682H定時(shí)和同步模塊可以通過(guò)GPS進(jìn)行同步來(lái)對數據進(jìn)行時(shí)間標識，并能對飛機中的噪音和地面上的噪音進(jìn)行協(xié)調處理。

      我們于2010年11月16日至18日在北海道大樹(shù)航空航天研究所進(jìn)行了飛行測試。MU-300商務(wù)機進(jìn)行了一系列重復實(shí)驗來(lái)模擬不同飛行高度和速度下的起飛和降落，而我們則同時(shí)在地面和飛機內進(jìn)行測量工作。圖6展示了飛機在降落設置時(shí)1000Hz和2000Hz的噪聲定位圖結果。對于1000Hz噪聲，我們確定了更高振幅（紅色表示）的噪聲源是在主起落架附近，靠近襟翼的外邊緣和發(fā)動(dòng)機噴管的地方。對于2000Hz噪聲，我們發(fā)現噪聲源靠近發(fā)動(dòng)機噴管，主起落架和前起落架，但不會(huì )出現在襟翼的外邊緣處。通過(guò)這個(gè)測試，我們展示了對飛行中飛機的多個(gè)噪聲源進(jìn)行定位的技術(shù)。

      我們會(huì )繼續提高我們噪聲源定位技術(shù)的精確度，并開(kāi)發(fā)更深入的噪聲源屬性評估，如噪聲光譜。