使用NILabVIEW軟件和PXI硬件完成飛機噴流噪聲測量

圖1：帶有參考麥克風(fēng)的近場(chǎng)聲全息和掃描測量系統

挑戰：開(kāi)發(fā)一個(gè)測量目前和下一代軍事飛機的高幅值噴氣噪聲的便攜式近場(chǎng)聲全息（NAH）系統，以提供模型修正和對比，評估噪聲控制設備性能以及預測地面維護人員的狀況和社區受到的噪聲影響。

解決方案：開(kāi)發(fā)一個(gè)基于NIPXI動(dòng)態(tài)信號采集（DSA）設備的高性?xún)r(jià)比的系統，該系統具有良好的便攜性、靈活性、可擴展性和高精度等優(yōu)勢；通過(guò)增加數據采集通道數和移動(dòng)麥克風(fēng)陣列可擴大被測區域并縮短測量時(shí)間，同時(shí)將NAH的技術(shù)需求以及噴氣噪聲測量的環(huán)境條件和安全限制結合在一起。

“利用LabVIEW軟件的靈活性，我們能夠定制監控與數據驗證功能?！?BR>
為什么空軍研究實(shí)驗室需要測量噴氣引擎噪聲

軍用噴氣式飛機對地面維護人員和社區都帶來(lái)高強度的噪聲。因此，美國國防部投資開(kāi)發(fā)高級建模工具用于噪聲抑制技術(shù)和對社區噪聲影響的研究。要讓這些工具實(shí)現其所有功能，我們需要創(chuàng )新的測量與分析方法，對噴氣噪聲源區域進(jìn)行特征采集。近場(chǎng)聲全息系統（NAH）提供了最佳通用方法，測量強度、方向和頻譜以及從噴口發(fā)出的噪聲的空間分步。

空軍研究實(shí)驗室選擇了藍嶺調研咨詢(xún)公司（BRRC）開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的測量和分析方法，對噴氣引擎中發(fā)出的噪聲進(jìn)行特征提取和映射。BRRC是一家聲學(xué)工程咨詢(xún)公司，專(zhuān)攻解決重要的噪聲和振動(dòng)挑戰，其中包括聲音和噪聲源測量、通用與專(zhuān)用建模、音景和運輸噪聲可視化、室外警報系統設計以及旋轉機器監視。BRRC與楊百翰大學(xué)（BYU）聲學(xué)研究組合作開(kāi)發(fā)了這一應用。

使用NAH的挑戰

使用NAH進(jìn)行大型噴流環(huán)境的特征處理和測量矩陣的開(kāi)發(fā)給工作帶來(lái)了多個(gè)技術(shù)和后勤難題。對軍用噴氣飛機的近場(chǎng)進(jìn)行精確的特征提取要求我們能夠記錄聲壓高達170dB、頻率從5Hz至30kHz的聲音。此外，測量需要涵蓋整個(gè)噴流長(cháng)度。NAH系統還必須是半便攜式的，因為軍用噴氣飛機可以進(jìn)行靜態(tài)大功率引擎高速運轉的的地點(diǎn)是有限的。

圖2：一架F-22啟動(dòng)一架F-22飛機的燃燒器后，使用NAH進(jìn)行地面引擎運轉測量

這個(gè)通道測試裝置的一個(gè)重要要求是簡(jiǎn)化系統設計，將啟動(dòng)時(shí)間和成本降到最低。為了測量的空間大小足夠對整個(gè)噴氣噪聲來(lái)源進(jìn)行特征采集，同時(shí)盡可能減少麥克風(fēng)使用數量，我們提出了使用基于掃描的麥克風(fēng)陣列結合靜止參考麥克風(fēng)的方案。

使用NIPXI平臺構建多通道數據采集系統

我們在基于NIPXI平臺的多通道數據采集系統上，記錄來(lái)自麥克風(fēng)的時(shí)間波形。PXI機箱包含九個(gè)16通道NIPXI-4496模塊和兩個(gè)4通道NIPXI-4462DSA板卡，它們具有同步采樣的特性可以確保所有152個(gè)通道處于正確的相位。DSA板卡具有每通道24位模擬輸入和IEPE恒定電流信號調理的特點(diǎn)，是進(jìn)行精確麥克風(fēng)測量的理想選擇。

PXI-4496模塊具有113dB動(dòng)態(tài)范圍，而且在高達204.8kS/s的速率下可以對所有16個(gè)通道進(jìn)行同步采樣。此外，模塊包含內建的抗混疊濾波器，這些濾波器的參數會(huì )根據采樣率自動(dòng)進(jìn)行調節，與此同時(shí)，模塊還提供了高達20dB的軟件可選輸入增益。113dB動(dòng)態(tài)范圍和20dB的軟件可選增益調節讓我們可以對弱信號和強信號都進(jìn)行精確測量。另外，采集到的數據經(jīng)過(guò)一轉折頻率為0.5Hz的高通濾波器進(jìn)行AC耦合。

圖3：NAH多通道數據采集與監視測量系統

我們可以用四分之一英寸的G.R.A.S.40BE自由場(chǎng)麥克風(fēng)和26CB預放大器進(jìn)行高幅值壓力測量。它允許4Hz至100kHz±3dB的頻率響應。此外，兩個(gè)設計修改可以對這個(gè)應用程序傳感器進(jìn)行定制。麥克風(fēng)被設計為具有1mV/Pa標稱(chēng)靈敏度，可以測量高達170dB的各個(gè)等級的聲壓。我們還將四分之一英寸麥克風(fēng)的預放大器擴展為半英寸BNC接頭將電線(xiàn)連接降至最小，抑制聲音反射并且提高陣列安裝的堅固程度。在數據采集系統上的IEPE調理板卡提供了恒定電流的前置放大器。

NAH測量系統使用包含90個(gè)麥克風(fēng)的二維麥克風(fēng)陣列，通過(guò)四個(gè)輪子和導軌，這個(gè)麥克風(fēng)陣列可以在與噴流平行的平面上移動(dòng)。待測區域被分解為多個(gè)二維麥克風(fēng)陣列塊。導軌讓我們可以在噴流中精確定位測試裝備。此外，可以將測試裝備鎖定在某一位置上。

圖4：NAH測量團隊與F-22

所有通道的數據以流的形式通過(guò)同軸電纜，使用MXI-4連接傳輸到遠端的1U控制器?？刂破靼琁ntelCore2Quad處理器和四塊250GB硬盤(pán)驅動(dòng)器組成RAID0配置?？刂破鞯腞AID0配置允許超過(guò)150個(gè)通道傳輸數據流，并同時(shí)運行數據監視和分析軟件。

另外，足夠的存儲空間也是十分重要的，152個(gè)通道一個(gè)測量區域在96000Hz采樣速率下30秒產(chǎn)生的數據超過(guò)1.75GB。我們可以利用沿著(zhù)噴流在不同引擎能量狀態(tài)下對多個(gè)測量區域進(jìn)行測量，對噴流進(jìn)行特征提??；因此，數據用非專(zhuān)用的二進(jìn)制格式存儲。我們可以使用在太陽(yáng)光下可以閱讀的運行Windows操作系統的遠程桌面控制并監視數據采集，用無(wú)線(xiàn)方式或是連線(xiàn)到控制器。數據存儲系統在MIL-SPEC運輸箱中。

數據采集系統位于距離噴嘴大約61米的位置。定制的InfiniBand電纜連接數據采集系統和測試裝備。這個(gè)長(cháng)度將在惡劣的噴流環(huán)境中數據采集硬件的振動(dòng)降到最小，并讓測試裝備能夠在噴流的整個(gè)長(cháng)度上移動(dòng)。而且，這樣的電纜安排還降低了麥克風(fēng)測試陣列的重量。更重要的是，有了靈活的LabVIEW軟件，我們能夠定制監視和數據驗證的函數。

我們完成了組件測試，確保儀器工作正常。聲學(xué)儀器測試是比較直觀(guān)的，可擴展數據處理是主要關(guān)注點(diǎn)。我們成功地測試了數據采集系統，該系統的152個(gè)通道能夠以100kHz的速率進(jìn)行同步采樣。我們還將引進(jìn)其他可視化工具，進(jìn)行未來(lái)的性能評估。