使用NI LabVIEW软件和PXI硬件完成飞机喷流噪声测量

作者：蓝岭调研咨询公司  Michael James

挑战：开发一个测量目前和下一代军事飞机的高幅值喷气噪声的便携式近场声全息（NAH）系统，以提供模型修正和对比，评估噪声控制设备性能以及预测地面维护人员的状况和社区受到的噪声影响。

解决方案：开发一个基于NI PXI动态信号采集（DSA）设备的高性价比的系统，该系统具有良好的便携性、灵活性、可扩展性和高精度等优势；通过增加数据采集通道数和移动麦克风阵列可扩大被测区域并缩短测量时间，同时将NAH的技术需求以及喷气噪声测量的环境条件和安全限制结合在一起。


图1：带有参考麦克风的近场声全息和扫描测量系统

为什么空军研究实验室需要测量喷气引擎噪声

军用喷气式飞机对地面维护人员和社区都带来高强度的噪声。因此，美国国防部投资开发高级建模工具用于噪声抑制技术和对社区噪声影响的研究。要让这些工具实现其所有功能，我们需要创新的测量与分析方法，对喷气噪声源区域进行特征采集。近场声全息系统（NAH）提供了最佳通用方法，测量强度、方向和频谱以及从喷口发出的噪声的空间分步。

空军研究实验室选择了蓝岭调研咨询公司（BRRC）开发创新的测量和分析方法，对喷气引擎中发出的噪声进行特征提取和映射。BRRC是一家声学工程咨询公司，专攻解决重要的噪声和振动挑战，其中包括声音和噪声源测量、通用与专用建模、音景和运输噪声可视化、室外警报系统设计以及旋转机器监视。BRRC与杨百翰大学（BYU）声学研究组合作开发了这一应用。

使用NAH的挑战

使用NAH进行大型喷流环境的特征处理和测量矩阵的开发给工作带来了多个技术和后勤难题。对军用喷气飞机的近场进行精确的特征提取要求我们能够记录声压高达170 dB、频率从5 Hz至30 kHz的声音。此外，测量需要涵盖整个喷流长度。NAH系统还必须是半便携式的，因为军用喷气飞机可以进行静态大功率引擎高速运转的的地点是有限的。


图2：一架F-22启动一架F-22飞机的燃烧器后，使用NAH进行地面引擎运转测量

这个通道测试装置的一个重要要求是简化系统设计，将启动时间和成本降到最低。为了测量的空间大小足够对整个喷气噪声来源进行特征采集，同时尽可能减少麦克风使用数量，我们提出了使用基于扫描的麦克风阵列结合静止参考麦克风的方案。

使用NI PXI平台构建多通道数据采集系统

我们在基于NI PXI平台的多通道数据采集系统上，记录来自麦克风的时间波形。PXI机箱包含九个16通道NI PXI-4496模块和两个4通道NI PXI-4462 DSA板卡，它们具有同步采样的特性可以确保所有152个通道处于正确的相位。DSA板卡具有每通道24位模拟输入和IEPE恒定电流信号调理的特点，是进行精确麦克风测量的理想选择。

PXI-4496模块具有113 dB动态范围，而且在高达204.8 kS/s的速率下可以对所有16个通道进行同步采样。此外，模块包含内建的抗混叠滤波器，这些滤波器的参数会根据采样率自动进行调节，与此同时，模块还提供了高达20 dB的软件可选输入增益。113 dB动态范围和20dB的软件可选增益调节让我们可以对弱信号和强信号都进行精确测量。另外，采集到的数据经过一转折频率为0.5 Hz的高通滤波器进行AC耦合。


图3：NAH多通道数据采集与监视测量系统

我们可以用四分之一英寸的G.R.A.S. 40BE自由场麦克风和26CB预放大器进行高幅值压力测量。它允许4 Hz至100 kHz  ± 3 dB的频率响应。此外，两个设计修改可以对这个应用程序传感器进行定制。麦克风被设计为具有1 mV/Pa标称灵敏度，可以测量高达170 dB的各个等级的声压。我们还将四分之一英寸麦克风的预放大器扩展为半英寸BNC接头将电线连接降至最小，抑制声音反射并且提高阵列安装的坚固程度。在数据采集系统上的IEPE调理板卡提供了恒定电流的前置放大器。

NAH测量系统使用包含90个麦克风的二维麦克风阵列，通过四个轮子和导轨，这个麦克风阵列可以在与喷流平行的平面上移动。待测区域被分解为多个二维麦克风阵列块。导轨让我们可以在喷流中精确定位测试装备。此外，可以将测试装备锁定在某一位置上。


图4：NAH测量团队与F-22

所有通道的数据以流的形式通过同轴电缆，使用MXI-4连接传输到远端的1 U控制器。控制器包含Intel Core 2 Quad处理器和四块250 GB硬盘驱动器组成RAID 0配置。控制器的RAID 0配置允许超过150个通道传输数据流，并同时运行数据监视和分析软件。

另外，足够的存储空间也是十分重要的，152个通道一个测量区域在96000 Hz采样速率下30秒产生的数据超过1.75 GB。我们可以利用沿着喷流在不同引擎能量状态下对多个测量区域进行测量，对喷流进行特征提取；因此，数据用非专用的二进制格式存储。我们可以使用在太阳光下可以阅读的运行Windows操作系统的远程桌面控制并监视数据采集，用无线方式或是连线到控制器。数据存储系统在MIL-SPEC运输箱中。
数据采集系统位于距离喷嘴大约61米的位置。定制的InfiniBand电缆连接数据采集系统和测试装备。这个长度将在恶劣的喷流环境中数据采集硬件的振动降到最小，并让测试装备能够在喷流的整个长度上移动。而且，这样的电缆安排还降低了麦克风测试阵列的重量。更重要的是，有了灵活的LabVIEW软件，我们能够定制监视和数据验证的函数。

我们完成了组件测试，确保仪器工作正常。声学仪器测试是比较直观的，可扩展数据处理是主要关注点。我们成功地测试了数据采集系统，该系统的152个通道能够以100 kHz的速率进行同步采样。我们还将引进其他可视化工具，进行未来的性能评估。

NI公司供稿