F-16噴氣式飛機噪聲測量

"PXI-466x模塊特別采用了壓電集成電路（IEPE）技術，無需為傳感器單獨提供電源，因此，使用測量傳感器進行高精度聲學研究既經(jīng)濟又方便。"
– Kent L. Gee, Department of Physics and Astronomy, Brigham Young University

挑戰(zhàn):
為重型機械噪聲控制、聲場均衡、火箭和噴氣式飛機噪聲研究以及小型軸流冷卻風扇輻射噪聲主動控制等研究不斷升級儀器。
解決方案:
采用一套特別配備NI PXI-446x動態(tài)信號采集（DSA）模塊的NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對噪聲源進行特征識別。
作者:
Kent L. Gee - Department of Physics and Astronomy, Brigham Young University

楊百翰大學（BYU）的聲學研究小組（ARG）由來自物理系與機械和電氣工程系的師生構成。由于楊百翰大學已經(jīng)擁有LabVIEW及相關工具箱的NI院校單位許可證，因而使用LabVIEW配置和控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)十分方便。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
我們目前的DAQ系統(tǒng)以NI PXI-1045型18槽機箱為基礎，配備八個NI PXI-4462 DSA模塊，每個模塊帶有四個模擬輸入端口。24位的DSA模塊特別帶有6個可選模擬輸入增益，并且擁有較高204.8kS/s的同步采樣率。另外配置了一塊NI PXI-4461數(shù)據(jù)采集模塊以提供模擬輸出能力，該模塊擁有兩個模擬輸入和兩個模擬輸出。整體而言，該系統(tǒng)擁有34個輸入通道和2個輸出通道。我們還采用了NI PXI-7344中檔步進/伺服控制器用于我們的自動化運動控制應用。

基于其優(yōu)異的性能和明顯的便捷性，我們選用了NI PXI-ExpressCard8360作為PXI機箱控制器，以方便使用筆記本電腦進行控制。NI PXI-Express8360提供的數(shù)據(jù)吞吐量相比于傳統(tǒng)CardBus增加60%，，并且大多數(shù)筆記本電腦廠商都其部分產(chǎn)品上配置了ExpressCard插槽。我們購買了兩臺筆記本電腦用來控制PXI系統(tǒng)：Dell XPS M140是一款帶有一個ExpressCard插槽的中型筆記本電腦，而Dell Latitude D820是一款稍大的帶有ExpressCard和CardBus兩個插槽的筆記本電腦，配置有SATA硬盤、2GB內(nèi)存以及高性能雙核處理器。因此我們使用XPS M140進行日常應用，而Latitude D820則主要用于要求高功率的高通道數(shù)應用場合。采用這兩臺筆記本通過LabVIEW和NI DAQmx平臺對PXI機箱和DSA模塊進行控制總是十分簡單方便。機箱和XPS M140筆記本電腦如圖1所示。

PXI-446x模塊特別采用了壓電集成電路（IEPE）技術，又稱恒流源（CCP）供電，無需為傳感器單獨提供電源，因此，使用測量傳感器進行高精度聲學研究既經(jīng)濟又方便。楊百翰大學聲學研究小組擁有大約60個半英寸的Larson Davis、PCB和GRAS公司IEPE麥克風。另外，大學較近購買了32個四分之一英寸的GRAS IEPE麥克風用于小封裝、高帶寬或低靈敏度需求情形的的測量。 這些傳感器唯一的缺點在于：因為同軸電纜存在著固有電容，大型線纜情形下可用的帶寬受到限制。為了克服這個問題，在需要高頻、寬動態(tài)范圍測量時我們使用了低電容的同軸電纜。

圖1. NI PXI-1045機箱和Dell XPS M140筆記本電腦

風扇噪音特征辨識方案
聲學研究小組特別制定了兩套實驗方案用于識別風扇噪聲的特征。第一種方案采用是步進電機控制的半圓形測量支臂，如圖2所示。13個半英寸的IEPE麥克風固定在測量支臂上，通過測量支臂轉(zhuǎn)動來測量半球指向性。PXI-7344控制器驅(qū)動一個Oriental Motor步進電機的伺服器和電機，步進電機再與各種齒輪嚙合，以1/60度的精度轉(zhuǎn)動測量支臂。LabVIEW測量軟件界面截圖如圖3、圖4所示。
本測量程序的一個特點（見圖四右上角）是程序隨測量進度可以對指定頻率繪制出增量指向性圖。對于箱裝風扇，該支臂測量程序能夠獲得遠場指向性與頻率和流量的關系。在主動降低風扇噪聲時進行這些指向性測量工作還可以獲得整體噪聲降低的信息。
 

圖2. 圖片為楊百翰大學全消聲室內(nèi)半圓形測量支臂，60mm的軸流風扇安裝在鋁制機箱頂面上，三腳架上安裝的設備是一個光速度計--用于測量風扇的轉(zhuǎn)動速度
 

圖3. 支臂測量程序截圖
 

圖4. 這張截圖反映了支臂測量程序的測量示意屏是如何顯示任意通道的功率譜和指定給定頻率的指向性圖

第二種方案是采用近場線性陣列，我們使用它來研究風扇噪聲源附近噪聲的音調(diào)和穩(wěn)定性。線性陣列包括23個四分之一英寸的GRAS麥克風，如圖5.所示間隔半英寸安裝布置。然后在機箱面上方手動步進陣列，步進間隔為四分之一英寸或半英寸，從而繪制出二維聲壓場。由于風扇正上方的麥克風因空氣流動產(chǎn)生了附加噪聲，因此二維壓力場繪圖時只采用氣流外部的麥克風。圖5.中還可以看見四個小圓形揚聲器，它們用于對聲場進行主動控制。主動控制啟用時，線性陣列可用于測定近聲場中產(chǎn)生的變化。
 

圖5. 用于近場風扇噪聲特征識別的線性陣列

這些實驗方案帶來了一個新的問題—麥克風的標定。高精度測量要求頻繁的校準，對于高通道數(shù)應用而言這十分耗時。為了簡化這一過程，我們?yōu)镻XI系統(tǒng)開發(fā)了一套“靈活”的麥克風標定方法。在標定過程中，只需一個研究人員首先啟動控制室內(nèi)筆記本上的程序，然后帶著標定器進入隔音室。軟件同步從所有活躍通道快速采集數(shù)據(jù)并利用LabVIEW中的頻率/幅值檢測VI搜索數(shù)據(jù)獲得有效的標定信號（250或1000Hz）。這個過程在程序循環(huán)內(nèi)不斷進行直至檢測到一個麥克風通道的有效標定信號。一旦確定通道，研究人員可以使用NI信號和振動工具包內(nèi)的SVL標定麥克風VI標定該通道。

消聲室的一個LED確保研究人員獲知標定狀態(tài)（見圖2. 中的紅白線纜）。LED由PXI-4461模塊的模擬輸出以LabVIEW中生成的12V方波直接驅(qū)動。方波脈沖的頻率和持續(xù)時間告知研究人員標定是否順利運行。這一標定過程十分有效，現(xiàn)在一個研究員可以用5分鐘左右的時間標定完23個麥克風。而楊百翰大學的其他數(shù)據(jù)采集平臺上標定同樣數(shù)目的麥克風通常需要兩個人且花費時間更長。LabVIEW程序使得頻繁標定變得更加簡單方便。

開發(fā)應用程序
聲學研究小組使用PXI系統(tǒng)只花費了幾個月時間就將風扇噪聲特征識別系統(tǒng)開發(fā)完畢。然而，這些測量并不需要PXI-466x模塊的任何一項重要性能。本系統(tǒng)是用于火箭和噴氣式飛機的噪聲測量，這些應用具有更高的性能要求。

火箭和噴氣式飛機噪聲的高幅值特征識別是現(xiàn)階段的研究難點。這些噪聲源的近場存在激波，激波上升時間快、含有重要的高頻成分，因而需要采用高帶寬的測量系統(tǒng)。此外，聲音信號幅值隨著頻率和發(fā)動機工況不斷變動，這要求測量系統(tǒng)擁有一個較大的動態(tài)范圍。

利用PXI-446x模塊，基于PXI和筆記本電腦的系統(tǒng)提供了高度靈活的測量。另外，實時導出大量數(shù)據(jù)的能力使得陣列測量成為可能，因而在發(fā)動機運行測試時能較大程度地發(fā)揮測量系統(tǒng)的潛能。

Latitude D820的檢測結果表明：它可以在所有34個通道以150kHz左右采樣率采樣時實時將單精度數(shù)據(jù)導入外部硬盤。如果使用內(nèi)部SATA硬盤，34個通道的實時數(shù)據(jù)采樣頻率較大可以達到204.8kHz。我們的測量系統(tǒng)使用筆記本控制器、擁有寬動態(tài)范圍和高帶寬、支持IEPE傳感器，針對便捷高精度場測量應用本系統(tǒng)算得上是頂尖級別的系統(tǒng)，噴氣噪聲測量研究也證實了這一點。
 

圖6. F-16噴氣式飛機噪聲測量