Dr. Kenichiro Nagai - Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
“LabVIEW、NI視覺開發模塊和NI聲音與振動測量套件為我們開發方案提供了有效的工具。所開發的系統能夠進行快速設置，數據記錄，實時監測和數據瀏覽。”
- Dr. Kenichiro Nagai, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
挑戰：
開發一個測量系統來定位飛行過程中飛機的噪聲源。
解決方案：
基于NI LabVIEW軟件搭建一個應用程序，并使用NI PXI硬件從布置在跑道上的相位麥克風陣列采集數據。
研究客機上的噪聲源
為了能開發出更為安靜的客機，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。在開發一架飛機時，我們可以通過數值分析和模型測試預測噪音等級。然而，實際飛機噪音的屬性和特性只能在實際飛行測試中才能獲得。利用聲音波束成形技術來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陳列定位噪聲源的方法，同時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洞測試和飛行測試中已經發展并改進了這項技術，但還未曾將這項技術應用于實際飛行的飛機中。2009年，我們擁有了一架小型Mitsubishi MU-300 Diamond商務機。2010年，我們開始在跑道上設置了相位麥克風陳列，通過噪聲源定位測量來驗證我們現有的技術，并找到可以提高的空間。
相位麥克風陣列的測量
相位陣列包含了許多麥克風，分布在一個大直徑的范圍上。利用噪聲源的聲波到達每個麥克風時間的微小差別，我們可以估算出每個噪聲源的位置和強度。在這個測試中，我們設計了相位陣列來辨識飛行于120米高度的飛機上兩個相距4米的1kHz音頻信號。這個相控陣列包含了99個麥克風，分布在一個直徑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動機狀態，聲覺測量，飛機飛過相位陣列時的位置、高度和速度。因為飛機產生的噪音傳輸到地面上麥克風的過程中會被大氣削弱，因此我們還需要記錄氣象數據，例如風向、速度、溫度和濕度
圖1：跑道上的相位陣列和線掃描攝像機
圖2：相位麥克風陣列
圖3：線掃描攝像機
我們系統主要的一個特性是能對聲音和飛行參數進行同步測量。我們將兩臺線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側邊。攝像機能捕捉經過飛機的同步圖像，并提供3D信息以便于我們分析飛機飛行速度和高度。另一臺電腦通過獲取的聲音數據同步進行噪聲定位處理。這些數據會在飛機飛過相位陣列后很快進行結合，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達到緊湊系統的要求。我們的系統包含了一個嵌入式控制器和一個NI 8260， 一個4驅動、可插入機箱型、高速數據儲存模塊。LabVIEW、NI視覺開發模塊和NI聲音與振動測量套件為我們的方案開發提供了有效的工具。我們的系統能進行快速設置、數據記錄、實時監測和數據瀏覽。我們將其裝載在移動平臺上以獲得更好的便攜性。
NI PXI-4498動態信號采集模塊通過集成電路式壓電（IEPE）調理為麥克風提供電能，并能夠同時采集高分辨率的數據。由于每個模塊可以處理16個通道，7個模塊可以同時對112個通道進行采樣，并且還具備了進一步擴展的空間。
NI PXI-1428圖像采集模塊可以利用線掃描攝像機進行線掃描數字成像。我們使用NI視覺開發模塊開發的應用程序將自動處理這些被采集的 圖像。此外，NI PXI-6682H定時和同步模塊可以通過GPS進行同步來對數據進行時間標識，并能對飛機中的噪音和地面上的噪音進行協調處理。
圖4：我們將PXI測量系統放在一個平板車上，從而使得系統能夠更加接近麥克風陣列。
圖5：MU-300 Diamond商務機
我們于2010年11月16日至18日在北海道大樹航空航天研究所進行了飛行測試。MU-300商務機進行了一系列重復實驗來模擬不同飛行高度和速度下的起飛和降落，而我們則同時在地面和飛機內進行測量工作。圖6展示了飛機在降落設置時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動機噴管的地方。對于2000Hz噪聲，我們發現噪聲源靠近發動機噴管，主起落架和前起落架，但不會出現在襟翼的外邊緣處。通過這個測試，我們展示了對飛行中飛機的多個噪聲源進行定位的技術。
我們會繼續提高我們噪聲源定位技術的精確度，并開發更深入的噪聲源屬性評估，如噪聲光譜。
圖6：顯示飛機處于降落設置（放下襟翼，放下起落架，發動機怠速，高度60米，飛行速度60米/秒，水平飛行）時，在1000Hz和2000Hz時的噪聲源
