圖1：帶有參考麥克風(fēng)的近場聲全息和掃描測量系統(tǒng)
挑戰(zhàn)：開發(fā)一個(gè)測量目前和下一代軍事飛機(jī)的高幅值噴氣噪聲的便攜式近場聲全息（NAH）系統(tǒng)，以提供模型修正和對比，評估噪聲控制設(shè)備性能以及預(yù)測地面維護(hù)人員的狀況和社區(qū)受到的噪聲影響。
解決方案：開發(fā)一個(gè)基于NIPXI動(dòng)態(tài)信號采集（DSA）設(shè)備的高性價(jià)比的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的便攜性、靈活性、可擴(kuò)展性和高精度等優(yōu)勢；通過增加數(shù)據(jù)采集通道數(shù)和移動(dòng)麥克風(fēng)陣列可擴(kuò)大被測區(qū)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(jié)合在一起。
“利用LabVIEW軟件的靈活性，我們能夠定制監(jiān)控與數(shù)據(jù)驗(yàn)證功能。”
為什么空軍研究實(shí)驗(yàn)室需要測量噴氣引擎噪聲
軍用噴氣式飛機(jī)對地面維護(hù)人員和社區(qū)都帶來高強(qiáng)度的噪聲。因此，美國國防部投資開發(fā)高級建模工具用于噪聲抑制技術(shù)和對社區(qū)噪聲影響的研究。要讓這些工具實(shí)現(xiàn)其所有功能，我們需要?jiǎng)?chuàng)新的測量與分析方法，對噴氣噪聲源區(qū)域進(jìn)行特征采集。近場聲全息系統(tǒng)（NAH）提供了最佳通用方法，測量強(qiáng)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(yàn)室選擇了藍(lán)嶺調(diào)研咨詢公司（BRRC）開發(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)工程咨詢公司，專攻解決重要的噪聲和振動(dòng)挑戰(zhàn)，其中包括聲音和噪聲源測量、通用與專用建模、音景和運(yùn)輸噪聲可視化、室外警報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及旋轉(zhuǎn)機(jī)器監(jiān)視。BRRC與楊百翰大學(xué)（BYU）聲學(xué)研究組合作開發(fā)了這一應(yīng)用。
使用NAH的挑戰(zhàn)
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發(fā)給工作帶來了多個(gè)技術(shù)和后勤難題。對軍用噴氣飛機(jī)的近場進(jìn)行精確的特征提取要求我們能夠記錄聲壓高達(dá)170dB、頻率從5Hz至30kHz的聲音。此外，測量需要涵蓋整個(gè)噴流長度。NAH系統(tǒng)還必須是半便攜式的，因?yàn)檐娪脟姎怙w機(jī)可以進(jìn)行靜態(tài)大功率引擎高速運(yùn)轉(zhuǎn)的的地點(diǎn)是有限的。
圖2：一架F-22啟動(dòng)一架F-22飛機(jī)的燃燒器后，使用NAH進(jìn)行地面引擎運(yùn)轉(zhuǎn)測量
這個(gè)通道測試裝置的一個(gè)重要要求是簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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?qū)φ麄€(gè)噴氣噪聲來源進(jìn)行特征采集，同時(shí)盡可能減少麥克風(fēng)使用數(shù)量，我們提出了使用基于掃描的麥克風(fēng)陣列結(jié)合靜止參考麥克風(fēng)的方案。
使用NIPXI平臺(tái)構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
我們在基于NIPXI平臺(tái)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上，記錄來自麥克風(fēng)的時(shí)間波形。PXI機(jī)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(diào)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(dá)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(nèi)建的抗混疊濾波器，這些濾波器的參數(shù)會(huì)根據(jù)采樣率自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，與此同時(shí)，模塊還提供了高達(dá)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(diào)節(jié)讓我們可以對弱信號和強(qiáng)信號都進(jìn)行精確測量。另外，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集與監(jiān)視測量系統(tǒng)
我們可以用四分之一英寸的G.R.A.S.40BE自由場麥克風(fēng)和26CB預(yù)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(yīng)。此外，兩個(gè)設(shè)計(jì)修改可以對這個(gè)應(yīng)用程序傳感器進(jìn)行定制。麥克風(fēng)被設(shè)計(jì)為具有1mV/Pa標(biāo)稱靈敏度，可以測量高達(dá)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(yù)放大器擴(kuò)展為半英寸BNC接頭將電線連接降至最小，抑制聲音反射并且提高陣列安裝的堅(jiān)固程度。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的IEPE調(diào)理板卡提供了恒定電流的前置放大器。
NAH測量系統(tǒng)使用包含90個(gè)麥克風(fēng)的二維麥克風(fēng)陣列，通過四個(gè)輪子和導(dǎo)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(qū)域被分解為多個(gè)二維麥克風(fēng)陣列塊。導(dǎo)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(tuán)隊(duì)與F-22
所有通道的數(shù)據(jù)以流的形式通過同軸電纜，使用MXI-4連接傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的1U控制器。控制器包含IntelCore2Quad處理器和四塊250GB硬盤驅(qū)動(dòng)器組成RAID0配置。控制器的RAID0配置允許超過150個(gè)通道傳輸數(shù)據(jù)流，并同時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視和分析軟件。
另外，足夠的存儲(chǔ)空間也是十分重要的，152個(gè)通道一個(gè)測量區(qū)域在96000Hz采樣速率下30秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)超過1.75GB。我們可以利用沿著噴流在不同引擎能量狀態(tài)下對多個(gè)測量區(qū)域進(jìn)行測量，對噴流進(jìn)行特征提取；因此，數(shù)據(jù)用非專用的二進(jìn)制格式存儲(chǔ)。我們可以使用在太陽光下可以閱讀的運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程桌面控制并監(jiān)視數(shù)據(jù)采集，用無線方式或是連線到控制器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)在MIL-SPEC運(yùn)輸箱中。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位于距離噴嘴大約61米的位置。定制的InfiniBand電纜連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試裝備。這個(gè)長度將在惡劣的噴流環(huán)境中數(shù)據(jù)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(jiān)視和數(shù)據(jù)驗(yàn)證的函數(shù)。
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的，可擴(kuò)展數(shù)據(jù)處理是主要關(guān)注點(diǎn)。我們成功地測試了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)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)行未來的性能評估。