圖1：帶有參考麥克風的近場聲全息和掃描測量系統(tǒng)
挑戰(zhàn)：開發(fā)一個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聲全息（NAH）系統(tǒng)，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(qū)受到的噪聲影響。
解決方案：開發(fā)一個基于NIPXI動態(tài)信號采集（DSA）設備的高性價比的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的便攜性、靈活性、可擴展性和高精度等優(yōu)勢；通過增加數(shù)據(jù)采集通道數(shù)和移動麥克風陣列可擴大被測區(qū)域并縮短測量時間，同時將NAH的技術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(jiān)控與數(shù)據(jù)驗證功能。”
為什么空軍研究實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(qū)都帶來高強度的噪聲。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和對社區(qū)噪聲影響的研究。要讓這些工具實現(xiàn)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(qū)域進行特征采集。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。
空軍研究實驗室選擇了藍嶺調研咨詢公司（BRRC）開發(fā)創(chuàng)新的測量和分析方法，對噴氣引擎中發(fā)出的噪聲進行特征提取和映射。BRRC是一家聲學工程咨詢公司，專攻解決重要的噪聲和振動挑戰(zhàn)，其中包括聲音和噪聲源測量、通用與專用建模、音景和運輸噪聲可視化、室外警報系統(tǒng)設計以及旋轉機器監(jiān)視。BRRC與楊百翰大學（BYU）聲學研究組合作開發(fā)了這一應用。
使用NAH的挑戰(zhàn)
使用NAH進行大型噴流環(huán)境的特征處理和測量矩陣的開發(fā)給工作帶來了多個技術和后勤難題。對軍用噴氣飛機的近場進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，測量需要涵蓋整個噴流長度。NAH系統(tǒng)還必須是半便攜式的，因為軍用噴氣飛機可以進行靜態(tài)大功率引擎高速運轉的的地點是有限的。
圖2：一架F-22啟動一架F-22飛機的燃燒器后，使用NAH進行地面引擎運轉測量
這個通道測試裝置的一個重要要求是簡化系統(tǒng)設計，將啟動時間和成本降到最低。為了測量的空間大小足夠對整個噴氣噪聲來源進行特征采集，同時盡可能減少麥克風使用數(shù)量，我們提出了使用基于掃描的麥克風陣列結合靜止參考麥克風的方案。
使用NIPXI平臺構建多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
我們在基于NIPXI平臺的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上，記錄來自麥克風的時間波形。PXI機箱包含九個16通道NIPXI-4496模塊和兩個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，是進行精確麥克風測量的理想選擇。
PXI-4496模塊具有113dB動態(tài)范圍，而且在高達204.8kS/s的速率下可以對所有16個通道進行同步采樣。此外，模塊包含內建的抗混疊濾波器，這些濾波器的參數(shù)會根據(jù)采樣率自動進行調節(jié)，與此同時，模塊還提供了高達20dB的軟件可選輸入增益。113dB動態(tài)范圍和20dB的軟件可選增益調節(jié)讓我們可以對弱信號和強信號都進行精確測量。另外，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一轉折頻率為0.5Hz的高通濾波器進行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自由場麥克風和26CB預放大器進行高幅值壓力測量。它允許4Hz至100kHz±3dB的頻率響應。此外，兩個設計修改可以對這個應用程序傳感器進行定制。麥克風被設計為具有1mV/Pa標稱靈敏度，可以測量高達170dB的各個等級的聲壓。我們還將四分之一英寸麥克風的預放大器擴展為半英寸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固程度。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tǒng)使用包含90個麥克風的二維麥克風陣列，通過四個輪子和導軌，這個麥克風陣列可以在與噴流平行的平面上移動。待測區(qū)域被分解為多個二維麥克風陣列塊。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(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端的1U控制器。控制器包含IntelCore2Quad處理器和四塊250GB硬盤驅動器組成RAID0配置。控制器的RAID0配置允許超過150個通道傳輸數(shù)據(jù)流，并同時運行數(shù)據(jù)監(jiān)視和分析軟件。
另外，足夠的存儲空間也是十分重要的，152個通道一個測量區(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)下對多個測量區(qū)域進行測量，對噴流進行特征提取；因此，數(shù)據(jù)用非專用的二進制格式存儲。我們可以使用在太陽光下可以閱讀的運行Windows操作系統(tǒng)的遠程桌面控制并監(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)存儲系統(tǒng)在MIL-SPEC運輸箱中。
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。這個長度將在惡劣的噴流環(huán)境中數(shù)據(jù)采集硬件的振動降到最小，并讓測試裝備能夠在噴流的整個長度上移動。而且，這樣的電纜安排還降低了麥克風測試陣列的重量。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)驗證的函數(shù)。
我們完成了組件測試，確保儀器工作正常。聲學儀器測試是比較直觀的，可擴展數(shù)據(jù)處理是主要關注點。我們成功地測試了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的152個通道能夠以100kHz的速率進行同步采樣。我們還將引進其他可視化工具，進行未來的性能評估。