波音公司 (Boeing) 使用 NI PXI 與 LabVIEW 量測飛行器噪音

Author(s):
James Underbrink - Boeing Aero/Noise/Propulsion Laboratory

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
建立可調整的低價位系統，針對商務噴射客機於起飛、降落，與持續飛行時的噪音進行量測。

The Solution:
使用 NI PXI 控制器與機箱、動態訊號分析器，與 LabVIEW 軟體，透過緊密的時脈與同步化，設計可調整的分散式測試系統；以執行飛行測試的相位式陣列 (Phased array) 資料擷取。

根據 Quiet Technology Demonstrator 2 (QTD2) 專案，波音公司持續測試新的低噪音技術，以降低該公司飛行器的噪音。而必須以彈性、精確，且可調整的系統，量測這些技術所提升的降噪程度，並於測試期間執行相位式陣列聲波成像法 (Phased array acoustic imaging)。我們需要分散式的系統架構，並可擴充至最多甚至超過 1,000 個通道，同時能夠於通道間保持緊密的時脈與同步化。

 

相位式陣列資料擷取與分析

為了測試低噪音作業的新技術，我們在蒙大拿州 (Montana) 格拉斯哥 (Glasgow) 的設施中進行研究。我們使用麥克風的陣列以擷取噪音資料，接著處理成為噪音聲級 (Noise-level) 圖，顯示噪音生成的地點與頻率，與其分貝數。

將噪音聲級圖顯示為可見的影像之後，我們即可了解降噪技術的效能、檢視其他降低噪音的可能性，並分辨來自於引擎與飛機結構的噪音。

透過 NI 工具，我們可以檢驗多個進階的降噪概念，包含引擎排氣系統 (Exhaust duct) 的鋸齒造型 (Chevron)、新的引擎進氣 (Inlet) 噪音處理，與主要起落架的空氣動力整流片 (Aerodynamic fairing)。

 

先前的系統限制

在 2001 年 QTD 專案的第一階段中，我們佈署 1 組通道數與通道頻寬均有所限制的VXI 測試系統。該系統需要集中 (Centralized) 的資料架構，並需要共用 (co-locate) 所有的 VXI 機箱進行同步化，且要有連接線從麥克風接至資料擷取系統 – 每 100 個資料擷取通道約為 10 英哩長的連接線。

除了通道與架構限制之外，我們必須面對跨多個 VXI 機箱進行儀器同步化、高價位的通道，與進行資料檢索所花費的大量時間，所產生的時間延遲。我們要在 QTD2 專案的第二階段佈署新系統，以解決這些問題。

 

NI 系統解決方案

透過 PXI 的彈性與模組化特性，我們可使用幾乎不限通道數的功能，以建立可調整的系統。此外透過 NI 時脈與同步化介面卡，我們可以分散資料擷取硬體至麥克風陣列，並於維護通道之間的 1 度相位匹配 (One degree of phase match) 時，減少將近 80% 的連接線。

為了收集資料，我們使用 NI PXI-4462 動態訊號擷取模組，具有最高 204.8 kS/s 擷取速率；8 組 PXI 機箱，每機箱均包含 NI PXI-4462 時脈與同步化介面卡；與 PXI MXI-4 光纖連結。透過時脈與同步化介面卡，我們可將擷取時脈與觸發器，分配至系統中的每個資料擷取通道。

每個 PXI MXI-4 光纖介面卡，可連接 1 組 PXI 機箱與 1 組執行 Windows XP 與 NI LabVIEW 的 NI PXI-8350 伺服器級機器。透過光纖連結，我們可分開機箱與控制電腦最遠達 200 公尺。我們使用 Gigabit 乙太網路，將每組 NI PXI-8350 控制器連接至 1 組中央主機電腦，以用於較快的主機電腦後擷取 (Post-acquisition) 資料回復，與其他系統的資料處理與分析。透過提升的效能與無限制的分散式架構，再與先前的系統相較，我們可於每通道減少超過 50% 的成本。

 

相位式陣列飛行測試

我們的測試設備包含超過 600 組的地面麥克風，以螺旋形式散佈於寬 250 呎與長 300 呎範圍的跑道上。我們在 777-300ER 飛過上方時擷取雜訊，並立刻檢索並處理相關資料為飛機的聲音影像。1 組資料處理電腦叢集，將透過 Gigabit 乙太網路連接至主機電腦，並即時分析資料。

在一般測試週期期間，飛行器將每 6 分鐘通過麥克風陣列 1 次。系統將可上傳先前所擷取的資料，並準備擷取更多資料。在測試序列期間，我們取得超過 300 個擷取事件，與 78 分鐘的飛行結果 – 超過 1 TB 的資料。

 

硬體系統架構

為了建立可調整為 1,000 個通道的系統，NI 系統架構使用多個 PC 架構的控制器與 PXI 機箱。在此架構中，1 個主要機箱控制時脈與觸發，而次要機箱則分配時脈、控制本端擷取 (Local acquisition)，並儲存資料至磁碟。主機電腦將控制所有 PXI 系統的設定；提供軟體設定與控制的使用者介面；並接收來自於 PXI 系統的所有資料。主要的 PXI 機箱將控制時脈與觸發，而次要機箱將接收時脈與觸發訊號、於本端擷取資料，並儲存至磁碟。透過 PXI-8350 1U 機架固定，不需螢幕即可遠端控制 PXI 系統；讓我們可使用最遠 200 公尺外的裝置控制器，在麥克風陣列周圍分配數個叢集中的動態訊號擷取裝置。PXI-8350 為組合 光纖 MXI 連結  的伺服器級控制器

以現成的硬體為基礎，於 RAID 0 中設定的 Serial ATA 驅動，將安裝至 PXI-8350 中，讓我們可透過最高取樣率，直接串聯所有的通道。此模組化系統的架構，讓我們可依需求輕鬆調整通道至較高的通道數，或切割系統為較低通道數的多個應用。

 

軟體系統架構

我們完全以 LabVIEW 進行系統開發。針對來自於波音公司其他開發者與 NI 網站的程式碼與設計，我們可直接再使用或輕鬆進行調整。即使包含 LabVIEW 的學習時間，1 個人也可於僅僅 6 個月之內，開發出整個應用。

在利用了仔細挑選的軟體架構，與 PXI 系統的模組化功能之後，我們可簡化調整系統的程序。當達到開發程序的中段，需要新增 128 個系統通道時，我們特別了解到此系統的彈性與便利性。僅花費 2 個小時，就將系統從 320 個通道擴充至 448 個通道 – 包含拆卸機箱並插入輸入模組，與 2 分鐘的設定檔案升級作業。

 

時脈與同步化

我們使用 NI PXI-665x 時脈與同步化控制模組，於單一機箱中進行模組間的同步化，並擴充時脈與同步化作業至多個機箱。在整合 NI PXI-6653 主要模組與 NI PXI-6651 次要模組之後，可透過相同時脈操作所有的 PXI 機箱。連接線可分配時脈訊號至整個系統，並於機箱之間達到最高 200 公尺的距離；同時仍保持動態訊號擷取裝置之間的同步化。透過此架構，我們可涵蓋 8 個機箱總共 448 個通道，均為 93 kHz 頻寬的作業。

 

動態訊號擷取

在選擇資料系統期間，我們知道我們將需要可使用於多種應用的系統，並可於風洞 (Wind tunnel) 中進行完整比例 (Full-scale) 測試至模型比例(Scale-model) 測試。與現有系統相較，我們亦需要具有較高取樣率與較大動態範圍的系統。為了符合這些需要，我們選擇 PXI-4462 動態訊號擷取模組，包含 4 個同步取樣通道與 93 kHz 頻寬。

就完整比例測試來說，所需的頻寬一般均不高於 11.2 kHz；然而如 1：20 模型比例的風洞測試，則需要較高的取樣率。透過 24 位元解析度的 SIgma-Delta 類比數位轉換器 (ADC)，我們可量測低至 1.25 微伏 (Microvolt) 的訊號。透過整合式電子壓電 (IEPE) 所整合 PXI-4462 感測器的電源，我們可達到 30 倍的成本縮減，並大幅降低特定應用傳感器的複雜度。

使用 NI 軟體與硬體，我們可建立低價位的高端系統，以跨多個機箱分配擷取系統；同步化所有通道；以高通道數，同步於所有通道進行全頻寬；並可虛擬進行無限的通道數擴充。有了此新系統，我們不僅可提升個別擷取通道的功能，並縮減到 5:1 的連接線總長度，進一步降低飛行測試應用 30:1 的麥克風系統成本。

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James Underbrink
Boeing Aero/Noise/Propulsion Laboratory
Tel: (206) 655-1476
james.r.underbrink@boeing.com

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