使用NI LabVIEW和PXI进行噪声源特征识别

 

　　The Challenge:

　　为重型机械噪声控制、声场均衡、火箭和喷气式飞机噪声研究以及小型轴流冷却风扇辐射噪声主动控制等研究不断升级仪器。

　　The Solution:

　　采用一套特别配备NI PXI-446x动态信号采集(DSA)模块的NI数据采集系统对噪声源进行特征识别。

　　杨百翰大学(BYU)的声学研究小组(ARG)由来自物理系与机械和电气工程系的师生构成。由于杨百翰大学已经拥有LabVIEW及相关工具箱的NI院校单位许可证，因而使用LabVIEW配置和控制数据采集系统十分方便。

　　数据采集系统

　　我们目前的DAQ系统以NI PXI-1045型18槽机箱为基础，配备八个NI PXI-4462 DSA模块，每个模块带有四个模拟输入端口。24位的DSA模块特别带有6个可选模拟输入增益，并且拥有最高204.8kS/s的同步采样率。另外配置了一块NI PXI-4461数据采集模块以提供模拟输出能力，该模块拥有两个模拟输入和两个模拟输出。整体而言，该系统拥有34个输入通道和2个输出通道。我们还采用了NI PXI-7344中档步进/伺服控制器用于我们的自动化运动控制应用。

　　基于其优异的性能和明显的便捷性，我们选用了NI PXI-ExpressCard8360作为PXI机箱控制器，以方便使用笔记本电脑进行控制。NI PXI-Express8360提供的数据吞吐量相比于传统CardBus增加60%，，并且大多数笔记本电脑厂商都其部分产品上配置了ExpressCard插槽。我们购买了两台笔记本电脑用来控制PXI系统：Dell XPS M140是一款带有一个ExpressCard插槽的中型笔记本电脑，而Dell Latitude D820是一款稍大的带有ExpressCard和CardBus两个插槽的笔记本电脑，配置有SATA硬盘、2GB内存以及高性能双核处理器。因此我们使用XPS M140进行日常应用，而Latitude D820则主要用于要求高功率的高通道数应用场合。采用这两台笔记本通过LabVIEW和NI DAQmx平台对PXI机箱和DSA模块进行控制总是十分简单方便。机箱和XPS M140笔记本电脑如图1.所示。

　　

 

　　图1. NI PXI-1045机箱和Dell XPS M140笔记本电脑

　　PXI-446x模块特别采用了压电集成电路(IEPE)技术，又称恒流源(CCP)供电，无需为传感器单独提供电源，因此，使用测量传感器进行高精度声学研究既经济又方便。杨百翰大学声学研究小组拥有大约60个半英寸的Larson Davis、PCB和GRAS公司IEPE麦克风。另外，大学最近购买了32个四分之一英寸的GRAS IEPE麦克风用于小封装、高带宽或低灵敏度需求情形的的测量。 这些传感器唯一的缺点在于：因为同轴电缆存在着固有电容，大型线缆情形下可用的带宽受到限制。为了克服这个问题，在需要高频、宽动态范围测量时我们使用了低电容的同轴电缆。

　　风扇噪音特征辨识方案

　　声学研究小组特别制定了两套实验方案用于识别风扇噪声的特征。第一种方案采用是步进电机控制的半圆形测量支臂，如图2所示。13个半英寸的IEPE麦克风固定在测量支臂上，通过测量支臂转动来测量半球指向性。PXI-7344控制器驱动一个Oriental Motor步进电机的伺服器和电机，步进电机再与各种齿轮啮合，以1/60度的精度转动测量支臂。LabVIEW测量软件界面截图如图3、图4所示。

　　本测量程序的一个特点(见图四右上角)是程序随测量进度可以对指定频率绘制出增量指向性图。对于箱装风扇，该支臂测量程序能够获得远场指向性与频率和流量的关系。在主动降低风扇噪声时进行这些指向性测量工作还可以获得整体噪声降低的信息。

　　

 

　　图2. 图片为杨百翰大学全消声室内半圆形测量支臂，60mm的轴流风扇安装在铝制机箱顶面上，三脚架上安装的设备是一个光速度计--用于测量风扇的转动速度

　　

 

　　图3. 支臂测量程序截图

　　

 

　　图4. 这张截图反映了支臂测量程序的测量示意屏是如何显示任意通道的功率谱和指定给定频率的指向性图

　　第二种方案是采用近场线性阵列，我们使用它来研究风扇噪声源附近噪声的音调和稳定性。线性阵列包括23个四分之一英寸的GRAS麦克风，如图5.所示间隔半英寸安装布置。然后在机箱面上方手动步进阵列，步进间隔为四分之一英寸或半英寸，从而绘制出二维声压场。由于风扇正上方的麦克风因空气流动产生了附加噪声，因此二维压力场绘图时只采用气流外部的麦克风。图5.中还可以看见四个小圆形扬声器，它们用于对声场进行主动控制。主动控制启用时，线性阵列可用于测定近声场中产生的变化。

　　

 

　　图5. 用于近场风扇噪声特征识别的线性阵列

　　这些实验方案带来了一个新的问题—麦克风的标定。高精度测量要求频繁的校准，对于高通道数应用而言这十分耗时。为了简化这一过程，我们为PXI系统开发了一套“灵活”的麦克风标定方法。在标定过程中，只需一个研究人员首先启动控制室内笔记本上的程序，然后带着标定器进入隔音室。软件同步从所有活跃通道快速采集数据并利用LabVIEW中的频率/幅值检测VI搜索数据获得有效的标定信号(250或1000Hz)。这个过程在程序循环内不断进行直至检测到一个麦克风通道的有效标定信号。一旦确定通道，研究人员可以使用NI信号和振动工具包内的SVL标定麦克风VI标定该通道。

　　消声室的一个LED确保研究人员获知标定状态(见图2. 中的红白线缆)。LED由PXI-4461模块的模拟输出以LabVIEW中生成的12V方波直接驱动。方波脉冲的频率和持续时间告知研究人员标定是否顺利运行。这一标定过程十分有效，现在一个研究员可以用5分钟左右的时间标定完23个麦克风。而杨百翰大学的其他数据采集平台上标定同样数目的麦克风通常需要两个人且花费时间更长。LabVIEW程序使得频繁标定变得更加简单方便。

　　开发应用程序

　　声学研究小组使用PXI系统只花费了几个月时间就将风扇噪声特征识别系统开发完毕。然而，这些测量并不需要PXI-466x模块的任何一项重要性能。本系统是用于火箭和喷气式飞机的噪声测量，这些应用具有更高的性能要求。

　　火箭和喷气式飞机噪声的高幅值特征识别是现阶段的研究难点。这些噪声源的近场存在激波，激波上升时间快、含有重要的高频成分，因而需要采用高带宽的测量系统。此外，声音信号幅值随着频率和发动机工况不断变动，这要求测量系统拥有一个较大的动态范围。

　　利用PXI-446x模块，基于PXI和笔记本电脑的系统提供了高度灵活的测量。另外，实时导出大量数据的能力使得阵列测量成为可能，因而在发动机运行测试时能最大程度地发挥测量系统的潜能。

　　Latitude D820的检测结果表明：它可以在所有34个通道以150kHz左右采样率采样时实时将单精度数据导入外部硬盘。如果使用内部SATA硬盘，34个通道的实时数据采样频率最大可以达到204.8kHz。我们的测量系统使用笔记本控制器、拥有宽动态范围和高带宽、支持IEPE传感器，针对便捷高精度场测量应用本系统算得上是顶尖级别的系统，喷气噪声测量研究也证实了这一点。

　　

 

　　图6. F-16喷气式飞机噪声测量