Boeing reduziert die Geräuschemission von Flugzeugen mit NI LabVIEW und PXI

Im Rahmen des Projekts Quiet Technology Demonstrator 2 (QTD2) testete Boeing im Flugbetrieb neue Technologien, die den von Flugzeugen erzeugten Lärm reduzieren sollen. Bei der Beurteilung der Verbesserung bieten diese Technologien ein flexibles, genaues und skalierbares Testsystem, um die akustische Phased-Array-Abbildung während der Tests durchzuführen. Sie benötigten eine verteilte Systemarchitektur mit der Möglichkeit, die Kapazität über 1.000 Kanäle auszudehnen und gleichzeitig eine enge Zeitplanung und Synchronisation zwischen den Kanälen zu gewährleisten.

Phased-Array-Datenerfassung und -Analyse

Um neue Technologien für einen leiseren Betrieb im Flug zu testen, haben wir in einer Einrichtung in Glasgow, Montana, geforscht. Dabei haben wir eine Reihe von Mikrofonen verwendet, um Lärmdaten zu erfassen, die wir dann zu Lärmpegelkarten verarbeitet haben, aus denen hervorgeht, wo und in welchem Frequenzbereich der Lärm erzeugt wurde und wie stark die Lärmbelastung war.

Durch die Überschneidung der Lärmpegelkarten mit einem visuellen Bild konnten wir die Effektivität von Lärmreduktionstechnologien beurteilen, Möglichkeiten zur weiteren Reduzierung der Lärmquellen identifizieren und zwischen dem Triebwerk und dem Rumpf als Lärmquellen unterscheiden.

Durch den Einsatz von NI-Werkzeugen konnten sie dann mehrere ausgereifte Konzepte zur Lärmreduzierung validieren, darunter Chevron-Düsen an den Strahlrohren, eine neue akustische Behandlungsmethode für den Triebwerkseinlass und aerodynamische Verkleidungen für das Hauptfahrwerk.

Einschränkungen des vorherigen Systems

Während der ersten Phase des QTD-Projekts im Jahr 2001 haben wir ein VXI-Testsystem implementiert, das sowohl hinsichtlich der Kanalanzahl als auch der Kanalbandbreite begrenzt war. Das System erforderte eine zentralisierte Datenarchitektur, die erforderte, dass wir alle VXI-Chassis für die Synchronisation zusammenlegen mussten, was lange Kabelläufe von den Mikrofonen zum Datenerfassungssystem erforderte – etwa 10 Meilen Kabel für je 100 Kanäle der Datenerfassung.

Zusätzlich zu den Kanal- und Architekturbeschränkungen standen wir vor Herausforderungen wie Zeitverzögerungen bei der Synchronisation von Messgeräten über mehrere VXI-Chassis, erheblichen Kosten pro Kanal und erheblichen Zeitaufwand für das Abrufen von Daten. Wir wollten in der zweiten Projektstufe (QTD2) ein neues System implementieren, das diese Probleme beheben würde.

Die NI-Systemlösung

Mit der Flexibilität und Modularität von PXI konnten wir ein skalierbares System mit nahezu unbegrenzter Kanalanzahl erstellen. Darüber hinaus konnten wir durch den Einsatz von Timing- und Synchronisationskarten von NI die DAQ-Hardware innerhalb des Mikrofonarrays verteilen, wodurch sich die Verkabelung um fast 80 Prozent verringerte und gleichzeitig die Phasenübereinstimmung zwischen den Kanälen innerhalb eines Grades gehalten werden konnte.

Die Daten wurden mit dem PXI-Modul zur Geräusch- und Schwingungsmessung von NI erfasst, das Erfassungsraten von bis zu 204,8 kS/s bietet. Wir haben acht PXI-Chassis verwendet, die jeweils das Schall- und Schwingungsmodul, PXI-Timing- und -Synchronisationskarten sowie Glasfaserverbindungen enthalten. Mit den Timing- und Synchronisationskarten haben wir den Erfassungs-Takt und den Start-Trigger auf jeden Datenerfassungskanal im System verteilt.

Jede Glasfaserkarte hat ein PXI-Chassis mit einem Computer der PXI-Controller-Server-Klasse von NI verbunden, der unter Windows und NILabVIEW ausgeführt wird. Mit der Glasfaserverbindung konnten wir die Entfernung zwischen Chassis und Steuercomputer auf bis zu 200 Meter erhöhen. Wir haben jeden PXI-Controller über Gigabit-Ethernet mit einem zentralen Host-Computer verbunden, um die Wiederherstellung der Daten nach der Erfassung mit dem Host-Computer und anderen Systemen zur Datenverarbeitung und -analyse zu beschleunigen. Mit einer höheren Leistung und einer unbegrenzten, verteilten Architektur haben wir die Kosten pro Kanal im Vergleich zu unserem Vorgängersystem um mehr als 50 Prozent gesenkt.

Der Phased-Array-Flyover-Test

Wir haben die Testanlage mit mehr als 600 erdgesteuerten Mikrofonen ausgestattet, die in einem benutzerdefinierten Spiralmuster am Ende der Start- und Landebahn auf einer 250 m breiten und 300 m langen Fläche angeordnet sind. Wir erfassten das Geräusch eines 777-300ER beim Überfliegen und ermittelten und verarbeiteten die Daten sofort, um ein akustisches Bild des Flugzeugs zu erhalten. Ein Datenverarbeitungscomputer-Cluster, der über Gigabit-Ethernet mit einem Host-Computer verbunden ist, analysiert die Daten in Echtzeit.

Während eines typischen Testzyklus flog das Flugzeug etwa alle sechs Minuten über das Mikrofon-Array. Das System konnte die zuvor erfassten Daten hochladen und war bereit, innerhalb dieses Fensters weitere Daten zu erfassen. Während der Testsequenz führten wir mehr als 300 Erfassungsereignisse durch, wodurch 78 Minuten an Übertragungsergebnissen – mehr als 1 TB Daten – erzielt wurden.

Hardwaresystemarchitektur

Um ein auf 1.000 Kanäle skalierbares System zu erstellen, verwendet die NI-Systemarchitektur mehrere PC-basierte Controller und PXI-Chassis. Bei dieser Architektur steuert ein Master-Chassis das Timing und die Triggerung, während Slave-Chassis Taktgeber verteilen, lokale Erfassungen steuern und Daten auf dem Datenträger speichern. Ein Host-Computer steuert die Konfiguration aller PXI-Systeme, stellt die Benutzeroberfläche für die Konfiguration und Steuerung der Software bereit und empfängt alle Daten von jedem PXI-System. Ein PXI-Master-Chassis steuert das Timing und die Triggerung, während ein Slave-Chassis die Timing- und Trigger-Signale empfängt, Daten lokal erfasst und auf dem Datenträger speichert. Wir konnten die PXI-Systeme transparent und aus der Ferne steuern, indem wir die in einem Rack befindlichen serverfähigen Controller PXI-8350 (1 HE) mit einer Glasfaserverbindung gebündelt haben. Dadurch haben wir die Flexibilität, die dynamischen Signalerfassungsgeräte in mehreren Clustern um das Mikrofon-Array zu verteilen, wobei sich die Geräte-Controller in einem Anhänger in bis zu 200 m Entfernung befinden.

Basierend auf handelsüblicher Hardware können wir mit seriellen ATA-Laufwerken, die als RAID 0 konfiguriert und im PXI-Controller installiert sind, alle Kanäle direkt auf den Datenträger mit voller Sample-Rate streamen. Dieses modulare System bietet uns den Rahmen, um Kanäle einfach nach Bedarf zu skalieren, um eine höhere Kanalanzahl zu erreichen, oder das System für Anwendungen mit geringerer Kanalanzahl aufzuteilen.

Softwaresystemarchitektur

Wir haben das System vollständig in LabVIEW entwickelt. Wir konnten Code und Entwürfe anderer Boeing-Entwickler und der NI-Website direkt wiederverwenden oder einfach anpassen. Selbst mit der LabVIEW-Lernkurve kann eine Person die gesamte Anwendung in weniger als sechs Monaten entwickeln.

Durch die Vorteile einer sorgfältig ausgewählten Softwarearchitektur und der modularen Natur von PXI-Systemen haben wir den Skalierungsprozess des Systems vereinfacht. Das haben wir unter Beweis gestellt, als wir in der Mitte der Entwicklung 128 Kanäle zu unserem System hinzufügen mussten. Es dauerte nur etwa zwei Stunden, um das System von 320 auf 448 Kanäle zu skalieren – vom Auspacken und Anstecken der Eingangsmodule bis hin zur Aktualisierung einer Konfigurationsdatei, was zwei Minuten gedauert hat.

Timing und Synchronisation

Wir haben PXI-Synchronisationsmodule von NI verwendet, um eine enge Synchronisation zwischen Modulen in einem Chassis zu gewährleisten und Timing und Synchronisation auf mehrere Chassis auszudehnen. Durch die Kombination von NI-PXI-Synchronisationsmodulen konnten alle PXI-Chassis mit demselben Takt betrieben werden. Die Kabel verteilten das Timing-Signal im gesamten System, wodurch eine Entfernung von bis zu 200 Meter zum Chassis möglich war und gleichzeitig eine enge Synchronisation zwischen den dynamischen Signalerfassungsgeräten aufrechterhalten wurde. Mit dieser Architektur konnten wir alle 448 Kanäle, die über acht Chassis verteilt sind, innerhalb eines Grades auf 93 kHz miteinander verbinden.

Dynamische Signalerfassung

Als wir während unseres Auswahlprozesses für das Datensystem an das gedacht haben, was auf uns zukommen würde, wussten wir, dass wir ein System brauchten, das wir für eine breite Palette von Anwendungen verwenden konnten, von Tests in Originalgröße bis hin zu maßstabsgetreuen Modelltests in einem Windkanal. Wir benötigten außerdem ein System mit höheren Sample-Raten und einem größeren dynamischen Bereich als unser bestehendes System. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, haben wir das PXI-4462-Modul zur dynamischen Signalerfassung mit vier simultan abgetasteten Eingangskanälen und einer Bandbreite von 93 kHz ausgewählt.

Bei Full-Scale-Tests ist die relevante Frequenz in der Regel nicht höher als 11,2 kHz. Bei Windtunneltests mit Modellen mit einer Größe von 1:20 sind jedoch höhere Abtastraten erforderlich. Mit 24-Bit-Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlern konnten wir Signale messen, die nur 1,25 Mikrovolt ausgemacht haben. Dank der integrierten elektronischen piezoelektrischen (IEPE) Stromquelle für Sensoren des PXI-Moduls zur Geräusch- und Schwingungsmessung haben wir eine Kostensenkung mit dem Faktor 30 erreicht und die Komplexität der Sensoren für bestimmte Anwendungen stark reduziert.

Durch den Einsatz von NI-Software und -Hardware waren wir in der Lage, ein kostengünstiges High-End-System zu entwickeln, das dafür sorgt, dass das Erfassungssystem auf mehrere Chassis verteilt wird, alle Kanäle eng synchronisiert werden, eine hohe Kanalanzahl mit voller Bandbreite auf allen Kanälen gleichzeitig bereitgestellt und eine praktisch unbegrenzte Erweiterung der Kanalanzahl ermöglicht wird. Mit diesem neuen System konnten wir nicht nur die Fähigkeiten der einzelnen Erfassungskanäle verbessern, sondern auch die benötigte Kabelmenge um den Faktor 5 reduzieren und die Kosten für Mikrofonsysteme für Flyover-Testanwendungen um den Faktor 30 senken.

Informationen zum Autor:

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