Boeing mesure la réduction des émissions sonores d’un avion avec NI PXI et LabVIEW

James Underbrink, Boeing Aero/Noise/Propulsion Laboratory

« À l’aide des logiciels et du matériel NI, nous avons pu créer un système haut de gamme à faible coût capable de distribuer le système d’acquisition sur plusieurs châssis, de synchroniser étroitement toutes les voies, de fournir un nombre élevé de voies avec une bande passante complète sur toutes les voies simultanément et de permettre une expansion pratiquement illimitée du nombre de voies. »

- James Underbrink, Boeing Aero/Noise/Propulsion Laboratory

Le défi :

Créer un système évolutif et peu coûteux pour tester l’efficacité des conceptions visant à réduire le bruit des avions à réaction commerciaux pendant le décollage, l’atterrissage et le vol continu.

La solution :

Utiliser des contrôleurs et des châssis PXI, des analyseurs de signaux dynamiques et le logiciel LabVIEW de National Instruments afin de concevoir un système de test distribué et évolutif avec un cadencement et une synchronisation étroits pour effectuer l’acquisition de données de réseaux à commande de phase pour les tests de survol.

Dans le cadre du projet Quiet Technology Demonstrator 2 (QTD2), Boeing a testé en vol de nouvelles technologies destinées à réduire le bruit généré par ses avions. Pour mesurer les améliorations apportées par ces technologies, il fallait un système de test flexible, précis et évolutif pour effectuer une imagerie acoustique à réseau à commande de phase pendant les tests. Nous avions besoin d’une architecture de système distribuée capable de s’étendre jusqu’à 1000 voies ou plus tout en maintenant un cadencement et une synchronisation étroits entre les voies.

Acquisition et analyse de données de réseaux à commande de phase

Pour tester en vol les nouvelles technologies de réduction du bruit, nous avons mené des recherches dans une installation à Glasgow, dans l’État du Montana. Nous avons utilisé un réseau de microphones pour acquérir des données sur le bruit, que nous avons ensuite exploitées sous forme de cartes de niveau sonore indiquant la provenance et la fréquence du bruit, ainsi que son intensité.

En superposant les cartes de niveau sonore à une image visuelle, nous avons pu évaluer l’efficacité des technologies de réduction du bruit, identifier les possibilités de réduction supplémentaire des sources de bruit et distinguer les sources du moteur et de la cellule.

Grâce aux outils NI, nous avons pu valider plusieurs concepts avancés de réduction du bruit, notamment des chevrons sur les canaux d’éjection des moteurs, un nouveau traitement acoustique pour l’entrée d’air du moteur et des carénages aérodynamiques pour le train d’atterrissage principal.

Limites du système précédent

Lors de la première phase du projet QTD en 2001, nous avons déployé un système de test VXI dont le nombre de voies et la bande passante étaient limités. Le système nécessitait une architecture de données centralisée qui nous obligeait à colocaliser tous les châssis VXI pour la synchronisation. Il fallait donc prévoir de longs câbles entre les microphones et le système d’acquisition de données (environ 16 km de câbles pour 100 voies d’acquisition de données).

Outre les limites liées aux voies et à l’architecture, nous avons dû faire face à des problèmes tels que des retards lors de la synchronisation des instruments sur plusieurs châssis VXI, un coût important par voie et un temps considérable pour la récupération des données. Pour résoudre ces problèmes, nous souhaitions déployer un nouveau système lors de la deuxième phase du projet (QTD2).

Solution système NI

Grâce à la flexibilité et à la modularité de PXI, nous avons pu créer un système évolutif offrant un nombre de voies pratiquement illimité. De plus, en tirant parti des cartes de cadencement et de synchronisation de NI, nous avons pu distribuer le matériel d’acquisition de données dans le réseau de microphones, réduisant ainsi le câblage de près de 80 % tout en maintenant une correspondance de phase de moins d’un degré entre les voies.

Afin de collecter les données, nous avons utilisé le module PXI de mesure acoustique et vibratoire de NI, qui offre des vitesses d’acquisition pouvant atteindre 204,8 kÉch./s. Nous avons utilisé huit châssis PXI, chacun contenant le module de mesure acoustique et vibratoire, des cartes de cadencement et de synchronisation PXI et des connexions à fibre optique. Grâce aux cartes de cadencement et de synchronisation, nous avons distribué l’horloge d’acquisition et le déclenchement de démarrage à chaque voie d’acquisition de données du système.

Chaque carte à fibre optique reliait un châssis PXI à une machine serveur de contrôle PXI de NI exécutant Windows et LabVIEW de NI. La liaison par fibre optique nous a permis de séparer le châssis de l’ordinateur de contrôle en appliquant une distance pouvant atteindre 200 mètres. Nous avons connecté chaque contrôleur PXI via Gigabit Ethernet à un ordinateur hôte central pour une récupération plus rapide des données post-acquisition vers l’ordinateur hôte et les autres systèmes utilisés pour le traitement et l’analyse des données. Grâce à des performances accrues et à une architecture distribuée illimitée, nous avons réduit le coût par voie de plus de 50 % par rapport à notre système précédent.

Le test de survol du réseau phasé

Nous avons équipé l’installation de test de plus de 600 microphones au sol disposés en spirale et répartis en bout de piste dans une zone de 76 mètres de large sur 91 mètres de long. Nous avons capté le bruit d’un 777-300ER lors de son survol et avons immédiatement récupéré et traité les données pour obtenir une image acoustique de l’avion. Une grappe d’ordinateurs de traitement des données, connectée à un ordinateur hôte via Gigabit Ethernet, a analysé les données en temps réel.

Au cours d’un cycle de test typique, l’avion a survolé le réseau de microphones toutes les six minutes environ. Le système a pu télécharger les données précédemment acquises et était prêt à acquérir d’autres données dans cette fenêtre. Au cours de la séquence de test, nous avons réalisé plus de 300 événements d’acquisition, produisant 78 minutes de résultats de survol, soit plus de 1 To de données.

Architecture matérielle du système

Pour créer un système évolutif jusqu’à 1000 voies, l’architecture système NI utilise plusieurs contrôleurs sur PC et châssis PXI. Dans cette architecture, un châssis maître contrôle le cadencement et le déclenchement alors que le châssis esclave distribue les horloges, contrôle l’acquisition locale et stocke les données sur disque. Un ordinateur hôte contrôle la configuration de tous les systèmes PXI, fournit l’interface utilisateur pour la configuration et le contrôle du logiciel et reçoit toutes les données de chaque système PXI. Un châssis PXI maître contrôle le cadencement et le déclenchement alors que les châssis esclaves reçoivent les signaux de cadencement et de déclenchement, acquièrent les données localement et les stockent sur disque. Nous avons pu contrôler les systèmes PXI de manière transparente et à distance grâce aux contrôleurs PXI-8350 de classe serveur, montés en baie 1U et associés à une liaison par fibre optique. Cela nous a permis de distribuer les périphériques d’acquisition de signaux dynamiques dans plusieurs clusters autour du réseau de microphones, les contrôleurs de périphériques étant situés dans une remorque à une distance pouvant atteindre 200 mètres.

Basés sur du matériel commercial prêt à l’emploi, les lecteurs ATA série configurés en RAID 0 et installés dans le contrôleur PXI nous permettent de diffuser toutes les voies directement sur le disque à une fréquence d’échantillonnage complète. Ce système modulaire nous permet d’adapter facilement les voies selon les besoins pour atteindre un nombre de voies plus élevé, ou de diviser le système pour les applications à faible nombre de voies.

Architecture logicielle du système

Nous avons développé le système entièrement dans LabVIEW. Nous avons pu réutiliser directement ou adapter facilement le code et les conceptions d’autres développeurs Boeing et du site Web de NI. Malgré la courbe d’apprentissage de LabVIEW, une personne a développé l’ensemble de l’application en moins de six mois.

En tirant parti d’une architecture logicielle soigneusement choisie et de la modularité des systèmes PXI, nous avons simplifié le processus de mise à l’échelle du système. Nous l’avons clairement démontré lorsque, à mi-parcours du développement, nous avons dû ajouter 128 voies à notre système. Il n’a fallu que deux heures environ pour faire passer le système de 320 à 448 voies, du déballage et du branchement des modules d’entrée à la mise à jour de deux minutes d’un fichier de configuration.

Cadencement et synchronisation

Nous avons utilisé les modules de synchronisation PXI de National Instruments pour assurer une synchronisation étroite entre les modules d’un seul châssis et étendre le cadencement et la synchronisation à plusieurs châssis. L'utilisation d'une combinaison de modules de synchronisation PXI de NI a permis à tous les châssis PXI de fonctionner en utilisant la même horloge. Les câbles ont distribué le signal de cadencement dans tout le système, permettant un espacement allant jusqu’à 200 mètres entre les châssis tout en maintenant une synchronisation étroite entre les périphériques d’acquisition de signaux dynamiques. Grâce à cette architecture, nous avons pu associer les 448 voies réparties sur huit châssis à un degré près à 93 kHz.

Acquisition du signal dynamique

Au cours du processus de sélection de notre système de données, nous savions que nous avions besoin d’un système pouvant être utilisé pour un large éventail d’applications, des tests à grande échelle aux tests de modèles réduits dans une soufflerie. Nous avions également besoin d’un système offrant des fréquences d’échantillonnage plus élevées et une gamme dynamique plus large que notre système existant. Pour répondre à ces besoins, nous avons sélectionné le module d’acquisition de signaux dynamiques PXI-4462 avec quatre voies d’entrée échantillonnées simultanément et une bande passante de 93 kHz.

Pour les tests à grande échelle, la fréquence d’intérêt n’est généralement pas supérieure à 11,2 kHz ; cependant, des fréquences d’échantillonnage plus élevées sont nécessaires pour les tests en soufflerie avec des modèles à l’échelle 1:20. Grâce aux convertisseurs analogique/numérique sigma-delta 24 bits, nous avons pu mesurer des signaux aussi faibles que 1,25 microvolts. La source de courant IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric) intégrée pour les capteurs fournie par le module PXI de mesure acoustique et vibratoire nous a permis de diviser le coût par 30 et de réduire considérablement la complexité des transducteurs pour certaines applications.

À l’aide des logiciels et du matériel NI, nous avons pu créer un système haut de gamme à faible coût capable de distribuer le système d’acquisition sur plusieurs châssis, de synchroniser étroitement toutes les voies, de fournir un nombre élevé de voies avec une bande passante complète sur toutes les voies simultanément et de permettre une expansion pratiquement illimitée du nombre de voies. Grâce à ce nouveau système, nous avons pu améliorer les capacités des voies d’acquisition individuelles, mais aussi réduire de 5:1 la quantité de câbles nécessaires et diminuer de 30:1 le coût des systèmes de microphones pour les applications de test de survol.