보잉사, NI PXI 및 LabVIEW로 감소된 여객기 노이즈 방출 측정

James Underbrink, Boeing Aero/Noise/Propulsion Laboratory

“NI 소프트웨어와 하드웨어를 사용하여 우리는 수집 시스템을 여러 섀시에 배포하고, 모든 채널을 긴밀하게 동기화하고, 모든 채널에서 동시에 최대 대역폭으로 높은 채널 수를 제공하고, 사실상 무제한으로 채널 수 확장을 지원하는 초고성능 저비용 시스템을 구축할 수 있었습니다.”

- James Underbrink, Boeing Aero/Noise/Propulsion Laboratory

과제:

이륙, 착륙 및 지속 비행 중 상업용 제트 여객기 노이즈를 줄이는 설계의 효율성을 테스트하기 위해 확장 가능한 저비용 시스템을 만듭니다.

해결책:

NI PXI 컨트롤러와 섀시, 다이나믹 신호 분석기, LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 정밀한 타이밍과 동기화를 통해 확장 가능한 분산 테스트 시스템을 설계하여 플라이오버 테스트를 위한 위상 배열 데이터 수집을 수행합니다.

보잉(Boeing)사는 QTD2 (Quiet Technology Demonstrator 2) 프로젝트의 일환으로 항공기에서 생성되는 노이즈를 줄이기 위한 신기술을 테스트하였습니다. 이 신기술이 제공하는 개선점을 측정하기 위해서는 테스트 중 위상 배열 음향 이미징을 수행할 유연성 있고 정밀하며 확장 가능한 테스트 시스템이 필요하였습니다. 최대 1,000 채널 또는 그 이상으로 확장 가능하며 채널 간 긴밀한 타이밍 및 동기화를 유지하는 분산 시스템 아키텍처가 필요했습니다.

위상 배열 데이터 수집 및 분석

더욱 조용한 작동을 위한 신기술을 테스트하기 위해 Montana주의 Glasgow에 있는 시설에서 연구를 수행하였습니다. 노이즈 데이터 수집을 위해 마이크 배열을 사용하였으며, 그 후 수집된 데이터를 노이즈가 생성되는 장소, 주파수 및 얼마나 시끄러운지 등을 보여주는 노이즈 레벨 맵으로 처리하였습니다.

노이즈 레벨 맵 위에 시각적인 이미지를 겹쳐 놓아, 노이즈 감소 기술의 효율성을 평가하고, 추가로 노이즈를 줄일 수 있는 방법을 파악하며, 엔진과 에어프레임 소스를 구별할 수 있었습니다.

그 후에는 NI의 도구를 사용하여 엔진 배기 덕트의 쐐기 형태 노즐, 엔진 흡기에 대한 새로운 음향 처리, 주 착륙 장치에 대한 공기역학적 페어링(aerodynamic fairings)과 같은 여러가지 첨단 노이즈 감축 개념을 검증할 수 있었습니다.

이전 시스템의 한계

2001년 QTD 프로젝트의 첫 번째 단계에서, 우리는 채널 수와 채널 대역폭이 모두 제한된 VXI 테스트 시스템을 배포했습니다. 이 시스템은 동기화를 위해 모든 VXI 섀시를 같은 위치에 배치해야 하는 중앙 집중식 데이터 아키텍처를 필요로 했으며, 때문에 마이크에서 데이터 수집 시스템까지의 긴 케이블(데이터 수집 채널 100개당 약 10마일)이 필요했습니다.

채널 및 아키텍처 상 한계 외에도 여러 VXI 섀시에서 계측기를 동기화할 때의 시간 지연, 상당한 채널당 비용, 데이터 검색에 필요한 꽤 많은 시간 등의 문제에 직면했습니다. 우리는 이러한 문제를 해결할 두 번째 단계 프로젝트(QTD2)에서 새로운 시스템을 배포하고 싶었습니다.

NI 시스템 솔루션

PXI의 유연성과 모듈성을 사용하여 우리는 사실상 무제한의 채널 수로 확장 가능한 시스템을 만들 수 있었습니다. 또한 NI 타이밍 및 동기화 카드를 활용하여 데이터 수집 하드웨어를 마이크 배열로 배치하여 채널 간의 위상 일치도를 1도 이내로 유지하면서 배선을 거의 80%까지 줄일 수 있었습니다.

데이터를 수집하기 위해 최대 204.8 kS/s의 수집 속도를 제공하는 PXI 사운드 및 진동 모듈을 사용했습니다. 8개의 PXI 섀시를 사용했는데, 각각 사운드 및 진동 모듈, PXI 타이밍 및 동기화 카드, 광섬유 연결을 탑재했습니다. 타이밍 및 동기화 카드로 시스템의 모든 데이터 수집 채널에 수집 클록 및 시작 트리거를 배포했습니다.

각 광섬유 카드는 Windows 및 NI LabVIEW를 실행하는 NI PXI 컨트롤러 서버급 머신과 PXI 섀시를 연결했습니다. 광섬유 링크 덕분에 섀시를 제어 컴퓨터에서 최대 200미터까지 분리할 수 있었습니다. 각 PXI 컨트롤러는 기가비트 이더넷을 통해 하나의 중앙 호스트 컴퓨터에 연결하여 호스트 컴퓨터와 데이터 처리 및 분석에 사용되는 기타 시스템에서의 수집 후 데이터 복구 속도를 높였습니다. 향상된 성능과 무제한 분산 아키텍처를 통해 이전 시스템에 비해 채널당 비용을 50% 이상 절감했습니다.

위상 배열 플라이오버 테스트

우리는 활주로 끝 폭 250피트, 길이 300피트 영역에 맞춤형 나선 패턴으로 배열된 600개 이상의 지상 마이크를 펼쳐놓은 테스트 시설을 설치했습니다. 777-300ER이 머리 위를 날 때 노이즈를 수집해 즉시 데이터를 획득하고 처리하여 비행기의 음향 이미지를 얻었습니다. 기가비트 이더넷을 통해 호스트 컴퓨터에 연결된 데이터 처리 컴퓨터 클러스터는 데이터를 실시간으로 분석했습니다.

일반적인 테스트 주기 동안 기체는 약 6분마다 마이크 배열 위로 비행했습니다. 그 시간 동안 시스템은 이전에 획득한 데이터를 업로드할 수 있었고 더 많은 데이터를 획득할 준비를 했습니다. 테스트 시퀀스 동안 우리는 300개 이상의 수집 이벤트를 수행하여 78분의 비행 결과 1TB 이상의 데이터를 모았습니다.

하드웨어 시스템 아키텍처

1,000개 채널로 확장 가능한 시스템을 구축하기 위해 NI 시스템 아키텍처는 다중 PC 기반 컨트롤러와 PXI 섀시를 사용합니다. 이 아키텍처에서 마스터 섀시는 타이밍과 트리거링을 제어하는 반면 슬레이브 섀시는 클록을 분배하고 로컬 수집을 제어하며 데이터를 디스크에 저장합니다. 호스트 컴퓨터는 모든 PXI 시스템의 설정을 제어하고 소프트웨어 설치 및 제어를 위한 사용자 인터페이스를 제공하며 각 PXI 시스템에서 모든 데이터를 수신합니다. 마스터 PXI 섀시는 타이밍 및 트리거링을 제어하는 반면 슬레이브 섀시는 타이밍 및 트리거링 신호를 수신하고 로컬에서 데이터를 수집하여 디스크에 저장합니다. 광섬유 링크와 함께 제공되는 PXI-8350 1U 랙 마운트, 서버급 컨트롤러를 사용하여 PXI 시스템을 투명하고 원격으로 제어할 수 있었고, 그 덕분에 마이크 배열 주위에 다이나믹 신호 수집 디바이스 클러스터를 여러 개 배치하고 그곳에서 최대 200미터 떨어진 트레일러에 디바이스 컨트롤러를 배치하는 유연성을 얻을 수 있었습니다.

상용 기성 하드웨어를 기반으로 PXI 컨트롤러에 RAID 0 구성으로 설치된 시리얼 ATA 드라이브를 사용하면 최대 샘플링 속도로 모든 채널에서 디스크로 직접 스트리밍할 수 있었습니다. 이 모듈형 시스템은 더 많은 채널 수를 얻든, 더 적은 수의 어플리케이션을 위해 시스템을 나누든 필요에 따라 채널을 쉽게 확장, 축소할 수 있는 프레임워크를 제공합니다.

소프트웨어 시스템 아키텍처

우리는 시스템을 온전히 LabVIEW에서 개발했습니다. 다른 Boeing 개발자로부터, 그리고 NI 웹 사이트에서 코드와 설계를 직접 재사용하거나 쉽게 적용할 수 있었습니다. LabVIEW 학습에 드는 시간에도 불구하고 한 사람이 6개월도 되지 않아 전체 어플리케이션 하나를 개발했습니다.

신중하게 선택된 소프트웨어 아키텍처 및 PXI 시스템의 모듈형 특성을 활용하여, 시스템 확장 과정을 단순화하였습니다. 개발 중간에 시스템에 128개의 채널을 추가해야 했을 때, 이러한 점이 분명히 입증되었습니다. 시스템을 320개에서 448개 채널로 확장하는 데 약 2시간 밖에 걸리지 않았습니다. 입력 모듈의 포장을 풀고 연결하고 설정 파일을 2분 정도 걸려서 업데이트하니 끝이었습니다.

타이밍 및 동기화

National Instruments PXI 동기화 모듈을 사용하여 단일 섀시의 모듈 사이에서 긴밀한 동기화를 제공하고 타이밍 및 동기화를 여러 섀시로 확장했습니다. NI PXI 동기화 모듈을 함께 사용하면 모든 PXI 섀시가 동일한 클럭을 사용하여 작동할 수 있습니다. 케이블은 시스템 전체에 타이밍 신호를 분배하여 최대 200미터의 섀시 분리를 허용하는 동시에 다이나믹 신호 수집 디바이스 간의 긴밀한 동기화를 유지했습니다. 이 아키텍처를 사용하여 93 kHz에서 1도 내에서 8개의 섀시에 걸쳐 있는 모든 448개 채널을 일치시킬 수 있었습니다.

다이나믹 신호 수집

데이터 시스템을 선택하는 과정에서 우리는 실제 크기 테스트에서 풍동의 축척 모델 테스트에 이르기까지 광범위한 어플리케이션에 사용할 수 있는 시스템이 필요하다는 것을 알았습니다. 또한 기존 시스템보다 더 높은 샘플링 속도와 더 큰 동적 범위를 가진 시스템이 필요했습니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 4개의 동시 샘플링 입력 채널과 93 kHz 대역폭을 갖춘 PXI-4462 다이나믹 신호 수집 모듈을 선택했습니다.

실제 크기 테스트의 경우 관심 주파수는 일반적으로 11.2 kHz 이하입니다. 그러나 1:20 정도로 작은 축척 모델을 사용하는 풍동 테스트에는 더 높은 샘플링 속도가 필요합니다. 24비트, 시그마-델타 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 1.25마이크로볼트의 낮은 신호를 측정할 수 있었습니다. PXI 사운드 및 진동 모듈이 제공하는 센서용 IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric) 통합 전류 소스를 통해 우리는 30배의 비용 절감을 달성하고 특정 어플리케이션에서 트랜스듀서의 복잡성을 크게 줄였습니다.

NI 소프트웨어와 하드웨어를 사용하여 우리는 수집 시스템을 여러 섀시에 배포하고, 모든 채널을 긴밀하게 동기화하고, 모든 채널에서 동시에 최대 대역폭으로 높은 채널 수를 제공하고, 사실상 무제한으로 채널 수 확장을 지원하는 초고성능 저비용 시스템을 구축할 수 있었습니다. 이 새로운 시스템을 사용하여 개별 수집 채널의 기능을 개선할 수 있었을 뿐만 아니라 필요한 케이블 양을 5:1로 줄이고 플라이오버 테스트 어플리케이션에서 마이크 시스템 비용을 30:1로 절감했습니다.