Boeing măsoară emisiile sonore reduse ale aeronavelor cu PXI şi NI LabVIEW
Print
Author(s):
James Underbrink - The Boeing Company
Industry:
Aerospace/Avionics
Products:
The Challenge:
Crearea unui sistem scalabil, cu costuri reduse, pentru testarea eficienţei designului în reducerea emisiilor sonore ale avioanelor comerciale în timpul decolării, zborului şi aterizării.
The Solution:
Utilizarea controlerelor şi şasiurilor PXI, a analizoarelor de semnale dinamice şi a platformei software LabVIEW, toate produse de National Instruments, pentru a proiecta un sistem de testare scalabil, distribuit, cu sincronizare şi coordonare în timp strânse, pentru a efectua achiziţii de date în reţea fazată pentru teste efectuate în condiţii de zbor.
"Utilizând hardware şi software National Instruments, am reuşit să realizăm un sistem de top, cu costuri reduse, care poate distribui sistemele de achiziţie pe mai multe şasiuri, poate realiza o sincronizare strânsă a tuturor canalelor, poate asigura funcţionarea cu un număr mare de canale cu lăţime de bandă integrală pentru toate canalele simultan şi poate permite o extindere practic nelimitată a numărului de canale. "
Ca parte a proiectului Quiet Technology Demonstrator 2 (QTD2) – un sistem de demonstrare a tehnologiilor silenţioase – Boeing a testat, în condiţii de zbor, noile tehnologii destinate reducerii emisiilor sonore generate de aeronavele sale. Măsurarea îmbunătăţirilor aduse de aceste tehnologii a necesitat un sistem de testare flexibil, precis şi scalabil care să genereze, pe durata testelor, imagini acustice în reţea fazată. Am avut nevoie de o arhitectură de sistem distribuită, cu posibilitate de extindere până la 1.000 de canale sau chiar mai multe, dar care să păstreze în acelaşi timp coordonarea strânsă în timp şi sincronizarea între canale.
Achiziţia de date în reţea fazată şi analiza acestora
Pentru a testa, în condiţii de zbor, noile tehnologii pentru funcţionare mai silenţioasă, am desfăşurat un studiu la o unitate din Glasgow, Montana. Am utilizat o reţea de microfoane pentru a achiziţiona date despre emisiile sonore, pe care le-am procesat ulterior în hărţi ale nivelului de zgomot, arătând de unde şi la ce frecvenţe a fost generat zgomotul şi cât de intens a fost acesta.
Prin suprapunerea hărţilor nivelului de zgomot cu o imagine vizuală, am putut evalua eficacitatea tehnologiilor de reducere a zgomotului, am putut identifica oportunităţile pentru reduceri suplimentare ale surselor de zgomot şi am putut distinge între sursele de zgomot ale motorului şi cele ale fuzelajului.
Utilizând instrumentele NI, am putut apoi valida mai multe concepte avansate privind reducerea emisiilor sonore, printre care se numără elementele în formă de V ale conductelor de eşapament, noul tratament acustic pentru admisia motorului şi profilul aerodinamic al trenului principal de aterizare.
Limitările sistemului anterior
În anul 2001, în cadrul primei etape a proiectului QTD, am realizat şi implementat un sistem de testare VXI care prezenta limitări legate atât de numărul canalelor, cât şi de lăţimea de bandă a acestora. Sistemul a necesitat o arhitectură de date centralizată, care ne-a impus să instalăm toate şasiurile VXI într-o singură locaţie în vederea sincronizării, ceea ce a condus la necesitatea utilizării de trasee de cablu lungi de la microfoane la sistemul de achiziţie de date – aproape 10 mile (cca. 16 km) de cablu la 100 de canale de achiziţie.
Pe lângă limitările legate de canale şi de arhitectură, ne-am confruntat cu provocări precum întârzierile apărute la sincronizarea instrumentelor pentru mai multe şasiuri VXI, costurile semnificative per canal şi intervalul mare de timp necesar pentru obţinerea datelor. În a doua etapă a proiectului (QTD2), am dorit să realizăm şi să implementăm un sistem nou care să elimine aceste neajunsuri.
Soluţia creată de National Instruments
Utilizând flexibilitatea şi caracterul modular al echipamentelor PXI, am reuşit să creăm un sistem scalabil cu o capacitate practic nelimitată de extindere a numărului de canale. În plus, beneficiind de avantajele oferite de cardurile NI pentru coordonare în timp şi sincronizare, am putut distribui hardware-ul de achiziţie de date în perimetrul de amplasare a microfoanelor, micşorând lungimea traseelor de cablu cu aproape 80 la sută şi păstrând în acelaşi timp defazajul dintre canale în marja de un grad.
Pentru colectarea datelor, am utilizat modulul NI PXI-4462 de achiziţie a semnalelor dinamice, produs de National Instruments, modul care asigură viteze de achiziţie de până la 204,8 kS/s. Am utilizat opt şasiuri PXI, fiecare din acestea conţinând instrumentul NI PXI-4462, carduri PXI pentru sincronizare şi coordonare în timp şi conexiuni prin fibră optică NI PXI MXI-4. Cu ajutorul cardurilor pentru sincronizare şi coordonare în timp, am distribuit ceasul şi declanşatorul de pornire pentru achiziţia de date la fiecare canal de achiziţie de date din sistem.
Fiecare card NI PXI MXI-4 conectează prin fibră optică un şasiu PXI cu un calculator NI PXI-8350, din clasa serverelor, pe care rulează Windows XP şi NI LabVIEW. Am reuşit să separăm şasiul de calculatorul cu rol de controler prin intermediul unei conexiuni cu fibră optică având o lungime de până la 200 de metri. Utilizând Gigabit Ethernet, am conectat fiecare controler NI PXI-8350 la un calculator-gazdă central şi la alte sisteme utilizate pentru procesarea şi analizarea datelor, în scopul recuperării mai rapide a datelor în faza ulterioară achiziţiei. Cu performanţe îmbunătăţite şi cu o arhitectură distribuită, practic nelimitată, am obţinut o reducere a costurilor cu peste 50 la sută pentru fiecare canal în comparaţie cu sistemul nostru anterior.
Testarea în zbor în reţea fazată
Am echipat unitatea de testare cu peste 600 de microfoane instalate la sol, dispuse după un model personalizat, în formă de spirală, răspândite până la capătul pistei, acoperind o zonă de 250 ft (76,25 m) lăţime şi 300 ft (91,5 m) lungime. Am achiziţionat date privind emisiile sonore ale unei aeronave 777-300ER care zbura deasupra zonei cu microfoane şi am extras şi procesat imediat datele pentru a obţine o imagine acustică a aeronavei. Un cluster de calculatoare pentru procesare de date, conectat prin Gigabit Ethernet la un calculator-gazdă, a analizat datele în timp real.
În timpul unui ciclu tipic de testare, aeronava a zburat deasupra zonei prevăzute cu microfoane la intervale de aproximativ şase minute. În cadrul acestui interval de timp, sistemul a reuşit să încarce datele achiziţionate anterior şi să fie pregătit pentru a achiziţiona noi date. În timpul secvenţei de testare au avut loc peste 300 de evenimente de achiziţie de date, care au produs 78 de minute de rezultate obţinute în condiţii de zbor – mai mult de 1 TB de date.
Arhitectura sistemului hardware
Pentru a crea un sistem care să fie scalabil până la 1.000 de canale, arhitectura de sistem NI utilizează mai multe controlere pe bază de PC şi mai multe şasiuri PXI. În această arhitectură, un şasiu master controlează coordonarea în timp şi declanşarea, în timp ce şasiurile slave distribuie ceasurile, controlează achiziţia locală de date şi stochează datele pe disc. Un calculator-gazdă controlează configuraţia tuturor sistemelor PXI, asigură interfaţa cu utilizatorul pentru configurare şi control software şi primeşte toate datele de la fiecare sistem PXI. Un şasiu master PXI controlează coordonarea în timp şi declanşarea, în timp ce şasiurile slave recepţionează semnalele de coordonare în timp şi declanşare, achiziţionează date la nivel local şi stochează datele pe disc. Am reuşit să controlăm sistemele PXI în mod transparent şi de la distanţă cu ajutorul controlerelor NI PXI-8350 1 din clasa serverelor, montate pe rack-uri în U, prevăzute cu conexiuni MXI prin fibră optică, ceea ce ne-a asigurat flexibilitate la distribuirea dispozitivelor de achiziţie de semnale dinamice în mai multe clustere în jurul reţelei de microfoane, controlerele de dispozitive fiind amplasate într-un vehicul la o distanţă de până la 200 de metri.
Cu ajutorul unor echipamente hardware general disponibile, unităţile Serial ATA configurate într-o matrice RAID 0 şi instalate în sistemul NI PXI-8350 ne-au permis să obţinem un flux de date de la toate canalele direct către disc, la frecvenţa maximă de eşantionare. Acest sistem modular ne oferă cadrul necesar pentru scalarea uşoară a canalelor, conform necesităţilor, pentru a ajunge la un număr mai mare de canale sau pentru a diviza sistemul pentru aplicaţii care necesită un număr mai mic de canale.
Arhitectura sistemului software
Sistemul a fost dezvoltat în întregime pe platforma LabVIEW. Am reuşit să reutilizăm direct sau să adaptăm cu uşurinţă codul şi designul de la alţi dezvoltători Boeing şi de pe site-ul web al companiei National Instruments. Incluzând perioada de familiarizare cu platforma LabVIEW, o singură persoană a dezvoltat întreaga aplicaţie în mai puţin de şase luni.
Beneficiind de avantajele unei arhitecturi software selectate cu grijă şi de natura modulară a sistemelor PXI, am simplificat procesul de scalare a sistemului. Acest lucru a fost demonstrat cu claritate atunci când, în mijlocul procesului de dezvoltare, a trebuit să adăugăm încă 128 de canale la sistemul nostru. Scalarea sistemului de la 320 la 448 de canale a durat aproximativ două ore – de la despachetarea şi conectarea modulelor de intrare până la actualizarea, în numai două minute, a fişierului de configuraţie.
Coordonarea în timp şi sincronizarea
Am utilizat modulele NI PXI-665x de control al coordonării în timp şi al sincronizării, produse de National Instruments, pentru a realiza o sincronizare strânsă între modulele din cadrul unui singur şasiu şi pentru a extinde coordonarea în timp şi sincronizarea la mai multe şasiuri. Utilizarea unei combinaţii de module master NI PXI-6653 şi module slave NI PXI-6651 a permis funcţionarea şasiurilor PXI cu acelaşi ceas. Cablurile au distribuit semnalul de coordonare în timp în întregul sistem, permiţând separarea şasiurilor cu până la 200 de metri şi menţinând, în acelaşi timp, o sincronizare strânsă între dispozitivele de achiziţie de semnale dinamice. Cu ajutorul acestei arhitecturi. am reuşit să menţinem în marja de un grad, la frecvenţa de 93 kHz, defazajul dintre toate cele 448 de canale distribuite pe opt şasiuri.
Achiziţia de semnale dinamice
Privind în perspectivă în cadrul procesului nostru de selectare a sistemului de date, am înţeles că aveam nevoie de un sistem pe care să îl putem utiliza pentru o gamă largă de aplicaţii, de la aplicaţii la scară reală la aplicaţii de testare de modele în tuneluri aerodinamice. Aveam nevoie, de asemenea, de un sistem care să asigure frecvenţe de eşantionare mai mari şi un interval dinamic mai larg decât cel al sistemului nostru existent. Pentru a îndeplini aceste cerinţe, am selectat modulul NI PXI-4462 pentru achiziţia de semnale dinamice, cu patru canale de intrare eşantionate simultan şi cu o lăţime de bandă de 93 kHz.
Pentru testele la scară reală, frecvenţa de interes nu depăşeşte de obicei 11,2 kHz; cu toate acestea, sunt necesare frecvenţe de eşantionare mai mari în cazul testării în tuneluri aerodinamice a unor modele la scara de 1:20. Cu ajutorul convertoarelor analogic-digital sigma-delta pe 24 de biţi, am putut măsura semnale chiar şi de 1,25 microvolţi. Cu sursa de curent electric piezoelectrică integrată (IEPE) pentru senzori furnizaţi de NI PXI-4462, am realizat o reducere de 30 de ori a costurilor şi o reducere semnificativă a complexităţii traductoarelor pentru anumite aplicaţii.
Utilizând hardware şi software National Instruments, am reuşit să realizăm un sistem de top, cu costuri reduse, care poate distribui sistemele de achiziţie pe mai multe şasiuri, poate realiza o sincronizare strânsă a tuturor canalelor, poate asigura funcţionarea cu un număr mare de canale cu lăţime de bandă integrală pentru toate canalele simultan şi poate permite o extindere practic nelimitată a numărului de canale. Cu ajutorul acestui sistem nou, am reuşit nu numai îmbunătăţirea capacităţilor fiecărui canal de achiziţie în parte, ci şi o reducere în proporţie de 5:1 a cantităţii de cabluri necesare şi o reducere în proporţie de 30:1 a costurilor sistemelor de microfoane pentru aplicaţiile de testare în timpul zborului.
Pentru mai multe informaţii, luaţi legătura cu:
James R. Underbrink
Expert tehnic Boeing, Sisteme şi tehnologii de procesare de date (Data Systems and Processing Technology), Laboratorul Boeing pentru aeronave/emisii sonore/propulsie (Boeing Aero/Noise/Propulsion Laboratory) al companiei Boeing
Tel: (206) 655-1476
E-mail: james.r.underbrink@boeing.com
|
|