Boeing misst Geräuschemission mit NI LabVIEW und PXI

"Hard- und Software von NI versetzte uns in die Lage, ein hochwertiges und dabei kostengünstiges System zu erstellen, welches das Erfassungssystem auf mehreren Chassis verteilen, alle Kanäle exakt synchronisieren, auf allen Kanälen simultan eine hohe Kanalanzahl mit voller Bandbreite bieten konnte und eine praktisch unbegrenzte Erweiterung der Kanalanzahl zuließ."

- James Underbrink, Boeing Aero/Noise/Propulsion Laboratory

Die Aufgabe:

Erstellung eines skalierbaren, kostengünstigen Systems zum Testen der Effektivität neuer Methoden zur Reduzierung der Geräuschemissionen von Verkehrsflugzeugen beim Start, bei der Landung und beim Überflug.

Die Lösung:

Verwendung von PXI-Controllern und -Chassis, Dynamiksignalanalysatoren sowie der Software LabVIEW von National Instruments für den Entwurf eines skalierbaren, verteilten Prüfsystems mit exaktem Timing und Synchronisation für die Datenerfassung mit phasengesteuerten Feldern bei Überflugtests.

 

Kurzfassung

Im Rahmen des Projekts, Quiet Technology Demonstrator 2“ (QTD2) hat Boeing neue Technologien zur Reduzierung von Flugzeuglärm getestet. Für das Messen der Effektivität dieser Technologien war ein flexibles, präzises und skalierbares Prüfsystem erforderlich, um die Schallemissionen mit phasengesteuerten Feldern zu visualisieren. Das Unternehmen benötigte dafür eine verteilte Systemarchitektur mit der Möglichkeit, diese auf bis zu 1000 Messpunkte oder noch mehr Kanäle zu erweitern und dabei exaktes Timing und Synchronisation zwischen den Kanälen zu gewährleisten.

 

Datenerfassung und -analyse mit phasengesteuerten Feldern

Boeing forschte mit einem Array von Mikrofonen zur Erfassung von Schalldaten, die dann zu Schallpegelkarten verarbeitet werden, welche Quelle, Frequenz und Lautstärke des Schalls darstellen. Durch Überlagern der Schallpegelkarten mit einer visuellen Abbildung war es möglich, die Effektivität von Technologien zur Lärmreduzierung zu beurteilen, Möglichkeiten zur Vermeidung weiterer Schallquellen zu identifizieren und zwischen Geräuschquellen im Motor und im Flugwerk zu unterscheiden. Mithilfe von NI-Werkzeugen war es dem Unternehmen möglich, mehrere anspruchsvolle Konzepte zur Lärmreduzierung zu validieren.

 

Um die dazu erforderlichen Daten zu sammeln, wurden bei Boeing 82 Karten des Typs PXI-4462 von National Instruments für die Erfassung dynamischer Signale verwendet, die jeweils Erfassungsraten bis zu 204,8 kS/s pro Kanal ermöglichen. Außerdem kamen acht PXI-Chassis zum Einsatz, von denen jedes das Modul NI PXI-4462, PXI-Timing- und Synchronisationskarten sowie die PXI-Glasfaserkabel MXI-4 enthielt.

 

Jedes PXI-MXI-4-Glasfaserkabel verband ein PXI-Chassis mit einem als Serverklasse eingestuften Gerät NI PXI-8350, auf dem die Software National Instruments LabVIEW lief. Die Chassis konnten durch die Glasfaserverbindung in einer Entfernung von bis zu 200 m vom steuernden Computer entfernt betrieben werden. Jeder PXI-8350-Controller wurde über Gigabit Ethernet mit einem zentralen Host-Computer verbunden.

 

So konnten Daten nach der Erfassung schneller zum Host-PC und zu anderen Datenverarbeitungs- und -analysesystemen übertragen werden. Aufgrund der erhöhten Leistung und der unbegrenzten verteilten Architektur gelang es Boeing, die Kosten pro Kanal im Vergleich mit vorherigen VXI-Systemen um über 50 % zu senken.

 

Der Überflugtest mit phasengesteuerten Feldern

Boeing stattete die Prüfanlage mit über 600 Mikrofonen aus, die spiralförmig auf einer Fläche von ca. 76 mal 91 m am Boden am Ende der Start- und Landebahn installiert waren (siehe Abbildung). Beim Überflug eines Flugzeugs des Typs Boeing 777-300ER wurde dann der Schall erfasst. Die Daten wurden sofort abgerufen und verarbeitet, um eine akustische Abbildung des Flugzeugs zu erhalten. Ein über Gigabit Ethernet mit einem Host-Computer verbundener datenverarbeitender Rechnerverbund analysierte die Daten in Echtzeit.

 

Während eines typischen Testdurchlaufs überflog das Flugzeug die Mikrofone ungefähr alle sechs Minuten. Das System konnte die zuvor erfassen Daten laden und stand innerhalb dieses Zeitfensters für die Erfassung weiterer Daten bereit. Während des gesamten Tests wurden über 300 Sequenzen erfasst, die 78 Minuten Ergebnisse erbrachten – über 1 TB (Terabyte) Daten.

 

Timing und Synchronisation

Boeing verwendete Module des Typs NI PXI-665x für die exakte Synchronisation von Modulen in einem Chassis und die Erweiterung von Timing und Synchronisation auf mehrere Chassis. Durch den Einsatz einer Kombination von PXI-6653-Master-Modulen mit PXI-6651-Slave-Modulen arbeiteten alle PXI-Chassis mit demselben Takt und erfassten Daten auf bis zu 1° synchronisiert.

 

Mit Hard- und Software von NI erstellte Boeing ein hochwertiges und dabei kostengünstiges System, welches das Erfassungssystem auf mehreren Chassis verteilen, alle Kanäle exakt synchronisieren, auf allen Kanälen simultan eine hohe Kanalanzahl mit voller Bandbreite bieten konnte und eine praktisch unbegrenzte Erweiterung der Kanalanzahl zuließ.

 

Mit dem neuen System wurde nicht nur die Leistungsfähigkeit der einzelnen Erfassungskanäle verbessert, auch die erforderliche Kabelmenge sowie die Kosten für Mikrofonsysteme für Überflugtests wurden erheblich reduziert. Darüber hinaus verteilte Boeing dank der Timing- und Synchronisationskarten von NI die Datenerfassungshardware im Mikrofonarraysystem, so dass die gesamte Kabellänge um 80 % gekürzt wurde.  

 

Informationen zum Autor:

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

 

Figure 1. Data from more than 600 ground-based microphones is collected and analyzed to determine the effectiveness of noise reduction technologies.