James Underbrink,Boeing aero/laboratorio de propulsión/ruido
Crear un sistema escalable y de bajo costo para probar la efectividad de los diseños para reducir el ruido de los aviones comerciales durante el despegue, el aterrizaje y el vuelo.
Usar controladores y chasis PXI de National Instruments, analizadores de señales dinámicas y software LabVIEW para diseñar un sistema de pruebas distribuido y escalable con temporización y sincronización para realizar adquisición de datos de arreglo de fase para pruebas de sobrevuelo.
Como parte del proyecto Quiet Technology Demonstrator 2 (QTD2), Boeing probó en vuelo nuevas tecnologías destinadas a reducir el ruido generado por su aeronave. Medir la mejora que proporcionan estas tecnologías requirió un sistema de pruebas flexible, preciso y escalable para realizar imágenes acústicas de arreglo de fase durante las pruebas. Necesitábamos una arquitectura de sistema distribuido con la capacidad de expandirse hasta 1,000 canales o más, manteniendo la temporización y la sincronización entre canales.
Para probar en vuelo nuevas tecnologías para un funcionamiento más silencioso, realizamos una investigación en una instalación en Glasgow, Montana. Usamos una variedad de micrófonos para adquirir datos de ruido, que luego procesamos en mapas a nivel de ruido que muestran desde dónde y a qué frecuencias se generó el ruido y qué tan fuerte era.
Al superponer los mapas a nivel de ruido con una imagen visual, pudimos evaluar la efectividad de las tecnologías de reducción de ruido, identificar oportunidades para reducciones adicionales de fuentes de ruido y distinguir entre las fuentes del motor y de la estructura del avión.
Usando las herramientas de NI, pudimos validar varios conceptos avanzados de reducción de ruido, incluyendo chevrons en los conductos de escape del motor, nuevo tratamiento acústico para la entrada del motor y carenados aerodinámicos para el tren de aterrizaje principal.
Durante la primera etapa del proyecto QTD en 2001, implementamos un sistema de pruebas VXI que estaba limitado tanto en cantidad de canales como en ancho de banda de canales. El sistema requería una arquitectura de datos centralizada que nos exigía ubicar todo el chasis VXI para la sincronización, lo que requería largos tendidos de cable desde los micrófonos hasta el sistema de adquisición de datos, aproximadamente 10 millas de cable por 100 canales de adquisición de datos.
Además de las limitaciones de canales y la arquitectura, enfrentamos desafíos que incluyen retrasos de tiempo al sincronizar instrumentos en múltiples chasis VXI, un costo significativo por canal y un tiempo significativo para la recuperación de datos. Queríamos implementar un nuevo sistema en la segunda etapa del proyecto (QTD2) que resolviera estos problemas.
Usando la flexibilidad y modularidad de PXI, pudimos crear un sistema escalable con una capacidad de cantidad de canales prácticamente ilimitada. Además, al aprovechar las tarjetas de temporización y sincronización de NI, pudimos distribuir el hardware de adquisición de datos en el arreglo de micrófonos, reduciendo el cableado en casi un 80% y manteniendo dentro de un grado la coincidencia de fase entre los canales.
Para recopilar los datos, utilizamos el Módulo de Sonido y Vibración NI PXI, que proporcionó velocidades de adquisición de hasta 204.8 kS/s. Usamos ocho chasis PXI, cada uno con el módulo de sonido y vibración, tarjetas de sincronización y temporización PXI y conexiones de fibra óptica. Con las tarjetas de temporización y sincronización, distribuimos el reloj de adquisición y el disparo de inicio a cada canal de adquisición de datos en el sistema.
Cada tarjeta de fibra óptica enlazaba un chasis PXI con una máquina de clase servidor controlador NI PXI que ejecutaba Windows y NILabVIEW. Pudimos separar el chasis de la PC de control hasta 200 metros con el enlace de fibra óptica. Conectamos cada controlador PXI a través de Gigabit Ethernet a una PC principal para una recuperación de datos posterior a la adquisición más rápida a la PC principal y otros sistemas utilizados para el procesamiento y análisis de datos. Con un mayor rendimiento y una arquitectura distribuida ilimitada, redujimos el costo por canal en más del 50% en comparación con nuestro sistema anterior.
La prueba de sobrevuelo del arreglo de fase
Equipamos las instalaciones de pruebas con más de 600 micrófonos en tierra dispuestos en un patrón en espiral personalizado y distribuidos al final de la pista en un área de 250 pies de ancho por 300 pies de largo. Adquirimos el ruido de un 777-300ER mientras volaba por encima e inmediatamente recuperamos y procesamos los datos para obtener una imagen acústica del avión. Un clúster de PC de procesamiento de datos conectado a una PC principal a través de Gigabit Ethernet analizó los datos en tiempo real.
Durante un ciclo de pruebas típico, la aeronave voló sobre el arreglo de micrófonos aproximadamente cada seis minutos. El sistema pudo cargar los datos adquiridos previamente y estar listo para adquirir más datos dentro de esa ventana. Durante la secuencia de prueba, realizamos más de 300 eventos de adquisición, lo que arrojó 78 minutos de resultados de sobrevuelo, más de 1 TB de datos.
Para crear un sistema que sea escalable a 1,000 canales, la arquitectura del sistema de NI utiliza múltiples controladores basados en PC y chasis PXI. En esta arquitectura, un chasis maestro controla la temporización y el disparo, mientras que el chasis esclavo distribuye relojes, controla la adquisición local y almacena datos en disco. Una PC principal controla la configuración de todos los sistemas PXI, proporciona la interfaz de usuario para la configuración y el control del software y recibe todos los datos de cada sistema PXI. Un chasis PXI maestro controla la temporización y el disparo, mientras que el chasis esclavo recibe las señales de temporización y disparo, adquiere datos localmente y los almacena en disco. Podríamos controlar de forma transparente y remota los sistemas PXI con los controladores de clase servidor PXI-8350 1U de montaje en rack agrupados con un enlace de fibra óptica, lo que nos brinda la flexibilidad de distribuir los dispositivos de adquisición de señales dinámicas en varios clústeres alrededor del arreglo de micrófonos con los controladores de dispositivos ubicados en un remolque a una distancia de hasta 200 metros.
Basados en hardware comercial, las unidades Serial ATA configuradas en RAID 0 instaladas en el controlador PXI nos permiten transmitir todos los canales directamente al disco a una velocidad de muestreo completa. Este sistema modular nos brinda el framework para escalar fácilmente los canales según sea necesario para alcanzar un mayor número de canales, o para dividir el sistema para aplicaciones de menor número de canales.
Desarrollamos el sistema completamente en LabVIEW. Pudimos reutilizar directamente o adaptar fácilmente el código y los diseños de otros desarrolladores de Boeing y del sitio web de NI. Incluso con la curva de aprendizaje de LabVIEW, una persona desarrolló toda la aplicación en menos de seis meses.
Al aprovechar una arquitectura de software cuidadosamente elegida y la naturaleza modular de los sistemas PXI, simplificamos el proceso de escalar el sistema. Demostramos esto claramente cuando, a la mitad del desarrollo, necesitábamos agregar 128 canales a nuestro sistema. Solo tomó alrededor de dos horas escalar el sistema de 320 a 448 canales, desde desempaquetar y conectar los módulos de entrada hasta realizar una actualización de dos minutos en un archivo de configuración.
Usamos módulos de sincronización PXI de National Instruments para proporcionar una perfecta sincronización entre los módulos en un solo chasis y para extender la temporización y la sincronización a múltiples chasis. Usar una combinación de módulos de sincronización NI PXI permitió que todos los chasis PXI operaran usando el mismo reloj. Los cables distribuyeron la señal de temporización en todo el sistema, permitiendo una separación de chasis de hasta 200 metros y manteniendo una estrecha sincronización entre los dispositivos de adquisición de señales dinámicas. Con esta arquitectura, pudimos igualar los 448 canales distribuidos en ocho chasis dentro de un grado a 93 kHz.
Mirando hacia el futuro durante nuestro proceso de selección del sistema de datos, sabíamos que necesitábamos un sistema que pudiéramos usar para una amplia variedad de aplicaciones, desde pruebas a gran escala hasta pruebas de modelos a escala en un túnel de viento. También necesitábamos un sistema que tuviera velocidades de muestreo más altas y un rango dinámico más grande que nuestro sistema existente. Para satisfacer estas necesidades, seleccionamos el módulo de adquisición de señal dinámica PXI-4462 con cuatro canales de entrada muestreados simultáneamente y un ancho de banda de 93 kHz.
Para pruebas a gran escala, la frecuencia de interés generalmente no es superior a 11.2 kHz; sin embargo, se requieren velocidades de muestreo más altas para las pruebas en túnel de viento con modelos a escala tan pequeños como 1:20. Con convertidores analógico-digital sigma-delta de 24 bits, podríamos medir señales tan bajas como 1.25 microvoltios. Con la fuente de corriente integrada piezoeléctrica electrónica integrada (IEPE) para sensores proporcionada por el módulo de sonido y vibración PXI, logramos una reducción de costos 30 veces mayor y redujimos considerablemente la complejidad de los transductores para ciertas aplicaciones.
Al usar software y hardware de NI, pudimos crear un sistema de alta gama y bajo costo que podía distribuir el sistema de adquisición en múltiples chasis, sincronizar perfectamente todos los canales, proporcionar una gran cantidad de canales con ancho de banda completo en todos los canales simultáneamente y permitir la expansión ilimitada de canales. Con este nuevo sistema, no solo pudimos mejorar las capacidades de los canales de adquisición individuales, sino que también logramos una reducción de 5:1 en la cantidad de cable requerido y recortamos el costo de los sistemas de micrófonos en 30:1 para aplicaciones de pruebas de sobrevuelo.
James Underbrink
Laboratorio de Boeing aero/ruido/propulsión
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