Boeing utilise le PXI et NI LabVIEW pour tester ses technologies de réduction de bruit en vol

"En profitant des cartes de synchronisation et de cadencement de NI, Boeing a été en mesure de répartir le matériel d’acquisition de données au plus près des microphones, diminuant ainsi le câblage d’environ 80%. "

- James Underbrink, Boeing Aero/Noise/Propulsion Laboratory

Le défi:

Créer un système économique et évolutif capable de tester l’efficacité des conceptions dans la réduction du bruit des avions commerciaux au moment du décollage, de l’atterrissage et en vol.

La solution​:

Utiliser LabVIEW avec des contrôleurs et châssis PXI ainsi que des modules d’acquisition de signaux dynamiques de National Instruments pour concevoir un système de test distribué et évolutif assurant un cadencement et une synchronisation étroits afin d’effectuer une acquisition simultanée de données issues d’un réseau de microphones.

 

Dans le cadre du projet QTD2 (Quiet Technology Demonstrator 2), Boeing a dû tester de nouvelles technologies destinées à réduire le bruit généré au sol par ses avions en vol. Mesurer l’amélioration apportée par ces technologies nécessitait un système de test flexible, précis et évolutif pour effectuer une imagerie acoustique au cours des tests. Nous avions besoin d’une architecture système distribuée capable d’intégrer jusqu’à 1 000 voies, ou même davantage, tout en garantissant une synchronisation étroite entre toutes les voies.


Un réseau de microphones pour cartographier le bruit

Pour évaluer l’efficacité de nos technologies de réduction de bruit dans les meilleures conditions, nous avons choisi d’effectuer des recherches dans une installation située à Glasgow, au Montana (États-Unis) .Nous avons utilisé un réseau de microphones pour acquérir les données acoustiques, que nous avons pu ensuite traiter sous forme de “cartes des bruits”montrant à partir de quel endroit et à quelles fréquences le bruit a été généré et avec quelle intensité.

 

En superposant la cartographie acoustique avec une image visuelle, nous avons pu estimer l’efficacité des technologies de réduction des bruits, identifier les possibilités de réductions supplémentaires des sources de bruits, et faire le distinguo entre les bruits issus des moteurs et ceux provenant de la structure de l’avion.


En utilisant les outils NI, nous avons pu ainsi valider plusieurs concepts de réduction des bruits, dont l’installation de chevrons sur les tuyères d’échappement des moteurs, un nouveau traitement acoustique pour l’entrée d’air du réacteur, et des carénages aérodynamiques pour le principal train d’atterrissage.


Limitations des systèmes précédents

Au cours de la première phase du projet QTD en 2001, nous avons déployé un système de test VXI qui était limité à la fois dans le nombre de voies et dans la largeur de la bande passante des voies. Le système nécessitait une architecture de données centralisée qui nous imposait de réunir au même endroit plusieurs châssis VXI pour garantir une bonne synchronisation. Cela se traduisait par le recours à d’importantes longueurs de câbles entre les microphones et le système d’acquisition de données, soit environ 15 kilomètres de câble par 100 voies d’acquisition de données.


En plus des limitations au niveau des voies et de l’architecture, nous avons été confrontés à plusieurs problèmes, comme la gestion de retards dans la synchronisation des instruments sur plusieurs châssis VXI, un coût par voie très élevé, et un temps d’extraction des données important. Nous voulions donc, dans la deuxième phase du projet (QTD2), mettre en œuvre un nouveau système capable de solutionner tous ces problèmes.

 

Le PXI préféré au VXI

En utilisant la flexibilité et la modularité du PXI, nous avons été capables de créer un système évolutif avec un nombre de voies quasi illimité. En outre, en profitant des cartes de synchronisation et de cadencement de NI, nous avons été en mesure de répartir le matériel d’acquisition de données au plus près des microphones, diminuant ainsi le câblage d’environ 80 % tout en maintenant des signaux en phase à plus ou moins un degré près entre les voies.


Pour recueillir les données, nous avons utilisé le module d’acquisition de signaux dynamiques NI PXI-4462, qui offrait des vitesses d’acquisition jusqu’à 204,8 kéch./s. Nous avons fait appel à huit châssis PXI, chacun contenant un module d’acquisition PXI-4462, des modules de synchronisation ainsi qu’un module d’interface MXI-4 à fibre optique. Avec les modules de synchronisation, nous avons pu distribuer l’horloge d’acquisition et les signaux de déclenchement en étoile sur chaque voie d’acquisition de données du système. Chaque module PXI MXI-4 relie un châssis PXI à un serveur NI PXI-8350 fonctionnant sur Windows XP, avec NI LabVIEW. Nous avons ainsi été en mesure de séparer les châssis des ordinateurs de contrôle de quelque 200 mètres grâce à la liaison par fibre optique.


Chaque contrôleur NI PXI-8350 est relié, par Ethernet (Gigabit), à un ordinateur hôte central pour une centralisation rapide des données acquises et leur distribution vers d’autres ordinateurs dédiés au traitement et l’analyse. Avec des performances plus élevées et une architecture distribuée illimitée, nous avons réduit le coût par voie de plus de 50 % par rapport au système précédent.

 

Test en survol de piste équipée du réseau de microphones

Nous avons équipé l’installation de test de plus de 600 microphones installés au sol et répartis en spirale jusqu’à la fin de la piste d’atterrissage dans une zone de 76 mètres de large sur 91 mètres de long. Nous avons mesuré le bruit d’un 777-300ER pendant qu’il survolait la piste et avons immédiatement récupéré et traité les données afin d’obtenir une image acoustique de l’avion. Un cluster d’ordinateur de traitement de données connecté à un ordinateur hôte via Ethernet analysait les données en temps réel.


Pendant un cycle de test classique, l’avion volait au-dessus du réseau de microphones environ toutes les six minutes. Le système était capable de télécharger les données précédemment acquises tout en étant prêt à acquérir davantage de données dans cette fenêtre temporelle. Pendant la séquence de test, nous avons effectué plus de 300 acquisitions, soit l’équivalent de 78 minutes de tests en vol, soit plus de 1 To de données.

 

Architecture système matérielle

Pour créer un système capable d’intégrer un millier de voies et plus, l’architecture système de NI utilise plusieurs contrôleurs sur PC et divers châssis PXI. Dans cette architecture, un châssis maître contrôle le cadencement et le déclenchement tandis que des châssis esclaves contrôlent l’acquisition locale et stockent 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 logiciels, et reçoit toutes les données de chaque système PXI.


Cette architecture modulaire nous fournit le cadre nécessaire pour augmenter facilement le nombre de voies ou pour répartir le système sur plusieurs applications.

 

Architecture système logicielle

Nous avons développé l’ensemble du système avec LabVIEW. Nous avons été en mesure de réutiliser directement et d’adapter facilement du code et des conceptions d’autres développeurs de Boeing et à partir du site Web de NI. Une seule personne a pu développer l’application toute entière en moins de six mois.


En profitant d’une architecture logicielle choisie avec soin, et de la nature modulaire des systèmes PXI, nous avons simplifié le processus de mise à l’échelle du système. Nous l’avons clairement prouvé, lorsque, en plein milieu du développement, nous avons eu besoin d’ajouter 128 voies à notre système. Il n'a fallu que deux heures pour passer de 320 à 448 voies, de la réception/ installation des modules d'entrée supplémentaires à la mise à jour des fichiers de configuration.


Cadencement et synchronisation

Nous avons exploité les modules de contrôle de cadencement et de synchronisation NI PXI-665x pour garantir une synchronisation étroite entre les modules dans un seul châssis et pour étendre le cadencement et la synchronisation aux autres châssis. La combinaison de modules maîtres NI PXI-6653 avec des modules esclaves NI PXI-6651 permet à tous les châssis PXI de fonctionner avec la même horloge. Les câbles distribuent le signal de cadencement dans le système, permettant jusqu’à 200 mètres de séparation entre les châssis, tout en maintenant une étroite synchronisation entre les nombreux matériels d’acquisition de signaux dynamiques. Grâce à cette architecture, nous avons pu faire synchroniser les 448 voies sur huit châssis avec un déphasage maximum de 1 degré à 93 kHz.

 

Acquisition de signaux dynamiques

En nous projetant dans l’avenir dès le processus de sélection du matériel, nous savions que nous avions besoin d’un système susceptible d’être utilisé pour toute une gamme d’applications, des tests en grandeur nature aux tests sur modèles réduits en soufflerie. Nous avions aussi besoin d’un système qui offrait des vitesses d’échantillonnage relativement élevées ainsi qu’une gamme dynamique plus importante que notre système existant. Pour satisfaire ces besoins, nous avons choisi le module d’acquisition de signaux dynamiques PXI-4462 avec quatre voies d’entrées échantillonnées simultanément et une bande passante de 93 kHz.


Pour les tests en grandeur nature, la fréquence d’intérêt ne dépasse pas habituellement les 11,2 kHz. Cependant, des vitesses d’échantillonnage plus élevées sont nécessaires pour des tests en soufflerie avec des maquettes au 1:20. Avec les convertisseurs analogiques/numériques sigma-delta 24 bits du PXI-4462, nous avions la garantie de pouvoir mesurer des signaux aussi bas que 1,25 microvolts. Avec la source de courant IEPE intégrée au module d’acquisition PXI-4462, nous avons divisé les coûts par 30 tout en réduisant la complexité des transducteurs pour certaines applications.


Avec le matériel et les logiciels NI, nous avons été en mesure de créer un système économique et performant capable de distribuer les opérations d’acquisition de données sur plusieurs châssis, d’étroitement synchroniser toutes les voies, d’offrir un nombre important de voies avec une largeur de bande maximale sur chaque voie simultanément, et de permettre d’étendre le nombre de voies de façon presque infinie. Avec ce nouveau système, non seulement nous avons été capables d’améliorer les fonctionnalités individuelles des voies d’acquisition, mais nous avons aussi pu diviser par cinq la quantité de câblage nécessaire, et par trente les coûts du réseau de microphones.

 

Juin 2006

 

Informations sur l’auteur:

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.