ボー​イング​社: ​NI PXI​と​LabVIEW​を​用​い​て​騒音​低減​技術​の​効果​を​測定

ボーイング社では、QTD2 (Quiet Technology Demonstrator 2) プロジェクトの一環として、航空機​によって​発生​する​騒音​の​低減​を​目的​と​した​新​技術​の​評価​を​行う​ため、​飛行​試験​を​実施​しま​した。これらの技術の効果を測定するには、試験中に位相アレイの音響イメージングなどを行うための、柔軟性と拡張性に優れた高精度なテストシステムが必要でした。チャンネル間の正確なタイミングと同期を保ったまま、1,000チャンネル以上にまで拡張できる分散型のシステムアーキテクチャが必要だったのです。

位相アレイのデータ集録と解析

騒音低減の新​技術​を​評価​する​飛行​試験​を​行う​ため​に、​モンタナ​州​グラスゴー​に​ある​施設​で研究​を​行​いま​した。​マイクロ​フォン​アレイ​を​用​い​て​騒音​データ​を​集録​し、​その​データ​から​騒音​の​発生​源​と​周波数、​音量​を​ノイズ​レベル​で​マッピング​する​という​作業​を​行​いま​した。

ノイズ​レベル​の​マップ​を​実​画像​と​重ね​合わせる​こと​で、​騒音​低減​技術​の​効果​を​評価​した​り、​騒音​の​発生​を​さらに​減​ら​せ​そう​な​新た​な​ポイント​を​特定​した​り、​エンジン​と​機体​の​どちら​から​騒音​が​発生​し​て​いる​の​か、​騒音​の​発生​源​を​区別​する​こと​が​可能​となり​ま​した。

NI​の​ツール​を​使用​する​こと​で、​エンジン​の​排気​ダクト​に​施​さ​れ​た​ギザギザ (シェブロン) や​エンジン​吸気​口​に​施​さ​れ​た​新しい​吸​音​処理、​空気​力学​の​原理​を​応用​した​主​着陸​装置 (MLG) ​用​フェアリング​など、​様々​な​先進​的​な​騒音​低減​の​コンセプト​も​検証​でき​ま​した。

これまでのシステムの限界

2001​年​に​行​われ​た​QTD​プロジェクト​の​第​1​段階​では、​VXI​テスト​システム​を​導入​しま​した​が、​これ​は​チャンネル​数​に​も​チャンネル​帯域​幅​に​も​制限​が​ありま​した。このシステムでは一元化されたデータアーキテクチャが必要とされ、​同期​する​VXI​シャー​シ​を​すべて​同じ​場所​に​配置​しな​け​れ​ば​なら​なか​っ​た​ため、​マイク​から​データ収集システム​まで​100​チャンネル​の​データ収集あたり​約​16km​という​長距離​の​ケーブル​が​必要​と​さ​れ​てい​ま​した。

また、​チャンネル​数​と​アーキテクチャ​の​問題​以外​に​も、​複数​の​VXI​シャー​シ​間​で​装置​を​同期​する​際​の​遅延​の​長​さ、​チャンネル​あたり​の​コスト​の​高​さ、​データ​検索​に​要する​時間​の​長​さ​という​課題​も​あっ​た​ため、​プロジェクト​の​第​2​段階​ (QTD2) では、​こうした​課題​を​解決​する​新しい​システム​の​導入​が​求め​ら​れ​てい​ま​した。

NIのシステムソリューション

そこで、PXIの柔軟性​と​モジュール​性​を​活用​する​こと​で、​ボー​イング​社​は​使用​する​チャンネル​数​に​制限​の​ない​拡張​性​に​優​れ​た​システム​を​構築​する​こと​が​でき​ま​した。また、​NI​の​タイミング/​同期カードを​利用​する​こと​で​データ​収集​ハードウェア​をマイクロホンアレイ​に​分散​配備​し、​チャンネル​間​の​位​相差​を​1​度​未満​に​抑え​つつ、​80%​近く​も​ケーブル​量​を​削減​する​ことに​成功​し​てい​ます。

データの収集には、最大204.8 kS/sの集録レートを提供するNI PXI音響/振動モジュールを使用しました。8つのPXIシャーシを使用し、それぞれに音響/振動モジュール、PXIタイミング/同期カード、および光ファイバコネクタを搭載しました。タイミング/​同期カードによって、​システム​内​の​すべて​の​データ収集​チャンネル​に​集録​クロック​と​開始​トリガ​が​分配​さ​れ​てい​ます。

各光ファイバカードは、WindowsおよびNILabVIEWを実行するNI PXIコントローラサーバクラスマシンにPXIシャーシをリンクします。光ファイバーケーブルを使用することで、シャーシと制御コンピュータを最大200メートル離すことができました。​ボー​イング​社​では、​PXIコントローラ​と​中央​に​ある​ホスト​コンピュータ​を​ギガビットイーサネット​で​接続​する​こと​で、​集録​後​の​データ​を​高速​で​ホスト​コンピュータ​に​保存​できる​よう​にし、​他の​システム​を​使​って​データ​の​処理​と​解析​を​行​いま​した。​既存​の​システム​と​比較​し​て、​性能​の​向上​が​実現​でき​た​だけ​で​なく、​チャンネル​数​の​上限​を​なく​し、​分散​型​アーキテクチャ​を​導入​する​こと​によって、​チャンネル​あたり​の​コスト​を​50%​以上​も​低減​する​ことに​成功​しま​した。

位相アレイ飛行テスト

ボー​イング​社​は、​実験​施設​の​滑走​路​の​端​に、​幅​76.2m​長​さ​91.4m​にわたって​600​個​以上​の​地上​マイク​を​螺旋​状​に​並​べ​ま​した。​777-300ER​機​が​上空​を​飛行​する​際​の​騒音​を​集録​し、​その​データ​を​ただちに​取り​込​んで​処理​する​こと​によって​飛行機​の​音響​イメージ​を​得る​ことに​成功​しま​した。​ギガビットイーサネットを​介​し​て​ホスト​コンピュータ​に​接続​さ​れ​て​いる​データ​処理​用​コンピュータ​クラスタ​で、​リアルタイム​に​データ​を​解析​しま​した。

典型​的​な​テスト​サイクル​では、​およそ​6​分​に​1​回​の​頻度​で​航空機​が​マイク​の​上空​を​飛行​し​てい​ます。この​システム​では、​この間​に​集録​さ​れ​た​データ​を​アップ​ロード​し、​同じ​ウィンドウ​内​で​次​の​データ​収集​に​備える​こと​が​でき​ま​した。一連​の​テスト​において、​ボー​イング​社​は​300​回​以上​の​データ​収集を​行い、​合計​で​78​分​に​も​及ぶ​飛行​試験​データ​を​得る​こと​が​でき​ま​した。​これ​は​1 TB​以上​の​データ​容量​に​相当​し​ます。

ハードウェアのシステムアーキテクチャ

1,000​チャンネルまで​拡張​できる​システム​の​構築​に​は、​PC​ベース​の​コントローラ​複数​台​と​PXI​シャー​シ​を​利用​し​ます。このアーキテクチャでは、マスタシャーシがタイミングとトリガを制御し、スレーブシャーシがクロックの分配、ローカル取得の制御、ディスクへのデータの保存を行います。​ホスト​コンピュータ​は​PXI​の​全​システム​の​構成​を​制御​し、​ソフトウェア​の​設定​と​制御​に​必要​な​ユーザ​インタフェース​として​機能​する​ほか、​各​PXI​システム​から​すべて​の​データ​を​受け取り​ます。​PXIのマスタシャーシはタイミングとトリガを制御し、スレーブシャーシはそのタイミングとトリガ信号を受信することで、ローカルでデータを収集してディスクに保存します。PXI​システム​の​制御​は、​光​ファイバ​リンク​に​バンドル​さ​れ​て​いる​1U​型​ラック​マウント​タイプ​の​サーバ​クラス​コントローラ​「PXI-8350」​を​使用​し​て、​リモート​で​透過​的​に​行う​こと​が​でき​た​ため、​マイクロホン​アレイ​周辺​に​ダイナミック​信号収集デバイス​を​複数​の​クラスタ​に​分け​て​分散​配備​し、​デバイス​コントローラ​は​最大​200m​離れ​た​トレー​ラ​内​に​設置​する​こと​が​でき​ま​した。

市販のハードウェアなら、PXIコントローラ​​に​は​RAID 0​構成​の​シリアル​ATA​ドライブ​が​搭載​さ​れ​て​いる​ため、​全​チャンネル​から​フル​サンプリング​レート​で​直接​ディスク​に​ストリーミング​する​こと​が​でき​ま​した。このように、​モジュール​式​の​システム​を​採用​する​こと​で、​多​チャンネル​が​必要​な​場合​は​それに​合わせ​て​チャンネル​数​を​拡張​し、​逆に​チャンネル​数​が​少​なく​て​も​よい​アプリケーション​用​に​は​システム​を​分割​する​こと​が​でき​ます。

ソフトウェアのシステムアーキテクチャ

システム​は​すべてLabVIEWで​開発​しま​した。​コード​と​設計​は、​社内​の​他の​開発​者​から​も​ら​っ​た​もの​や​NI​の​Web​サイト​から​ダウンロード​した​もの​を​そのまま​再​利用​した​り、​若干​の​修正​を​加​えて​使用​し​てい​ます。中​に​は、​LabVIEW​の​習得​期間​を​含​め​て​6​ヶ月​未満​で​アプリケーション​全体​を​開発​でき​た​という​ユーザ​も​いま​した。

ボー​イング​社​では、​熟慮の末に選ばれた​PXI​システム​の​ソフトウェア​アーキテクチャ​と​モジュール​性​を​最大限​活用​し、​システム​の​拡張​プロセス​を​簡素​化​する​ことに​成功​しま​した。​​開発​の​途中​で​システム​に​128​個​の​チャンネル​を​追加​する​必要​に​迫​ら​れ​た​とき​に、​これらの​メリット​が​端的​に​実証​さ​れ​ま​した。​システム​の​チャンネル​数​を​320​から​448​へ​と​拡張​する​とき​も、​入力​モジュール​を​箱​から​取り出し​て​接続​する​ところ​から、​2​分間​かけ​て​構成​ファイル​を​更新​する​まで、​全部​で​2​時間​しか​かかり​ま​せん​で​した。

タイミングと同期

NIのPXI同期モジュールを使用して、1つのシャーシ内のモジュール間で緊密な同期を実現し、タイミングと同期を複数のシャーシに拡張しました。NI PXI同期モジュールを組み合わせて使用することで、すべてのPXIシャーシを同じクロックで動作させることができました。 タイミング​信号​は​ケーブル​で​システム​全体​に​分散​さ​れる​ので、​ダイナミック​信号収集デバイス​間​で​厳密​な​同期​を​保​っ​た​まま、​シャー​シ​を​最大​200 m​まで​離す​こと​が​でき​ま​した。​この​よう​な​アーキテクチャ​の​おかげ​で、​8​台​の​シャー​シ​に​ある​全​448​個​の​チャンネル​において、​チャンネル​間​の​位​相差​を​1​度​未満​ (93 kHz) に​抑える​こと​が​でき​ま​した。

ダイナミック信号集録

データ​システム​を​選択​する​過程​で、​本格​的​な​フル​スケール​テスト​から​風洞​を​使​って​行う​スケール​モデル​テスト​まで、​幅広い​範囲​の​アプリケーション​に​対応​できる​システム​が​必要​な​ことに​気​づ​き​ま​した。また、既存のシステムよりもサンプリング レートが高く、ダイナミック レンジが広いシステムも必要でした。こうした​条件​を​満​た​した​の​が、​93 kHz​帯域​幅​で​4​チャンネル​から​同時に​サンプリング​できる​ダイナミック​信号​集録​モジュール​「PXI-4462」​です。

フル​スケール​テスト​の​場合、​テスト​対象​の​周波数​は​通常​11.2 kHz​まで​ですが、​縮尺​1:20​という​小さい​スケール​モデル​で​の​風洞​テスト​では、​より​高い​サンプリング​レート​が​必要​に​なり​ます。24​ビット、​シ​グマ/​デルタ​の​アナログ/​デジタル​変換​器​を​使用​すると、​1.25​マイクロ​ボルト​という​低い​信号​も​測定​でき​ま​した。 PXI音響/振動モジュールが提供するセンサ用​IEPE (Integrated Electronic PiezoElectric) 統合型電流ソースを使用することで、30分の1のコスト削減を実現し、特定のアプリケーションにおけるトランスデューサの複雑さを大幅に軽減しました。

NIのソフトウェアとハードウェアを使用することで、ハイエンドなシステムを低コストで構築することができました。複数のPXIシステムから構成され、チャンネル間の緊密な同期にも対応させることができました。さらに、チャンネル数はほぼ無制限に拡張でき、チャンネル数によらず計測モジュールのフルの帯域幅での計測が可能な分散計測システムを構築できたのです。このような新しいシステムのおかげで、ボーイング社は個々の集録チャンネルの機能を改善したうえ、必要なケーブル量を5分の1に削減し、飛行試験用のマイクロフォンシステムにかかる費用を従来の30分の1にまで削減することができたのです。

投稿者​情報:

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