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

"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​シャー​シ​に​集録​システム​を​分散​でき、​全​チャンネル​の​緊密​な​同期​が​図れる​ほか、​多​チャンネル​構成​でも​全​チャンネル​同時に​フル​帯域​幅​が​利用​でき、​チャンネル​数​は​ほぼ​無制限​に​拡張​でき​ます。"

- James Underbrink, Boeing Aero/​Noise/​Propulsion Laboratory

課題:

商用​ジェット​旅客機​の​離着陸​時​と​持続​飛行​時に​生じる​騒音​を​低減​させる​新​技術​の​評価​用​に、​拡張​性​に​優​れ​た​低​コスト​の​システム​を​構築​する​こと。 ​

ソリューション:

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​PXI​コントローラ​および​シャー​シ、​ダイナミック​信号​アナ​ラ​イザ、​LabVIEW​ソフトウェア​を​使用​し​て、​飛行​試験​中​に​位相​アレイ​データ​が​集録​できる、​高​精度​な​タイミング/​同期​機能​を​備え​た、​拡張​性​の​高い​分散​型​テスト​システム​を​設計​する。

 

ボー​イング​社​では、​Quiet Technology Demonstrator 2(QTD2)​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・​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

新​技術​を​評価​する​ため​の​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​調査​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​制限

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​集録​システム​まで​100​チャンネル​の​データ​集録​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​モジュール​を​利用​する​こと​で​データ​集録​ハードウェア​を​マイクロ​フォン​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​を​集録​する​にあたり、​ボー​イング​社​では、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​ダイナミック​信号​モジュール「PXI-4462」​(集録​レート:​最大​204.8kS/​秒)​と、​PXI​シャー​シ​を​8​台​使用​し​てい​ます。​この​PXI​シャー​シ​に​は、​それぞれ​NI PXI-4462​モジュール​と​PXI​の​タイミング/​同期​モジュール、​PXI MXI-4​光​ファイバ​通信​用​カード​が​入​って​い​ます。​タイミング/​同期​モジュール​によって、​システム​内​の​すべて​の​データ​集録​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。

 

この​PXI MXI-4​光​ファイバ​通信​用​カード​によって、​PXI​シャー​シ​と、​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​PXI-8350(Windows XP​と​NI LabVIEW​ソフトウェア​が​動作​し​て​いる、​サーバ​クラス​の​制御​用​CPU​ユニット)​が​接続​さ​れ​てい​ます。​光​ファイバ​ケーブル​を​使用​する​こと​で、​シャー​シ​と​制御​用​コンピュータ​(PXI-8350)​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-8350​コントローラ​と​中央​に​ある​ホスト​コンピュータ​を​Gigabit Ethernet​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。​VXI​を​ベース​と​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。​Gigabit Ethernet​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​集録​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​集録​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​1TB​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​以上​に​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​集録​の​制御、​ディスク​へ​の​データ​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​システム​の​制御​は、​光​ファイバ​MXI​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​フォン​アレイ​周辺​に​ダイナミック​信号​集録​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。

 

PXI-8350​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

PXI-665xタイミング/​同期​コントロール​モジュール​は、​1​台のシャーシに挿入されている複数のモジュール間で正確に同期を図ったり、​複数​の​シャー​シ​間​で​タイミング​と​同期​を​図​っ​たり​する​の​に​使用​しま​した。NI PXI-6653マスタ​モジュールとNI PXI-6651スレーブ​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​集録​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​も​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。​また、​PXI-4462​は​IEPE(Integrated Electronic PiezoElectric)​センサ​に​対応​し​て​いる​ため、​別途​センサ​を​励起​する​ため​の​電流​源​を​用意​する​必要​が​なく、​無数​に​ある​マイク​用​に​電流​源​を​準備​する​必要​が​な​無​く​なり​ま​した。​その​結果、​コスト​を​30​分​の​1​に​まで​削減​する​こと​が​でき​ま​した。​さらに​特定​の​アプリケーション​に​使用​さ​れる​トランスデューサ​について​も​大幅​に​簡素​化​でき​ま​した。

 

NI​の​ソフトウェア/​ハードウェア​製品​を​使用​する​こと​により、​ボー​イング​社​は、​低​コスト​で​あり​ながら​ハイエンド​の​システム​を​構築​する​こと​が​でき​ま​した。​複数​シャー​シ​間​に​集録​システム​を​分散​でき、​全チャンネルを正確に同期させ、​チャンネル​数​が​増え​て​も​全​チャンネル​同時に​フル​帯域​幅​で​サンプリング​できる、​ほぼ​無制限​に​チャンネル​数​を​拡張​可​できる​システム​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。

 

著者​情報:

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. ​