Von der NASA entwickeltes Lärmtesttool erweitert den Einsatzbereich über Flugzeuge hinaus

Das von der Interdisciplinary Consulting Corporation (IC2) entwickelte WirelessArray, das hier für einen Testflug im Langley Research Center vorgestellt wurde, ermöglicht schnelle und kostengünstige Flugtests für Drohnen. (Bild:NASA)

Flugzeughersteller, die Geräuschtests an neuen Flugzeugen durchführen, haben jetzt eine viel günstigere Option als herkömmliche kabelgebundene Mikrofonarrays. Und es ist empfindlich genug, um Landwirten bei Schädlingsproblemen zu helfen. Das drahtlose Mikrofon-Array, das ein Unternehmen kürzlich mit Hilfe der NASA entwickelt hat, kann erntebedrohende Insekten lokalisieren, indem es auf Geräusche hört, die sie auf Feldern erzeugen. Und jetzt sind schnelle und kostengünstige Tests fast überall möglich.

Seit der Veröffentlichung ihres ersten kommerziellen Produkts im Jahr 2017, einem Sensor für Windkanaltests, der mit umfassender Unterstützung der NASA entwickelt wurde, hat die Interdisciplinary Consulting Corporation (IC2) ihre Mitarbeiterzahl verdoppelt und ist in größere Labor- und Büroräume umgezogen, um ihr neues WirelessArray-Produkt zu produzieren. Das Langley Research Center der NASA in Hampton, Virginia, war daran interessiert, seine eigenen Flugtests erschwinglicher zu machen und unterstützte dieses neue Projekt ebenfalls mit mehreren Small Business Innovation Research (SBIR)-Verträgen und Expertenberatung.

Das von IC2 entwickelte WirelessArray nutzt energieautarke, wetterfeste Knoten wie diesen, um Geräusche zu erkennen. Das Mikrofon kann durch andere Sensoren ersetzt werden, um Daten für einen Tag, eine Woche oder sogar das ganze Jahr über zu sammeln. Auf der Oberseite befinden sich Solarmodule, die den internen Akku mit Strom versorgen, und die Daten werden intern auf einer Speicherkarte gespeichert. (Bild:Interdisciplinary Consulting Corporation)

Das Ergebnis ist eine Reihe kleiner, untertassenförmiger Sockel, die mit mehreren Sensoren ausgestattet sind, die die durch Überkopfgeräusche erzeugten Luftdruckänderungen messen. Flugzeuge durchlaufen Lärmtests und benötigen eine Zertifizierung, damit sie den für den Flugzeugtyp festgelegten FAA-Lärmpegel nicht überschreiten. Wenn ein Flugzeug direkt über ihm fliegt, sammelt das Array Lärmdaten, um eine zweidimensionale Karte des Schalldrucks und seiner Quelle zu erstellen. Ein benutzerdefiniertes Softwarepaket übersetzt diese Informationen für den Endbenutzer.

Dank der Unterstützung der NASA findet das kostengünstigere Testtool Anwendungsmöglichkeiten über Flugzeuge hinaus, von der Tierüberwachung bis zur Erzeugung sauberer Energie.

„NASA Aeronautics hat schon immer kabelgebundene Systeme verwendet, um dieselben Daten zu sammeln, erkannte jedoch das Potenzial für einen weniger umständlichen Ansatz“, sagte Tony Humphreys, Chefingenieur bei Langley’s Measurement Sciences. Humphreys überwachte die WirelessArray-SBIR-Verträge und lieferte außerdem Beratung und stellte sogar einen Prototypen für das Unternehmen her, den das Unternehmen als Ausgangspunkt nutzte.

„Früher, als wir für eine Reihe von Flugtests zur Edwards Air Force Base flogen, verwendeten wir eine große Anordnung mit Hunderten von Sensoren. Wir hatten etwa 15 Meilen Kabel, um sie alle anzuschließen, und eine sechsköpfige Besatzung brauchte drei Tage, um sie auf- und abzubauen“, sagte er. Die Kabel mussten in einem bestimmten Muster verlegt werden, um Überlappungen zu vermeiden, und wenn es regnete, musste jeder Sensor abgedeckt werden, um ihn vor Niederschlag zu schützen. Mehrere Sattelschlepper transportierten die gesamte Ausrüstung sowie Stromgeneratoren, Server-Racks und andere Ausrüstung.

Im Gegensatz dazu kamen zwei IC2-Mitarbeiter mit einem Minivan mit der gesamten Hardware, die zum Testen des WirelessArray-Systems erforderlich war, zum Flugtestgelände von Langley. Dennoch sagte Humphreys, dass die vom kleineren drahtlosen System erzeugten Daten mit denen eines herkömmlichen Systems vergleichbar seien.

Die Flugtests, die die NASA und kommerzielle Fluggesellschaften mit einem kabelgebundenen System durchführen, seien so teuer, dass sie für kleinere Unternehmen normalerweise unerreichbar seien, sagte Chip Patterson, Vizepräsident von IC2 mit Sitz in Gainesville, Florida. Diese Technologie, die nach NASA-Vorgaben entwickelt wurde, ändert das. Unabhängig davon, ob ein oder 100 der Sensorknoten verwendet werden, kann sich jeder einen Flugtest leisten.

Testflüge helfen Flugzeug- und Drohnenherstellern dabei, herauszufinden, welche Teile des Flugzeugs den meisten Lärm verursachen. Der Einsatz von Hunderten kabelgebundener Mikrofone macht es zu einem teuren und zeitaufwändigen Prozess, das Design so zu verbessern, dass es den Geräuschanforderungen gerecht wird. (Bild:NASA)

„Jeder Knoten enthält ein kleines Computersystem“, sagte Patterson. „Es ist in der Lage, Daten zu erfassen und im Speicher auf einer SD-Karte zu speichern. Es verfügt außerdem über einen kleinen Webserver, über den der Endbenutzer darauf zugreifen und ihn auffordern kann, die Erfassung zu starten, die Aufzeichnung zu stoppen, Dateien herunterzuladen, den Batteriezustand zu überprüfen und vieles mehr.“

Ein herkömmliches kabelgebundenes System erfordert den gleichzeitigen und sofortigen Download aller Daten, was bedeutet, dass das Array auf die Kapazität der Festplatten begrenzt ist, in die es einspeist. Das kleinere System von IC2 erfasst deutlich größere Datensätze, sodass diese Daten in jedem Knoten verbleiben, bis sie erfasst werden. Wenn beispielsweise ein einzelner Knoten vor Ort platziert wird, um über mehrere Monate hinweg Lärmmessungen in der Gemeinde zu sammeln, ist es nicht notwendig, täglich vor Ort zu sein, um Messungen herunterzuladen.

Das WirelessArray unterstützt eine Vielzahl von Sensoren, sodass ein Mikrofon problemlos gegen einen optischen Sensor oder eine Vielzahl anderer Typen ausgetauscht werden kann. Jede Einheit verfügt über eine eigene selbstaufladende Batterie und ein Solarpanel, was den langfristigen Einsatz unterstützt. Das integrierte GPS sorgt für eine synchronisierte Abtastung über mehrere Knoten hinweg und die drahtlose Kommunikation ermöglicht es Benutzern, Daten aus der Ferne herunterzuladen und den Zustand jedes Geräts zu überwachen. Die umgebungsfesten Gehäuse der Knoten ermöglichen Messungen bei jedem Wetter ohne zusätzlichen Schutz vor Staub, Schnee oder extremen Temperaturen.

Ein Startup, das ein neues ferngesteuertes Fahrzeug entwickelt, kann jetzt anspruchsvolle Flugtestdaten erhalten, um Lärmprobleme beim Start, Flug oder bei der Landung schnell zu erkennen. Mehrere Testflüge für jede Modifikation können die Markteinführungszeit verkürzen, da die Kosten für die Einrichtung, den Betrieb und den Abbau des Systems so gering sind.

Um einen einzelnen Knoten oder ein umfangreiches Array zu betreiben, sind lediglich ein handelsüblicher drahtloser Zugangspunkt und ein Standard-Laptop mit der Softwareanwendung von IC2 erforderlich. Die Knoten lassen sich auch problemlos in bestehende Systeme integrieren.

Diese kleine, tragbare Technologie findet Eingang in eine Vielzahl von Projekten und Anwendungen, die über Flugzeugtests hinausgehen. IC2 arbeitet mit einem Entomologen zusammen, um anhand akustischer Daten hochfrequente Insektengeräusche in landwirtschaftlichen Umgebungen zu überwachen. Wenn wir herausfinden, wo sich Insekten von Nutzpflanzen ernähren, können Landwirte eingreifen, bevor sie zu großen Schaden anrichten, und gleichzeitig den Einsatz von Pestiziden auf diese Gebiete beschränken.

Forscher erforschen Möglichkeiten, Mäuse und Ratten in einer biologischen Umgebung zu überwachen, indem sie den standardmäßigen akustischen Sensor, der dem menschlichen Gehör entspricht, gegen einen Ultraschallsensor austauschen. Dadurch wird es möglich, Quietschen und andere Geräusche zu überwachen, die auf die Gesundheit und das Wohlbefinden des Tieres hinweisen. Ein ähnlicher Ultraschallsensor könnte die Flugbahn von Überschallflugzeugen überwachen und erkennen, wann sich ein Überschallknall einem Gebiet nähert.

Die Technologie kann auf alles angewendet werden, was Schall erzeugt, indem Daten nach einem voreingestellten Zeitplan oder auf Abruf erfasst werden. Windkraftanlagen, Prüfstände für Raketentriebwerke und Umweltbeobachtungen wie der Lärmpegel an Flughäfen sind nur einige Möglichkeiten. Die NASA könnte dieses System auch nutzen, um Daten für völlig neue Flugzeugkonstruktionen zu sammeln.

„Wir haben den akustischen Aspekt vorangetrieben, während die Luftfahrt zu fortschrittlicheren Konzepten wie dem fachwerkverstrebten Flügel, vielleicht einem verteilten elektrischen Antrieb oder anderen übergeht. Das erhöht den Bedarf an Geräuschtests und Geräuschzertifizierungen für neue Konfigurationen“, sagte Humphreys. Die NASA-Ingenieure könnten die Sattelschlepper und Server also bald gegen ein paar Minivans und Laptops eintauschen.

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