NASA-entwickeltes Lärmtest-Tool findet Anwendung jenseits der Luftfahrt

Das WirelessArray, entwickelt von Interdisciplinary Consulting Corporation (IC2), hier ausgelegt für einen Testflug am Langley Research Center, macht Flugtests für Drohnen schnell und kosteneffektiv. (Bild: NASA)

Von der Luftfahrt zur Landwirtschaft: Drahtlose Mikrofon-Arrays

Flugzeughersteller, die Lärmtests an neuen Flugzeugen durchführen, haben jetzt eine viel günstigere Option als traditionelle verkabelte Mikrofon-Arrays. Und es ist empfindlich genug, um Landwirte bei Schädlingsproblemen zu unterstützen. Das drahtlose Mikrofon-Array, das ein Unternehmen kürzlich mit Hilfe der NASA erstellt hat, kann pflanzenbedrohende Insekten orten, indem es auf die Geräusche lauscht, die sie in Feldern machen. Und jetzt macht es schnelle, erschwingliche Tests fast überall möglich.

Seit der Veröffentlichung seines ersten kommerziellen Produkts 2017 – eines Sensors für Windkanaltests, der mit umfangreicher Hilfe der NASA entwickelt wurde – hat Interdisciplinary Consulting Corporation (IC2) seine Mitarbeiterzahl verdoppelt und ist in größere Labor- und Büroräume umgezogen, um sein neues WirelessArray-Produkt zu produzieren. Da die NASA an eigenen günstigeren Flugtests interessiert war, unterstützte das Langley Research Center in Hampton, Virginia, dieses neue Projekt ebenfalls mit mehreren Small Business Innovation Research (SBIR)-Verträgen und Expertenberatung.

Das von IC2 entwickelte WirelessArray nutzt selbstversorgte, wetterfeste Nodes wie diese, um Lärm zu detektieren. Das Mikrofon kann durch andere Sensoren ersetzt werden, um Daten für einen Tag, eine Woche oder sogar ganzjährig zu sammeln. Solarpanele oben versorgen den internen Akku, und Daten werden intern auf einer Speicherkarte gespeichert. (Bild: Interdisciplinary Consulting Corporation)

Funktionsweise: Schallkarten in 2D

Das Ergebnis ist eine Reihe kleiner, tellerförmiger Basen, ausgestattet mit mehreren Sensoren, die die Luftdruckänderungen messen, die durch Überkopfgeräusche erzeugt werden. Flugzeuge durchlaufen Lärmtests und benötigen Zertifizierung, damit sie den FAA-Lärmpegel für den Rumpftyp nicht überschreiten. Wenn ein Flugzeug direkt über dem Array fliegt, sammelt das Array Lärmdaten, um eine zweidimensionale Karte des Schalldrucks und seiner Quelle zu erstellen. Ein benutzerdefiniertes Softwarepaket übersetzt diese Informationen für den Endnutzer.

Vergleich: Kabelgebunden vs. WirelessArray

Dank der Unterstützung der NASA findet das günstigere Testtool Anwendungen jenseits von Flugzeugen – von Tierüberwachung bis zur sauberen Energieerzeugung.

Die NASA Aeronautics hat immer verkabelte Systeme verwendet, um dieselben Daten zu sammeln, sah aber das Potenzial für einen weniger umständlichen Ansatz, sagte Tony Humphreys, Chief Engineer bei Langley's Measurement Sciences. Humphreys überwachte die WirelessArray SBIR-Verträge und lieferte auch Beratung und sogar ein Prototypengerät, das das Unternehmen als Ausgangspunkt nutzte.

„Früher, als wir zur Edwards Air Force Base für eine Reihe von Flugtests gingen, nutzten wir ein großes Array mit Hunderten von Sensoren. Wir hatten etwa 24 km Kabel, um sie alle anzuschließen, und es brauchte ein Team von sechs Leuten drei Tage für Aufbau und Abbau“, sagte er. Die Kabel mussten in einem spezifischen Muster positioniert werden, um Überlappungen zu vermeiden, und wenn es regnete, musste jeder Sensor abgedeckt werden, um ihn vor Niederschlag zu schützen. Mehrere Sattelschlepper transportierten all diese Ausrüstung, साथ mit Stromgeneratoren, Server-Racks und anderer Ausrüstung.

Im Gegensatz dazu kamen zwei IC2-Mitarbeiter zum Langley-Flugtestgelände in einem Minivan mit der gesamten Hardware, die zum Testen des WirelessArray-Systems nötig war. Dennoch sagte Humphreys, die vom kleineren drahtlosen System generierten Daten seien mit einem konventionellen System vergleichbar.

Die Flugtests, die NASA und kommerzielle Airlines mit einem verkabelten System durchführen, sind so teuer, dass sie für kleinere Unternehmen meist unerreichbar sind, sagte Chip Patterson, Vice President von IC2, mit Sitz in Gainesville, FL. Diese Technologie, entwickelt, um NASA-Spezifikationen zu erfüllen, ändert das. Ob man einen oder 100 Sensorknoten nutzt – jeder kann sich Flugtests leisten.

Testflüge helfen Flugzeug- und Drohnenherstellern, zu identifizieren, welche Teile des Flugzeugs den meisten Lärm erzeugen. Die Verwendung von Hunderten verkabelter Mikrofone macht es zu einem teuren und zeitaufwändigen Prozess, das Design zu verbessern, um Lärmanforderungen zu erfüllen. (Bild: NASA)

Technische Details der Nodes

„Jeder Knoten enthält ein kleines Computersystem“, sagte Patterson. „Es kann Daten im Speicher auf einer SD-Karte erfassen und speichern. Es hat auch einen kleinen Webserver, der es dem Endnutzer erlaubt, ihn anzupingen – um Aufzeichnung zu starten, zu stoppen, Dateien herunterzuladen, den Batteriestatus zu prüfen und mehr.“

Ein traditionelles verkabeltes System erfordert den gleichzeitigen und sofortigen Download aller Daten, was bedeutet, dass das Array durch die Kapazität der Festplatten limitiert ist, in die es einspeist. IC2s kleineres System erfasst signifikant größere Datensätze, sodass diese Daten in jedem Knoten verbleiben können, bis sie gesammelt werden. Wenn beispielsweise ein einzelner Knoten im Feld platziert wird, um über mehrere Monate Gemeinschaftslärm zu messen, ist es nicht nötig, täglich zum Standort zu fahren, um Messungen herunterzuladen.

Das WirelessArray unterstützt eine Vielzahl von Sensoren, sodass ein Mikrofon leicht gegen einen optischen Sensor oder eine Vielzahl anderer Typen ausgetauscht werden kann. Jede Einheit hat ihren eigenen selbstladenden Akku und Solarpaneel, was Langzeit-Einsatz unterstützt. Eingebautes GPS hält synchronisiertes Sampling über mehrere Knoten aufrecht, und drahtlose Kommunikation erlaubt Nutzern, Daten remote herunterzuladen und den Zustand jedes Geräts zu überwachen. Die umweltgehärteten Gehäuse der Nodes machen Messungen bei jedem Wetter möglich, ohne zusätzlichen Schutz vor Staub, Schnee oder extremen Temperaturen.

Vielfältige Anwendungen jenseits der Luftfahrt

Ein Startup, das ein neues ferngesteuertes Fahrzeug entwickelt, kann jetzt anspruchsvolle Flugtestdaten erhalten, um Lärmprobleme bei Start, Flug oder Landung schnell zu identifizieren. Mehrere Testflüge für jede Modifikation können die Time-to-Market beschleunigen, da die Kosten für Aufbau, Betrieb und Abbau des Systems so niedrig sind.

Alles, was zum Betrieb eines einzelnen Knotens oder eines umfangreichen Arrays nötig ist, ist ein handelsüblicher Wireless-Access-Point und ein Standard-Laptop mit IC2s Softwareanwendung. Die Nodes lassen sich auch leicht in bestehende Systeme integrieren.

Diese kleine, portable Technologie findet ihren Weg in eine Vielzahl von Projekten und Anwendungen jenseits der Flugzeugtests. IC2 arbeitet mit einem Entomologen zusammen, um akustische Daten zu nutzen, um hochfrequente Insektengeräusche in landwirtschaftlichen Umgebungen zu hören. Die Entdeckung, wo Insekten an Nutzpflanzen fressen, ermöglicht es Landwirten, einzugreifen, bevor sie zu viel Schaden anrichten, während der Pestizideinsatz auf diese Bereiche begrenzt wird.

Forscher erforschen Wege, Mäuse und Ratten in biologischen Umgebungen zu überwachen, indem der Standard-Akustiksensor, der dem menschlichen Gehör entspricht, gegen einen Ultraschallsensor getauscht wird. Dies ermöglicht die Überwachung von Quietschen und anderen Geräuschen, die Tiergesundheit und Wohlbefinden anzeigen. Ein ähnlicher Ultraschallsensor könnte den Flugpfad Überschallflugzeuge überwachen und identifizieren, wann ein Überschallknall sich einem Bereich nähert.

Die Technologie kann auf alles angewendet werden, das Schall erzeugt, und Daten gemäß einem voreingestellten Zeitplan oder auf Abruf sammeln. Windturbinen, Raketentriebwerk-Teststände und Umgebungsbeobachtungen wie der Lärmpegel an Flughäfen sind nur einige Möglichkeiten. Die NASA könnte dieses System auch nutzen, um Daten für völlig neue Flugzeugdesigns zu sammeln.

„Wir haben die akustische Seite vorangetrieben, da die Luftfahrt in fortschrittlichere Konzepte wie den strebenverstärkten Flügel, vielleicht verteilte elektrische Antriebe oder andere vorstößt. Das erhöht den Bedarf an Lärmtests und Lärmzertifizierung für neue Konfigurationen“, sagte Humphreys. So könnten NASA-Ingenieure bald die Sattelschlepper und Server gegen ein paar Minivans und Laptops eintauschen.

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