Outil de test de bruit développé par la NASA : applications au-delà de l'aéronautique

Le WirelessArray développé par Interdisciplinary Consulting Corporation (IC2), présenté ici pour un vol de test au Centre de recherche Langley, rend les tests de vol pour drones rapides et rentables. (Image : NASA)

Les constructeurs d'avions effectuant des tests de bruit sur de nouveaux appareils ont maintenant une option beaucoup moins chère que les réseaux de microphones filaires traditionnels. Et c'est assez sensible pour aider les agriculteurs avec des problèmes de ravageurs. Le réseau de microphones sans fil qu'une entreprise a récemment créé avec l'aide de la NASA peut localiser les insectes menaçant les cultures en écoutant les sons qu'ils font dans les champs. Et maintenant, il rend les tests rapides et abordables possibles presque partout.

Depuis la sortie de son premier produit commercial en 2017, un capteur pour tests en soufflerie développé avec l'aide extensive de la NASA, Interdisciplinary Consulting Corporation (IC2) a doublé ses effectifs et déménagé dans des locaux plus grands pour produire son nouveau produit WirelessArray. Intéressée à rendre ses propres tests de vol plus abordables, le Centre de recherche Langley de la NASA à Hampton, Virginie, a soutenu ce nouveau projet également, avec plusieurs contrats SBIR (Small Business Innovation Research) et une expertise consultative.

Le WirelessArray développé par IC2 utilise des nœuds auto-alimentés et résistants aux intempéries, comme celui-ci, pour détecter le bruit. Le microphone peut être remplacé par d'autres capteurs pour collecter des données pendant un jour, une semaine, voire toute l'année. Des panneaux solaires sur le dessus alimentent la batterie interne, et les données sont stockées en interne sur une carte mémoire. (Image : Interdisciplinary Consulting Corporation)

Le résultat est une série de petites bases en forme de soucoupe équipées de multiples capteurs mesurant les changements de pression d'air créés par les sons aériens. Les avions subissent des tests de bruit et nécessitent une certification pour ne pas dépasser le niveau de bruit FAA défini pour le type de carrosserie. Quand un avion vole directement au-dessus, le réseau collecte des données de bruit pour construire une carte bidimensionnelle de la pression sonore et de sa source. Un logiciel personnalisé traduit cette information pour l'utilisateur final.

Grâce au soutien de la NASA, l'outil de test plus abordable trouve des applications au-delà des aéronefs, de la surveillance animale à la production d'énergie propre.

La NASA Aéronautique a toujours utilisé des systèmes filaires pour collecter les mêmes données mais a vu le potentiel d'une approche moins encombrante, dit Tony Humphreys, Ingénieur en chef au service des Sciences de mesure de Langley. Humphreys a supervisé les contrats SBIR WirelessArray et a également fourni du conseil et même un dispositif prototype que l'entreprise a utilisé comme point de départ.

« Auparavant, quand nous allions à la base aérienne Edwards pour une série de tests de vol, nous utilisions un grand réseau avec des centaines de capteurs. Nous avions environ 24 km de câblage pour tout connecter, et il fallait une équipe de six personnes pendant trois jours pour l'installation et le démontage », dit-il. Les câbles devaient être positionnés selon un motif spécifique pour éviter les chevauchements, et s'il pleuvait, chaque capteur devait être couvert pour le protéger de la précipitation. Plusieurs semi-remorques transportaient tout cet équipement, avec générateurs, racks de serveurs et autre équipement.

En contraste, deux membres du personnel d'IC2 sont arrivés sur le champ de test de vol de Langley en conduisant une minifourgonnette avec tout le matériel nécessaire pour tester le système WirelessArray. Pourtant, Humphreys dit que les données générées par le système sans fil plus petit étaient comparables à un système conventionnel.

Les tests de vol que la NASA et les compagnies aériennes commerciales effectuent avec un système filaire sont si chers qu'ils sont généralement hors de portée des petites entreprises, dit Chip Patterson, Vice-président d'IC2, basé à Gainesville, FL. Cette technologie, conçue pour répondre aux spécifications de la NASA, change la donne. Qu'on utilise un ou 100 nœuds de capteurs, n'importe qui peut se permettre de faire des tests de vol.

Les vols de test aident les constructeurs d'avions et de drones à identifier quelles parties de l'appareil créent le plus de bruit. L'utilisation de centaines de microphones filaires en fait un processus coûteux et chronophage pour améliorer le design afin de répondre aux exigences de bruit. (Image : NASA)

« Chaque nœud contient un petit système informatique », dit Patterson. « Il est capable d'acquérir et stocker des données en mémoire sur une carte SD. Il a aussi un petit serveur web qui permet à l'utilisateur final de l'interroger, lui demandant de commencer l'acquisition, d'arrêter l'enregistrement, de télécharger des fichiers, de vérifier l'état de la batterie, et plus. »

Un système filaire traditionnel nécessite le téléchargement simultané et instantané de toutes les données, limitant le réseau à la capacité des disques durs dans lesquels il alimente. Le système plus petit d'IC2 acquiert des ensembles de données significativement plus grands, permettant à ces données de rester dans chaque nœud jusqu'à leur collecte. Si, par exemple, un seul nœud est placé sur le terrain pour collecter des mesures de bruit communautaire sur plusieurs mois, il ne sera pas nécessaire d'aller sur le site quotidiennement pour télécharger les mesures.

Le WirelessArray supporte une variété de capteurs, donc un microphone peut facilement être remplacé par un capteur optique ou une variété d'autres types. Chaque unité a sa propre batterie auto-rechargeable et panneau solaire, supportant un déploiement à long terme. Le GPS intégré maintient un échantillonnage synchronisé sur plusieurs nœuds, et la communication sans fil permet aux utilisateurs de télécharger les données à distance et de surveiller la santé de chaque dispositif. Les boîtiers durcis environnementalement des nœuds permettent de prendre des mesures par tout temps sans protection supplémentaire contre la poussière, la neige ou les températures extrêmes.

Une startup développant un nouveau véhicule piloté à distance peut maintenant obtenir des données de test de vol sophistiquées pour identifier rapidement les problèmes de bruit au décollage, en vol ou à l'atterrissage. De multiples vols de test pour chaque modification peuvent accélérer la mise sur le marché car le coût d'installation, d'exploitation et de démontage du système est si bas.

Tout ce qu'il faut pour faire fonctionner un nœud individuel ou un réseau étendu est un point d'accès sans fil standard et un ordinateur portable ordinaire chargé avec l'application logicielle d'IC2. Les nœuds sont aussi facilement intégrables dans des systèmes existants.

Cette technologie petite et portable trouve son chemin dans une variété de projets et applications au-delà des tests aéronautiques. IC2 travaille avec un entomologiste pour utiliser des données acoustiques afin d'écouter les sons d'insectes à haute fréquence dans des contextes agricoles. Découvrir où les insectes se nourrissent sur les cultures permettra aux agriculteurs d'intervenir avant qu'ils ne fassent trop de dégâts tout en limitant l'utilisation de pesticides à ces zones.

Des chercheurs explorent des moyens de surveiller les souris et rats dans un contexte biologique en remplaçant le capteur acoustique standard correspondant à l'audition humaine par un capteur ultrasonique. Cela permettra de surveiller les cris et autres sons indiquant la santé et le bien-être animal. Un capteur ultrasonique similaire pourrait surveiller la trajectoire de vol d'avions supersoniques, identifiant quand un bang supersonique approche une zone.

La technologie peut être appliquée à tout ce qui génère du son, collectant des données selon un horaire prédéfini ou à la demande. Éoliennes, bancs d'essai de moteurs de fusée, et observations environnementales comme le niveau de bruit dans les aéroports ne sont que quelques possibilités. La NASA pourrait aussi utiliser ce système pour collecter des données pour des designs d'avions entièrement nouveaux.

« Nous avons poussé le côté acoustique alors que l'aéronautique passe à des concepts plus avancés comme l'aile à treillis, peut-être la propulsion électrique distribuée, ou autres. Cela soulève le besoin de tests de bruit et de certification de bruit pour de nouvelles configurations », dit Humphreys. Donc, les ingénieurs de la NASA pourraient bientôt échanger les semi-remorques et serveurs pour quelques minifourgonnettes et ordinateurs portables.

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