NASA開発の無線騒音測定ツール「WirelessArray」、航空機以外へ応用拡大

インターディシプリナリ・コンサルティング社（IC2）が開発したWirelessArray。ラングレー研究センターでの試験飛行のために展開された様子。（画像：NASA）

従来の有線マイクアレイより安価で、農害虫検知にも対応

新型航空機の騒音試験を行う航空機メーカーは、従来の有線マイクロフォンアレイよりはるかに安価な選択肢を得ました。そしてその感度は、農家の害虫問題の解決にも役立つほどです。NASAの支援で一社が最近開発した無線マイクロフォンアレイは、畑で害虫が発する音を聴取することで作物を脅かす昆虫を特定できます。そして今、高速で安価な試験をほぼどこでも可能にしています。

NASA支援で商品化、スタッフ倍増と拡張

2017年にNASAの多大な支援で開発された風洞試験用センサで初の商用製品をリリースして以来、インターディシプリナリ・コンサルティング社（IC2）はスタッフを倍増させ、より大きなラボとオフィススペースに移転し、新製品WirelessArrayを生産しています。自社の飛行試験をより安価にしたいと考えたNASAラングレー研究センター（バージニア州ハンプトン）も、複数のスモールビジネス革新研究（SBIR）契約と専門家コンサルティングでこの新プロジェクトを支援しました。

IC2が開発したWirelessArrayは、このような自己電源・耐候性ノードを使用して騒音を検知します。マイクは他のセンサに置き換え可能で、1日、1週間、あるいは通年でデータ収集できます。上面のソーラーパネルが内蔵バッテリーを充電し、データはメモリーカードに内部保存されます。（画像：インターディシプリナリ・コンサルティング社）

小型・軽量・迅速セットアップで同等データ取得

結果は、複数のセンサを備えた小さな皿型ベースのシリーズで、上空の音が生み出す気圧変化を測定します。航空機は騒音試験と認証を経て、機体タイプごとに設定されたFAA騒音レベルを超えないことを確認します。航空機が真上を飛ぶと、アレイは音圧とその発生源の二次元マップを構築するための騒音データを収集します。カスタムソフトウェアパッケージがその情報をエンドユーザー向けに変換します。

NASAの支援により、より安価な試験ツールが航空機以外へ応用されています。動物監視からクリーンエネルギー発電まで。

NASA航空部門は常に有線システムで同じデータを収集してきましたが、より煩雑でないアプローチの可能性を見出しました、とラングレー計測科学部門チーフエンジニアのトニー・ハンフリーズ氏。ハンフリーズ氏はWirelessArrayのSBIR契約を監督し、コンサルティングやプロトタイプデバイスの提供も行いました。

「以前、エドワーズ空軍基地で一連の飛行試験を行ったとき、数百個のセンサを持つ大規模アレイを使用しました。それらを接続するのに約15マイルのケーブルが必要で、6人のクルーが3日間かけて設置と撤去を行っていました」と同氏。ケーブルは特定のパターンで配置して重なりを避けなければならず、雨が降れば各センサを覆って降水から保護する必要がありました。複数のセミトレーラーでそれらすべての機器、発電機、サーバーラックなどを運搬していました。

対照的に、IC2のスタッフ2名がラングレーの飛行試験場にミニバン1台で到着し、WirelessArrayシステムのテストに必要なすべてのハードウェアを運び込みました。しかしハンフリーズ氏によると、より小型の無線システムが生成するデータは従来システムと比較可能でした。

中小企業にも手の届く飛行試験を実現

NASAと商業航空会社が有線システムで行う飛行試験は非常に高価で、通常中小企業の手には届きません、とIC2副社長のチップ・パターソン氏（フロリダ州ゲインズビル拠点）。NASA仕様を満たすよう設計されたこの技術が、それを変えています。1個でも100個でもセンサノードを使用すれば、誰でも飛行試験を実施できます。

テスト飛行は、航空機・ドローンメーカーが機体のどの部分が最も騒音を生成しているかを特定するのに役立ちます。数百個の有線マイクを使用すると、設計を改善して騒音要件を満たすプロセスが高価で時間のかかるものになります。（画像：NASA）

「各ノードには小さなコンピュータシステムが含まれています」とパターソン氏。「データをSDカードのメモリに取得・保存できます。また小さなWebサーバーを備え、エンドユーザーがアクセスして、取得開始、記録停止、ファイルダウンロード、バッテリー状態確認などが可能です。」

長期展開と多様なセンサ対応

従来の有線システムでは全データの同時・即時ダウンロードが必要で、アレイは供給されるハードドライブの容量に制限されます。IC2のより小型なシステムでは、はるかに大きなデータセットを取得し、各ノードにデータを保持したまま収集を待つことができます。例えば、単一ノードを現場に設置して数ヶ月間コミュニティ騒音測定を行う場合、毎日現場に行って測定値をダウンロードする必要はありません。

WirelessArrayは多様なセンサに対応するため、マイクを光学センサや様々な他タイプに簡単に交換できます。各ユニットには自己充電バッテリーとソーラーパネルがあり、長期展開をサポートします。内蔵GPSが複数ノード間の同期サンプリングを維持し、無線通信でデータのリモートダウンロードと各デバイスの健全性監視が可能です。ノードの環境強化エンクロージャにより、塵、雪、極端な温度からの追加保護なしであらゆる天候での測定が可能です。

スタートアップから農業・環境監視まで幅広い応用

新型遠隔操作車両を開発するスタートアップは、離陸、飛行、着陸時の騒音問題を迅速に特定するための高度な飛行試験データを今や入手できます。セットアップ、運用、撤去のコストが非常に低いため、設計変更ごとに複数のテスト飛行が可能になり、市場投入までの時間を短縮できます。

個別ノードから大規模アレイまで、市販の無線アクセスポイントとIC2のソフトウェアアプリケーションを搭載した標準ノートパソコンだけで運用可能です。ノードは既存システムへの統合も容易です。

この小型・ポータブル技術は、航空機試験以外の多様なプロジェクトと応用へ広がっています。IC2は昆虫学者と協力し、農業現場で高周波昆虫音を音響データで聴取しています。作物を食害する昆虫の場所を特定すれば、農家が深刻な被害が出る前に介入でき、農薬使用をそれらエリアに限定できます。

研究者たちは、人間の聴覚に合った標準音響センサを超音波センサに交換することで、生物学的環境でのネズミ監視を探っています。これにより、動物の健康と福祉を示す鳴き声などの音を監視可能になります。同様の超音波センサなら、超音速航空機の飛行経路を監視し、ソニックブームがエリアに接近する瞬間を特定できます。

この技術は、音を生成するあらゆるものに適用でき、プリセットスケジュールまたはオンデマンドでデータを収集します。風力タービン、ロケットエンジン試験スタンド、空港の騒音レベルのような環境観測など、可能性は多岐にわたります。NASAも完全に新しい航空機設計のデータ収集にこのシステムを使用できるでしょう。

「トラスブレース翼や分散電気推進など、航空工学がより先進的なコンセプトへ進むにつれ、音響面を推進してきました。それにより新しい構成の騒音試験と騒音認証の必要性が高まります」とハンフリーズ氏。そのため、NASAエンジニアも間近にセミトレーラーとサーバーを、数台のミニバンとノートパソコンに置き換えることになるでしょう。

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