NASA 개발 무선 소음 테스트 도구, 항공기 넘어 농업·환경 분야로 확대

무선 마이크로폰 어레이 'WirelessArray'로 비행 테스트 혁신

새로운 항공기 소음 테스트를 수행하는 항공기 제조사들은 이제 기존 유선 마이크로폰 어레이보다 훨씬 저렴한 옵션을 갖게 되었습니다. 그리고 이 도구는 농작물에 위협이 되는 해충을 밭에서 내는 소리로 탐지할 만큼 민감합니다. NASA의 도움으로 한 회사가 최근 만든 무선 마이크로폰 어레이가 빠르고 저렴한 테스트를 거의 모든 곳에서 가능하게 만들고 있습니다.

IC2의 성장과 NASA 지원

2017년 NASA의 광범위한 도움으로 개발된 풍동 테스트용 센서로 첫 상용 제품을 출시한 이후, Interdisciplinary Consulting Corporation(IC2)은 직원 수를 두 배로 늘리고 더 큰 연구실과 사무실로 이전해 새로운 WirelessArray 제품을 생산하고 있습니다. 자체 비행 테스트를 더 저렴하게 만들고자 했던 NASA 랭글리 연구센터(버지니아주 햄프턴)도 여러 중소기업 혁신 연구(SBIR) 계약과 전문가 컨설팅으로 이 새 프로젝트를 지원했습니다.

WirelessArray 시스템 구조와 장점

IC2가 개발한 WirelessArray는 자체 전원 공급, 방수 노드를 사용해 소음을 감지합니다. 마이크로폰은 다른 센서로 교체 가능해 하루, 일주일, 심지어 연중무휴 데이터 수집이 가능합니다. 상단 태양광 패널이 내부 배터리를 충전하고, 데이터는 메모리 카드에 내부 저장됩니다. (이미지: Interdisciplinary Consulting Corporation)

결과는 여러 센서가 장착된 작은 접시 모양 베이스들로, 상공 소리로 인한 기압 변화를 측정합니다. 항공기는 소음 테스트와 인증을 거쳐 FAA가 기체 유형별로 설정한 소음 수준을 초과하지 않도록 해야 합니다. 항공기가 바로 위로 날면 어레이는 소음 데이터를 수집해 음압과 그 소스의 2차원 맵을 구축합니다. 맞춤 소프트웨어 패키지가 최종 사용자를 위해 이 정보를 변환합니다.

NASA 전문가 평가: 유선 시스템 대비 동등한 성능

NASA 지원 덕분에 더 저렴한 테스트 도구가 항공기 너머 동물 모니터링부터 청정 에너지 발전까지 다양한 분야로 응용되고 있습니다.

NASA 항공부는 항상 유선 시스템으로 같은 데이터를 수집해왔지만 덜 번거로운 접근법의 잠재력을 보았다고 랭글리 측정과학부 수석 엔지니어 토니 험프리스는 말했습니다. 험프리스는 WirelessArray SBIR 계약을 감독했고 컨설팅과 심지어 회사가 출발점으로 사용한 프로토타입 장치도 제공했습니다.

"이전에는 에드워즈 공군기지에서 일련의 비행 테스트를 위해 수백 개 센서가 있는 대형 어레이를 사용했습니다. 약 15마일의 케이블로 모두 연결해야 했고, 6명 조가 3일 걸려 설치와 철수를 했습니다."라고 그는 말했습니다. 케이블은 겹치지 않게 특정 패턴으로 배치해야 했고, 비가 오면 각 센서를 덮어 강우로부터 보호해야 했습니다. 여러 대의 세미트럭이 그 모든 장비와 발전기, 서버 랙 등을 실어 날랐습니다.

반면 IC2 직원 2명이 미니밴 한 대로 랭글리 비행시험장에 도착해 WirelessArray 시스템 테스트에 필요한 모든 하드웨어를 싣고 왔습니다. 험프리스는 더 작은 무선 시스템이 생성한 데이터가 기존 시스템과 비교 가능하다고 말했습니다.

중소기업도 접근 가능한 비행 테스트

NASA와 상업 항공사가 유선 시스템으로 수행하는 비행 테스트는 비용이 너무 많이 들어 소규모 기업에는 보통 닿지 않는 영역이라고 IC2 부사장 칩 패터슨은 말합니다. 플로리다주 게인스빌에 본사를 둔 IC2의 이 기술은 NASA 사양을 충족하도록 설계되어 그 상황을 바꾸고 있습니다. 센서 노드 1개든 100개든 누구나 비행 테스트를 감당할 수 있게 되었습니다.

새로운 원격 조종 기체를 개발하는 스타트업은 이제 이착륙, 비행, 착륙 중 소음 문제를 빠르게 식별할 수 있는 정교한 비행 테스트 데이터를 얻을 수 있습니다. 모든 수정마다 다중 테스트 비행이 가능해 설정, 운용, 철수 비용이 매우 낮아 시장 출시 시간이 단축됩니다.

다양한 센서 지원과 원격 모니터링

"각 노드에는 작은 컴퓨터 시스템이 들어있습니다."라고 패터슨은 말했습니다. "데이터를 SD카드 메모리에 획득·저장할 수 있습니다. 또한 최종 사용자가 찔러서 획득 시작, 기록 중지, 파일 다운로드, 배터리 상태 확인 등을 요청할 수 있는 작은 웹 서버도 있습니다."

기존 유선 시스템은 모든 데이터의 동시 즉각 다운로드를 요구하므로 어레이는 공급되는 하드드라이브 용량으로 제한됩니다. IC2의 더 작은 시스템은 상당히 더 큰 데이터셋을 획득해 데이터가 수집될 때까지 각 노드에 머물게 합니다. 예를 들어 단일 노드를 현장에 배치해 몇 달간 커뮤니티 소음 측정을 수집한다면 매일 현장에 가서 측정값을 다운로드할 필요가 없습니다.

WirelessArray는 다양한 센서를 지원하므로 마이크로폰을 광학 센서나 다양한 다른 유형으로 쉽게 교체할 수 있습니다. 각 장치는 자체 충전 배터리와 태양광 패널을 가져 장기 배치가 가능합니다. 내장 GPS는 다중 노드 간 동기화된 샘플링을 유지하고, 무선 통신으로 사용자가 원격으로 데이터를 다운로드하고 각 장치 상태를 모니터링할 수 있게 합니다. 노드의 환경 강화 인클로저는 먼지, 눈, 극한 온도로부터 추가 보호 없이 모든 날씨에서 측정이 가능하게 합니다.

농업 해충 모니터링, 동물 연구, 풍력발전 등 다양한 적용

이 작고 휴대 가능한 기술은 항공기 테스트를 넘어 다양한 프로젝트와 애플리케이션으로 확산되고 있습니다. IC2는 곤충학자와 협력해 농업 환경에서 고주파 곤충 소리를 청취하기 위해 음향 데이터를 사용하고 있습니다. 곤충이 작물을 먹는 위치를 발견하면 농부가 과도한 피해 전에 개입할 수 있고, 살충제 사용을 해당 구역으로 제한할 수 있습니다.

연구자들은 표준 청각 센서를 초음파 센서로 교체해 생물학적 환경에서 쥐와 생쥐를 모니터링하는 방법을 탐구 중입니다. 이는 동물 건강과 복지를 나타내는 삐걱거림 등 소리를 모니터링 가능하게 합니다. 유사한 초음파 센서는 초음속 항공기 비행 경로를 모니터링해 소닉붐이 특정 지역에 접근하는 시점을 식별할 수 있습니다.

이 기술은 소리를 생성하는 모든 것에 적용 가능하며, 사전 설정된 일정이나 온디맨드로 데이터를 수집합니다. 풍력 터빈, 로켓 엔진 테스트 스탠드, 공항 소음 수준 같은 환경 관측 등이 몇 가지 가능성일 뿐입니다. NASA도 완전히 새로운 항공기 설계를 위한 데이터 수집에 이 시스템을 사용할 수 있습니다.

"항공우주학이 트러스 브레이스드 윙, 분산 전기 추진 등 더 진보된 개념으로 나아가면서 우리는 음향 쪽을 밀어왔습니다. 그건 새로운 구성에 대한 소음 테스트와 소음 인증의 필요성을 제기합니다."라고 험프리스는 말했습니다. 그래서 NASA 엔지니어들은 곧 세미트럭과 서버를 미니밴 두 대와 노트북으로 바꿀 수 있게 될 것입니다.

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