Microfoon detecteert turbulentie op honderden kilometers afstand

Spinoff is de jaarlijkse publicatie van NASA over succesvol gecommercialiseerde NASA-technologie. Deze commercialisering heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van producten en diensten op het gebied van gezondheid en geneeskunde, consumptiegoederen, transport, openbare veiligheid, computertechnologie en milieubronnen.

Alles in de atmosfeer kan een geluid maken - vulkanen rommelen en watervallen crashen - maar er is meer aan dat geluid dan wat onze oren waarnemen. Net zoals infrarood licht bestaat uit frequenties die niet zichtbaar zijn voor het blote oog, is er een audio-analoog genaamd infrageluid dat bestaat uit toonhoogtes die te laag zijn (0,001 tot 20 hertz) om door het menselijk oor te worden gehoord.

De plotselinge turbulentie die soms tijdens het vliegen wordt ervaren, wordt heldere luchtturbulentie genoemd, zo genoemd omdat er geen zichtbare wolken of atmosferische kenmerken zijn die waarschuwen voor de verstoring. Turbulente onzichtbare lucht kan schijnbaar uit het niets komen en grote schade aanrichten aan vliegtuigen.

Hoewel het niet gemakkelijk visueel kan worden gedetecteerd, heeft turbulentie in de heldere lucht een duidelijke infrageluidsignatuur. Onderzoekers Qamar Shams en Allan Zuckerwar van NASA's Langley Research Center in Hampton, VA realiseerden zich dat als luchtverkeersleiders of piloten konden luisteren naar deze wervelende draaikolken voordat vliegtuigen ze tegenkomen, er een alternatieve route zou kunnen worden uitgestippeld.

Hun experimenten begonnen in 2007, maar de eerste tests toonden aan dat ze niet zomaar een standaard microfoon konden pakken en verwachten dat deze zou werken met infrageluid. De langegolffrequenties worden overstemd door geluiden met een hogere frequentie, wat resulteert in interferentie.

Het paar begon iets te ontwikkelen dat in high-fidelity naar deze lage frequenties kon luisteren. Microfoons gebruiken een bewegend diafragma om audio op te pikken waar geluidsgolven het oppervlak doen trillen. De onderzoekers gebruikten een laagspanningsmembraan met een brede straal in combinatie met een grote, afgesloten luchtkamer erachter, zodat de microfoon deze ultralage geluidsgolven die grote afstanden afleggen, kon horen. De infrasonische microfoons worden vervaardigd door PCB Piezotronics uit Depew, NY onder contract met Langley.

Met de sensor voltooid, begon het testen. Toen de microfoons in een driehoekig patroon op gelijke afstand rond de landingsbaan van Langley werden geplaatst, konden ze atmosferische turbulentie op meer dan 300 mijl afstand oppikken en lokaliseren.

In 2017 had de technologie de NASA Commercial Invention of the Year-prijs gewonnen, ter plaatse getest voor het ministerie van Defensie en onderzocht bij Sandia National Laboratories om de prestaties te valideren, maar het was niet aan boord van een vliegtuig gevlogen. Interesse in turbulentiedetectie van Stratodynamics Lewes, DE, zou daar snel verandering in brengen.

Stratodynamics realiseerde zich dat het microfoonsysteem een ​​aanzienlijk potentieel had als turbulentiedetectiesensor tijdens de vlucht en zocht naar mogelijkheden om de technologie te testen. Na de patenten van NASA in licentie te hebben gegeven, begon het bedrijf de sensor te implementeren op een niet-bemand stratosferisch zweefvliegtuig dat bekend staat als de HiDRON.

Stratodynamics heeft hun door een ballon gelanceerde HiDRON-zweefvliegtuig tot een hoogte van meer dan 100.000 voet getild, vanwaar het langzaam zijn weg terug naar de aarde baant. Met behulp van de infrageluidmicrofoon en windsonde meet de UAV op afstand de intensiteit van turbulentie in zijn baan en kan mogelijk thermische kolommen detecteren om het vliegtuig langer te laten zeilen. Momenteel wordt er meer gewerkt aan het ontwerpen van de algoritmen die nodig zijn om de intensiteit en het bereik van de turbulente handtekening te begrijpen.

De onderzoekers hopen dat de gegevens van de infrasonische microfoon alomtegenwoordig zullen worden bij het detecteren en voorspellen van turbulentie, de besluitvorming van de luchtverkeersleiding en het plannen van luchtvaartroutes.

Lees dit verhaal en andere NASA-spin-offs op NASA.gov .