Geavanceerde Microfoon Detecteert Turbulentie op Honderden Kilometers Afstand

Spinoff is NASA's jaarlijkse publicatie met succesvol gecommercialiseerde NASA-technologie. Deze commercialisatie heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van producten en diensten op de gebieden gezondheid en geneeskunde, consumentengoederen, transport, openbare veiligheid, computerthechnologie en milieubronnen.

Alles in de atmosfeer kan een geluid maken — vulkanen rommelen en watervallen kraken — 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, bestaat er een audio-analogoon genaamd infrasonisch geluid dat bestaat uit tonen te laag (0,001 tot 20 hertz) om gehoord te worden door het menselijk oor.

De plotselinge turbulentie die soms wordt ervaren tijdens het vliegen wordt clear-air turbulentie genoemd, zo genoemd omdat er geen zichtbare wolken of atmosferische kenmerken zijn die waarschuwen voor de storing. Turbulente onzichtbare lucht kan schijnbaar uit het niets komen en ellende veroorzaken op vliegtuigen.

Hoewel het niet gemakkelijk visueel te detecteren is, heeft clear-air turbulentie een definitieve infrasonische handtekening. Onderzoekers Qamar Shams en Allan Zuckerwar bij NASA's Langley Research Center in Hampton, VA beseften dat als luchverkeerscontrollers of piloten naar deze woelende wervels kunnen luisteren voordat vliegtuigen ze tegenkomen, een alternatieve route uitgezet kan worden.

Hun experimenten begonnen in 2007, maar initiële tests lieten hen zien dat ze niet zomaar een willekeurige off-the-shelf microfoon konden pakken en verwachten dat het met infrasonisch geluid zou werken. De lange-golf frequenties worden overmacht door hogere-frequentie geluiden, wat resulteert in interferentie.

Het duo begon met het ontwikkelen van iets dat naar deze lage frequenties kon luisteren in hoge Fideliteit. Microfoons gebruiken een bewegend diaphragma om audio op te vangen waar geluidsgolven het oppervlak laten trillen. De onderzoekers gebruikten een laag-spanning diaphragma met een brede straal gekoppeld aan een grote, afgedichte luchtkamer erachter om de microfoon in staat te stellen deze ultra-lage geluidsgolven te horen die grote afstanden afleggen. De infrasonische microfoons worden gefabriceerd door PCB Piezotronics van Depew, NY onder contract met Langley.

Met de sensor voltooid, begonnen de tests. Toen de microfoons in een gelijkzijdig driehoekpatroon rondom Langley's startbaan werden geplaatst, waren ze in staat om atmosferische turbulentie op meer dan 300 mijl (ongeveer 480 km) afstand op te vangen en te lokaliseren.

In 2017 had de technologie de NASA Commercial Invention of the Year award gewonnen, was getest op de grond voor het Department of Defense, en onderzocht bij Sandia National Laboratories om de prestaties te valideren, maar was nog niet aan boord van vliegtuigen gevlogen. Interesse in turbulentiedetectie van Stratodynamics Lewes, DE, zou dat snel veranderen.

Stratodynamics realiseerde dat het microfoonsysteem significant potentieel had als een in-vlucht turbulentiedetectiesensor en zocht naar kansen om de technologie te testen. Na het licentiëren van de patenten van NASA, begon het bedrijf de sensor te implementeren op een onbemande stratosferische glijder bekend als de HiDRON.

Stratodynamics heeft hun ballongelanceerde HiDRON glijder getild tot hoogtes van meer dan 100.000 voet, vanaf waar het langzaam zijn weg terug naar de aarde maakt. Met de hulp van de infrasonische microfoon en windmeetstaf meet de UAV de intensiteit van turbulentie op zijn pad op afstand en kan mogelijk thermische kolommen detecteren om het vliegtuig langer te laten zweven. Momenteel is er meer werk gaande om de algoritmes te ontwerpen die nodig zijn om de intensiteit en bereik van de turbulente handtekening te begrijpen.

De onderzoekers hopen dat de data die geleverd wordt door de infrasonische microfoon alomtegenwoordig zal worden in het detecteren en voorspellen van turbulentie, besluitvorming door luchverkeerscontrole, en luchtvaart routplanning.

Lees dit verhaal en andere NASA Spin-Offs op NASA.gov hier.