Продвинутый микрофон обнаруживает турбулентность на расстоянии сотен миль

Spinoff — ежегодное издание NASA, представляющее успешно коммерциализированные технологии NASA. Эта коммерциализация способствовала разработке продуктов и услуг в области здравоохранения и медицины, товаров потребления, транспорта, общественной безопасности, компьютерных технологий и экологических ресурсов.

Всё в атмосфере может издавать звук — вулканы гудят, водопады ревут — но в этом звуке больше, чем улавливают наши уши. Подобно тому как инфракрасный свет состоит из частот, невидимых невооруженному глазу, существует звуковой аналог — инфразвук, состоящий из тонов слишком низких (0,001–20 Гц), чтобы их слышал человек.

Внезапная турбулентность, иногда испытываемая при полете, называется чистой воздушной турбулентностью, так как нет видимых облаков или атмосферных признаков, предупреждающих о сбое. Невидимый турбулентный воздух может возникнуть как из ниоткуда и нанести вред самолетам.

Хотя её трудно обнаружить визуально, чистая воздушная турбулентность имеет определенную инфразвуковую сигнатуру. Исследователи Камар Шамс и Аллан Цукервар из исследовательского центра NASA Лэнгли в Хэмптоне ( штат Вирджиния) поняли, что если диспетчеры воздушного движения или пилоты могли бы «слушать» эти вихри перед встречей с ними самолетами, можно было бы проложить альтернативный маршрут.

Их эксперименты начались в 2007 году, но первоначальные тесты показали, что нельзя просто взять любой готовый микрофон и ожидать, что он будет работать с инфразвуком. Длинноволновые частоты перекрываются высокочастотными звуками, что приводит к интерференции.

Пара приступила к разработке устройства, способного улавливать эти низкие частоты с высокой точностью. Микрофоны используют движущуюся мембрану для захвата звука: звуковые волны заставляют поверхность вибрировать. Исследователи использовали низконатяженную мембрану с большим радиусом, соединенную с большой герметичной воздушной камерой за ней, чтобы микрофон мог улавливать эти ультра-низкие звуковые волны, распространяющиеся на большие расстояния. Инфрасонические микрофоны производятся компанией PCB Piezotronics из Депью (штат Нью-Йорк) по контракту с центром Лэнгли.

После завершения сенсора началось тестирование. Когда микрофоны разместили в равноудалении треугольном вокруг взлетно-посадочной полосы Лэнгли, они смогли улавливать и локализовать атмосферную турбулентность на расстоянии более 300 миль.

К 2017 году технология получила награду NASA Commercial Invention of the Year, была протестирована на земле для Министерства обороны и исследована в национальных лабораториях Сандиа для подтверждения производительности, но не летала на борту самолетов. Интерес к детекции турбулентности со стороны компании Stratodynamics из Льюиса (штат Делавэр) скоро изменило это.

Stratodynamics осознала, что система микрофонов имеет значительный потенциал как бортовый сенсор обнаружения турбулентности и искала возможности для тестирования технологии. После лицензирования патентов от NASA компания начала внедрять сенсор на беспилотном стратосферном планере HiDRON.

Stratodynamics поднимает свой воздушный шар-запускаемый планер HiDRON на высоту более 100 000 футов, откуда он медленно снижается обратно на Землю. С помощью инфрасонического микрофона и ветрового зонда БПЛА измеряет интенсивность турбулентности на своем пути на расстоянии и, возможно, может обнаруживать термические колонны, чтобы держать аппарат в воздухе дольше. В настоящее время ведется работа над разработкой алгоритмов, необходимых для понимания интенсивности и дальности турбулентной сигнатуры.

Исследователи надеются, что данные, предоставляемые инфрасоническим микрофоном, станут повсеместно использоваться для обнаружения и прогнозирования турбулентности, принятия решений диспетчерами воздушного движения и планирования авиационных маршрутов.

Прочитайте эту историю и другие NASA Spin-Offs на NASA.gov .