NASA麦克风使用次声波检测出数以百计的湍流

HiDRON是一种独特的气球发射无人滑翔机，能够进行高空飞行；自主和高飞的飞行模式；并在寒冷的平流层环境（-60°C）下良好运°行。

无论是在飞机起飞后的涡流漩涡中，还是在看起来平静的空气中，除了湍流之外，没有什么比飞行更容易打扰了。这些“水平龙卷风”不仅会使空中旅行变得不舒服，甚至可能造成危险，而且避免这些飞行的尝试会消耗大量燃料。NASA的研究人员已经开发了找到这些区域的技术，并且凭借某些工程学上的独创性，他们可以彻底改变飞行计划和航空研究。

不是您的典型麦克风

大气中的一切都可以发出声音。火山声隆隆，瀑布崩塌和空气急流，但是那声音比我们的耳朵能感知的更多。就像红外光由肉眼看不到的频率组成一样，有一种音频模拟称为次声。次声的音调太低而无法被人耳听到，介于0.001赫兹和20赫兹之间。

NASA兰利研究中心的研究人员设计了一种特殊的次声麦克风，可以拾取天空中湍流产生的超低频。该技术目前正在Stratodynamics HiDRON滑翔机上进行测试，可用于湍流检测和航空研究。

飞行中有时会遇到的突然湍流称为晴空湍流，之所以如此，是因为没有可见的云层或大气特征来警告破坏。湍流的看不见的空气似乎可以从任何地方冒出来，对飞机造成严重破坏。尽管在视觉上不易察觉，但清澈的空气湍流具有明显的次声特征。位于弗吉尼亚州汉普顿的美国宇航局兰利研究中心的研究人员Qamar Shams和Allan Zuckerwar意识到，如果空中交通管制员或飞行员能够在飞机遇到旋涡之前聆听这些旋转涡流，就可以绘制一条替代路线。

他们的实验始于2007年，但是毫不奇怪，初步测试表明，他们无法抓住任何现成的麦克风，并期望它可以与次声一起使用。长波频率往往会被较高频率的声音所压倒，从而导致干扰。

沙姆斯说：“我们发现传感器变得饱和，并且表现不佳。”“我们认为，‘我们在仪器领域拥有专业知识，那么为什么不自己设计麦克风呢？’”

Shams和Zuckerwar开始开发可以高保真地聆听这些低频的东西。麦克风使用移动的振动膜来拾取音频，声波会引起表面振动。研究人员使用了一个低半径的振膜，该振膜具有较大的半径，并在其后部设有一个大的密封气室，以使麦克风能够听到传播很远距离的超低声波。红外麦克风由纽约Depew的PCB Piezotronics与Langley签订合同制造。传感器完成后，开始测试。当将麦克风以等距三角形的方式放置在兰利（Langley）跑道的地面上时，它们能够在宾夕法尼亚州上方的天空中捡起并找到300英里外的大气湍流。

走进蓝天

到2017年，Shams和Zuckerwar的技术已经获得了NASA年度商业发明奖，已经在国防部进行了实地测试，并在Sandia国家实验室进行了研究以验证其性能，但是它没有飞过任何飞机。来自特拉华州刘易斯的Stratodynamics Inc.对湍流检测的兴趣很快将改变这一现状。

HiDRON滑翔机将科学仪器运送到大气层的上方，并使其在滑落时保持工作状态。该团队希望利用NASA设计的次声传感器来识别湍流，以扩大滑翔机的飞行范围。

公司创始人参加了由创新中心与美国宇航局合作领导的2016年太空竞赛挑战赛。太空竞赛是一项全球竞赛，向可以展示各种技术的应用程序和业务案例的团体提供许可证。Stratodynamics参与了多个类别，包括无人飞行器（UAV）控制系统。公司在无人机竞赛中获得一等奖后，团队被邀请访问Langley并与专利背后的研究人员会面。

“在我们在那里的时候，Shams一直在倡导次声技术，” Stratodynamics的业务开发主管尼克·克莱恩（Nick Craine）说。

Stratodynamics意识到，麦克风系统作为飞行中的湍流检测传感器具有巨大的潜力，并寻找机会测试该技术。在获得NASA的专利许可后，在Shams的协助下，该公司开始在由其加拿大子公司Stratodynamics Aviation Inc.设计的无平流层滑翔机HiDRON上安装该传感器。

通过次声麦克风聆听天空，空中旅行将变得更加安全和高效。空中交通管制员将能够感知实时情况，飞机可以提前安全地绕过湍流。

Stratodynamics已将其气球发射的HiDRON滑翔机提升至100,000英尺以上的高度，然后缓慢地滑回地面。借助次声传声器和风探测器，无人机可在一定距离内测量其路径中的湍流强度，并可能检测热柱以使飞机保持更长的航行时间。正在开展更多工作来设计了解湍流特征的强度和范围所需的算法。

最近，初步测试发现麦克风性能良好。即使有狂风拂过无人机，该团队仍能够将低频与周围环境隔离开来。Stratodynamics将进行额外的飞行测试，以进一步推动该技术的发展。该公司不仅将评估NASA开发的麦克风，还将作为肯塔基大学的补充湍流检测技术的飞行提供商，该大学得到了NASA飞行机会计划的支持。在获得这些测试的结果之前，次声麦克风将成为Stratodynamics客户的标准技术选择。

Stratodynamics Aviation公司目前正在与加拿大航天局和安大略省滑铁卢大学合作开发新型滑翔机。HiDRON亚轨道太空飞机将具有更大的有效载荷能力，并将专门针对平流层中的最佳性能而设计。

该小组希望，由次声麦克风提供的数据将在检测和预测湍流，空中交通管制决策和航空路线规划中变得无处不在。通过更轻松地避免在飞行的所有部分产生湍流，可以减少在湍流周围航行时浪费的燃料，并减少了向大气中释放的二氧化碳。

克雷恩说：“随着次声检测继续证明其作为减缓湍流技术的价值，其永久改变航空领域的潜力在每次飞行中都变得越来越强，”克雷恩说。

NASA将技术转让给私营部门的历史悠久。该机构的Spinoff出版物介绍了已转化为商业产品和服务的NASA技术，证明了美国对其太空计划进行投资的广泛利益。Spinoff是NASA太空技术任务局技术转让计划的出版物。