高性能マイクロフォン、数百マイル先の乱気流を検知

Spinoffは、NASA技術の成功した商業化を紹介するNASAの年次刊行物です。この商業化は、健康・医療、消費財、輸送、公共安全、コンピュータ技術、環境資源の分野における製品・サービス開発に貢献してきました。

大気中のあらゆるものが音を立てます。火山は轟き、滝は轟音を立てます。しかし、その音には人間の耳が知覚できないものも含まれています。赤外線が肉眼で見えない周波数で構成されるのと同様に、人間の耳には低すぎるピッチ（0.001〜20ヘルツ）で構成される「超低周波音（インフラサウンド）」という音のアナログが存在します。

飛行中に突然遭遇する乱気流は、警告となる雲や大気の特徴が見えないことから「晴天乱気流」と呼ばれます。目に見えない乱れた空気が突如として現れ、航空機に大混乱をもたらすことがあります。

視覚的には検知しにくい晴天乱気流ですが、明確なインフラサウンドシグネチャを持っています。NASAラングレー研究センター（バージニア州ハンプトン）の研究者Qamar Shams氏とAllan Zuckerwar氏は、航空管制官やパイロットが飛行機が遭遇する前にこれらの渦巻くボルテックスを「聴く」ことができれば、代替ルートを設定できると気づきました。

彼らの実験は2007年に始まりましたが、初期テストでは、市販のマイクロフォンをただ使うだけではインフラサウンドには対応できないことが判明しました。長波長周波数が高周波音に圧倒され、干渉が生じるためです。

二人は、高忠実度でこれらの低周波を聴取できる装置の開発を開始しました。マイクロフォンは振動膜を使って音声を拾います。音波で表面が振動する仕組みです。研究者たちは、低張力で広い半径の振動膜と、その背後にある大型の密閉空気室を組み合わせ、遠くまで伝わる超低周波音波を捉えられるマイクロフォンを実現しました。このインフラサウンドマイクロフォンは、ラングレー研究所との契約でPCB Piezotronics（ニューヨーク州デピュー）が製造しています。

センサー完成後、テストが開始されました。マイクロフォンをラングレーの滑走路周辺に正三角形配置で設置すると、300マイル（約480km）以上離れた大気乱流を検知・特定できました。

2017年までに、この技術はNASA年間最優秀商業発明賞を受賞し、国防総省の地上試験、サンドリア国立研究所での性能検証を経ていましたが、航空機搭載はまだでした。Stratodynamics（デラウェア州ルイス）の関心が、状況を変えました。

Stratodynamicsは、このマイクロフォンシステムが機上乱気流検知センサーとして大きな潜在力を持つと判断し、テスト機会を探しました。NASAから特許をライセンス取得後、同社は無人成層圏グライダー「HiDRON」にセンサーを搭載し始めました。

Stratodynamicsは、気球で打ち上げるHiDRONグライダーを10万フィート（約30km）以上の高度まで上昇させ、そこから徐々に地上へ帰還させています。インフラサウンドマイクロフォンと風速計の支援により、UAVは進路上の乱気流強度を遠隔測定し、熱上昇気流を検知して滞空時間を延ばすことも可能かもしれません。現在、乱気流シグネチャの強度と距離を理解するためのアルゴリズム設計が進行中です。

研究者たちは、インフラサウンドマイクロフォンが提供するデータが、乱気流の検知・予測、航空管制の意思決定、航空ルート計画において普及することを期待しています。

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