使用高精度 PCIe 测量卡在模拟海洋中研究声波

美国犹他州杨百翰大学物理与天文学系声学研究小组选择了频谱仪器的尖端数字化仪和信号发生器作为其新水声学实验室的核心。新实验室是研究在水中传播的声波的一大步，因为它有效地提供了海洋的小型化版本。可以对声波在不同水层中的行为以及它们从海洋中最多样化的地面材料（如岩石，沙子或泥浆）反射进行实验。小型化意味着测量设备需要最高精度，因为实验结果随后被放大以指示现实世界中会发生什么。

新的实验室水箱是矩形的，长3.6米，宽1.2米，最大水深0.91米。该研究涉及使用水听器来处理由任意波形发生器（AWG）（频谱模型M2p.6546-x4）生成的信号或啁啾声。该PC卡产生具有24 V输出摆幅的信号，然后被放大，然后由水听器广播。通过水箱后，信号由另一个水听器检测，并由SpectrumM2p.5932-x4数字化仪卡处理。发射器和接收器都由一个机械臂固定，该机械臂在水中定位和定向它们，以便可以根据需要定位源和接收器。

该水箱可以对海底如何影响从中反弹的声波进行实验。与沙子或泥浆或不同材料的层相比，纯岩底将具有不同的效果。“情况甚至更复杂，”负责该项目的教授Traci Neilsen博士解释说，“因为水不是均匀的。温度和盐度的变化会改变声速并导致波浪弯曲，类似于海市蜃楼的发生方式。我们计划研究水温变化对机器学习的影响，以定位声源。这些储罐研究比海洋实验更具可重复性，高效性和成本效益，并将使我们能够开发可以在海洋数据上进行测试的技术。

负责采集软件的博士生Adam Kingsley说：“我们之所以选择Spectrum产品，是因为它们已被证明能够提供我们所需的极高水平的精度和同步。由于该水箱实际上是一个巨大水体的小型化，因此计时精度对于放大时结果的意义至关重要。
一对频谱 PCIe 卡安装在主控制台的外部 PCIe 机箱中，通过 Spectrum 使用星形集线器模块精确地同步在一起。该设置在第二个机箱中有第二对相同的卡，可由第一个机箱触发操作。

这种缩放实验在千赫兹范围内需要比在海洋中使用的频率高得多的频率。数字化仪和AWG卡具有16位的高分辨率，甚至可以分别以每秒40兆采样的速率采样和输出，而通道之间的偏差小于100皮秒。这提供了实验所需的高精度。两个 UR10e 机械 臂，连同信号生成和数据采集，均由 Adam Kingsley 创建的定制LabVIEW软件程序控制，该程序被称为 “水下易谱声学” （ESAU）。

实验设置的一个关键部分是模拟开阔的海洋，因此水箱侧面的精密声学的特殊消声板减少了反射。一项重大创新是由杨百翰大学物理和天文学系研究实验室主管John Ellsworth设计的过滤和循环泵。该泵保持水的清洁，而不会在水箱中产生气泡，而气泡是噪音的重要来源。有了所有这些准备工作，就可以测量脉冲响应，从而在实验完成时更容易消除读数中的噪声。信噪比（SNR）大于71 dB的频谱PC卡精度确保脉冲响应消除给出准确的实验结果。

Neilsen博士补充说：“这个新实验室的建立是为了让研究生能够设计和运行自己的实验，作为他们大学学习的一部分。我的第一个研究生卡梅隆·冯格萨瓦德（Cameron Vongsawad）和我仔细考虑了购买什么设备，因为一切都必须坚固耐用且易于使用，因为这种设置将运行多年。与许多其他实验室一样，我们重视光谱仪器提供的独特五年保修，因为这意味着我们可以长期依赖他们的产品。

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