使用高精度 PCIe 測量卡在模擬海洋中研究聲波

  美國猶他州楊百翰大學(xué)物理與天文學(xué)系聲學(xué)研究小組選擇了頻譜儀器的尖端數(shù)字化儀和信號(hào)發(fā)生器作為其新水聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的核心。新實(shí)驗(yàn)室是研究在水中傳播的聲波的一大步,，因?yàn)樗行У靥峁┝撕Ｑ蟮男⌒突姹?。可以對聲波在不同水層中的行為以及它們從海洋中最多樣化的地面材料（如巖石,，沙子或泥漿）反射進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。小型化意味著測量設(shè)備需要最高精度，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果隨后被放大以指示現(xiàn)實(shí)世界中會(huì)發(fā)生什么,。

  新的實(shí)驗(yàn)室水箱是矩形的,，長3.6米，寬1.2米,，最大水深0.91米,。該研究涉及使用水聽器來處理由任意波形發(fā)生器（AWG）（頻譜模型M2p.6546-x4）生成的信號(hào)或啁啾聲。該P(yáng)C卡產(chǎn)生具有24 V輸出擺幅的信號(hào),，然后被放大,，然后由水聽器廣播。通過水箱后,，信號(hào)由另一個(gè)水聽器檢測,，并由Spectrum M2p.5932-x4數(shù)字化儀卡處理。發(fā)射器和接收器都由一個(gè)機(jī)械臂固定,，該機(jī)械臂在水中定位和定向它們,，以便可以根據(jù)需要定位源和接收器。

  該水箱可以對海底如何影響從中反彈的聲波進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。與沙子或泥漿或不同材料的層相比,，純巖底將具有不同的效果。“情況甚至更復(fù)雜,，”負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的教授Traci Neilsen博士解釋說,，“因?yàn)樗皇蔷鶆虻摹囟群望}度的變化會(huì)改變聲速并導(dǎo)致波浪彎曲,，類似于海市蜃樓的發(fā)生方式,。我們計(jì)劃研究水溫變化對機(jī)器學(xué)習(xí)的影響，以定位聲源,。這些儲(chǔ)罐研究比海洋實(shí)驗(yàn)更具可重復(fù)性,，高效性和成本效益，并將使我們能夠開發(fā)可以在海洋數(shù)據(jù)上進(jìn)行測試的技術(shù),。

  負(fù)責(zé)采集軟件的博士生Adam Kingsley說：“我們之所以選擇Spectrum產(chǎn)品,，是因?yàn)樗鼈円驯蛔C明能夠提供我們所需的極高水平的精度和同步。由于該水箱實(shí)際上是一個(gè)巨大水體的小型化,，因此計(jì)時(shí)精度對于放大時(shí)結(jié)果的意義至關(guān)重要,。
一對頻譜 PCIe 卡安裝在主控制臺(tái)的外部 PCIe 機(jī)箱中，通過 Spectrum 使用星形集線器模塊精確地同步在一起,。該設(shè)置在第二個(gè)機(jī)箱中有第二對相同的卡,，可由第一個(gè)機(jī)箱觸發(fā)操作。

  這種縮放實(shí)驗(yàn)在千赫茲范圍內(nèi)需要比在海洋中使用的頻率高得多的頻率,。數(shù)字化儀和AWG卡具有16位的高分辨率,，甚至可以分別以每秒40兆采樣的速率采樣和輸出，而通道之間的偏差小于100皮秒,。這提供了實(shí)驗(yàn)所需的高精度,。兩個(gè) UR10e 機(jī)械 臂，連同信號(hào)生成和數(shù)據(jù)采集,，均由 Adam Kingsley 創(chuàng)建的定制LabVIEW軟件程序控制,，該程序被稱為 “水下易譜聲學(xué)” （ESAU）。

  實(shí)驗(yàn)設(shè)置的一個(gè)關(guān)鍵部分是模擬開闊的海洋,，因此水箱側(cè)面的精密聲學(xué)的特殊消聲板減少了反射,。一項(xiàng)重大創(chuàng)新是由楊百翰大學(xué)物理和天文學(xué)系研究實(shí)驗(yàn)室主管John Ellsworth設(shè)計(jì)的過濾和循環(huán)泵,。該泵保持水的清潔，而不會(huì)在水箱中產(chǎn)生氣泡,，而氣泡是噪音的重要來源,。有了所有這些準(zhǔn)備工作，就可以測量脈沖響應(yīng),，從而在實(shí)驗(yàn)完成時(shí)更容易消除讀數(shù)中的噪聲,。信噪比（SNR）大于71 dB的頻譜PC卡精度確保脈沖響應(yīng)消除給出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

  Neilsen博士補(bǔ)充說：“這個(gè)新實(shí)驗(yàn)室的建立是為了讓研究生能夠設(shè)計(jì)和運(yùn)行自己的實(shí)驗(yàn),，作為他們大學(xué)學(xué)習(xí)的一部分,。我的第一個(gè)研究生卡梅隆·馮格薩瓦德（Cameron Vongsawad）和我仔細(xì)考慮了購買什么設(shè)備，因?yàn)橐磺卸急仨殘?jiān)固耐用且易于使用,，因?yàn)檫@種設(shè)置將運(yùn)行多年,。與許多其他實(shí)驗(yàn)室一樣，我們重視光譜儀器提供的獨(dú)特五年保修,，因?yàn)檫@意味著我們可以長期依賴他們的產(chǎn)品,。

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