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??？梢詫β暡ㄔ诓煌畬又械男袨橐约八鼈儚暮Ｑ笾凶疃鄻踊牡孛娌牧希ㄈ鐜r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）生成的信號或啁啾聲,。該P(yáng)C卡產(chǎn)生具有24 V輸出擺幅的信號,，然后被放大，然后由水聽器廣播,。通過水箱后，信號由另一個水聽器檢測,，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)該項目的教授Traci Neilsen博士解釋說，“因?yàn)樗皇蔷鶆虻?。溫度和鹽度的變化會改變聲速并導(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)際上是一個巨大水體的小型化,，因此計時精度對于放大時結(jié)果的意義至關(guān)重要。
一對頻譜 PCIe 卡安裝在主控制臺的外部 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)置在第二個機(jī)箱中有第二對相同的卡，可由第一個機(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 UR10e 機(jī)械 臂,，連同信號生成和數(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)計的過濾和循環(huán)泵,。該泵保持水的清潔,，而不會在水箱中產(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：“這個新實(shí)驗(yàn)室的建立是為了讓研究生能夠設(shè)計和運(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)橐磺卸急仨殘怨棠陀们乙子谑褂?，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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