Es ist möglich, das Verhalten von Schallwellen in verschiedenen Wasserschichten und deren Reflexionen an unterschiedlichen Materialien des Meeresbodens, wie Felsen, Sand und Schlamm, zu untersuchen. Die Miniaturisierung erfordert höchste Präzision der Messgeräte, da die experimentellen Ergebnisse anschließend skaliert werden, um auf reale Phänomene zu schließen.
Der neue Wassertank des Labors ist rechteckig und misst 3,6 m in der Länge und 1,2 m in der Breite bei einer maximalen Wassertiefe von 0,91 m. Die Forschung beinhaltet die Verwendung eines Hydrophons zur Aufzeichnung der Signale (Chirps), die von einem Arbiträrsignalgenerator (AWG) des Modells Spectrum M2p.6546-x4 erzeugt werden. Diese Platine erzeugt Signale mit 24-V-Ausgangsspannung, die verstärkt und anschließend von einem Hydrophon ausgesendet werden. Nach dem Durchlaufen des Tanks werden die Signale von einem weiteren Hydrophon erfasst und von einer Digitalisierungskarte Spectrum M2p.5932-x4 verarbeitet. Sender und Empfänger werden von einem Roboterarm gehalten, der sie im Wasser positioniert und ausrichtet, sodass Sender und Empfänger je nach Bedarf positioniert werden können.
Das Becken ermöglicht Experimente darüber, wie der Meeresboden die von ihm reflektierten Schallwellen beeinflusst. Ein reiner Felsboden hat eine andere Wirkung als Sand, Schlamm oder Schichten aus verschiedenen Materialien.
„Es ist noch komplizierter“, erklärt Dr. Traci Neilsen, die Projektleiterin, „denn Wasser ist nicht homogen. Änderungen der Temperatur und des Salzgehalts beeinflussen die Schallgeschwindigkeit und führen zu Wellenkrümmungen, ähnlich wie bei einer Fata Morgana. Wir planen, den Einfluss von Wassertemperaturänderungen auf maschinelles Lernen zur Ortung von Schallquellen zu untersuchen. Diese Beckenstudien sind wiederholbarer, effizienter und kostengünstiger als Experimente im offenen Ozean und ermöglichen es uns, Techniken zu entwickeln, die wir anschließend mit Ozeandaten testen können.“
Adam Kingsley, der Doktorand, der für die Datenerfassungssoftware verantwortlich ist, sagt: „Wir haben uns für Spectrum-Produkte entschieden, weil sie sich als fähig erwiesen haben, die hohe Genauigkeit und das benötigte Timing zu liefern. Da dieses Becken im Grunde eine Miniaturversion eines riesigen Gewässers ist, ist eine genaue Zeitmessung von entscheidender Bedeutung, damit die Ergebnisse bei einer Skalierung aussagekräftig sind.“
Die beiden PCIe-Karten von Spectrum sind in einem externen PCIe-Gehäuse auf der Hauptsteuerkonsole untergebracht und werden präzise über ein Spectrum Star-Hub-Modul synchronisiert. Das System umfasst ein zweites Paar identischer Karten in einem zweiten Gehäuse, das vom ersten aktiviert werden kann.
Dieses verkleinerte Experiment erfordert deutlich höhere Frequenzen im Kilohertzbereich als im Ozean. Die Digitalisierer und AWG-Karten bieten eine hohe 16-Bit-Auflösung und können mit bis zu 40 Megasamples pro Sekunde abtasten und ausgeben, während die Kanalabweichung unter 100 Pikosekunden liegt. Dies gewährleistet die für die Experimente erforderliche hohe Genauigkeit. Die beiden UR10e-Roboterarme sowie die Signalgenerierung und Datenerfassung werden von einer von Adam Kingsley entwickelten LabVIEW-Software namens „Easy Spectrum Acoustics Underwater“ (ESAU) gesteuert.
Ein zentraler Bestandteil des Versuchsaufbaus ist die Nachbildung des offenen Ozeans. Spezielle reflexionsarme Paneele von Precision Acoustics, die an den Seiten des Beckens angebracht sind, reduzieren daher Reflexionen. Eine bedeutende Innovation war die Entwicklung einer Filter- und Umwälzpumpe durch John Ellsworth, Leiter der Forschungslabore am Institut für Physik und Astronomie der BYU. Diese Pumpe hält das Wasser sauber, ohne Blasen im Becken zu erzeugen, die eine Hauptursache für Störungen darstellen. Dank dieser Vorbereitungen konnten Impulsantworten gemessen werden, was die Rauschunterdrückung in den Messwerten während des Experiments erleichterte. Die Präzision der Spectrum-PC-Karten mit einem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von über 71 dB gewährleistet, dass die Impulsantwortunterdrückung genaue experimentelle Ergebnisse liefert.
Dr. Neilsen fügte hinzu: „Dieses neue Labor wurde eingerichtet, damit Forschungsstudenten im Rahmen ihres Bachelorstudiums eigene Experimente entwerfen und durchführen können. Mein erster Doktorand, Cameron Vongsawad, und ich haben die benötigte Ausrüstung sorgfältig ausgewählt, da es wichtig war, dass alles robust und benutzerfreundlich ist, da die Geräte viele Jahre im Einsatz sein werden. Wie viele andere Labore schätzen auch wir die einzigartige fünfjährige Garantie von Spectrum Instrumentation, da wir uns dadurch jahrelang auf deren Produkte verlassen können.“
