Il est possible d'étudier le comportement des ondes sonores dans différentes couches d'eau et leurs réflexions sur divers matériaux du fond marin, tels que les roches, le sable et la vase. La miniaturisation exige une précision maximale des instruments de mesure, car les résultats expérimentaux sont ensuite extrapolés pour simuler les phénomènes réels.
Le nouveau bassin du laboratoire est rectangulaire, mesurant 3,6 m de long sur 1,2 m de large, avec une profondeur maximale de 0,91 m. La recherche consiste à utiliser un hydrophone pour enregistrer les signaux, ou « chirps », générés par un générateur de formes d'onde arbitraires (AWG), modèle Spectrum M2p.6546-x4. Cette carte électronique génère des signaux avec des oscillations de 24 V, qui sont ensuite amplifiés avant d'être émis par un hydrophone. Après avoir traversé le bassin, les signaux sont détectés par un autre hydrophone et traités par une carte de numérisation Spectrum M2p.5932-x4. L'émetteur et le récepteur sont maintenus par un bras robotisé qui les positionne et les oriente dans l'eau, de sorte que la source et le récepteur puissent être positionnés selon les besoins.
Le bassin permet de mener des expériences sur l'influence du fond marin sur les ondes sonores qui s'y réfléchissent. Un fond rocheux pur aura un effet différent de celui du sable, de la vase ou de couches de matériaux divers.
« C’est encore plus complexe », explique la professeure Traci Neilsen, responsable du projet, « car l’eau n’est pas homogène. Les variations de température et de salinité modifient la vitesse du son et provoquent la déviation des ondes, un phénomène similaire à celui des mirages. Nous prévoyons d’étudier l’impact des variations de température de l’eau sur l’apprentissage automatique pour la localisation des sources sonores. Ces études en bassin sont plus reproductibles, efficaces et économiques que les expériences en haute mer et nous permettront de développer des techniques qui pourront ensuite être testées avec des données océaniques. »
Adam Kingsley, doctorant responsable du logiciel d'acquisition, explique : « Nous avons choisi les produits Spectrum car ils ont démontré leur capacité à fournir le haut niveau de précision et de synchronisation dont nous avons besoin. Ce bassin étant en réalité une version miniature d'une immense étendue d'eau, une synchronisation précise est essentielle pour que les résultats soient significatifs une fois extrapolés. »
Les deux cartes PCIe de Spectrum sont logées dans un châssis PCIe externe, fixé à la console de contrôle principale et synchronisées avec précision par un module Spectrum Star-Hub. Le système comprend une seconde paire de cartes identiques, installée dans un second châssis et activable par le premier.
Cette expérience à échelle réduite requiert des fréquences beaucoup plus élevées, de l'ordre du kilohertz, que celles utilisées en milieu marin. Les numériseurs et les cartes AWG offrent une haute résolution de 16 bits et peuvent échantillonner et générer des signaux jusqu'à 40 mégaéchantillons par seconde, avec un écart inter-canaux inférieur à 100 picosecondes. Ceci garantit la haute précision nécessaire aux expériences. Les deux bras robotiques UR10e, ainsi que la génération du signal et l'acquisition des données, sont pilotés par un logiciel LabVIEW personnalisé, développé par Adam Kingsley et baptisé « Easy Spectrum Acoustics Underwater » (ESAU).
Un élément clé du dispositif expérimental consiste à modéliser l'océan ouvert. Des panneaux anéchoïques spéciaux de Precision Acoustics, placés sur les parois du bassin, réduisent les réflexions. Une innovation majeure a été la conception d'une pompe de filtration et de circulation par John Ellsworth, responsable des laboratoires de recherche du département de physique et d'astronomie de l'université Brigham Young (BYU). Cette pompe maintient l'eau propre sans créer de bulles dans le bassin, source importante de bruit. Grâce à ces préparatifs, les réponses impulsionnelles ont pu être mesurées, facilitant ainsi la suppression du bruit lors des mesures pendant l'expérience. La précision des cartes Spectrum PC, avec un rapport signal/bruit (SNR) supérieur à 71 dB, garantit des résultats expérimentaux précis après suppression des réponses impulsionnelles.
Le Dr Neilsen a ajouté : « Ce nouveau laboratoire a été conçu pour permettre aux étudiants chercheurs de concevoir et de mener leurs propres expériences dans le cadre de leur cursus universitaire. Mon premier étudiant de troisième cycle, Cameron Vongsawad, et moi-même avons soigneusement étudié le matériel à acquérir, car il était essentiel qu’il soit robuste et facile d’utilisation, étant donné qu’il sera utilisé pendant de nombreuses années. Comme beaucoup d’autres laboratoires, nous apprécions la garantie unique de cinq ans offerte par Spectrum Instrumentation, car elle nous assure de la fiabilité de leurs produits pour les années à venir. »
