È possibile sperimentare il comportamento delle onde sonore in diversi strati d'acqua e le loro riflessioni su vari materiali presenti sul fondale oceanico, come rocce, sabbia e fango. La miniaturizzazione implica la necessità della massima precisione possibile degli strumenti di misurazione, poiché i risultati sperimentali vengono poi scalati per indicare ciò che accadrebbe nel mondo reale. La
nuova vasca d'acqua del laboratorio è rettangolare, con dimensioni di 3,6 m di lunghezza per 1,2 m di larghezza e una profondità massima dell'acqua di 0,91 m. La ricerca prevede l'utilizzo di un idrofono per registrare i segnali, o "chirp", generati da un generatore di forme d'onda arbitrarie (AWG), modello Spectrum M2p.6546-x4. Questa scheda PC genera segnali con oscillazioni di uscita a 24 V, che vengono poi amplificati prima di essere emessi da un idrofono. Dopo aver attraversato la vasca, i segnali vengono rilevati da un altro idrofono ed elaborati da una scheda di digitalizzazione Spectrum M2p.5932-x4. Il trasmettitore e il ricevitore sono sostenuti da un braccio robotico che li posiziona e li orienta all'interno dell'acqua, in modo che la sorgente e il ricevitore possano essere posizionati secondo necessità.
La vasca permette di condurre esperimenti su come il fondale marino influisce sulle onde sonore che rimbalzano su di esso. Un fondale di pura roccia avrà un effetto diverso rispetto a un fondale di sabbia, fango o strati di materiali diversi.
"È ancora più complicato", spiega la dottoressa Traci Neilsen, la professoressa responsabile del progetto, "perché l'acqua non è omogenea. Le variazioni di temperatura e salinità alterano la velocità del suono e causano la deviazione delle onde, in modo simile a come si forma un miraggio. Prevediamo di esaminare l'impatto delle variazioni di temperatura dell'acqua sull'apprendimento automatico per localizzare le sorgenti sonore. Questi studi in vasca sono più ripetibili, efficienti ed economici rispetto agli esperimenti in mare aperto e ci permetteranno di sviluppare tecniche che potranno poi essere testate con i dati oceanici."
Adam Kingsley, il dottorando responsabile del software di acquisizione, afferma: "Abbiamo scelto i prodotti Spectrum perché si sono dimostrati in grado di fornire l'elevato livello di precisione e sincronizzazione di cui abbiamo bisogno. Poiché questa vasca è in realtà una versione miniaturizzata di un enorme specchio d'acqua, una sincronizzazione precisa è fondamentale affinché i risultati siano significativi quando vengono estrapolati alle dimensioni reali."
Le due schede PCIe di Spectrum sono alloggiate in uno chassis PCIe esterno sulla console di controllo principale, sincronizzate con precisione da un modulo Spectrum Star-Hub. La configurazione include una seconda coppia di schede identiche in un secondo chassis, attivabile tramite la prima.
Questo esperimento in scala ridotta richiede frequenze molto più elevate, nell'ordine dei kilohertz, rispetto a quelle utilizzate in ambiente oceanico. I digitalizzatori e le schede AWG hanno un'elevata risoluzione a 16 bit e possono campionare e generare segnali a velocità fino a 40 megacampioni al secondo, mentre la deviazione tra i canali è inferiore a 100 picosecondi. Ciò garantisce l'elevata precisione richiesta per gli esperimenti. I due bracci robotici UR10e, insieme alla generazione del segnale e all'acquisizione dei dati, sono controllati da un software LabVIEW personalizzato creato da Adam Kingsley, denominato "Easy Spectrum Acoustics Underwater" (ESAU).
Un elemento chiave della configurazione sperimentale è la simulazione dell'oceano aperto, pertanto speciali pannelli anecoici di Precision Acoustics, posizionati sui lati della vasca, riducono i riflessi. Un'innovazione significativa è stata la progettazione di una pompa di filtrazione e circolazione da parte di John Ellsworth, responsabile dei laboratori di ricerca del Dipartimento di Fisica e Astronomia della BYU. Questa pompa mantiene l'acqua pulita senza creare bolle nella vasca, che rappresentano una delle principali fonti di rumore. Grazie a tutti questi accorgimenti, è stato possibile misurare le risposte impulsive, semplificando la rimozione del rumore dalle misurazioni durante un esperimento. La precisione delle schede PC Spectrum, con un rapporto segnale/rumore (SNR) superiore a 71 dB, garantisce che la rimozione della risposta impulsiva produca risultati sperimentali accurati.
Il dottor Neilsen ha aggiunto: "Questo nuovo laboratorio è stato costruito affinché gli studenti di ricerca potessero progettare e condurre i propri esperimenti nell'ambito dei loro studi universitari. Il mio primo studente di dottorato, Cameron Vongsawad, ed io abbiamo valutato attentamente le apparecchiature da acquistare, perché era fondamentale che fossero robuste e facili da usare, dato che queste apparecchiature rimarranno in funzione per molti anni. Come molti altri laboratori, apprezziamo l'esclusiva garanzia di cinque anni offerta da Spectrum Instrumentation, perché ci permette di contare sui loro prodotti per molti anni a venire."
