Можно экспериментировать с поведением звуковых волн в разных слоях воды и их отражением от различных материалов на дне океана, таких как камни, песок и ил. Миниатюризация означает, что требуется максимально высокая точность измерительного оборудования, поскольку результаты экспериментов затем масштабируются, чтобы показать, что происходит в реальном мире.
Новый резервуар для воды в лаборатории имеет прямоугольную форму, размером 3,6 м в длину и 1,2 м в ширину, с максимальной глубиной воды 0,91 м. Исследование включает в себя использование гидрофона для записи сигналов, или «чирпов», генерируемых генератором произвольных сигналов (AWG), моделью Spectrum M2p.6546-x4. Эта печатная плата генерирует сигналы с выходным напряжением 24 В, которые затем усиливаются перед излучением гидрофоном. После прохождения через резервуар сигналы детектируются другим гидрофоном и обрабатываются платой оцифровки Spectrum M2p.5932-x4. Передатчик и приемник удерживаются роботизированной рукой, которая позиционирует и ориентирует их в воде, позволяя при необходимости расположить источник и приемник.
Резервуар позволяет проводить эксперименты по изучению влияния морского дна на звуковые волны, отражающиеся от него. Дно, покрытое чистым камнем, будет оказывать иное воздействие по сравнению с песком, илом или слоями различных материалов.
«Ситуация еще сложнее, — объясняет доктор Трейси Нильсен, профессор, возглавляющая проект, — потому что вода неоднородна. Изменения температуры и солености изменяют скорость звука и вызывают изгибание волн, подобно тому, как возникает мираж. Мы планируем изучить влияние изменений температуры воды на машинное обучение для определения местоположения источников звука. Эти исследования в резервуарах более воспроизводимы, эффективны и экономически выгодны, чем эксперименты в открытом океане, и позволят нам разработать методы, которые затем можно будет проверить с помощью океанографических данных»
Адам Кингсли, аспирант, ответственный за программное обеспечение для сбора данных, говорит: «Мы выбрали продукцию Spectrum, потому что она доказала свою способность обеспечивать высокий уровень точности и синхронизации, которые нам необходимы. Поскольку этот резервуар фактически является миниатюрной версией огромного водоема, точная синхронизация имеет решающее значение для того, чтобы результаты были значимыми при увеличении масштаба».
Пара PCIe-карт Spectrum размещена во внешнем PCIe-шасси на главной панели управления и точно синхронизирована модулем Spectrum Star-Hub. В состав установки входит вторая пара идентичных карт во втором шасси, которая может быть активирована первой.
Этот уменьшенная версия эксперимента требует гораздо более высоких частот, в диапазоне килогерц, чем те, которые используются в океане. Дигитайзеры и карты AWG имеют высокое 16-битное разрешение и могут производить выборку и вывод со скоростью до 40 мегавыборок в секунду, при этом межканальное отклонение составляет менее 100 пикосекунд. Это обеспечивает высокую точность, необходимую для экспериментов. Два роботизированных манипулятора UR10e, а также генерация сигналов и сбор данных управляются специализированной программой LabVIEW, разработанной Адамом Кингсли, под названием «Easy Spectrum Acoustics Underwater» (ESAU).
Ключевым элементом экспериментальной установки является моделирование открытого океана, поэтому специальные безэховые панели от Precision Acoustics, расположенные по бокам резервуара, уменьшают отражения. Значительным нововведением стала разработка фильтрационного и циркуляционного насоса Джоном Эллсвортом, руководителем исследовательских лабораторий кафедры физики и астрономии Университета Бригама Янга. Этот насос поддерживает чистоту воды, не создавая пузырьков в резервуаре, которые являются основным источником шума. Благодаря всем этим подготовительным мерам стало возможным измерение импульсных характеристик, что упростило удаление шума из показаний во время эксперимента. Точность плат Spectrum PC с отношением сигнал/шум (SNR) более 71 дБ гарантирует, что удаление импульсных характеристик даст точные экспериментальные результаты.
Доктор Нильсен добавил: «Эта новая лаборатория была построена для того, чтобы студенты-исследователи могли разрабатывать и проводить собственные эксперименты в рамках своей бакалаврской программы. Мой первый аспирант, Кэмерон Вонгсавад, и я тщательно выбирали необходимое оборудование, поскольку было важно, чтобы все было надежным и простым в использовании, так как это оборудование будет работать много лет. Как и многие другие лаборатории, мы ценим уникальную пятилетнюю гарантию Spectrum Instrumentation, поскольку это означает, что мы можем полагаться на их продукцию в течение многих лет».
