可以对不同水层中声波的行为及其在海底各种物质(例如岩石、沙子和泥浆)上的反射进行实验。小型化意味着需要尽可能高精度的测量设备,因为实验结果需要进行比例缩放,以反映现实世界中的情况。
实验室的新水箱为长方形,长3.6米,宽1.2米,最大水深0.91米。该研究使用水听器记录由任意波形发生器(AWG,型号为Spectrum M2p.6546-x4)产生的信号(或称啁啾声)。该电路板产生24V输出振荡信号,信号经放大后由水听器发射。信号在水箱中传播后,由另一个水听器接收,并由Spectrum M2p.5932-x4数字化板进行处理。发射器和接收器由机械臂固定,机械臂可将其定位并调整到水中,以便根据需要调整信号源和接收器的位置。
这个水箱可以用来进行实验,研究海底环境如何影响反射的声波。纯岩石海底与沙子、泥浆或不同材料层相比,会产生不同的效果。.
“情况更加复杂,”项目负责人特蕾西·尼尔森博士解释说,“因为水并非均质。温度和盐度的变化会改变声速,并导致波浪弯曲,类似于海市蜃楼的形成。我们计划研究水温变化对机器学习定位声源的影响。与远洋实验相比,这些水箱实验更具可重复性、效率更高、成本更低,这将使我们能够开发出一些技术,然后用海洋数据进行测试。”
负责数据采集软件的博士生亚当·金斯利说: “我们选择Spectrum的产品是因为它们已被证明能够提供我们所需的高精度和时间精度。由于这个水箱实际上是一个大型水体的微缩版本,因此精确的时间控制对于将实验规模扩大后的结果而言至关重要。”
Spectrum 的两张 PCIe 卡安装在主控制台上的一个外部 PCIe 机箱内,并通过 Spectrum Star-Hub 模块进行精确同步。该装置还包括另一对相同的卡,安装在第二个机箱内,可由第一个机箱激活。
这项规模缩小的实验需要比海洋中使用的频率高得多的频率,达到千赫兹范围。数字化仪和任意波形发生器 (AWG) 卡具有 16 位高分辨率,采样和输出速率高达每秒 40 兆采样,通道间偏差小于 100 皮秒。这为实验提供了所需的高精度。两个 UR10e 机械臂以及信号生成和数据采集功能均由 Adam Kingsley 开发的名为“Easy Spectrum Acoustics Underwater”(ESAU)的定制 LabVIEW 软件程序控制。
实验装置的关键在于模拟开阔海洋环境,因此,安装在水箱侧面的Precision Acoustics公司特制消声面板能够有效减少反射。杨百翰大学物理与天文系研究实验室主管John Ellsworth设计了一种过滤循环泵,这是一项重要的创新。该泵能够保持水质清洁,且不会在水箱内产生气泡,而气泡是噪声的主要来源。所有这些准备工作就绪后,即可测量脉冲响应,从而更轻松地在实验过程中去除读数中的噪声。Spectrum PC卡的高精度(信噪比超过71 dB)确保了脉冲响应去除后能够获得准确的实验结果。.
尼尔森博士补充道: “新建这间实验室是为了让研究生能够在本科学习期间设计和开展自己的实验。我的第一位研究生卡梅伦·冯萨瓦德和我仔细考虑了我们需要购买的设备,因为所有设备都必须坚固耐用且易于使用,这些设备将长期使用。与其他许多实验室一样,我们非常重视Spectrum Instrumentation公司独特的五年质保,这意味着我们可以在未来多年信赖他们的产品。”
