美國楊百翰大學物理與天文系的聲學研究小組將Spectrum儀器領先的數(shù)字化儀與信號發(fā)生器作為其全新水下聲學實驗室核心。新實驗室對聲波如何在水中傳播方面的研究可謂是一大進步,這得益于其模擬出了一個微縮版的海洋環(huán)境。該實驗室能夠?qū)β暡ㄔ诓煌畬又械男袨橐约八鼈內(nèi)绾卧趲r石、沙子或泥漿等海洋中最多樣化的地面材料中反射進行多種實驗。這種小型化實驗對測量設備的精度要求極高,因為實驗結(jié)果隨后會按比例放大,以表明在真實世界中的效果。
新型實驗室的水箱是一個長3.6米和寬1.2米的長方體,最高水深0.91米。這項研究使用了水聽器來接收Spectrum公司M2p.6546-x4型號任意波形發(fā)生器所發(fā)出的信號或啁啾聲信號。這種PC卡能生成24V輸出擺幅的信號,隨后在被水聽器傳播之前被放大。通過水箱后,信號被另一個水聽器檢測到并由Spectrum M2p.5932-x4進行處理。發(fā)射器和接收器分別由機械臂控制,使其能夠快速在水中適應并進行定位,以便根據(jù)需要對源頭和接收器進行定位。
?
圖1:水箱中有兩條機械臂,用來放置發(fā)射器和接收器
水箱便于對聲波觸及海底反彈后受到的影響進行各項試驗。與沙子、泥土或不同的材料層相比,純巖石的底部會產(chǎn)生不同的效果。負責這項研究的Traci nielsen博士解釋道:“因為水不是均勻的,致使這項研究變得更為復雜。溫度和鹽度的變化會改變聲速,最終導致聲波發(fā)生彎曲,這就如同海市蜃樓一樣。我們計劃研究水溫變化對機器學習定位聲源的影響。這些水箱研究比在海洋里做實驗更具重復性、效率和成本效益,并將使我們能夠研發(fā)出用于海洋數(shù)據(jù)測量的技術?!?/p>
圖2:一個機械臂的機制
負責采集軟件的博士生Adam Kingsley表示:“Spectrum儀器公司的產(chǎn)品完全符合我們對精度和同步性的高要求,這也是我們選擇與其合作的重要原因。這個水箱實際上是一個巨大水域的縮小版,等比放大實驗結(jié)果時,時間的精準度對于測試結(jié)果至關重要。”
圖3:兩個灰色的PCIe機箱位于控制臺中間
這對Spectrum儀器的 PCIe卡被安裝在主控臺外部的PCIe機箱中,通過Spectrum的Star-Hub模塊進行精準同步。在機箱中備有另外一對相同的卡,可由第一個機箱觸發(fā)進入操作。這個規(guī)?;瘜嶒炐枰谇Ш掌澐秶鷥?nèi)使用更高的頻率,比在海洋中使用的頻率高得多。數(shù)字化儀和AWG卡具有16位的高分辨率,甚至可以分別以40MS/s的速率進行采樣和輸出,而通道之間的偏移小于100皮秒。這為實驗提供了極高的精準度。兩個UR10e機器人手臂以及信號生成和數(shù)據(jù)采集,均由一個定制的LabVIEW軟件程序控制。該程序由Adam Kingsley創(chuàng)建,被稱為“Easy Spectrum Acoustics Underwater”(ESAU)。
該實驗裝置的一個關鍵部分是模擬開闊的海洋,因此Precision Acoustics公司在水箱兩側(cè)安裝了特殊的消聲板來減少反射。美國楊百翰大學物理與天文系研究實驗室主管John Ellsworth設計了一個過濾和循環(huán)泵,這可謂是一個重大的創(chuàng)新。這種泵可以保持水的清潔,也不會在水箱中產(chǎn)生氣泡,而氣泡正是噪音的重要來源。準備就緒后即可測量脈沖響應,這更容易在進行實驗時消除讀書中的噪聲。Spectrum儀器精準的PC卡信噪比(SNR)高于71 dB,這也保證了脈沖響應消除能給出準確的實驗結(jié)果。
圖4:ESAU軟件便于用戶實現(xiàn)與Spectrum卡和機械臂之間的通信
Neilsen博士補充道:“建立新實驗室的初衷是方便研究專業(yè)的學生在校期間能夠設計并運行其實驗。Cameron Vongsawad是我的首個在讀研究生,他與我仔細考慮了購買什么設備,這個實驗室將長久投入使用,因此功能強大和易于使用對我們來說非常重要。與許多其他實驗室一樣,我們也很看重Spectrum儀器公司提供的獨家五年質(zhì)保服務,這也為我們的長久合作奠定了基礎。”
圖5: Spectrum儀器M2p.5932-x4數(shù)字化儀卡與M2p.6546-x4生成器卡