使用高精度 PCIe 測量卡在模擬海洋中研究聲波

  美國猶他州楊百翰大學物理與天文學系聲學研究小組選擇了頻譜儀器的尖端數字化儀和信號發生器作為其新水聲學實驗室的核心。新實驗室是研究在水中傳播的聲波的一大步，因為它有效地提供了海洋的小型化版本。可以對聲波在不同水層中的行為以及它們從海洋中最多樣化的地面材料（如巖石，沙子或泥漿）反射進行實驗。小型化意味著測量設備需要最高精度，因為實驗結果隨后被放大以指示現實世界中會發生什么。

  新的實驗室水箱是矩形的，長3.6米，寬1.2米，最大水深0.91米。該研究涉及使用水聽器來處理由任意波形發生器（AWG）（頻譜模型M2p.6546-x4）生成的信號或啁啾聲。該PC卡產生具有24 V輸出擺幅的信號，然后被放大，然后由水聽器廣播。通過水箱后，信號由另一個水聽器檢測，并由Spectrum M2p.5932-x4數字化儀卡處理。發射器和接收器都由一個機械臂固定，該機械臂在水中定位和定向它們，以便可以根據需要定位源和接收器。

  該水箱可以對海底如何影響從中反彈的聲波進行實驗。與沙子或泥漿或不同材料的層相比，純巖底將具有不同的效果。“情況甚至更復雜，”負責該項目的教授Traci Neilsen博士解釋說，“因為水不是均勻的。溫度和鹽度的變化會改變聲速并導致波浪彎曲，類似于海市蜃樓的發生方式。我們計劃研究水溫變化對機器學習的影響，以定位聲源。這些儲罐研究比海洋實驗更具可重復性，高效性和成本效益，并將使我們能夠開發可以在海洋數據上進行測試的技術。

  負責采集軟件的博士生Adam Kingsley說：“我們之所以選擇Spectrum產品，是因為它們已被證明能夠提供我們所需的極高水平的精度和同步。由于該水箱實際上是一個巨大水體的小型化，因此計時精度對于放大時結果的意義至關重要。
一對頻譜 PCIe 卡安裝在主控制臺的外部 PCIe 機箱中，通過 Spectrum 使用星形集線器模塊精確地同步在一起。該設置在第二個機箱中有第二對相同的卡，可由第一個機箱觸發操作。

  這種縮放實驗在千赫茲范圍內需要比在海洋中使用的頻率高得多的頻率。數字化儀和AWG卡具有16位的高分辨率，甚至可以分別以每秒40兆采樣的速率采樣和輸出，而通道之間的偏差小于100皮秒。這提供了實驗所需的高精度。兩個 UR10e 機械 臂，連同信號生成和數據采集，均由 Adam Kingsley 創建的定制LabVIEW軟件程序控制，該程序被稱為 “水下易譜聲學” （ESAU）。

  實驗設置的一個關鍵部分是模擬開闊的海洋，因此水箱側面的精密聲學的特殊消聲板減少了反射。一項重大創新是由楊百翰大學物理和天文學系研究實驗室主管John Ellsworth設計的過濾和循環泵。該泵保持水的清潔，而不會在水箱中產生氣泡，而氣泡是噪音的重要來源。有了所有這些準備工作，就可以測量脈沖響應，從而在實驗完成時更容易消除讀數中的噪聲。信噪比（SNR）大于71 dB的頻譜PC卡精度確保脈沖響應消除給出準確的實驗結果。

  Neilsen博士補充說：“這個新實驗室的建立是為了讓研究生能夠設計和運行自己的實驗，作為他們大學學習的一部分。我的第一個研究生卡梅隆·馮格薩瓦德（Cameron Vongsawad）和我仔細考慮了購買什么設備，因為一切都必須堅固耐用且易于使用，因為這種設置將運行多年。與許多其他實驗室一樣，我們重視光譜儀器提供的獨特五年保修，因為這意味著我們可以長期依賴他們的產品。

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