模擬海洋聲波研究中使用的高精度PCIe測試卡

美國楊百翰大學物理與天文系的聲學研究小組將Spectrum儀器領先的數字化儀與信號發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境。該實驗室能夠對聲波在不同水層中的行為以及它們如何在巖石、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，因為實驗結果隨后會按比例放大，以表明在真實世界中的效果。

圖1 水箱中有兩條機械臂,用來放置發射器和接收器

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型號任意波形發生器所發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，以便根據需要對源頭和接收器進行定位。

圖2 一個機械臂的機制

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出用于海洋數據測量的技術?！?/p>

圖3 兩個灰色的PCIe機箱位于控制臺中間

負責采集軟件的博士生Adam Kingsley表示:“Spectrum儀器公司的產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，等比放大實驗結果時，時間的精準度對于測試結果至關重要?！?/p>

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進入操作。這個規?；瘜嶒炐枰谇Ш掌澐秶鷥仁褂酶叩念l率，比在海洋中使用的頻率高得多。數字化儀和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據采集，均由一個定制的LabVIEW軟件程序控制。該程序由Adam Kingsley創建，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泵，這可謂是一個重大的創新。這種泵可以保持水的清潔，也不會在水箱中產生氣泡，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果。

圖4 ESAU軟件便于用戶實現與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保服務，這也為我們的長久合作奠定了基礎?！?/p>

圖5 Spectrum儀器M2p.5932-x4數字化儀卡與M2p.6546-x4生成器卡

關于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年，迄今為止設計和研發了多款模塊化數字化儀及發生器產品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨立以太網設備（LXI）。在過去30年間，Spectrum獲得了業界的廣泛認可，旗下產品也被用于行業領軍企業及一流大學的眾多產品和科研項目中。Spectrum儀器總部位于德國漢堡附近的格羅斯漢斯多爾夫，憑借卓越的技術能力和優質的客戶服務享譽全球。