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(xué)物理與天文系的聲學(xué)研究小組將Spectrum儀器領(lǐng)先的數字化儀與信號發(fā)生器作為其全新水下聲學(xué)實(shí)驗室核心。新實(shí)驗室對聲波如何在水中傳播方面的研究可謂是一大進(jìn)步，這得益于其模擬出了一個(gè)微縮版的海洋環(huán)境。該實(shí)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(jìn)行多種實(shí)驗。這種小型化實(shí)驗對測量設備的精度要求極高，因為實(shí)驗結果隨后會(huì )按比例放大，以表明在真實(shí)世界中的效果。

圖1 水箱中有兩條機械臂,用來(lái)放置發(fā)射器和接收器

新型實(shí)驗室的水箱是一個(gè)長(cháng)3.6米和寬1.2米的長(cháng)方體，最高水深0.91米。這項研究使用了水聽(tīng)器來(lái)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(tīng)器傳播之前被放大。通過(guò)水箱后，信號被另一個(gè)水聽(tīng)器檢測到并由Spectrum M2p.5932-x4進(jìn)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(jìn)行定位，以便根據需要對源頭和接收器進(jìn)行定位。

圖2 一個(gè)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(jìn)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(huì )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(huì )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(xué)習定位聲源的影響。這些水箱研究比在海洋里做實(shí)驗更具重復性、效率和成本效益，并將使我們能夠研發(fā)出用于海洋數據測量的技術(shù)?！?/p>

圖3 兩個(gè)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(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(gè)水箱實(shí)際上是一個(gè)巨大水域的縮小版，等比放大實(shí)驗結果時(shí)，時(shí)間的精準度對于測試結果至關(guān)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(guò)Spectrum的Star-Hub模塊進(jìn)行精準同步。在機箱中備有另外一對相同的卡，可由第一個(gè)機箱觸發(fā)進(jìn)入操作。這個(gè)規?；瘜?shí)驗需要在千赫茲范圍內使用更高的頻率，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(jìn)行采樣和輸出，而通道之間的偏移小于100皮秒。這為實(shí)驗提供了極高的精準度。兩個(gè)UR10e機器人手臂以及信號生成和數據采集，均由一個(gè)定制的LabVIEW軟件程序控制。該程序由Adam Kingsley創(chuàng )建，被稱(chēng)為“Easy Spectrum Acoustics Underwater”(ESAU)。

該實(shí)驗裝置的一個(gè)關(guān)鍵部分是模擬開(kāi)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(lái)減少反射。美國楊百翰大學(xué)物理與天文系研究實(shí)驗室主管John Ellsworth設計了一個(gè)過(guò)濾和循環(huán)泵，這可謂是一個(gè)重大的創(chuàng )新。這種泵可以保持水的清潔，也不會(huì )在水箱中產(chǎn)生氣泡，而氣泡正是噪音的重要來(lái)源。準備就緒后即可測量脈沖響應，這更容易在進(jìn)行實(shí)驗時(shí)消除讀書(shū)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(shí)驗結果。

圖4 ESAU軟件便于用戶(hù)實(shí)現與Spectrum卡和機械臂之間的通信

Neilsen博士補充道:“建立新實(shí)驗室的初衷是方便研究專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在校期間能夠設計并運行其實(shí)驗。Cameron Vongsawad是我的首個(gè)在讀研究生，他與我仔細考慮了購買(mǎi)什么設備，這個(gè)實(shí)驗室將長(cháng)久投入使用，因此功能強大和易于使用對我們來(lái)說(shuō)非常重要。與許多其他實(shí)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(wù)，這也為我們的長(cháng)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(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年，迄今為止設計和研發(fā)了多款模塊化數字化儀及發(fā)生器產(chǎn)品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及獨立以太網(wǎng)設備（LXI）。在過(guò)去30年間，Spectrum獲得了業(yè)界的廣泛認可，旗下產(chǎn)品也被用于行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)及一流大學(xué)的眾多產(chǎn)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(shù)能力和優(yōu)質(zhì)的客戶(hù)服務(wù)享譽(yù)全球。