Experimente mit Schallwellen Mit PCIe-Messkarten lässt sich ein Ozean simulieren

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US-Forscher wollen mithilfe eines Laborwassertanks Unterwasser-Schallwellen erforschen. Damit möglich sind Experimente zum Verhalten von Schallwellen in verschiedenen Wasserschichten sowie Reflexionen am Boden. PCIe-Messkarten übernehmen eine wichtige Funktion.

Einen Ozean simulieren: Mit PCIe-Messkarten sind Experimente zum Verhalten von Schallwellen in verschiedenen Wasserschichten sowie Reflexionen am Boden möglich.
Einen Ozean simulieren: Mit PCIe-Messkarten sind Experimente zum Verhalten von Schallwellen in verschiedenen Wasserschichten sowie Reflexionen am Boden möglich.
(Bild: Couleur auf Pixabay / Pixabay)

Damit Forscher Daten von einem simulierten Ozean bekommen, haben sie einen Laborwassertank mit den Maßen 3,6 m x 1,2 m und einer maximalen Wassertiefe von 91 cm gebaut. Hinter dem Projekt steht die US-Forschungsgruppe für Akustik am Department of Physics and Astronomy in Brigham Young University, Utah.

Die auszusendenden Signale werden von einem Arbitrary Waveform Generator (AWG) generiert, dem Spectrum-Modell M2p.6546-x4. Diese PC-Karte erzeugt Signale mit einer Ausgangsamplitude von 24 V, die dann verstärkt und von einem Hydrophon gesendet werden. Das Hydrophon Nach dem Durchlaufen des Tanks werden die Signale von einem weiteren Hydrophon erfasst und von einer Spectrum Digitizer-Karte M2p.5932-x4 verarbeitet. Sender und Empfänger sind jeweils an einem Roboterarm montiert, so dass Quelle und Empfänger mit hoher Präzision positioniert werden können.

Effizienter und kostengünstiger als Experimente im Ozean

Bild 1: Der Wassertank mit zwei Roboterarmen zur Positionierung von Sender und Empfänger.
Bild 1: Der Wassertank mit zwei Roboterarmen zur Positionierung von Sender und Empfänger.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Mit dem Laborwassertank können die Wissenschaftler untersuchen, wie der Meeresboden die von ihm abprallenden Schallwellen beeinflusst. Ein reiner Felsboden hat eine andere Wirkung als Sand, Schlamm oder Schichten aus unterschiedlichen Materialien. „Es ist noch komplizierter“, erklärt Dr. Traci Neilsen, die für das Projekt verantwortliche Professorin, „weil das Wasser nicht homogen ist. Änderungen der Temperatur und des Salzgehalts verändern die Schallgeschwindigkeit und bewirken, dass die Schallwellen gebogen werden, ähnlich wie Licht bei einer Fata Morgana. Wir wollen anhand von Änderungen der Wassertemperatur und mithilfe von künstlicher Intelligenz eine Möglichkeit finden, Schallquellen unter Wasser zu orten“.

Diese Studien im Wassertank sind wiederholbarer, effizienter und kostengünstiger als Experimente im realen Ozean. Damit wollen die Wissenschaftler Techniken entwickeln, die dann mit echten Daten aus dem Ozean getestet werden können.

Zeitliche Präzision von entscheidender Bedeutung

Bild 2: Die Mechanik eines Roboterarms.
Bild 2: Die Mechanik eines Roboterarms.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Bild 3: Die Steuerkonsole mit den beiden grauen PCIe-Chassis in der Mitte.
Bild 3: Die Steuerkonsole mit den beiden grauen PCIe-Chassis in der Mitte.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Adam Kingsley, der für die Messsoftware verantwortliche Doktorand, sagt: „Die Messhardware von Spectrum liefert uns ein hohes Maß an Präzision und Synchronisation, welches wir benötigen. Da der Tank die Miniaturisierung eines Ozeans darstellt, ist die zeitliche Präzision von entscheidender Bedeutung, damit die Messergebnisse später hochskaliert werden können und aussagekräftig bleiben.“

Die beiden PC-Karten sind in einem externen PCIe-Chassis in der Hauptsteuerkonsole untergebracht und werden mithilfe eines Star-Hub-Moduls von Spectrum präzise miteinander synchronisiert. Ein zweites, identisches Setup findet sich in einem weiteren PCIe-Chassis, das durch das erste Chassis getriggert werden kann.

Bild 4: Die ESAU-Software erleichtert die Kommunikation mit den Spectrum-Karten und den Roboterarmen.
Bild 4: Die ESAU-Software erleichtert die Kommunikation mit den Spectrum-Karten und den Roboterarmen.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Das skalierte Experiment erfordert viel höhere Frequenzen im Kilohertz-Bereich, als im echten Ozean nötig wären. Die Digitizer und AWGs haben eine hohe Auflösung von 16 Bit und können mit Raten von jeweils 40 Megasamples pro Sekunde abtasten und ausgeben, während der Versatz zwischen den Kanälen weniger als 100 Pikosekunden beträgt.

Das liefert die für die Experimente erforderliche hohe Präzision. Die beiden UR10e-Roboterarme sowie die Signalerzeugung und die Datenerfassung werden gemeinsam von einem selbst-programmierten LabVIEW-Softwareprogramm gesteuert, das Adam Kingsley entwickelt hat. Es trägt die Bezeichnung „Easy Spectrum Acoustics Underwater“ (ESAU).

Blasen im Wasser verfälschen die Simulation

Bild 5: Digitizerkarte M2p.5932-x4 und Generatorkarte M2p.6546-x4 von Spectrum.
Bild 5: Digitizerkarte M2p.5932-x4 und Generatorkarte M2p.6546-x4 von Spectrum.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Ein wichtiger Teil des Versuchsaufbaus ist die Simulation des offenen Ozeans. Daher werden Reflexionen durch spezielle Schallabsorber-Paneele von Precision Acoustics reduziert, die an den Seiten des Tanks montiert sind. Entscheidend war die Konstruktion einer Filtrations- und Umwälzpumpe durch John Ellsworth, Leiter der Forschungslaboratorien in den Fachbereichen Physik und Astronomie.

Die Pumpe hält das Wasser sauber, ohne Blasen im Tank zu erzeugen, denn diese würden eine erhebliche Geräuschquelle darstellen. Mit allen diesen Vorbereitungen können Impulsantworten gemessen werden. Das einfacht es, Rauschen aus den Messwerten des Experiments zu eliminieren. Die Präzision der PCIe-Karten mit einem Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) von mehr als 71 dB stellt sicher, dass die Impulsantwort-Eliminierung zu präzisen Ergebnissen führt.

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