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Estudio de ondas sonoras en un océano simulado con tarjetas de medición PCIe de alta precisión

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El Grupo de Investigación de Acústica del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Brigham Young de Utah (EE.UU.) ha elegido los digitalizadores y generadores de señales de Spectrum Instrumentation para formar el núcleo de su nuevo laboratorio de acústica submarina. El nuevo laboratorio supone un gran paso adelante en la investigación de las ondas sonoras que viajan por el agua, ya que ofrece una versión miniaturizada del océano.

Es posible experimentar el comportamiento de las ondas sonoras en las distintas capas de agua y sus reflejos en los más diversos materiales del suelo oceánico, como las rocas, la arena o el barro. La miniaturización significa que se necesita la máxima precisión del equipo de medición, ya que los resultados experimentales se escalan después para indicar lo que ocurriría en el mundo real.
El nuevo tanque de agua del laboratorio es rectangular y mide 3,6 m de largo por 1,2 m de ancho, con una profundidad máxima del agua de 0,91 m. La investigación consiste en utilizar un hidrófono para las señales o chirridos que genera un generador de forma de onda arbitraria (AWG), el modelo M2p.6546-x4 de Spectrum. Esta tarjeta de PC genera señales con oscilaciones de salida de 24 V que luego se amplifican antes de ser emitidas por un hidrófono. Tras recorrer el tanque, las señales son detectadas por otro hidrófono y procesadas por una tarjeta digitalizadora Spectrum M2p.5932-x4. El transmisor y el receptor son sostenidos por un brazo robótico que los coloca y orienta dentro del agua, de modo que la fuente y el receptor pueden colocarse según las necesidades.


El tanque permite realizar experimentos sobre cómo afecta el fondo marino a las ondas sonoras que rebotan en él. Un fondo de roca pura tendrá un efecto diferente en comparación con la arena o el barro o las capas de diferentes materiales.


"Es aún más complicado", explica la Dra. Traci Neilsen, profesora responsable del proyecto, "porque el agua no es homogénea. Los cambios de temperatura y salinidad modifican la velocidad del sonido y hacen que las ondas se desvíen, de forma similar a como ocurre un espejismo. Tenemos previsto examinar el impacto de los cambios de temperatura del agua en el aprendizaje automático para localizar las fuentes de sonido. Estos estudios en tanques son más repetibles, eficientes y rentables que los experimentos en el océano y nos permitirán desarrollar técnicas que luego podrán probarse con datos oceánicos."

Adam Kingsley, el estudiante de doctorado responsable del software de adquisición, afirma: "Elegimos los productos de Spectrum porque han demostrado ser capaces de ofrecer el alto nivel de precisión y sincronización que necesitamos. Dado que este tanque es en realidad una miniaturización de una enorme masa de agua, la precisión de la sincronización es vital para que los resultados sean significativos cuando se amplíen."

El par de tarjetas PCIe de Spectrum están alojadas en un chasis PCIe externo en la consola de control principal, sincronizadas con precisión mediante un módulo Star-Hub de Spectrum. La configuración tiene un segundo par de tarjetas idénticas en un segundo chasis que puede ser activado por el primer chasis.
Este experimento a escala requiere frecuencias mucho más altas, en el rango de los kilohercios, que las que se utilizarían en el océano. Los digitalizadores y las tarjetas AWG tienen una alta resolución de 16 bits y pueden incluso muestrear y emitir a velocidades de 40 Megasample por segundo respectivamente, mientras que la desviación entre canales es inferior a 100 pico-segundos. Esto proporciona la alta precisión necesaria para los experimentos. Los dos brazos robóticos UR10e, junto con la generación de señales y la adquisición de datos, están controlados por un programa de software LabVIEW personalizado creado por Adam Kingsley y denominado "Easy Spectrum Acoustics Underwater" (ESAU).

Una parte fundamental del montaje experimental es modelar el océano abierto, por lo que unos paneles anecoicos especiales de Precision Acoustics situados en los laterales del tanque reducen las reflexiones. Una innovación importante fue el diseño de una bomba de filtración y circulación por parte de John Ellsworth, que es el supervisor de los laboratorios de investigación del Departamento de Física y Astronomía de la BYU. Esta bomba mantiene el agua limpia sin crear burbujas en el tanque, que son una fuente importante de ruido. Con todos estos preparativos, se pudieron medir las respuestas al impulso, lo que facilita la eliminación del ruido de las lecturas cuando se realiza un experimento. La precisión de las tarjetas PC de Spectrum, con una relación señal/ruido (SNR) de más de 71 dB, garantiza que la eliminación de la respuesta al impulso proporcione resultados experimentales precisos.


El Dr. Neilsen añadió: "Este nuevo laboratorio se construyó para que los estudiantes de investigación pudieran diseñar y realizar sus propios experimentos como parte de sus estudios universitarios. Mi primer estudiante de posgrado, Cameron Vongsawad, y yo estudiamos detenidamente el equipo que debíamos comprar porque era importante que todo fuera robusto y fácil de usar, ya que este equipo funcionará durante muchos años. Como muchos otros laboratorios, valoramos la garantía única de cinco años que ofrece Spectrum Instrumentation, ya que significa que podemos confiar en sus productos durante años."

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