Báo cáo: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo Thiết bị đo độ chụm đạn pháo phòng không

Microsoft Word 6213 1 doc Bé quèc phßng trung t©m khoa häc kü thuËt & c«ng nghÖ qu©n sù *** b¸o c¸o tæng kÕt khoa häc vµ kü thuËt §Ò tµi "Nghiªn cøu øng dông mét sè c¶m biÕn siªu ©m ®Ó thiÕt kÕ chÕ t¹[.]

Bộ quốc phòng trung tâm khoa học kỹ thuật & công nghệ quân sự

-*** -

báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật

Đề tài:

"Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo

hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền

tin dưới nước phục vụ kinh tế - x∙ hội, an ninh - quốc phòng"

Mục lục

Chương 1 một số khái niệm về sóng âm và khả năng ứng dụng .1

Chương 2 Lý thuyết về các dạng sóng hình thành khi bắn pháo 7

2.1 Các sóng hình thành khi bắn pháo 7

2.2 Sự hình thành và các phương trình biểu diễn sóng va đập 9

2.3 Sự lan truyền của sóng va đập 15

2.4 ảnh hưởng của môi trường đến sự lan truyền sóng va đập 19

Chương 3 Khảo sát các đặc trưng của sóng va đập 23

3.1 Các khảo sát tiến hành với súng bộ binh 24

3.2 Khảo sát nhiễu của tiếng nổ động cơ 33

3.3 Các khảo sát tiến hành với pháo phòng không 36

3.4 Một số kết luận 40

Chương 4 Thiết kế, chế tạo hệ thống 41

4.1 Các yêu cầu đặt ra của hệ thống 41

4.2 Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc chung 43

4.3 Thiết kế, chế tạo trạm trên không 45

4.3.1 Chế tạo đầu thu 46

4.3.2 Khối xử lý tín hiệu 49

4.3.2.1 Xử lý tín hiệu tương tự 49

4.3.2.2 Xử lý tín hiệu số 50

4.3.3 Đường truyền dữ liệu 55

4.3.3.1 Bộ đệm và điều khiển phát 56

4.3.3.2 Modem thu phát 61

4.3.3.3 Thiết bị thu phát vô tuyến điện 72

4.4 Thiết kế, chế tạo trạm mặt đất .73

4.4.1 Modem thu nhận dữ liệu 74

4.4.2 Phần mềm quản lý và hiển thị kết quả 75

4.4.3 Thiết bị đo tham số khí tượng . 77

4.5 Kiểm tra đánh giá hoạt động của thiết bị 86

Lời cảm ơn 90

tài liệu tham khảo 91

Phụ lục

Phụ lục A: Một số hình ảnh về thiết bị và hoạt động thử nghiệm

Phụ lục B: Một số đặc trưng của các linh kiện chính dùng trong thiết bị Phụ lục C: Các bản vẽ cơ khí của hệ thống thiết bị

Phụ lục D: Một số chương trình phần mềm của hệ thống

Phụ lục E: Tính năng kỹ thuật hệ thống MAE-15M của SECAPEM do Cộng hoà Pháp sản xuất

chương 1 Một số khái niệm về sóng Âm và khả năng ứng dụng

Trong thiên nhiên tồn tại hai dạng sóng cơ bản lan truyền được trong không gian đó là sóng điện từ và sóng đàn hồi

Sóng là quá trình thay đổi trạng thái của môi trường trong không gian và thời gian theo chu kỳ nhất định Điểm khác biệt cơ bản của hai dạng sóng này như sau:

Để lan truyền sóng điện từ không nhất thiết phải có liên hệ đàn hồi giữa các hạt vật chất Trong khi đó sự lan truyền của sóng đàn hồi phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của môi trường

Tai người có thể cảm nhận được dao động đàn hồi trong dải tần số đủ thấp khoảng từ 16 Hz đến 16 Khz Dải tần số này được gọi là dải nghe thấy Trước đây, người ta chỉ biết dải tần này nên tất cả các nghiên cứu thường tập trung ở đây

Sau này, người ta phát hiện ra các dải dao động dưới và trên dải nghe thấy và

có thể chia sóng âm ra các dải sóng như sau:

Dải trên siêu âm có tần số trên 10 Ghz hiện nay vẫn chưa có thiết bị có thể ghi nhận được, do khó khăn về công nghệ và kỹ thuật Dải dao động này nằm trong dải tần số dao động nhiệt của phân tử trong vật chất

Các dao động đàn hồi đều giữ nguyên tính chất vật lý trong toàn bộ dải tần, chỉ khác nhau ở chỗ nghe thấy và không nghe thấy mà thôi Điều đó có nghĩa là bức xạ và lan truyền sóng đàn hồi được tuân theo cùng quy luật sóng âm, nếu như biên

độ dao động nhỏ so với bước sóng thì tất cả các hiện tượng đều xảy ra như nhau

Cũng như trong dao động sóng điện từ, trong dao động đàn hồi cũng có những khái niệm chu kỳ, tần số, vận tốc sóng,v.v

Trong môi trường khí và chất lỏng, sóng âm thanh được lan truyền như sóng áp suất và các hạt chuyển động dọc theo hướng truyền sóng Do đó trong các môi trường này chỉ có sóng dọc được lan truyền Điều này ngược lại với sóng điện từ là trong các môi trường này, chủ yếu lan truyền sóng ngang Vận tốc truyền sóng âm thanh khác với vận tốc lan truyền sóng điện từ Tương ứng với mỗi môi trường khác nhau, vận tốc âm cũng khác nhau

Như đã thấy, sóng âm thanh chính là sóng dọc trục, tức là hướng dao động và hướng truyền sóng trùng nhau Điều đó có nghĩa là sóng âm trong chất khí và chất lỏng là loại sóng dãn nở Trong chất rắn có thể có những loại sóng khác lan truyền

ví dụ như sóng ngang, sóng co dãn do chúng có tính chất đàn hồi hình dạng, mà chất khí và chất lỏng không có Phụ thuộc vào tính chất của dao động, hình dạng của vật thể và kích thước so với bước sóng sẽ xuất hiện các loại sóng tương ứng Trong một điều kiện cụ thể, có thể tồn tại nhiều loại sóng Dưới đây liệt kê một số loại sóng cơ bản:

- Sóng thuần dọc trục trong không gian vô hạn

- Sóng thuần ngang

- Sóng bị uốn cong trong môi trường

- Sóng lớn trong môi trường giới hạn một mặt

- Sóng mặt trong môi trường giới hạn một mặt

- Sóng dọc xuyên tâm trong môi trường giới hạn một trong hai phía

Khi lan truyền sóng âm dạng cầu, các đại lượng như vận tốc, áp suất dịch chuyển và gia tốc bị thay đổi tỉ lệ nghịch với bán kính Còn cường độ thì tỉ lệ nghịch

sóng âm trong các môi trường khác nhau Đối với sóng âm phẳng thì điều đó không xảy ra vì khi rời xa nguồn phát, năng lượng được phân bố theo bề mặt ở mọi thời

điểm là bằng nhau

Dựa trên cơ sở này, trong môi trường không giới hạn theo hướng lan truyền, sóng phẳng dường như lan truyền xa vô hạn không tổn hao, nhưng điều đó là không thể tồn tại Một môi trường bất kỳ đều có tiêu hao một phần năng lượng âm thanh bằng cách chuyển thành nhiệt năng hoặc làm thay đổi cấu trúc vật chất mà không lan truyền tiếp theo Vì vậy năng lượng và cường độ sóng bị suy giảm khi tăng khoảng cách lan truyền Điều này đúng cả cho sóng phẳng, sóng trụ và sóng cầu Biên độ dịch chuyển âm trong sóng phẳng trên khoảng cách tỷ lệ nghịch với khoảng cách theo quy luật hàm mũ giảm (chỉ số âm) còn cường độ âm phụ thuộc vào bình phương biên độ

Chỉ số âm của hàm mũ cho thấy suy giảm chỉ xảy ra như nhau trên những đoạn

đường bằng nhau Suy giảm sóng âm không chỉ phụ thuộc vào tính chất của môi trường mà còn phụ thuộc vào tần số âm

Toàn bộ các quá trình âm học đều liên quan chặt chẽ với vật chất mà sóng âm truyền trong đó Đường đi của sóng âm phụ thuộc vào dạng của môi trường và tính chất âm học của nó Các quy luật phản xạ, khúc xạ, tán xạ sóng âm cũng tương tự như sóng ánh sáng

Môi trường truyền âm có thể là chất rắn, chất lỏng hay chất khí Các đặc trưng

âm học cơ bản của vật chất là vận tốc (xác định dựa trên mật độ và tính đàn hồi của môi trường ), điện trở sóng riêng (tích của mật độ môi trường và vận tốc âm) và hệ

số suy giảm âm Do các đại lượng này khác nhau nhiều trong các môi trường kể trên mà đặc trưng lan truyền sóng âm cũng rất khác nhau Người ta phân biệt nghiên cứu lan truyền sóng âm theo các môi trường truyền âm riêng biệt (lỏng, khí, rắn) Vận tốc lan truyền sóng âm chính là vận tốc lan truyền sóng đàn hồi, chính xác hơn là vận tốc lan truyền một pha nào đó của dao động, ví dụ như biên độ dịch chuyển Vì vậy, nó chính xác là vận tốc pha Ngoài vận tốc pha còn đưa vào vận tốc mặt đầu sóng và vận tốc nhóm (thay đổi bó sóng) Nếu môi trường là không tán sắc thì tất cả các vận tốc này là bằng nhau và nói chung là không phụ thuộc vào tần số

Sự suy giảm sóng âm khi lan truyền trong môi trường đã cho, do có phần năng lượng chuyển thành nhiệt, một phần để làm biến dạng vật chất hoặc là tán xạ do tính chất bất đồng nhất của môi trường

Giá trị suy hao ở những vật chất khác nhau là khác nhau Nó phụ thuộc vào tính chất của vật chất và vào tần số âm Bằng lý thuyết, người ta đã chứng minh

được rằng tiêu hao sóng âm tỷ lệ với bình phương tần số Nhưng trong thực tế có những tần số tiêu hao tỷ lệ với tần số theo quy luật tuyến tính

Sóng âm được bức xạ bởi một nguồn âm phân bố trong không gian bao quanh nguồn âm Trường âm thanh là vùng chứa sóng âm

Ta hãy xem các đại lượng đặc trưng cho hình dạng hình học của trường âm thanh và độ kéo dài của nó trong không gian

Trường sóng âm được xác định bằng lý thuyết chỉ cho kết quả gần đúng Để xác định chính xác hình dạng trường sóng âm chỉ có thể bằng thực nghiệm

Đặc trưng quan trọng nhất của trường sóng âm là tính chất hướng, nó xác định giới hạn hình học của trường âm và phân bố năng lượng trong trường Đặc trưng hướng được xác định bởi tỷ số kích thước của chấn tử bức xạ so với bước sóng và hình dạng của nó

Tuỳ thuộc vào hình dạng của chấn tử phát xạ âm mà có được các loại sóng cầu, trụ, phẳng

Trong dải siêu âm, do bước sóng nhỏ, người ta thường sử dụng chấn tử bức xạ

âm dưới dạng vật rắn bức xạ trên bề mặt về một phía hoặc cả hai phía, đó là những vật liệu áp điện

Nếu kích thước bề mặt của một chấn tử nhỏ so với bước sóng thì có thể xem như một nguồn điểm bức xạ trong một góc khối 1800 và mặt đầu sóng có dạng nửa hình cầu Khi kích thước ngang của chấn tử tăng lớn hơn bước sóng thì góc khối không gian sẽ hẹp dần

Nghiên cứu dạng trường sóng âm, người ta nhận thấy rằng trường sóng âm

được tạo nên bởi chấn tử có kích thước ngang lớn hơn bước sóng sẽ có phần hình chóp phân kỳ không phải bắt đầu ngay taị mặt chấn tử mà trên một khoảng cách nào

đó Gần chấn tử, dạng trường có dạng hình trụ Vùng này được gọi là vùng gần hay vùng Frenel Vùng mà bắt đầu trường phân kỳ gọi là vùng xa hay vùng Fraunfer

Khoảng cách quy định vùng gần và vùng xa được tính theo công thức:

λ

λλ

λ

4

4

2 2 2 0

Góc mở của hình chóp được tính theo công thức sau:

- Đối với chấn tử mặt hình tròn:

) 22 , 1 arcsin(

A

λ

α =

Trong đó A là chiều dài cạnh của chấn tử

Trong sóng âm thanh, một dải sóng được đặc biệt chú ý, đó là siêu âm, do những tính chất ưu việt của dải sóng này Đó là bước sóng nhỏ và biên độ sóng hữu hạn Các quy luật bức xạ và lan truyền sóng siêu âm rất giống với các quy luật quang học Trong dải sóng này cũng có một loạt tính chất mới mà không có trong dải âm nghe thấy

Do có bước sóng nhỏ mà siêu âm thường được dùng trong các kỹ thuật đo đạc, các thiết bị thu phát sóng siêu âm sẽ dễ dàng đạt được định hướng lớn nhằm tập trung năng lượng vào một hướng hẹp, kéo dài bán kính hoạt động của sóng âm bằng các vật phản xạ, khúc xạ sóng như trong kỹ thuật anten sóng điện từ

Để biến đổi sóng âm thành đại lượng điện người ta sử dụng các loại đầu cảm biến âm và siêu âm

Các loại đầu cảm biến thường dùng là:

- Các chấn tử loại áp điện: Người ta sử dụng hiệu ứng áp điện ngược của các vật liệu như thạch anh, titanatbari, segnhet Các cảm biến loại này được dùng trong dải siêu âm Để bức xạ công suất âm lớn hoặc thu định hướng sóng siêu âm, người

ta có thể ghép nối tiếp hoặc song song một số lượng theo yêu cầu các đầu cảm biến riêng biệt theo một không gian nhất định

- Các đầu cảm biến loại từ giảo dựa vào sự biến dạng của các thanh vật liệu từ khi đặt dọc trong từ trường

- Các đầu cảm ứng điện động dùng cuộn dây điện động đặt trong một khe từ trường thường được dùng trong dải âm nghe thấy với ưu điểm là dải thông rộng, ví

dụ như các microphone, loa, tai nghe

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các đầu cảm biến siêu âm được ứng dụng hiệu quả vào tất cả các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ trong đời sống dân sinh cũng như trong quốc phòng

Đặc biệt có hiệu quả là trong kỹ thuật đo đạc, xác định đối tượng trên không và dưới nước

Các cảm biến âm và siêu âm được dùng để biến đổi những đại lượng sóng âm thành đại lượng điện để phục vụ cho những thiết bị đo lường điện tử đo các mục tiêu phát ra sóng âm như tên lửa, máy bay, đạn, mìn

Trong môi trường nước, cảm biến duy nhất được dùng là âm và siêu âm do sóng

điện từ sẽ bị suy giảm rất nhanh khi truyền trong môi trường nước Trong môi trường nước, các cảm biến được dùng trong thông tin liên lạc dưới nước giữa các thợ lặn với nhau hoặc thợ lặn với trung tâm chỉ huy trên tàu hoặc tàu ngầm Các hệ thống cứu hộ sông biển đã triển khai những hệ thống cảm biến âm và siêu âm rất phức tạp trên phạm vi lớn Hệ thống này cũng có thể phục vụ cảnh giới xâm nhập của tàu ngầm, phát hiện các vật bơi dưới nước như ngư lôi, đàn cá v.v

Sự lan truyền sóng âm trong chất rắn được sử dụng đo đạc độ khuyết tật của vật liệu như các kết cấu sắt, thép, bê-tông, các cảm biến được dùng để phát xạ sóng siêu

âm và thu hồi sóng phản xạ biến đổi thành tín hiệu điện cho thiết bị đo

Trong y học, người ta sử dụng các máy trị liệu siêu âm, máy soi siêu âm để phát hiện và điều trị một số loại bệnh cho con người và động thực vật

Tóm lại, âm thanh là dải sóng được khai thác sử dụng hiệu quả trong mọi lĩnh vực khoa học phục vụ đời sống kinh tế quốc dân, quốc phòng Thâm chí ở một số lĩnh vực sóng âm đóng vai trò quyết định trong việc giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật dặt ra, mà các loại hình sóng khác không thể đáp ứng.Vì vậy nắm chắc và làm chủ kỹ thuật chuyển đổi sóng âm , lan truyền sóng âm và khả năng ứng dụng hiệu quả các cảm biến âm và siêu âm là một nhiệm vụ quan trọng trong bối cảnh phát triển khoa học công nghệ nói chung của đất nước

Chương 2

Lý thuyết về các dạng sóng hình thành khi bắn pháo 2.1 Các sóng âm xuất hiện khi bắn

Quá trình bắn pháo sẽ hình thành các loại sóng sau: Sóng nổ đầu nòng, sóng va

đập khi viên đạn bay trong không khí, tiếng đạn chạm mục tiêu và tiếng nổ của đầu

đạn Dao động gây ra các loại sóng này là các dao động phức tạp, được hình thành

từ đồng thời một loạt các chuyển dịch dao động đơn giản có biên độ và tần số khác nhau, tức các sóng này có phổ phức tạp

đầu nòng pháo Các dao động lớn nhất của tiếng nổ đầu nòng tập trung ở vùng tần

số thấp Sóng nổ đầu nòng có dạng hình cầu, tâm của nó nằm khoảng 2-5 m phía trước nòng pháo

Hình 2.1 Sóng nổ đầu nòng và sóng hành

trình khi đạn bay khỏi nòng pháo

Hình 2.2 Băng ghi sóng nổ đầu nòng

Khoảng cách truyền lan của sóng nổ đầu nòng phụ thuộc vào cỡ pháo, trọng lượng đạn và trạng thái khí quyển Trong cùng một điều kiện thời tiết, sóng nổ đầu nòng lan truyền càng xa khi kích thước viên đạn càng lớn Biên độ, áp suất của sóng

nổ đầu nòng phía trước pháo lớn hơn một vài lần so với biên độ áp suất sóng nổ đầu nòng phía sau pháo Năng lượng của sóng nổ đầu nòng lớn nhất và lan truyền được

vị trí của viên đạn so với điểm quan sát Sóng va đập được ứng dụng nhiều trong thực tế như: xác định quỹ đạo chuyển động của viên đạn, nhận dạng và định vị hoả lực của đối phương,

Để đo và tính toán độ chụm của đạn pháo phòng không, đề tài sử dụng biện pháp thu ghi tín hiệu sóng va đập tạo ra khi đầu đạn bay qua đầu thu, bằng các phương pháp xử lí tương tự và xử lý số tín hiệu thu được để xác định khoảng cách gần nhất từ quỹ đạo của đạn đến đầu thu

c) Sóng chạm mục tiêu và tiéng nổ đầu đạn

Sóng chạm mục tiêu và tiếng nổ của đầu đạn hình thành khi đầu đạn chạm mục tiêu và nổ Thường các sóng này có tần số thấp Cường độ của nó phụ thuộc vào tính chất của đầu đạn và mục tiêu Các loại pháo phòng không thường sử dụng đầu đạn chạm nổ nên khi trúng mục tiêu sẽ tạo ra tiếng nổ của đầu đạn Các loại pháo phòng không sử dụng đầu đạn không có ngòi nổ (như 14,5mm, 12,7mm) khi bắn trúng mục tiêu chỉ xuất hiện sóng chạm mục tiêu của đầu đạn Sóng chạm mục tiêu thường có biên độ rất nhỏ suy giảm nhanh khi lan truyền trong môi trường không khí Tiếng nổ đầu đạn có cường độ lớn hơn và lan truyền được xa hơn Với đạn pháo

37 mm, tiếng nổ đầu đạn có thể lan truyền được vài km

Trong thực tế tiếng nổ đầu đạn không mang thông tin về quỹ đạo cũng như độ chính xác của phát bắn vì đạn pháo phòng không có ngòi nổ sẽ tự nổ (huỷ) ngay cả khi không trúng mục tiêu

2.2 Sự hình thành và các phương trình biểu diễn sóng va đập

Khi viên đạn chuyển động trong không khí sẽ nén các phần tử không khí trên

đường đi của chúng tạo ra các dao động Các dao động của các phần tử không khí bị nén khi viên đạn chuyển động được mô tả giống như một dòng chảy khí nén, do đó chúng tuân theo các nguyên tắc nhiệt động học chất khí Các phương trình động học chất khí có dạng sau:

0 )

∇ +

v Pg t

( ) (

0 2

) 2

1 ( )

h v u

v

T

sv t

(2-độ tăng của entrôpi Phương trình (2-4) không phụ thuộc vào các phương trình trên

và các quy luật nhiệt động lực học Trong thực tế, người ta thường sử dụng phương trình (2-4) thay cho phương trình bảo toàn năng lượng (2-3)

v: là tốc độ của viên đạn (v = dζ dt) ζ : độ dịch chuyển của viên đạn

φ: hiệu thế hấp dẫn Newton

Các phương trình trên được bổ xung cho phương trình trạng thái có dạng

Hàm này không thay đổi trong cả quá

trình đoạn nhiệt nhưng thay đổi giữa

các mặt sóng do sự tăng entropi trong

một mặt sóng Giá trị của γ phụ

thuộc vào nhiệt độ nội tại của các

phần tử khí Với khí quyển trái đất thì

γ=1,4 Mối liên hệ giữa γ và T, K có

dạng như hình vẽ 2.3

Đối với chất khí, chúng ta có thể

sử dụng nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học để giải thích công thức nội năng trên một đơn vị khối lượng:

P P

2

ư

=γγ

=

γρ

c P u

Khi đầu đạn chuyển động trong không gian, tốc độ chuyển động của đầu đạn thay đổi theo thời gian do tác động của sức cản môi trường Ta có thể coi sự hình thành sóng va đập trong trường hợp này như một dòng chảy khí động một chiều phụ thuộc vào thời gian Khi đó sự chuyển động của các phần tử khí được biểu diễn bằng phương trình Euler một chiều:

mật độ không khí

v dt

d

∂

∂ +

∂

∂

Khi cho trước phương trình trạng thái đẳng entropi P= P(ρ)nói lên mối liên

hệ giữa áp suất và mật độ, hai phương trình không tuyến tính trên có thể được tổ hợp thành một phương trình vi phân bậc hai theo tốc độ Tuy nhiên, để cho sáng tỏ ta thực hiện với hệ phương trình vi phân bậc nhất Với chất khí đẳng entropi, mật độ ρ

và tốc độ âm thanh c= dP/dρ được xem như một hàm nhiệt động học đơn giản,

Tổ hợp tuyến tính các phương trình vi phân (2-9) ta nhận được phương trình vi phân từng phần tương đương

0

1 )

v c v t

P c t

±

C có tốc độ nhỏ và vi phân áp suất thoả mãn ∆v=ư∆P/ρc(nhận được từ công thức 2-9 khi thay v= 0, d/dt= / ∂ ∂t và c2 =dP/dρ) Với các sóng âm tuyến tính, ∆v và

P

∆ suy giảm không đồng thời trong qúa trình lan truyền theo hướng dương của trục

x Tuy nhiên, với sóng âm không tuyến tính, chỉ có tổ hợp ∆J+ = ∆v+ ∆P/ρcbị triệt tiêu trên đặc tuyến C+ Lấy tích phân trên một khoảng thời gian hữu hạn chúng ta nhận được hằng số J+ của đặc tuyến C+

Hình 2.4 Các đặc tuyến của dòng chảy khí nén một chiều, đoạn nhiệt của chất khí đẳng entropi

Hình 2.4 cho thấy các đặc tuyến của dòng chảy khí nén một chiều, đoạn nhiệt của chất khí đẳng entropi Hướng chuyển động của các phần tử khí được biểu diễn bởi các nét liền, dầy Giá trị khởi tạo giả thiết là giá trị danh định trên khoảng ∆Scủa x

ở thời điểm t= 0 Lượng tử Riemann J+ là hằng số trên suốt đặc tuyến C+ (các

đường đứt, mảnh) do đó, ở điểm P nó có giá trị không đổi, giống như giá trị của nó ở thời điểm khởi tạo tại điểm A Tương tự như vậy, lượng tử J- trên suốt đặc tuyến C-(các đường liền, mảnh) có giá trị như nhau ở các điểm P và B

Lượng tử Riemann đưa ra

một phương pháp chung để nhận

được chi tiết các mô tả của dòng

chảy khí động từ các điều kiện

ban đầu Giả sử tốc độ dòng

chảy khí động và các biến nhiệt

động đã xác định trong một

khoảng x, gọi là ∂S, ở thời điểm

ban đầu t = 0 (hình 2.4) Điều đó

có nghĩa là J± cũng được xác

định trên khoảng này Khi đó,

chúng ta có thể xác định J± tại một điểm P bất kì trong vùng ∂S Từ các giá trị J±

nhận được này chúng ta có thể tìm ra các biến của dòng chảy khí động (v,P,ρ ) tại

P bằng phương pháp đại số

Trong thực tế chúng ta không thể biết rõ ràng các đặc tuyến C± trừ khi chúng

ta đã tìm ra các biến của dòng chảy khí động do đó chúng ta phải tìm ra các đặc tuyến này như một phần của quá trình tìm lời giải, bằng các biến đổi đại số phương trình trạng thái và các mối quan hệ J± =v±∫dP/ρc và các định luật bảo toàn mà

v từ các điều kiện ban đầu trên ∂S

Các nguyên tắc bảo toàn trên là cơ sở hình thành các mặt sóng Có hai thành phần mặt sóng mà chúng ta quan tâm đó là mặt sóng trước và mặt sóng sau có dạng như trên hình 2.5 Các mặt sóng này chia vùng không gian trên đường bay của viên

đạn thành hai vùng 0 và 1 Mặt sóng trước là vùng không khí phía trước đầu đạn, có nhiệt độ thấp hơn và di chuyển về phía đầu đạn với tốc độ bằng tốc độ bay của đầu

đạn, nếu lấy hệ quy chiếu gắn với đầu đạn Mặt sóng sau là vùng không khí có nhiệt

độ cao hơn, khi các luồng khí đi ra từ các mặt sóng Trong quá trình "vào-ra" đó, khối lượng tổng, mômen tổng và năng lượng tổng là không đổi

Ta có thể viết: [ρv.n]= 0 (2-16) trong đó n là đơn vị trực giao của sóng và và dấu ngoặc vuông nói lên lấy vi phân các giá trị mặt sóng trước và mặt sóng sau Tương tự như thế, mômen tổng T cũng được bảo toàn khi không có sự tác động từ bên ngoài Mômen tổng có hai thành phần: mômen cơ học Pg+ρv⊗v và mômen trượt ư gζθ ư2ησ (xem phương trình 2-2) Tuy nhiên, thành phần mômen trượt là không đáng kể do đó mômen cơ học phải được bảo toàn qua các mặt sóng Chúng ta có thể viết:

được bảo toàn, khi đó có thể viết:

0 2

Đối với các mặt sóng đoạn nhiệt, các nguyên tắc bảo toàn khối lượng, mômen

và năng lượng được biết đến bởi các quan hệ Rankine-Hugoniot có dạng sau:

j v

v1= 0 0 =

2 0 0 0

2 1 1

2 0 2

2 1 1

2

1 2

1

v h v

ở đây j là khối lượng dòng chảy

Các công thức trên có thể được viết dưới dạng dễ hiểu hơn khi thay mật độ không khí ρ bằng thể tích riêng V ≡ 1 /ρ và thay giá trị của entanpi bằng các giá trị của P và V: h=u+P/ρ =u+PV, thực hiện một số biến đổi đại số ta nhận được:

2

1

1 0 0 1 0

1 0

0 1 2

V V

P P j

ư

ư

) )(

là điểm (P0,V0) Đường nét liền gọi

là đường sóng đoạn nhiệt, là tập hợp

tất cả các trạng thái có thể của dòng

chảy đi ra khỏi mặt sóng

Đường sóng đoạn nhiệt này có

thể được tính toán bằng cách thay

công thức (2-22) vào phương trình trạng thái:

) ,

( V P u

Như vậy ba nguyên tắc bảo toàn trên là cơ sở hình thành các mặt sóng Sự chênh lệch về áp suất, nhiệt độ và mật độ không khí giữa hai vùng này được biểu diễn bởi các phương trình (2-26), (2-27) và (2-28):

6

1 sin

αα

2 2

2 2 2

2 0

1

sin 36

) 5 sin )(

1 sin 7 (

M

M M

Góc α là góc nón tạo ra bởi mặt trước của sóng va đập: sinα= M-1 (2-29)

Góc β là góc tạo bởi mặt sau của sóng va đập, được biểu diễn như sau:

6 tan

2αα

β

M

M

(2-30)

2.3 Sự lan truyền của sóng va đập

Các dao động của sóng va đập hình thành trong quá trình bay của viên đạn sẽ lan truyền theo mọi hướng Quá trình lan truyền sóng va đập được biểu diễn như trên hình 2.7 Giả sử tại một thời điểm nào đó, đạn đã bay ra khỏi nòng pháo nằm ở

điểm M4 Tại mỗi điểm trên đường đi của mình nó gây ra dao động của các phần tử không khí Xét dao động của các phần tử ở các điểm M1, M2, M3 và M4 Đoạn quỹ

đạo từ điểm 0 đến điểm M4 được coi như đường thẳng

Các phần tử không khí, nằm tại điểm 0, ra khỏi trạng thái tĩnh sớm hơn các phần tử không khí ở tại các điểm (M1, M2, M3, M4), là các nguồn dịch chuyển dao

động mà các sóng cầu sẽ lan truyền đến với tốc độ bằng tốc độ âm Khi đạn đến

Hình 2.7 Sơ đồ hình thành và lan truyền sóng va đập

điểm M4 Dao động từ điểm 0 lan truyền theo mọi hướng và sóng cầu đến vị trí A có tâm ở điểm 0, trùng với tâm điểm tiếng nổ đầu nòng Khi đi qua các diểm M1, M2, M3 và M4 đầu đạn kéo các phần tử không khí ra khỏi trạng thái tĩnh, làm xuất hiện dao động tại các điểm này, chúng sẽ lan truyền giống như dao động xuất hiện tại

điểm 0 Nhưng vì các điểm M1, M2, M3 và M4 đầu đạn đi qua chậm hơn một chút

so với điểm 0, nên dao động từ các điểm này lan truyền trên một khoảng cách ngắn hơn so với từ điểm 0, và điểm càng gần đầu đạn, tức là gần đến điểm M4 khoảng cách sẽ càng nhỏ, đó là khoảng cách dao động kịp truyền tới tại thời điểm đạn nằm

ở điểm M4 ở thời điểm đạn nằm tại điểm M4, nếu từ điểm M4 kẻ các đường thẳng M4B và M4A thì các đường thẳng này sẽ tiếp xúc với tất cả các mặt cầu sóng xuất hiện từ tất cả các điểm (0 đến M4), với giả thiết quỹ đạo của đạn trên đoạn này thẳng và tốc độ không đổi Nếu bây giờ từ điểm M4 kéo vô số các đường thẳng sao cho tất cả chúng đều tiếp xúc với mặt cầu sóng có tâm tại các điểm 0, M1, M2, M3

và M4 thì ta được một hình nón hình thành bởi các đường M4B và M4A; điểm M4

đỉnh của hình nón này

Tìm hiểu kĩ hơn về sóng hình nón này bằng cách dựng hình như trên hình 2.8 Trong đó, sin 1 ( 1 / )

M

ư

=

α , M là số Mach như công thức (2-29) Ta thấy sự hình thành và lan truyền của sóng va đập trong không gian tao ra các mặt cầu liên tiếp mà hình bao của nó có dạng nón với góc nón α Thông thường sẽ có hai mặt nón; một mặt ứng với sóng ở phía trước đầu đạn, một mặt khác có cấu trúc phức tạp ở phía

đuôi của đầu đạn áp suất không khí thay đổi qua mỗi mặt nón, do đó có hai lần áp suất không khí thay đổi tạo ra "sóng N" dọc theo đường bay của đầu đạn Sau mặt sóng thứ nhất, mật độ và áp xuất không khí từ từ tụt xuống, do đó dòng khí đi vào mặt sóng thứ hai có mật độ, áp suất và tốc độ âm thấp hơn dòng khí đi vào mặt sóng thứ nhất Nguyên nhân này dẫn đến số Mach của mặt sóng thứ hai lớn hơn số Mach của mặt sóng thứ nhất do đó góc β sẽ nhỏ hơn góc α

Hình 2.8 Mô tả sóng hình nón hình thành

Vị trí hiện tại của đầu đạn

Từ hình vẽ 2.9 chúng ta nhận thấy, khi đầu đạn chuyển động qua vị trí quan sát , áp suất âm sẽ đạt cực đại tại vị trí mặt sóng trước đi qua, sau đó giảm dần đến cực tiểu tại vị trí mặt sóng sau đi qua, hình thành một dao động cơ bản lan truyển đi trong không gian Tần số của dao động này phụ thuộc giá trị của α, β và khoảng cách r từ vị trí quan sát đến đường đạn Do góc β nhỏ hơn góc α nên khi điểm quan sát càng xa đường đạn (r càng lớn) thì khoảng cách giữa điểm cực đại và cực tiểu của dao động sẽ càng cách xa nhau, dẫn đến tần số của dao động giảm Tuy nhiên sự thay đổi tần số dao động theo khoảng cách r là rất nhỏ vì hai góc α và β

không lệch nhau nhiều

Hình 2.9 Hai mặt nón tạo ra do chuyển động vượt âm của

đầu đạn và sự phân bố áp suất "sóng N" qua các mặt nón

β

ααMặt sóng trước

Mặt sóng hình thành do

đường gân trên thân

đầu đạn

Trên thực tế chứng minh, khi ở gần đường đạn người ta nghe thấy tiếng rít chói hơn khi ở xa đường đạn Hình 2.10 là ảnh minh hoạ các mặt sóng va đập tạo ra khi viên đạn chuyển động trong không khí ở đây ngoài các mặt sóng trước và sau còn

có một mặt sóng hình thành so đường gân ngang trên thân đầu đạn

Nếu đặt một đầu thu tại điểm quan sát M gần đường đi của viên đạn Sóng tổng hợp tại đầu thu sẽ là tổng hợp của tất cả các sóng va đập tạo ra trên đường bay của viên đạn Tuy nhiên các sóng này sẽ hầu như triệt tiêu lẫn nhau và khi đó kết quả sóng tổng hợp thu được tại đầu thu được coi như là sóng nhận từ nguồn S lan truyền đến điểm M theo quy luật truyền sóng âm dạng cầu Vị trí của điểm S là giao

điểm của đường đạn với đường vuông góc với MO MO là đường biểu diễn mặt sóng trước của sóng va đập, tạo với đường đạn một góc α

) sin 1 ( 4

4

2 2

P

I: Cường độ sóng tại điểm M

P: Công suất nguồn sóng

Mỗi loại đạn có P và α nhất định Do đó cường độ sóng tổng hợp tại điểm M

sẽ mang thông tin về r, nghĩa là mang thông tin về khoảng cách từ đường đạn tới đầu thu Vì vậy, bằng cách đo cường độ sóng va đập tạo ra khi viên đạn chuyển động ta

có thể tính toán độ chụm cho đạn pháo phòng không

Xét mối liên hệ giữa sự lan truyền

sóng va đập và sóng nổ đầu nòng ta thấy

sóng va đập luôn ở phía trước sóng nổ

đầu nòng theo hướng chuyển động của

viên đạn Dãn cách giữa các sóng này

thay đổi theo quỹ đạo và phụ thuộc vào

khoảng cách đến khẩu pháo Trong mặt

phẳng nằm ngang, dãn cách giữa sóng va

đập và sóng nổ đầu nòng phụ thuộc vào

góc giữa hướng được chọn để quan sát và mặt phẳng bắn Nếu đầu thu bố trí trong mặt phẳng bắn, chẳng hạn ở điểm M1 (hình 2.11), thì hiệu thời gian đến đầu thu của các sóng va đập và sóng nổ đầu nòng sẽ lớn hơn hiệu thời gian của các sóng này khi đầu thu bố trí tại điểm M2, bên ngoài mặt phẳng bắn Nếu đầu thu bố trí tại

Hình 2.11 Mối liên hệ giữa sóng va đập

và sóng nổ đầu nòng

điểm M3, thì sóng va đập được pha trộn với sóng nổ đầu nòng và nếu bố trí sau

điểm M3 thì sóng va đập bị lẫn trong tiếng nổ đầu nòng

2.4 ảnh hưởng của môi trường đến sự lan truyền của sóng va đập

Khi lan truyền trong không khí, tốc độ dịch chuyển của sóng va đập phụ thuộc vào tất cả các yếu tố môi trường lan truyền như: điều kiện khí tượng, thời tiết, nhiệt

độ, gió Trong đó, nhiệt độ không khí và gió là hai yếu tố tác động chủ yếu tới sự lan truyền của sóng va đập trong không khí

Chúng ta biết rằng khi nhiệt độ thay đổi thì tốc độ truyền âm cũng thay đổi Mối liên hệ giữa tốc độ truyền âm trong không khí với nhiệt độ được thể hiện bằng công thức:

T T

c

c= 0 + 0 , 6 = 331 , 4 + 0 , 6 (m/s) (2-32)

ở đây c0 là tốc độ âm ở 00, c0 = 331m/s

Trong điều kiện bình thường những ngày mùa hè, nhiệt độ không khí giảm khi

độ cao tăng Cứ lên 100m thì nhiệt độ không khí giảm trung bình 0,60C Do đó, tốc

độ âm cũng giảm khi độ cao tăng Tia âm bị khúc xạ sẽ cong lên trên ở mọi phía như trên hình 2.12, xuất hiện vùng tối âm ở mọi phía của nguồn âm

Xét một trường hợp khác

của sự phân bố nhiệt độ không

khí theo độ cao Nhiệt độ

không khí tăng theo độ cao

hay trường hợp này còn gọi là

đảo nhiệt Vào mùa đông ( lúc

sáng sớm và ban đêm khi trời

quang đãng, hoặc ban ngày

khi có rét đậm ), và vào mùa

xuân (cả ngày đêm) thường

quan sát thấy sự đảo nhiệt trong lớp khí quyển có độ cao từ 1000m-2000m Sự đảo nhiệt cũng quan sát thấy trong mùa hè vào ban đêm và buổi sớm quang đãng, nhưng

độ cao của chúng không lớn - chỉ vài chục mét

Khi nhiệt độ tăng nhiệt độ không khí, tốc độ âm tăng Do đó, trong trường hợp

đảo nhiệt, tốc độ âm tăng theo độ cao, và tia âm bị khúc xạ, sẽ cong xuống dưới (hình 2.13) nên độ thính âm thường đặc biệt tốt Nếu tính đến cả những tình tiết là

Hình 2.12 Sự khúc xạ của tia âm khi nhiệt độ không

khí giảm theo độ cao

ban đêm và sáng sớm gió thường rất yếu, đôi khi hoàn toàn im gió (không có gió),

đó là điều kiện thuận lợi cho hoạt động thu âm được tạo ra khi đảo nhiệt

Nếu độ cao của miền đảo nhiệt không lớn (một vài chục mét) và nếu sau giới hạn trên của miền đảo nhiệt, nhiệt độ không khí giảm tương đối mạnh, thì độ thính

âm chỉ có thể tốt trên cự ly không lớn (khoảng vài kilômét), sau đó là vùng tối âm, như chỉ ra trên hình 2.14

Đôi khi có phân bố nhiệt độ như sau theo độ cao: ban đầu giảm theo độ cao, sau đó tăng; đảo nhiệt xuất hiện ở một độ cao nào đó, trong trường hợp này người ta nói: "đảo nhiệt trong khí quyển tự do" Hiện tượng này quan sát được vào thời gian lạnh, khi mà sau một thời kỳ khô hanh thời tiết trở nên xấu đi Đảo nhiệt trong khí quyển tự do xảy ra khi có luồng không khí ấm, di chuyển trên một độ cao nào đó cách mặt đất

Trong trường hợp này, tia âm cong lên trên cho đến biên của lớp đảo nhiệt Khi đi vào lớp đảo, tia âm bắt đầu cong theo hướng ngược lại và có thể lại trở về mặt

đất Do vậy ta có thể quan sát thấy sự dị thường (khác với quy luật chung)

Hình 2.13 Sự khúc xạ của tia âm khi nhiệt độ không khí tăng theo độ cao

Hình 2.14 Sự khúc xạ của tia âm trong trường hợp

vùng đảo nhiệt ở sát mặt đất

Gần nguồn âm không thu được sóng âm, đó là vùng tối âm Đến một khoảng cách nào đó cách nguồn âm, độ thính âm có thể tốt, ở đây bắt đầu vùng được gọi là vùng thính âm dị thường Cự ly phân bố vùng tối âm phụ thuộc vào độ cao lớp đảo nhiệt, lớp này càng cao thì vùng tối âm càng lớn Để biết sự phân bố nhiệt độ theo

độ cao, cần tiến hành quan sát độ cao, hay tiến hành phân miền nhiệt độ khí quyển Không nên trên cơ sở sự thay đổi nhiệt độ của một lớp sát mặt đất để rút ra kết luận

về sự phân bố nhiệt độ theo độ cao

Tuy nhiên, trong một khoảng cách ngắn (cách đầu thu 10 m trở lại), sự tác

động của các điều kiện nhiệt độ môi trường đến sự lan truyền của sóng va đập là không đáng kể, và không thể xuất hiện vùng tối âm ở khoảng cách đó

Xét sự phụ thuộc của tốc độ dịch chuyển sóng âm vào gió Nếu c là vận tốc âm trong khí quyển còn w là tốc độ gió thì tốc độ dịch chuyển sóng âm cW được tính bằng công thức:

Trong đó ϕ là góc được tạo

thành bởi hướng nguồn âm - máy thu

và hướng gió (hình 2.16)

Xét ảnh hưởng của sự thay đổi

của tốc độ gió theo độ cao đến sự lan

truyền âm ta thấy: Khi tốc độ gió

tăng theo độ cao khi đó sự khúc xạ

của tia âm có dạng như trên hình 2.17 Nếu điều kiện đo siêu âm ngược gió, tốc độ truyền âm sẽ giảm theo độ cao và tia âm bị khúc xạ cong lên trên, hình thành vùng tối âm

ϕ

Hướng gió

Hình 2.16 Mối liên hệ giữa hướng nguồn âm - máy thu và hướng gió Hình 2.15 Sự khúc xạ của các tia âm khi vùng đảo nhiệt

nằm trong khí quyển tự do

ảnh hưởng của gió đến sự lan truyền của sóng va đập trong khoảng cách từ

đường đạn đến đầu thu là tương đối nhỏ Tuy nhiên nó lại có ý nghĩa đối với việc tính toán độ chụm của đạn pháo phòng không khi viên đạn bay qua danh giới giữa các "vòng" tính điểm Giả thiết khoảng cách biểu kiến đo được khi viên đạn bay qua bia là rthu Khi đó:

g w

r = ∆ = ( + cosϕ) ∆ = ∆ + cosϕ ∆ = + (2-34) Trong đó rg là sai số gây ra do sự ảnh hưởng của gió

t w

Nếu biết rthu, c, w và ϕ ta sẽ xác định được ∆t:

ϕcos

w c

Trên thực tế, sự ảnh hưởng của gió và nhiệt độ đến sự lan truyền của sóng va

đập là đồng thời Do đó việc tính toán lượng bù sai số đo độ chụm sẽ phức tạp hơn

Điều này sẽ được đề cập kĩ hơn trong phần sau, khi thiết kế chế tạo bộ đo khí tượng

và tính toán lượng bù sai số

Hình 2.17 Sự khúc xạ của tia âm khi tốc độ gió tăng theo độ cao

Chương 3 khảo sát đặc trưng của sóng va đập

Như quá trình phân tích ở trên, sẽ có 4 dạng sóng hình thành khi bắn pháo: tiếng nổ đầu nòng, sóng va đập, tiếng đạn chạm mục tiêu và tiếng nổ của đầu đạn Trong đó, tiếng nổ đầu nòng và sóng va đập là hai thành phần tín hiệu tác động nhiều nhất lên đầu thu Đối với nhiệm vụ thiết kế, chế tạo thiết bị đo độ chụm của

đạn pháo phòng không thì sóng va đập là tín hiệu có ích vì nó mang thông tin về vị trí của viên đạn khi bay qua đầu thu còn tiếng nổ đầu nòng là tín hiệu nhiễu vì nó không mang thông tin về vị trí đạn bay qua đầu thu, để tách được tín hiệu có ích ra khỏi nhiễu cần phải tiến hành các khảo sát tín hiệu thu được khi bắn pháo nhằm mục

đích:

và tiếng nổ đầu nòng Khảo sát mối liên hệ của biên độ tín hiệu sóng va đập nhận được với khoảng cách từ đường đạn đến đầu thu.

mô hình Đánh giá khả năng tác động của nhiễu lên hệ thống thu và đề ra giải pháp chống nhiễu hiệu quả.

Quá trình khảo sát đặc trưng sóng va đập là bước đầu tiên có tác dụng định hướng cho các bước đi tiếp theo của đề tài trong thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị

Để đảm bảo tính đúng đắn của kết quả nhận được cần phải tiến hành khảo sát thử nghiệm nhiều lần Điều này làm cho kinh phí thử nghiệm rất lớn Vì vậy đề tài xác

định các bước thử nghiệm như sau:

™ Bước 1: Khảo sát thử nghiệm với súng bộ binh để xác định dạng tín hiệu sóng va

đập, phân tích dải tần số của sóng va đập Đánh giá sơ bộ về tần số, biên độ và mối liên hệ với tiếng nổ đầu nòng Từ đó đề ra phương án thiết kế, chế tạo thiết

bị Theo một số tài liệu, sóng va đập hình thành khi bắn súng bộ binh và khi bắn pháo phòng không có cùng một bản chất vật lý, chỉ khác nhau về tần số và cường

độ sóng Do đó, việc khảo sát bước đầu sóng va đập khi bắn súng bộ binh vẫn

đáp ứng được các yêu cầu trong thiết kế, chế tạo thiết bị mà tiết kiệm được kinh phí khảo sát thử nghiệm

™ Bước 2: Khảo sát đặc tính tần số và biên độ của tiếng nổ động cơ máy bay mô hình, đây là nhiễu chủ yếu tác động lên hệ thống Đề ra biện pháp chống nhiễu

Ta biết rằng khi thiết bị được đặt trên máy bay mô hình, sự tác động của tiếng nổ

động cơ rất lớn Hiện nay các máy bay mô hình được sử dụng làm máy bay mục tiêu đều dùng động cơ 4 thì chạy bằng nhiên liệu xăng Để chống lại sự tác động của loại nhiễu này cần phải xác định được dải tần và cường độ của nó

™ Bước 3: Khảo sát thử nghiệm với pháo phòng không Xác định dải tần số và biên

độ của sóng va đập tạo ra khi bắn pháo phòng không Hiệu chỉnh một số tham số của thiết bị cho phù hợp

™ Bước 4: Thử nghiệm tinh chỉnh một số tham số của thiết bị, xây dựng bộ tham số quy đổi biên độ tín hiệu thu được - khoảng cách từ đường đạn đến đầu thu Hoàn thiện thiết bị

3.1 Các khảo sát tiến hành với súng bộ binh

3.1.1 Khảo sát thực nghiệm lần 1

Một trong những khó khăn khi thu ghi các tín hiệu tạo ra khi bắn là không có các đầu thu dải rộng để có thể đo được đồng thời trong cả miền âm và siêu âm Nhóm đề tài đã khắc phục bằng cách dùng hai bộ thiết bị đo độc lập:

ƒ Bộ thiết bị thu, ghi ở tần số siêu âm gồm: sensor siêu âm, bộ khuyếch đại, đầu ghi từ, mạch xử lý sơ bộ tín hiệu siêu âm

ƒ Bộ thiết bị thu ghi ở dải âm gồm: đầu thu dải rộng, bộ khuyếch đại, máy tính Mô hình thiết bị khảo sát thực nghiệm lần thứ nhất như hình 3.1

Đối tượng khảo sát: đạn súng AK và súng trường CKC bắn ở các cự li 70m, 100m, 150m

Với bộ thu ghi ở dải âm, tín hiệu thu được được khuếch đại và ghi trực tiếp vào máy tính qua cáp truyền Với thiết bị thu ghi ở tần số siêu âm, tín hiệu siêu âm thu

được qua bộ khuếch đại và xử lý sơ bộ đưa vào bộ ghi băng từ Hệ số khuyếch đại của mạch khuyếch đại được điều khiển từ máy tính Tín hiệu siêu âm thu được qua mạch khuếch đại và đưa về đầu ghi băng từ Mạch xử lý sơ bộ thực chất là mạch xử

lý để lấy ra biên độ đỉnh tín hiệu thu được để đưa về máy tính, đồng thời xử lý đếm

số viên đạn và lấy giá trị biên độ tín hiệu nhận được của từng viên đạn

Kết quả khảo sát thực nghiệm lần thứ nhất như sau:

ƒ Khi bắn ở các cự li khác nhau trên cùng hướng bắn 1, bộ thu ghi tín hiệu siêu

âm đều thu được tín hiệu và đếm chính xác số viên đạn Giá trị biên độ đỉnh nhận được của tín hiệu thay đổi Điều đó khẳng định phổ của tín hiệu tạo ra khi bắn có ở dải tần số siêu âm Tuy nhiên, khi bắn ở gần bia và nòng súng hướng theo hướng bắn 2, không hướng về phía bia, thì vẫn thu được tín hiệu siêu âm và vẫn đếm được số viên đạn, nên chưa khẳng định được tín hiệu siêu

âm nhận được là do tiếng nổ đầu nòng hay sóng va đập

ƒ Với bộ thu tín hiệu ở dải âm sau khi thu được và phân tích phổ ta nhận thấy:

Giá trị biên độ đỉnh

Vị trí bắn 2

Hướng bắn 1 Hướng bắn 2

Hình 3.1 Mô hình thiết bị khảo sát thực nghiệm lần 1

Hình 3.2 Tín hiệu và phổ thu được khi bắn súng AK47, khi bắn phát một

đỉnh phổ 304Hz

đỉnh phổ 1386Hz

Khi bắn phát một, sau khi phân tích phổ tín hiệu thu được ta thấy có hai đỉnh phổ rất lớn ở 304 Hz và 1386 Hz Vì 1386 không thể là bội của 304 (1386/304 ≈ 4,5) nên đỉnh phổ ở vị trí tần số 1386 Hz không thể là hài của đỉnh phổ 304 Hz Thành phần tần số cao hơn chỉ xuất hiện khi viên đạn bay qua bia, đó là thành phần sóng va đập Thành phần tần số thấp luôn xuất hiện khi bắn trong mọi trường hợp,

đó là tiếng nổ đầu nòng

Khi bắn liên thanh, tốc độ bắn khoảng 600phát/phút tín hiệu thu được như hình 3.3 Khoảng cách giữa các chùm xung là 100,884 ms Dạng phổ tín hiệu thu được cũng có dạng tương đồng với khi bắn phát một Đỉnh phổ 1386 Hz có phần cao hơn

đỉnh phổ 304 Hz Điều đó càng chứng tỏ đây là hai thành phần phổ của hai tín hiệu khác nhau

Tuy nhiên trong lần đo đạc thực nghiệm này vẫn còn một số hạn chế như sau:

- Hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại còn để hơi cao nên tín hiệu âm thu

Mô hình khảo sát thực nghiệm của lần thứ hai như sau:

Hình 3.3 Tín hiệu và phổ thu được khi bắn AK47, liên thanh 3 viên

Các cự li bắn: - Vị trí 1: cự ly 100m

- Vị trí 2: cự ly 200m

- Vị trí 3: cự ly 300m

Kết quả khảo sát thực nghiệm lần thứ 2 như sau:

ƒ Đối với bộ thiết bị thu tín hiệu siêu âm vẫn đếm được chính xác số viên đạn và

có kết quả giống thử nghiệm lần 1 Khi bắn lên trời ở cự li 300m, không thu nhận được tín hiệu siêu âm Quá trình thử nghiệm cho thấy phổ của sóng va

đập trải ra trên một dải tần số tương đối rộng từ dải âm đến siêu âm (40 KHz) Việc chọn dải tần số để xử lý là vấn đề đặt ra sao cho chống được các loại nhiễu tác động đến tín hiệu có ích

ƒ Đối với bộ thu tín hiệu ở dải âm, các tín hiệu thu được được đưa vào phân tích cho thấy:

- Cự ly 100m, tín hiệu thu được có dạng như sau:

Ta thấy tín hiệu có hai thành phần rõ rệt cách nhau ∆t ≈ 180 ms Theo lý thuyết, thành phần đến trước là sóng va đập của viên đạn trong quá trình bay, thành phần đến sau là tiếng nổ đầu nòng Nếu gọi s là cự ly bắn, góc γ là góc tạo giữa

đường đạn và đường thẳng từ vị trí bắn đến đầu thu, khi đó:

Sóng va đập hình thành khi viên đạn chuyển động trên đường bay đến đầu thu coi như được tạo ra từ điểm S đến đầu thu Nếu lấy gốc thời gian là lúc viên đạn bắt

đầu bay ra khỏi nòng pháo, cũng là lúc bắt đầu hình thành sóng nổ đầu nòng Vậy khoảng thời gian từ gốc thời gian đến khi sóng va đập truyền đến đầu thu M sẽ bằng khoảng thời gian viên đạn chuyển động tới điểm S với vận tốc v cộng với khoảng thời gian sóng va đập chuyển động từ điểm S đến đầu thu M với tốc độ âm c:

= +

1

M c

s c

s v

s c

SM v

∆t ≈ 180ms

Vậy khoảng cách về mặt thời gian giữa hai sóng đến đầu thu sẽ là:

s t t

Khi γ nhỏ, và vì M>1 nên công thức (3-39) có thể viết:

) 1 1 (

M c

s

t≈ ư

Từ công thức (3-1) và (3-2) ta thấy khi góc γ đủ nhỏ thì t1 <t2, nghĩa là sóng va

đập sẽ đến đầu thu trước tiếng nổ đầu nòng Đến đây chúng ta đặt ra câu hỏi, liệu có trường hợp tiếng nổ đầu nòng đến trước sóng va đập không? Khi góc γ lớn lên thì tín hiệu thu được sẽ như thế nào? Vấn đề này sẽ được phân tích cụ thể trong phần tiếp theo

Từ công thức (3-4) ta thấy khi bắn ở góc γ nhỏ, ∆t tỷ lệ thuận với s Do đó nếu bắn ở cự ly xa hơn, ∆t tăng lên sẽ chứng tỏ hai thành phần tín hiệu thu được là sóng

va đập và tiếng nổ đầu nòng Từ biểu đồ phổ ta cũng thấy có hai thành phần tách biệt Thành phần phổ tần số thấp có năng lượng cực đại ở 360 Hz Thành phần phổ tần số cao có năng lượng cực đại trong dải tử 2600 Hz đến 4800Hz Dùng một bộ lọc thông dải trong khoảng này ta thấy tiếng nổ đầu nòng suy giảm gần hết, thành phần sóng va đập gần như không suy giảm

- Cự ly 200m, tín hiệu thu được có dạng như sau:

Hình 3.7 Tín hiệu sau khi cho qua bộ lọc thông

dải: 2600Hz-4800Hz

Từ hình 3.8 ta nhận thấy khoảng thời gian giãn cách giữa sóng va đập va tiếng

nổ đầu nòng tăng lên: ∆t ≈ 290 ms, phù hợp với công thức (3-4) Đối chiếu giữa hình 3.5 và hình 3.8 ta thấy tiếng nổ đầu nòng nhỏ đi do lan truyền đến đầu thu ở khoảng cách xa hơn, còn thành phần sóng va đập không phụ thuộc vào cự li bắn mà chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ đường đạn đến đầu thu, nên biên độ không thay

đổi nhiều Lần lượt xử lý phân tích phổ của từng thành phần ta nhận được kết quả như trên hình 3.9 và hình 3.10

Hình 3.8 Tín hiệu thu được và phổ khi bắn ở cự ly 200m

∆t ≈ 290ms

Hình 3.9 Sóng va đập và phổ khi bắn ở cự ly 200m

Hình 3.10.Tiếng nổ đầu nòng và phổ khi bắn ở cự ly 200m

Đỉnh phổ lớn nhất của sóng va đập trong trường hợp này nằm ở tần số 4760Hz còn của tiếng nổ đầu nòng là 393 Hz

- Cự li 300m, tín hiệu nhận được và phổ có dạng như trên hình 3.11 Giãn cách thời gian giữa tiếng nổ đầu nòng và sóng va đập tăng lên, ∆t ≈ 400 ms

Thay đổi khoảng cách từ đường đạn đến đầu thu ta thấy khi khoảng cách tăng lên thì giá trị ∆t giảm dần Điều này phù hợp với công thức (3-3) Nhìn vào công thức (3-3) ta thấy, nếu coi s không đổi thì ∆t phụ thuộc vào giá trị của góc γ Trong thực tế ta chỉ khảo sát với góc γ ≤ 900 Khi γ = 00, ∆t có giá trị lớn nhất và bằng:

)

11(

M c

cos 1

1

2 2

M M

M M

γγ

đặt

1

1 sin

)

Hình 3.11 Tín hiệu thu được và phổ khi bắn ở cự li 300m

∆t ≈ 400ms

⇒ ( 0 90 )

2 ) 2 (

ππγ

ππ

γ

k a a

k a a

2 2

2 2

πγ

π

πγ

k

k a

Giả thiết nếu M = 3 ⇒ a = 300, γ = 300 Nghĩa là khi bắn ở góc bắn γ = 300thì tiếng nổ đầu nòng và sóng va đập đến đầu thu cùng một lúc và tác động lẫn nhau Nếu tiếp tục tăng góc bắn γ > 300 sẽ dẫn đến hiện tượng tiếng nổ đầu nòng đến đầu thu trước sóng va đập

Hình 3.12 cho thấy sự thay đổi của ∆t theo góc bắn (hay khoảng cách từ đầu thu đến đường đạn)

Kết luận: Quá trình khảo sát tiến hành với bắn súng bộ binh đã xác định được chính xác thành phần sóng va đập trong tín hiệu thu nhận được Các tín hiệu sóng va

đập và tiếng nổ đầu nòng thu nhận được hoàn toàn phù hợp với những nghiên cứu lý thuyết về mối liên hệ giữa sóng va đập và tiếng nổ đầu nòng như trình bày trong mục 2.3 và công thức (3-1) Qua khảo sát thực nghiệm cho thấy, sóng va đập hình thành khi bắn súng bộ binh có phổ trải từ miền âm (trên 2 KHz) đến miền siêu âm (trên 40 KHz) Tuy nhiên, miền năng lượng lớn nhất của sóng va đập hình thành khi bắn súng bộ binh nằm trong khoảng từ 2600Hz đến 4800 Hz Trong khi tiếng nổ đầu nòng có năng lượng lớn nhất ở vùng dưới 400 Hz

3.2 Khảo sát nhiễu do tiếng nổ động cơ

Quá trình khảo sát tiến hành trên hai bộ thiết bị:

ƒ Bộ thiết bị thu, ghi ở tần số siêu âm gồm: sensor siêu âm, bộ khuyếch đại, đầu ghi từ, mạch xử lý sơ bộ tín hiệu siêu âm

ƒ Bộ thiết bị thu ghi ở dải âm gồm: đầu thu dải rộng, bộ khuyếch đại, máy tính Mô hình thiết bị khảo sát thực nghiệm tiếng nổ động cơ như sau:

Kết quả khảo sát:

™ Với bộ thu tín hiệu siêu âm:

- Khi đầu thu hướng về phía nguồn phát tiếng nổ, thu được tín hiệu siêu âm rất lớn Đưa đầu thu ra xa nguồn phát 7m vẫn thu được tín hiệu lớn

Hình 3.13 Mô hình thiết bị khảo sát tiếng nổ động cơ

Động cơ

Tấm chắn

- Khi hướng đầu thu siêu âm ngược với hướng nguồn phát không thu được tín hiệu siêu âm mặc dù đầu thu để rất gần nguồn (20 cm)

- Dùng tấm chắn bằng nhựa chắn giữa sensor và nguồn phát, không thu được tín hiệu

- Quay sensor về phía các mặt phản xạ thu được tín hiệu siêu âm lớn

™ Với bộ thu tín hiệu âm

Một file tín hiệu âm của tiếng nổ động cơ ghi được và biểu đồ phổ có dạng như sau:

Đoạn tín hiệu khi tăng ga và biểu đồ phổ:

Biểu đồ dạng phổ hình bên cho

thấy năng lượng tín hiệu tiếng nổ

động cơ khi tăng ga tập trung

trong vùng 200Hz-700 Hz

Đoạn tín hiệu khi giảm ga và biểu đồ phổ:

Từ biểu đồ phân tích phổ ta thấy dạng phổ tín hiệu khi tăng ga và giảm ga tương

đương nhau Năng lượng tiếng nổ động cơ tập trung ở vùng tần số thấp dưới 700Hz Kết quả này cung được khẳng định khi ta phân tích phổ của một tiếng nổ động cơ lúc tăng ga và lúc giảm ga

Kết luận:

- Tiếng nổ động cơ tác động rất lớn tới đầu thu siêu âm khi đầu thu hướng về phía nguồn phát tiếng nổ Do đó khi rất khó chế tạo đầu thu có giản đồ hướng hình cầu mà lại loại bỏ được nhiễu do tiếng nổ động cơ gây ra

- Khi dùng đầu thu siêu âm sẽ thu được tín hiệu phản xạ lớn Do đó đối với xạ kích hàng loạt thì tín hiệu siêu âm phản xạ của phát đạn trước sẽ nhiễu vào tín hiệu siêu âm có ích của phát đạn sau, gây ra sai số trong quá trình tính toán

- Với đầu thu âm, phổ tín hiệu động cơ chủ yếu tập trung ở vùng tần số thấp (dưới 300 Hz), nên ta có thể loại bỏ tác động của nhiễu này khi dùng một bộ lọc thông cao hoặc bộ lọc dải thông

3.3 Các khảo sát tiến hành với pháo phòng không

Quá trình khảo sát tín hiệu thu được khi bắn pháo phòng không được tiến hành với 02 bộ đầu thu theo mô hình như trên hình 3.13:

Kết quả khảo sát:

™ Với pháo phòng không 37 ly

Tín hiệu thu được khi bắn phát một có dạng như hình 3.14 Thành phần phía trước là sóng va đập và tín hiệu phản xạ của nó từ mặt đất Thành phần phía sau là tiếng nổ đầu nòng Ta nhận thấy do khoảng cách bắn gần nên thành phần tiếng nổ

đầu nòng còn rất lớn Và vì đầu thu để gần mặt đất nên thành phần tín hiệu phản xạ

về cũng lớn Khi bắn ở khoảng cách gần, các thành phần tần số cao và hài bậc cao

của tiếng nổ đầu nòng sẽ lan truyền đến đầu thu gây ra nhiễu Nếu bắn ở khoảng cách xa hơn các thành phần này bị suy giảm gần hết, chỉ còn thành phần hài cơ bản của tiếng nổ đầu nòng tác động tới đầu thu, và bị loại bỏ bởi bộ lọc

Quá trình phân tích cho thấy sóng va đập có năng l−ợng lớn nhất ở tần số 850Hz Tiếng nổ đầu nòng có năng l−ợng lớn nhất ở tần số 380Hz

Hình 3.14 Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn pháo 37ly

Tín hiệu phản xạ

đỉnh phổ lớn nhất 380 Hz

Hình 3.15 Tiếng nổ đầu nòng và phổ của nó

Hình 3.16 Sóng va đập và phổ của nó

đỉnh phổ lớn nhất 860 Hz