Nghiên cứu thiết kế sensor thủy âm chủ động cho hệ thống liên lạc và điêu khiển dưới nước

Những áp dụng đó bao gồm đo độ sâu bằng âm thanh, lập bản đồ địa hình đáy biển, định vụ mục tiêu, đài mốc dưới nước, đo độ cao của sóng, đạo hàng Doppler, dò tìm luồng cá, tạo profin dưới đáy, tạo ảnh dưới nước cho các mục đích thanh tra, định vị đường ống chôn, đo xa và điều khiển từ xa dưới nước, truyền thông giữa các thợ lặn, trợ giúp điều khiển và đưa tàu vào cảng, cảnh báo chống mắc cạn cho tàu bè, đo dòng chảy và đo tốc độ tàu thuỷ.Chương 1: Khái quát chung về thủy âmChương 2: Cơ sở kỹ thuật sensor thủy âm và nguyên lý tạo trường âm thanhChương 3: Thiết kế sensor thủy âm chủ động cho hệ thống liên lạc và điều khiển dưới nước.

LỜI NÓI ĐẦU

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật và công nghệ đang diễn ra sôi độngtrên toàn thế giới với sự phát triển mạnh mẽ của nhiều ngành khoa học, đặcbiệt là thông tin liên lạc và truyền thông Môi trường truyền sóng ngày càng

đa dạng, phong phú: truyền trên mặt đất, qua tầng điện li, tầng đối lưu, tronglòng đất, qua vệ tinh…Tuy nhiên trong môi trường nước, sóng điện từ bị suygiảm rất nhanh do bị hấp thụ mạnh, vì thế truyền thông tin và điều khiển dòtìm dưới nước chủ yếu phải sử dụng sóng âm Do một số ưu việt của dao độngsóng ở dải tần số này mà sóng âm ngày càng được sử dụng rộng rãi và hiệuquả Trong kỹ thuật truyền tin dưới nước, liên lạc giữa các tàu ngầm với nhau,liên lạc giữa tàu ngầm với đất liền, phát hiện vật cản khi chuyển động ở cáchướng khác nhau: mũi tàu, bụng tàu, bên phải, bên trái,…có một ý nghĩa hếtsức quan trọng trong thực tiễn cũng như trong nghiên cứu khoa học Âmthanh dưới nước ứng dụng rộng rãi trong quốc phòng, cả bảo vệ lẫn chống tàungầm Hiện nay nghiên cứu lý thuyết và kỹ thuật âm thanh dưới nước đượccác nước lớn trên thế giới đặc biệt ưu tiên và quan tâm nghiên cứu do nhu cầuchế tạo tàu ngầm hạt nhân, mạng chiến trường dưói biển thông qua trung tâm

là tàu sân bay đặc biệt hiện đại Trong các áp dụng quân sự, âm thanh dướinước được sử dụng để đo độ sâu, đạo hàng, phát hiện tàu chiến và tàu ngầm,định tầm và theo dõi (thụ động cũng như chủ động), liên lạc dưới nước, pháthiện mìn, dẫn hướng và điều khiển thuỷ lôi cũng như các vũ khí dưới nước

Âm thanh dưới nước cũng được áp dụng rất rộng rãi trong dân sự, ngàynay các nước trên thế giới rất chú trọng tới thuỷ quyển, đáy đại dương, kể cảphía dưới đáy đại dương Những áp dụng đó bao gồm đo độ sâu bằng âmthanh, lập bản đồ địa hình đáy biển, định vụ mục tiêu, đài mốc dưới nước, đo

độ cao của sóng, đạo hàng Doppler, dò tìm luồng cá, tạo profin dưới đáy, tạoảnh dưới nước cho các mục đích thanh tra, định vị đường ống chôn, đo xa vàđiều khiển từ xa dưới nước, truyền thông giữa các thợ lặn, trợ giúp điều khiển

và đưa tàu vào cảng, cảnh báo chống mắc cạn cho tàu bè, đo dòng chảy và đotốc độ tàu thuỷ.

Đất nước ta có nền kinh tế và quốc phòng gắn liền với biển, bờ biển dàitrên 3000 km, diện tích biển hàng triệu km vuông với nhiều đảo và quần đảotrên đại dương.Việc nghiên cứu, khẳng định chủ quyền, khám phá, khai thácbiển và đáy đại dương thực sự là vấn đề cấp thiết Xuất phát từ nhu cầu thực

tế trên, đồ án có tên: “ Nghiên cứu, thiết kế sensor thuỷ âm chủ động cho hệthống liên lạc và điều khiển dưới nước ” nhằm mục đích đóng góp nhỏ bénhững yêu cầu cần thiết và cấp bách nói trên

Nội dung đồ án được chia thành ba chương:

 Chương 1: Khái quát chung về thủy âm

 Chương 2: Cơ sở kỹ thuật sensor thủy âm và nguyên lý tạo trường

âm thanh

 Chương 3: Thiết kế sensor thủy âm chủ động cho hệ thống liên lạc

và điều khiển dưới nước

Do trình độ và thời gian còn hạn chế, nội dung luận án không tránhkhỏi những thiếu sót, kính mong sự đóng góp chân thành của các thầy cô, cáccán bộ khoa học cùng các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ THỦY ÂM

1.1 NGUYÊN LÝ LAN TRUYỀN SÓNG ÂM VÀ CÁC THAM SỐ CHỦ YẾU

1.1.1 Định nghĩa sóng âm

Sóng âm là một dạng sóng cơ học lan truyền trong môi trường đànhồi

Môi trường đàn hồi là môi trường trong đó các phần tử của nó tự trở

về trạng thái ban đầu sau khi hết tác động của ngoại lực Tất cả các môitrường vật chất đàn hồi đều truyền lan được sóng âm

Trong chất rắn sóng âm có thể lan truyền theo sóng dọc và sóng mặtcòn sóng ngang không lan truyền được vì chúng không có tính chất đàn hồi

hoặc đàn hồi rất ít theo chiều ngang

Trong chất khí chỉ có sóng dọc vì trong chất khí không có lực nào ngăn cản các mặt phẳng song song phân cách

1.1.2 Phân loại sóng âm [ 9 ]

Cũng giống như sóng điện từ, sóng âm chiếm một dải tần số rất rộng.Tuỳ theo tần số có thể phân chia sóng âm thành các vùng sau đây:

- Vùng hạ âm tần số dao động từ 1 Hz đến 16 Hz

- Vùng âm có tần số dao động từ 16 Hz đến 16 kHz

- Vùng siêu âm có tần số dao động từ 16 kHz đến 10 MHz

- Vùng cực siêu âm có tần số dao động từ 10 MHz đến 1013 MHz tương đương tần số dao động nhiệt của mạng tinh thể

1.1.3 Bản chất vật lý của sự lan truyền sóng âm

Khi có nguồn âm dao động trong môi trường đàn hồi tất cả các chấtđiểm ở lớp môi giới xung quanh nguồn dao động sẽ dao động theo, do vậylàm thay đổi khoảng cách giữa các lớp chất điểm

Giữa các chất điểm có sự liên kết với nhau như một lò xo sự thay đổikhoảng cách giữa các chất điểm sẽ làm cho lò xo bị nén lại hay giãn ra vànhư vậy sinh ra lực đàn hồi Lực này tác động vào lớp chất điểm tiếp theolàm cho nó dao động Quá trình cứ tiếp diễn như vậy, nhờ đó dao động lantruyền được trong môi trường đàn hồi.

Các chất điểm trong môi trường đàn hồi liên kết với nhau kiểu lò xonên khi dao động, chỗ bị nén lại thì các chất điểm mau lại, chỗ giãn ra thìcác chất điểm thưa ra Chỗ chất điểm mau áp suất lớn, chỗ thưa áp suấtnhỏ

Trong quá trình lan truyền sóng âm, chất điểm bất kỳ luôn nhận nănglượng dao động của chất điểm trước (chất điểm chuyển từ trạng thái tĩnhsang trạng thái động), đây là quá trình chuyển hóa năng lượng

Kết luận: Sự truyền lan sóng âm là sự truyền lan của trạng thái dao

động, cụ thể là truyền lan sự dịch pha của dao động (tức là tốc độ truyền lan đồng thời truyền áp suất)

1.1.4 Các tham số cơ bản của sóng âm [ 9 ]

a) Tần số sóng âm

Tần số của sóng âm được quyết định bởi tần số nguồn phát ra âm và

có giá trị trong khoảng từ 1 Hz đến 1013 MHz Đó chính là số lần nén dãncủa lớp chất điểm trong thời gian một giây Nếu gọi f là tần số của daođộng, T là chu kỳ của dao động, có biểu thức tính tần số như sau:

c) Trở kháng âm của môi trường (Z)

Để đặc trưng cho môi trường truyền sóng âm, thường người ta dùngkhái niệm trở kháng âm Trở kháng âm của môi trường (Z) được tính bằngtích số của mật độ khối lượng môi trường () với vận tốc truyền sóng âm(c) trong môi trường đó

Z= c (g/m2s) (1.3)Như vậy trở âm của môi trường càng lớn môi trường càng “rắn”ngược lại trở kháng âm càng nhỏ môi trường càng “mềm”

Trong môi trường đàn hồi, trở kháng âm môi trường càng lớn thì vậntốc truyền âm trong môi trường đó càng cao

Sự truyền âm trong một môi trường đàn hồi không phải là tức thời; ta

có thể nhận thấy ánh chớp trước khi nghe được tiếng sấm Thực nghiệmchứng tỏ trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng thì âm thanhtruyền với vận tốc không đổi Vận tốc truyền âm thanh thay đổi khi âmthanh truyền qua các môi trường khác nhau (chất rắn, chất lỏng hoặc chấtkhí) Tính đàn hồi của môi trường càng lớn (Z càng lớn) thì vận tốc truyền

âm càng cao

Ví dụ:

+ Vận tốc truyền âm trong không khí là: 330 m/s

+ Vận tốc truyền âm trong nước biển khoảng 1500 m/s

+ Vận tốc truyền âm trong chất rắn như thép là 5500 m/s

- Tốc độ chuyển dịch của chất điểm quanh vị trí cân bằng của nó gọi

là tốc độ dao động Dao động của chất điểm là do nguồn phát tạo ra và phụthuộc vào tần số của nguồn phát dao động

Tốc độ dao động chỉ bản thân “chất điểm” dao động nhanh haychậm, còn vận tốc truyền âm chỉ chất điểm truyền trạng thái dao động chochất điểm khác nhanh hay chậm

e) Áp suất sóng âm

Như đã nêu ở trên, quá trình truyền lan sóng cũng là quá trình truyềnlan áp suất dao động Nếu ta gọi P0 là áp suất môi trường lúc chưa có daođộng (áp suất tĩnh), P1 là áp suất môi trường khi có dao động (áp suất động)thì ta có áp suất sóng âm P được tính bằng công thức sau:

P = P1 - P0 (1.4)

f) Năng lượng sóng âm và sự tổn hao của nó

Căn cứ vào tần số dao động, sóng âm được chia ra làm bốn vùngkhác nhau Mỗi vùng tần số khác nhau thì năng lượng của chúng khácnhau, và sự tổn hao của chúng trong môi trường khi truyền lan cũng khácnhau

Sóng âm có tần số càng cao thì có năng lượng càng lớn Ví dụ: Sóngsiêu âm có tần số 1 MHz có năng lượng lớn gấp một triệu lần năng lượngsóng âm có tần số 1 kHz (với điều kiện có cùng biên độ dao động) Vì vậysóng siêu âm có thể đạt tới hàng ngàn W/cm2 Do cường độ rất lớn nhưvậy, sóng âm có những tính chất đặc biệt trong chất lỏng như: Hiệu ứngsinh lỗ hổng (hiệu ứng Kavitaxi), hiệu ứng gió âm (hiện tượng chảy âm)

Sóng âm tần số càng thấp càng ít bị hấp thụ, càng truyền được xatrong môi trường Chẳng hạn với công suất phát thích hợp, sóng siêu âm cótần số 30 kHz, có thể truyền trong lớp đất chừng chục mét, song ở tần số

vùng đặc biệt (vùng hạ âm), chúng có thể truyền xa hàng trăm, hàng ngànkilômét, thậm chí có thể truyền được tới phía bên kia trái đất.

Kết luận: Qua đặc điểm của các đại lượng sóng âm và môi trường

truyền sóng âm ta thấy:

- Vận tốc sóng âm chỉ phụ thuộc vào môi trường truyền sóng (môitrường càng rắn thì vận tốc càng lớn) mà không phụ thuộc vào tần số vàcường độ sóng âm (công suất nguồn phát dao động)

- Sóng âm có tần số càng cao thì tổn hao càng lớn khi truyền lantrong môi trường

- Trở kháng âm của môi trường càng lớn thì môi trường càng rắn vàcho phép sóng âm truyền với vận tốc càng cao

Sóng siêu âm có thể tạo ra năng lượng lớn, tổn hao vừa phải, bướcsóng đủ nhỏ hơn nhiều so với bề mặt hoạt động của nguồn phát sóng có thể

sử dụng, nên sóng siêu âm có tính định hướng rất cao (tức là năng lượng dosóng siêu âm phát ra tập trung vào một hướng nhất định) được được dùngtrong phương tiện định vị mục tiêu trong môi trường cho độ chính xác cao

1.2 ĐẶC TÍNH LAN TRUYỀN SÓNG ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC [11]

1.2.1 Đặc điểm, nguyên lý, chức năng

Nước là môi trường tuyệt vời để truyền sóng âm Chất lỏng nóichung có trở kháng âm thanh cao hơn vài lần so với chất khí Đây là điềukiện tới để thiết kế các sensor để trở kháng mở chúng tiến gần tới trở kháng

của tải bức xạ, với hiệu suất biến đổi trên 50 % trên dải một octave Có thểđiều khiển và định hướng sự truyền và thu sóng âm dưới nước để thực hiệncác chức năng truyền thông, đạo hàng, phát hiện, bám sát, phân loại, màtrong không gian được thực hiện bằng năng lượng điện từ, sử dụng sonarchủ động

Tiếng nói (dải tần 0,3 ÷ 3,4 kHz) có khả năng lan truyền tốt trong môitrường nước nhưng không thể thực hiện truyền tin dưới nước dưới dạng sóngđiện từ vì tổn hao rất lớn Chỉ những tần số thấp hơn 10 Hz và những tần sốnằm trong phổ ánh sáng mới có thể được sử dụng nhưng cũng rất hạn chế dophổ hẹp (lượng thông tin ít) và cự li không xa Thực tế, cự li lan truyền củacác tia Laser và sóng vô tuyến dải tần thấp này nhỏ hơn 100 m

Thực hiện truyền tin dưới nước nhờ năng lượng sóng âm Tổn haonăng lượng của sóng âm trong môi trường nước biển rất nhỏ so với sóngđiện từ Độ suy giảm sóng âm (bao gồm suy giảm do hấp thụ và suy giảm

do tán xạ, nhiễu xạ sóng trong môi trường nước biển rất phức tạp và khóđánh giá chính xác bằng tính toán lí thuyết mà phải dùng phương pháp thựcnghiệm Trong dải tần dùng trong thông tin liên lạc thủy âm sử dụng côngthức gần đúng sau [4]:

3 2

β=0,036f (1.5)Trong đó,  - độ suy hao sóng âm (dB/km), f - tần số (kHz)

Cần phải nhận thấy rằng, việc đánh giá ảnh hưởng của các nhân tốriêng biệt lên suy hao tổng phụ thuộc vào cự li lan truyền: nếu xét ở cự linhỏ và trung bình thì cần tính đến suy hao do sự mở rộng sườn sóng (càng

ra xa điểm phát xạ, đường kính càng lớn, thì càng nhiều phần tử nước bịdao động nên biên độ dao động càng giảm) nhưng ở các cự li xa thì suy hao

do hấp thụ và tán xạ sóng âm sẽ đóng vai trò chính

Ảnh hưởng lớn lên đặc tính lan truyền của sóng âm là các hiện tượngphản xạ và tán xạ sóng âm ở đáy, mặt biển (nhất là ở các vùng biển nông

như ở Việt Nam), do sự bất đồng nhất của môi trường nước biển Khitruyền tin ở cự li lớn sẽ có hiện tượng thăng giáng tín hiệu ngẫu nhiên (dotổn hao giữa các vùng biển là khác nhau) và cả do sự lan truyền nhiều tiacủa sóng âm (pha-đing) sẽ làm hạn chế hiệu quả của các hệ thống thông tinthủy âm.

b) Phạm vi ứng dụng của các dải tần cho các mục đích cụ thể

Các ứng dụng âm thanh dưới nước cho mục đích quốc phòng, cả bảo

vệ lẫn chống tàu ngầm, đã tiến bộ cùng sự phát triển của tàu ngầm hạtnhân Trong quân sự, âm thanh dưới nước sử dụng để đo độ sâu, đạo hàng,phát hiện tàu và tàu ngầm, dò tìm, liên lạc, phát hiện mìn, dẫn hướng, điềukhiển thủy lôi và những vũ khí khác Phần lớn các hệ là đơn tính, songcũng xác định cả các hệ lưỡng tính [4]

Âm thanh dưới nước cũng có nhiều ứng dụng trong dân sự, đặc biệttrong thủy quyển, đáy đại dương về phía dưới đáy đại dương Những ápdụng đó bao gồm đo độ sâu bằng âm thanh, lập bản đồ địa hình đáy biển,định vị mục tiêu, đài mốc dưới nước (pinge); đo độ cao của sóng, đạo hàngDoppler, tìm cá, tạo chu tuyến địa hình (profile) dưới đáy, tạo ảnh dướinước cho các mục đích thanh tra, định vị đường ống chôn, đo xa và điềukhiển dưới nước, liên lạc giữa các thợ lặn, trợ giúp điều khiển đưa tàu vàocảng, cảnh báo mắc cạn, đo dòng chảy, tốc độ tàu,

Dải tần từ 0,001 ÷ 0,1 kHz: Dùng cho các hệ thống thông tin truyềnlệnh điều khiển, các phương tiện tìm kiếm khoáng sản trên các trạm cốđịnh hay tàu biển

Dải tần từ 0,1 ÷ 1,0 kHz: Các hệ thống thăm dò đáy biển, thềm lụcđịa, địa chất và các hệ thống truyền tin kiểm tra từ xa

Dải tần từ 1,0 ÷ 10 kHz: Các hệ thống thủy âm trên tàu phát hiệnmục tiêu cự li xa, các phương tiện thông tin và điều khiển xa, các rađa quétsườn…

Dải tần từ 10 ÷ 100 kHz: Các phương tiện đánh bắt cá, quét mìn, hải

đồ kế (la bàn), phao thủy âm,…

Dải tần từ 100 ÷ 10000 kHz: Các thiết bị truyền ảnh, hàn siêu âm,khử ô nhiễm trên biển

Dùng cho truyền tin: Giới hạn dưới của dải tần phát cần phải lớn hơn

độ rộng phổ của tín hiệu phát (ví dụ trong chế độ thoại ≈ 5 kHz), còn giớihạn trên thì bị giới hạn bởi tốc độ tăng đột biến của hệ số suy hao sóng âmtrong nước nên thường chọn dải tần từ 5 ÷ 40 kHz, tần số công tác tối ưu

fopt tương ứng với cự li r, cụ thể được tính theo công thức gần đúng sau:

-2 3 opt

f = 62r (1.6)

1.2.2 Các phương trình truyền lan sóng âm trong nước [8]

Khi các phần tử chất lỏng chịu nén, dao động với biên độ nhỏ sẽ xuấthiện sóng âm

Do dao động nhỏ, vận tốc truyền âm v, sự thay đổi tương đối của tỷ

trọng và áp suất chất lỏng cũng nhỏ Vì thế, thừa số vv trong phươngtrình Ơ-ler có thể bỏ qua Cho áp suất và tỷ trọng có thể viết:

' 0

p = p +p, '

0

ρ = ρ +ρ ( 1.7)Trong đó: 0, p0 - tỷ trọng và áp suất cân bằng của chất lỏng, còn ’,p’ - lượng thay đổi của chúng trong sóng âm (’<<0 ; p’<< p0) Khi đóphương trình liên tục có dạng:

t  (1.8)Thay các giá trị (1.7) vào phương trình trên và bỏ qua các giá trị nhỏbậc 2, ta có:

t   (1.9)Phương trình Ơ-le trong trường hợp gần đúng này có dạng:

và (1.10) cho lan truyền sóng âm là v << c, thoả mãn khi ’<< 0

Vì sóng âm trong chất lỏng lý tưởng là đẳng nhiệt, sự thay đổi nhỏcủa áp suất (p’) và tỷ trọng (’) liên hệ với nhau bằng biểu thức:

S p p

0 ' '

  0

0 0 '

tả sóng âm Biểu diễn các giá trị ẩn thông qua một trong hai hàm ẩn đó sẽrất thuận tiện, nếu sử dụng thế vận tốc v  grad  Từ phương trình (1.10)

S

p p

Để làm thí dụ ta xét trường hợp sóng phẳng lan truyền theo trục x,đồng nhất trong mặt phẳng (y, z)

Phương trình sóng có dạng:

1 2 0

2 2 2

x ( 1.16)Nếu đặt: ξ = x-ct ; η = x + ct ,

S

V T

T c

V 



 1

 là hệ số nở nhiệt của chất lỏng

1.2.3 Phản xạ và khúc xạ sóng âm

Sóng âm khi truyền từ môi trường có trở âm Z1 sang môi trường cótrở âm Z2,có thể bị phản xạ hoặc bị khúc xạ tại mặt phân cách giữa hai môitrường Sự phản xạ và khúc xạ này phụ thuộc vào phương truyền sóng, tần

số sóng và trở âm của môi trường (Z) Tùy theo quan hệ trở âm giữa Z1 và

Z2 mà sóng âm phản xạ nhiều hay ít

- Nếu Z1 rất khác Z2, sóng âm hầu như bị phản xạ hoàn toàn tại mặtphân cách giữa hai môi trường

- Nếu Z1 xấp xỉ bằng Z2, sóng âm truyền từ môi trường này sang môitrường kia, không có hiện tượng phản xạ tại mặt phân cách

- Nếu sóng âm tới mặt phân cách giữa hai môi trường theo phươngxiên góc, dưới góc 1, chúng sẽ phản xạ dưới góc 1 và khúc xạ sang môitrường kia dưới góc 2, các quy luật của âm hình học hoàn toàn giốngquang hình học

thêm điều kiện biên trên mặt phân cách Trong trường hợp đang xem xét làđiều kiện khi x = 0, tức là không phụ thuộc vào thời gian, cũng không phụthuộc y, z Vì thế, sự phụ thuộc của nghiệm vào t và (y, z) vẫn được giữnguyên trong toàn bộ không gian và thời gian, tức là , ky, kz của sóngphản xạ và sóng khúc xạ vẫn giữ nguyên như trong sóng tới (kx theo hướngvuông góc với mặt phân cách không giống nhau) Hướng lan truyền của cả

ba sóng đều nằm trong cùng một mặt phẳng

Giả sử  là góc giữa hướng sóng và trục x

Từ đẳng thức ky = c-1sin cho sóng tới và sóng phản xạ ta có:

1 = ’1 (1.23)tức là góc tới 1 bằng góc phản xạ ’1

Từ các đẳng thức tương tự cho sóng tới và sóng khúc xạ, ta có tươngquan giữa góc tới 1 và góc khúc xạ 2:

sin 1/ sin 2 = c1/ c2 , (1.24)trong đó : c1 và c2 là vận tốc âm trong 2 lớp nước tương ứng

Để định lượng cường độ giữa các sóng và qua xác định hệ số phản

xạ, ta biểu diễn các thế năng vận tốc trong các sóng này dưới dạng:

1 = A1exp {i[x/c1 cos1+ y/ c1 sin(1- t)]}

’1 = A’1exp{i[-x/c1 cos1+ y/ c1 sin(1- t)]}

2 = A2exp{i[x/c2 cos2+ y/ c2 sin(2- t)]} (1.25)Trên bề mặt phân cách (x = 0) các áp suất (p = -/t) và các vậntốc pháp tuyến (vx = /x) trong hai môi trường phải bằng nhau Các điềukiện này dẫn đến các đẳng thức:

1 1

A

cρ v (1.27)Sau khi biến đổi, ta có biểu thức xác định hệ số phản xạ:

Nếu môi trường thứ nhất có vận tốc âm c1 lớn hơn vận tốc trong môitrường thứ hai c2 (c1 > c2) thì 1 > 2 tức tia khúc xạ xa pháp tuyến hơn tiatới, này nếu tăng 1 đến một giá trị 1 tới hạn nào đó thì không tồn tại góckhúc xạ 2, lúc này sóng âm xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần

Như vậy hiện tượng phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi truyền sóng âm

từ môi trường có vận tốc âm nhỏ sang môi trường có vận tốc âm lớn hơn

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền sóng âm trong nước biển

a) Tạp âm biển

Tạp âm sinh học (các sinh vật biển: cá, san hô, dong, tảo…): nguồntạp âm này thường gần với anten thu nên ảnh hưởng nhiều đến các thiết bịcao tần, các hệ thống điều khiển xa, các phao thủy âm

Tạp âm kỹ thuật gồm: sự chuyển động của tàu bè, các thiết bị đánhbắt cá, giàn khoan dầu khí, trạm nghiên cứu đại dương, tạp âm nhân tạo…

Tạp âm do các điều kiện địa chấn, băng đá, dòng chảy, thủy triều, vàảnh hưởng của các điều kiện trạng thái bề mặt biển như: mức sóng biển,bão biển, lượng mưa, dịch chuyển của lớp bùn, sỏi dưới đáy biển, sự hìnhthành và tan băng sẽ tạo ra sự nứt vỡ của một lượng lớn bọt khí trong nướcbiển, làm tăng tính bất đồng nhất của môi trường truyền sóng âm

Tất cả các loại tạp âm này làm thay đổi cả về tần số, biên độ và phacủa sóng âm từ nhiều nguồn và theo nhiều hướng khác nhau và đều mangđặc trưng ngẫu nhiên

b) Hiện tượng thăng giáng tín hiệu do lan truyền đa tia

Tín hiệu sóng âm bị thăng giáng tại điểm thu do các nguyên nhânsau:

- Thăng giáng theo không gian: năng lượng âm phân bố theo khônggian nên độ suy hao sóng âm trong quá trình lan truyền sẽ phụ thuộc vào:đặc tính thay đổi tốc độ âm; ảnh hưởng của bề mặt, đáy biển; ảnh hưởng độsâu nguồn âm phát, anten thu,…

- Thăng giáng chọn lọc: độ suy hao phụ thuộc vào tần số Mỗi mộtvùng biển với các đặc tính khác nhau thì có đặc trưng tần số khác nhau

- Thăng giáng do sự truyền lan nhiều tia của tín hiệu là nguy hiểmnhất:

Khi sóng âm lan truyền qua các lớp nước với các vận tốc khác nhauthì quĩ đạo của tia sóng sẽ bị uốn cong về phía lớp nước có vận tốc truyềnlan của sóng âm nhỏ hơn (khúc xạ sóng âm) Như vậy cự li tác dụng củacác phương tiện truyền tin thủy âm sẽ phụ thuộc vào đặc tính phân bố tốc

độ sóng âm, vị trí và hướng đặt của anten trong nước, các tham số vềhướng tính, góc phát xạ của an ten Sự phản xạ sóng âm có thể gây ra hội tụhay phân kì năng lượng sóng âm Do các ảnh hưởng này mà cự li thực tếthường rất nhỏ Việc tăng mức công suất phát để khắc phục sẽ không đạthiệu quả cao do đồng thời tăng mức nhiễu vang Tại điểm thu, tín hiệu làtổng của nhiều tia tới từ nhiều hướng khác nhau:

N

i=1

s(t) = a (t)ξ[t-τ (t)]+n(t) (1.32)

N - số tia tại điểm thu; τ (t)i - thời gian giữ chậm của tia thứ -i; a (t)i

-biên độ của tia thứ -i; n(t) - tạp âm tại điểm thu (nhiễu cộng tính và nhiễu

vang)

Tại những vùng biển nông, do ảnh hưởng đáng kể của đáy và mặtbiển mà sự lan truyền nhiều tia này xuất hiện ở cả những cự li nhỏ Sự lantruyền nhiều tia như vậy sẽ gây ra thay đổi biên độ và pha của tín hiệu sóngmang theo thời gian, nâng cao xác suất lỗi khi thu tín hiệu Chu kì thănggiáng từ một vài phần trăm đến hàng trăm giây

Nhận xét:

- Sóng âm lan truyền với vận tốc khoảng 1500 m/giây, có tốc độgiảm dần khi tăng độ sâu do nhiệt độ của nước giảm đến một mức nào đó,khi áp suất tĩnh tăng lên thì vận tốc sóng âm lại tăng

- Có thể thay đổi độ sâu của anten thu, phát và góc phát xạ để đạtđược kênh truyền tin (tương ứng là cự li truyền) mong muốn

- Khi lan truyền theo kênh trung gian (kênh giữa) có thể đạt được cự

li rất xa và chất lượng ổn định nếu chọn được tần số thích hợp

- Trên thực tế, để tránh các vùng tối (vùng chết-sóng âm không đitới) người ta thường đặt nhiều anten phát ở các độ sâu khác nhau và thườngngang bằng hoặc sâu hơn anten thu, còn anten thu thì đặt dải theo phươngngang tại nhiều vị trí (cả tĩnh tại và cơ động) theo hướng bề mặt.

- Hiện tượng thăng giáng biên độ tín hiệu trong truyền tin thủy âm(pha-đing) là rất nghiêm trọng, đặc biệt là ở những vùng biển nông như ởViệt Nam Ảnh hưởng của điều kiện truyền sóng phụ thuộc nhiều vào thờigian trong ngày (nhiệt độ, mức sóng biển…) nên cần có thuật toán lựa chọntần số công tác phù hợp tương tự như trong thông tin vô tuyến sóng ngắn

Để chống lại ảnh hưởng của lan truyền nhiều tia cần giảm tốc độ truyền tin

Ở cự li cỡ hàng chục km, tốc độ phát thoại thường chỉ đạt 12 ÷ 18 từ/phút,còn trong chế độ báo là 10 ÷ 12 bit/giây Với các cự li xa hơn cỡ hàng trăm

km thì tốc độ này còn thấp hơn nữa

c) Hiệu ứng Doppler và hiện tượng xâm thực bọt khí

* Hiệu ứng Doppler

Trong truyền tin thủy âm, do tốc độ lan truyền của sóng âm trongnước là khá nhỏ (1500 m/s) so với tốc độ lan truyền của sóng vô tuyếntrong không gian tự do nên tỉ số giữa tốc độ tương đối của tàu với tốc độlan truyền của sóng âm là lớn hơn rất nhiều so với tỉ số này trong truyền tin

vô tuyến Giá trị tuyệt đối của tần số sóng mang âm lại nhỏ vì thế mà ảnhhưởng của hiệu ứng Doppler tới sự thay đổi tần số tín hiệu sóng mang rấtnghiêm trọng khi nguồn phát và thu không cố định (theo các nghiên cứu vàtính toán thực tế thì sự thay đổi này có thể đạt tới 5-10 Hz với sóng mang

Ở đây fпр - tần số tín hiệu thu, fи- tần số tín hiệu phát, V- tốc độ

tương đối của nguồn phát và nguồn thu sóng âm, α– góc giữa hướngchuyển động và hướng thu-phát , с- tốc độ sóng âm

Để tránh hiện tượng này phải dùng các tín hiệu điều biên (AM) màkhông dùng điều pha, điều tần Khi dùng điều biên, dải tần tín hiệu phátrộng cỡ 2fmax là khá rộng nên thường phát một dải biên (đơn biên) để giảmnhiễu, tăng hiệu quả công suất phát Tuy nhiên chế độ đơn biên yêu cầu cao

về độ ổn định tần số, nhất là khi chịu tác động của hiệu ứng Doppler nênđây thực sự là một vấn đề kĩ thuật lớn cần khắc phục trong thông tin thuỷ

âm Giai đoạn sau này đã sử dụng cả tín hiệu điều tần giải rộng (điều tầntrên các sóng mang dải rộng gọi chung là tín hiệu điều chế phức tạp nhưtrên hình 1.2)

Hình 1.2: Một số dạng tín hiệu điều chế tần số phức tạp

Để khắc phục, cần thực hiện xử lý số tín hiệu trong đó có áp dụngcác biện pháp mã và giải mã chống nhiễu, sửa sai…Trong sơ đồ sẽ chia rahai cấp xử lý: Xử lý cấp một dùng tuyến thu lọc phối hợp (hoặc máy thutương quan) để chọn đúng tín hiệu thu có mức công suất lớn nhất theo mộtchỉ tiêu tối ưu Xử lý cấp hai là các thuật toán mã-giải mã chống nhiễu, sửasai Phương pháp đơn giản nhất áp dụng trong tuyến thu của các thiết bị

thông tin thuỷ âm là thuật toán thu tương quan Bằng cách tính toán hàmtương quan giữa tín hiệu thu với một tập tín hiệu giả ngẫu nhiên (coi nhưthay cho tập tín hiệu bên phát) được tạo sẵn ở máy thu theo một cách nào

đó để so sánh và tìm ra tín hiệu thu đúng nhất là các tín hiệu giống tín hiệuchuẩn nhất (tương ứng là giá trị hàm tương quan đạt lớn nhất) Như vậy cầnlàm việc với một khối lượng tính toán lớn trong khoảng thời gian thực mớiđạt xác suất lỗi theo yêu cầu và chỉ thực hiện được với sự trợ giúp của kỹthuật tin học

* Hiện tượng xâm thực bọt khí

Khi công suất âm trên một đơn vị diện tích bề mặt công tác củaSensor thủy âm lớn đến mức nào đó sẽ gây ra sự phá vỡ cấu trúc phần nướcngay sát bề mặt phát xạ của Sensor Kết quả là sẽ hình thành các bọt nước(bọt không khí) với mật độ rất lớn, chính là nguyên nhân gây tán xạ nănglượng sóng âm và là nguồn tạp âm Nếu như xảy ra hiện tượng này ở mức

độ lớn, thời gian lâu sẽ phá hủy bề mặt phát xạ của Sensor Đặc trưng tácdụng của hiện tượng này lên quá trình truyền tin phụ thuộc vào vị trí tươngđối giữa nguồn phát và thu cũng như với các giới hạn của môi trường nước(đáy và mặt biển)

d) Nhiễu vang biển [5]

Môi trường nước biển là không đồng nhất (bao gồm các phần tử : cá,rong tảo,… tạo ra màu xanh của nước biển, sự lô nhô của địa hình đáy biển).Tính bất đồng nhất này phá vỡ tính liên tục của tính chất vật lí của môitrường nước - nơi sóng âm lan truyền Các phần tử bất đồng nhất này khi cónăng lượng sóng âm tới sẽ hấp thụ và phát xạ trở lại vào nước một phầnnăng lượng mà nó nhận được Hiện tượng phát xạ lặp lại có thể coi như sựtán xạ sóng âm, còn tán xạ tổng của tất cả các bất đồng nhất trong môitrường được gọi là nhiễu vang biển Về hiện tượng thực tế thì nhiễu vang

được nghe trong khoảng thời gian dài một âm rung có biên độ giảm dầnngay sau khi có xung phát (trong các sonar chủ động) và chính là hiện tượngkhông mong muốn trong các hệ thống truyền tin có công suất phát lớn.

Sự lan truyền của năng lượng âm trong nước theo qui luật giảm dần

cường độ theo khoảng cách, vì vậy cường độ I của nhiễu vang cũng suy giảm theo thời gian t Do tổng của các tín hiệu phản xạ từ số lượng lớn các

bất đồng nhất trong nước là một giá trị ngẫu nhiên nên đường bao củanhiễu vang có đặc tính thăng giáng ngẫu nhiên như minh họa trên hình 1.9dưới đây:

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của cường độ nhiễu vang vào thời gian

Từ hình vẽ thấy rằng, nhiễu vang sẽ “cộng” thêm vào với tín hiệu có

ích và “che lấp” nó Nhiễu vang được xem như có hại (tạp âm), gây khó

khăn cho việc thu và tách lấy tín hiệu có ích Như vậy, nhiễu vang là hiệntượng đi tới điểm thu các tín hiệu giả ngẫu nhiên của chính tín hiệu phát.Điều này giải thích tại sao trong thông tin thủy âm tăng công suất phát lạikhông làm tăng tỉ số tín/tạp tại điểm thu

e) Hấp thụ năng lượng âm trong nước

Do nước có tính nhớt và tính dẫn nhiệt năng lượng của sóng âm bịhấp thụ, cường độ bị suy giảm dần Năng lượng cơ học chính là công cựcđại mà ta có thể thu được khi hệ thống chuyển từ trạng thái không cân bằngsang trạng thái cân bằng nhiệt động học Nhiệt động học cho thấy công cực

đại được thực hiện nếu chuyển biến diễn ra một cách thuận nghịch (tức làkhông thay đổi Entropie) và bằng:

1 2I I

I T

trong đó:  - độ dẫn nhiệt độ của chất lỏng,  - hệ số độ nhớt của chất lỏng,

 - hệ số thứ 2 của độ nhớt, I 1 , I 2 , I 3 là các tích phân (phức tạp nên khôngdẫn ra) Về độ lớn,  và  cùng bậc

Giả sử hướng lan truyền của sóng âm trùng với trục x, thì giá trịtrung bình của 2 hạng tử sau cùng trong (1.38) là:

2 0 2

3

4 2

1

V v

Giá trị trung bình của hạng tử thứ nhất trong (1.38) là:

0

2 0 2

1 1 2

1

V v k c

3

4 2

1

0

2 0 2





 (1.41) Năng lượng toàn phần của sóng âm là:

0 0

2

1

V v

E   (1.42 )Đối với sóng phẳng, cường độ suy giảm theo quy luật exp(-2x), cònbiên độ suy giảm theo quy luật exp(-x),  là hệ số hấp thụ, được địnhnghĩa như sau:

1 1 3

  2  f 2 (1.45)Biểu thức 1.45 cho ta thấy tần số làm việc càng cao thì suy hao cànglớn

Ngoài ra, các đặc trưng lan truyền của sóng âm trong đại dương phụthuộc vào một loạt thông số khác, được khái quát thành độ ồn Nhìn chung,

sự tiêu hao năng lượng sóng âm trong nước biển lớn hơn trong nước ngọthang chục lần vì trong nước biển có muối hoà tan

f) Hấp thụ năng lượng khi sóng âm phản xạ trên bề mặt vật rắn

Ta xem xét hiện tượng hấp thụ năng lượng khi sóng âm phản xạ trên

bề mặt vật rắn với các điều kiện sau đây [9]:

- Tỷ trọng của vật rắn lớn, và sóng âm hầu như không thâm nhập vàobên trong

- Độ dẫn nhiệt của vật rắn lớn, đủ để coi nhiệt độ bề mặt vật rắnkhông thay đổi, khi có sóng âm phản xạ trên đó

Ta chọn hệ toạ độ sao cho bề mặt phản xạ trùng với bề mặt x=0, còn

bề mặt tới của sóng âm là (x, y) Ký hiệu góc tới và góc phản xạ là 

Mức độ thay đổi tỷ trọng trong sóng tới ở một điểm nào đó (thí dụ,tại điểm x=y=0) trên bề mặt sẽ là:

' 1

i t

Ae 

 (1.46) Giả thiết rằng sóng phản xạ và sóng tới có biên độ bằng nhau Khi đótrên bề mặt phân cách:

' 2





     (1.48) Vận tốc chất lỏng trong sóng tới là:

1

' 1

1 c n v

2 c n v





 (1.50) Vận tốc toàn phần trên bề mặt vật rắn là:

v v1 v2 (1.51)nên:

p e c T c A



 (1.53) Mật độ năng lượng tản mát toàn phần trên bề mặt là:

E cohoc A2c2 2  /   c p/c v 1 sin2 v (1.54)

Mật độ trung bình của dòng năng lượng trên một đơn vị diện tích bềmặt là:

cv2

1cos = (c3A2/2)cos (1.55)Năng lượng sóng âm bị bề mặt hấp thụ :

E hấp thụ = 2 2 / cos  sin 2  / 1 



 c p c v v

1.2.5 Đặc trưng lan truyền sóng âm trong nước biển

a) Đặc trưng lan truyền sóng âm trong điều kiện đẳng nhiệt

- Trong lớp nước đẳng nhiệt, vận tốc âm tăng theo độ sâu vì áp suấtchất lỏng tăng theo độ sâu Sóng âm lan truyền trong nước với vận tốc thayđổi luôn có xu hướng lệch về phía có vận tốc nhỏ hơn, tuân theo định luậttia sóng của Snellius, có dạng như sau:

c1/ cos 1 c2/ cos 2  c n/ cos n (1.58)trong đó cn là vận tốc âm trên biên của lớp n, mà qua đó tia âm đi vào lớp;

n - góc trượt của tia tới trên mặt đó

Định luật Snellius cho phép giải thích các hiệu ứng khác nhau (vùngtối, các kênh âm) thường gặp khi sóng âm lan truyền trong nước biển trên

cự ly lớn

- Chùm tia do nguồn âm phát ra lan truyền trong lớp nước đẳng nhiệtluôn có xu hướng đi lệch lên trên, nơi có áp suất nhỏ hơn Nếu như nguồn

âm được bố trí ở độ sâu, nơi âm có vận tốc c0, tia âm phát ra từ đó dưới góc

0 sẽ trở thành tia sóng truyền ngang, ở độ sâu tương đương vận tốc âm là

c1= c0/cos0 Cự ly lan truyền âm (từ nguồn được bố trí sao cho trục âm

nằm ngang và có đặc trưng hướng hẹp trong mặt phẳng đứng) phụ thuộcvào độ sâu nguồn phát, độ rộng đặc trưng hướng trong mặt phẳng đứng và

độ sâu đầu thu Chỉ có những tia phản xạ từ bề mặt mới đến được nơi xahơn cự ly đó trong nước sâu Vùng được chiếu rọi bởi các tia phản xạ từ bềmặt gọi là vùng tối

b) Đặc trưng lan truyền sóng âm trong vùng nước nông

Không thể sử dụng lý thuyết tia âm, mà phải sử dụng lý thuyết sóng

âm thông thường để nghiên cứu quá trình truyền âm trong vùng nước nông,bởi vì ở đó lớp nước tương tự ống dẫn sóng Trạng thái mặt nước, tính chấtbùn đất, địa hình đáy biển có vai trò quan trọng, bởi vì chúng ảnh hưởngtrực tiếp đến tổn hao khi sóng âm phản xạ từ đó Tuy nhiên, để đánh giáhiệu năng của sonar, phải sử dụng các quy luật lý thuyết tia âm [13]

Giả sử nguồn âm đặt tại điểm (0, 0) trong lớp nước có bề dày z = H.Khi ấy, tại điểm (r,z) sẽ xếp chồng các sóng tới và sóng phản xạ từ bề mặt

và đáy lớp nước Sóng phản xạ từ các bề mặt phân cách có thể xem là sóngphản xạ từ nguồn “ảo” và là nguồn gương của nguồn âm thực trong mặtphẳng tương ứng với z = H và z = 0

Trong lớp nước đồng nhất, năng lượng tổng hợp của trường âm đượcxác định theo quy luật “3/2”:

) 2 1 ( 24

Theo đánh giá của Brekhovski, biểu thức trên đúng khi thoả mãnđiều kiện: [4]

2 , 1

 = Rm1 , 2 2 1

2 ,

'' 2 / 3

d

D f r

d

C D

V f

(

) ( ln )

( '

) ( ln )

0 (

d

d d

Ctg D

c) Đặc trưng lan truyền trong vùng nước sâu

Trong đại dương bao la thường gặp hiện tượng tồn tại lớp bề mặt đồngnhất (đẳng nhiệt) hay gradient nhiệt độ dương không lớn, mà dưới đó có lớpnước với gradient nhiệt độ âm Trong những điều kiện ấy, tia âm phát ra dướigóc  trong lớp bề mặt sẽ bị bẻ cong và trở thành tia ngang trên biên của hailớp nước Tất cả các tia phát ra dưới góc nhỏ hơn  đều bị uốn cong về phíatrên và không chạm được biên phân cách hai lớp nước Tất cả các tia phát ra

dưới góc lớn hơn  sẽ bị uốn cong về phía dưới, xuyên qua biên phân cách,sau đó uốn cong mạnh xuống dưới Hiện trạng vừa nêu dẫn đến sự hình thànhvùng tối, nơi mà các tia âm tới không thể thâm nhập được, do bị khúc xạ Tuynhiên, các tia âm phản xạ từ bề mặt lại có thể thâm nhập vào vùng tối Mứctín hiệu mà đầu thu có thể nhận được sẽ phụ thuộc vào khoảng cách giữa máythu và máy phát, độ sâu cña chúng và đặc trưng phân bố vận tốc âm theo độsâu

Vì tia âm luôn luôn bị uốn cong về phía lớp nước có vận tốc âm nhỏhơn, nên một phần năng lượng âm phát ra trong lớp đó sẽ được giữ lạitrong kênh, có trục ở độ sâu ứng với vận tốc âm nhỏ nhất Kênh âm nàyđược gọi là kênh âm nước sâu Cũng có thể tồn tại kênh âm gần bề mặt,nếu gradient nhiệt độ trong lớp nước đó làm xuất hiện cực tiểu vận tốc âm

Khi nghiên cứu lan truyền âm trong đại dương cần phân biệt haitrường hợp điển hình, đó là lan truyền theo kênh và lan truyền không theokênh Khi truyền âm không theo kênh, năng lượng âm tập trung chủ yếu ởcác lớp nước phía dưới Ngược lại, khi âm lan truyền theo kênh thì phầnlớn năng lượng âm nằm trong kênh, tổn hao năng lượng không lớn lắm, nên

cự ly lan truyền xa, có trường hợp tới hàng nghìn km Tuỳ thuộc vào vị trítồn tại mà người ta chia kênh âm thành kênh bề mặt và kênh ngầm [14]

* Kênh âm bề mặt

Kênh âm bề mặt có thể nằm ở độ sâu 60-90 m tính từ mặt biển và trảitrên diện tích lớn Vị trí kênh âm không cố định, mà thay đổi tuỳ theo “kênh”nhiệt độ Có trường hợp kênh âm “nóng” nằm xen giữa hai lớp nước lạnh hơn

Kênh âm bề mặt có đặc điểm cơ bản là truyền lan theo nhiều tia vµ lýthuyết tia sóng có thể áp dụng được khi <<Zgh ( Zgh là giới hạn của kênh âm

bề mặt )

Quan hệ giữa vận tốc âm và độ sâu được mô tả như sau:

c Z  c01a Z  (1.67)trong đó: c0- vận tốc âm trên đường ngang qua nguồn âm (Z = 0);

a - gradient vận tốc tương đối

Hình ảnh sóng trong điều kiện kênh âm bề mặt tương ứng với sựphân bố vận tốc âm được vẽ ở hình 1.4

Hình 1.4: Hình ảnh sóng âm trong kênh bề mặt

* Kênh âm ngầm

Xét dạng điển hình của kênh âm ngầm có bức tranh tia như trên hình 1.5

Hình 1.5: Hình ảnh sóng âm trong kênh ngầm (Nguồn âm được bố trí trên trục kênh)

Tuy có sự thay đổi lớn ở phần trên của đường cong C(z) (phụ thuộcvào thời gian trong năm), nhưng trên đặc tuyến phân bố vận tốc âm có thểtách đoạn có gradien âm (đến trục kênh âm ngầm) và đoạn có gradiendương sau đó

Từ hình vẽ ta thấy đặc tính của bức tranh tia phụ thuộc vào vị trí củanguồn âm so với trục kênh âm ngầm Khi dịch chuyển nguồn âm gần trụckênh âm ngầm sẽ xuất hiện nhóm tia truyền lan trên cự ly lớn, mà khôngsuy giảm trong phạm vi kênh

Trên hình 1.6 biểu diễn sự phụ thuộc của vận tốc âm vào độ sâu vàbức tranh tia, khi đặt nguồn âm gần bề mặt Các tia sóng giới hạn bởi cácgiá trị 01m và 02m tạo ra kênh, trong đó năng lượng âm truyền tải không

bị mất mát khi phản xạ từ các biên của kênh Trường âm trong trường hợpnày có cấu trúc miền: vùng nguồn âm và hướng nằm trên trục kênh âmngầm, sau đó là vùng lặng âm, đến vùng hội tụ thứ nhất, rồi lại tiếp tụcvùng lặng âm, vùng hội tụ thứ hai,

Hình 1.6: Hình ảnh sóng âm trong kênh ngầm (Nguồn âm bố trí gần mặt biển)

Khi nguồn âm định hướng phát xạ liên tục, trường âm được đặc trưngbằng kênh năng lượng xác định kích thước góc cắt bề mặt Ở mức quan sát cố

định thì khoảng cách tới miền hội tụ, độ rộng và độ dày là các thông số củamiền hội tụ Các thông số này phụ thuộc vào vị trí trục kênh, vận tốc âm ở đáy

và trên bề mặt Ở điều kiện tiêu chuẩn, khoảng cách đến miền hội tụ thứ nhấtkhoảng 5570 km, đến miền hội tụ thứ hai là 110140 km, Độ rộng củamiền thứ nhất khoảng 1015 km, của miền thứ hai 20 km Độ dày củamiền thứ nhất có thể đạt tới vài trăm mét Kích thước vùng truyền âm tăngtheo số miền, còn kích thước vùng lặng âm thì ngược lại, giảm khi số miềntăng Trong điều kiện thuận lợi có thể đạt tới 11 miền hội tụ

Độ sâu của nguồn âm tăng làm vùng hội tụ mở rộng và vùng lặng

âm co lại Nếu đặt bộ phát xạ trên trục kênh âm ngầm thì sóng âm lantruyền trong toàn bộ kênh âm

Trong nhiều trường hợp, miền hội tụ tồn tại ở các độ sâu khác nhau.Thí dụ, ở các vùng biển với vận tốc âm bề mặt lớn hơn vận tốc âm ở đáy(cbm> cd), nguồn âm được bố trí sao cho mức vận tốc âm nhỏ hơn vận tốc

âm ở đáy biển

Thông qua cấu trúc miền của trường âm cũng có thể đánh giá một sốtham số như: thời gian truyền, độ dài miền hội tụ,

Các đặc trưng miền vừa trình bày trên cho kênh âm bề mặt và kênh

âm ngầm thể hiện rõ nét ở miền tần số đủ cao Khi tần số giảm, hiệu suấtkhúc xạ tăng, vùng lặng âm giảm, cấu trúc miền của trường âm có thể bịphá vỡ

1.2.6 Vài nét về thuỷ âm biển Việt Nam [1]

Về mặt thuỷ âm, có thể chia biển Việt Nam thành 3 khu vực chính:

- Khu vực 1: bao gồm thềm lục địa, vùng Tây Bắc và Tây Nam biểnĐông;

- Khu vực 2: vùng biển sâu phía Bắc;

- Khu vực 3: vùng biển sâu phía Nam

Trong nước biển Việt Nam hiện tượng kênh âm bề mặt (xem phụ lục 1)xuất hiện quanh năm, nhưng thường xuyên nhất là từ tháng 10 đến tháng 3,với xác suất là 70 % Độ dày kênh âm bề mặt khoảng 3050 m Trong giaiđoạn từ tháng 4 đến hết tháng 9 xác suất xuất hiện là 60 %, độ dày kênh âmkhoảng 2030 m Hiện tượng khúc xạ ở lớp nước bề mặt xảy ra phổ biến từtháng 4 đến tháng 10 (42 %) và từ tháng 11 đến tháng 3 (27 %).

Vùng truyền âm xa xuất hiện chủ yếu ở độ sâu trên 100m, cách vùngtruyền âm thứ nhất chừng 4853 m và trải dài 15 km Độ dài vùng truyền

âm gần trong thời gian từ tháng 11 đến tháng 3 khoảng 1,66,9 km, còn tronggiai đoạn từ tháng 4 đến tháng 10 là 1,44 km

Trong khu vực 2 và khu vực 3 quan sát thấy phân bố vận tốc âm theo

độ sâu có dạng như ở phụ lục 1

Đặc trưng khu vực 3 là không tồn tại vùng truyền âm xuất phát từ bềmặt và vùng phân bố với tính chất phản xạ đáy Hiện tượng kênh âm bề mặtxuất hiện quanh năm, với độ dày 30  50 m

Hiện tượng khúc xạ ở lớp bề mặt xẩy ra trong khoảng thời gian từtháng 11 đến tháng 3, với xác suất trên 20 % Vùng truyền âm xa cũng nhưvùng thuỷ âm thứ hai thường thấy ở độ sâu trên 100 m Độ dài vùng truyền

âm thứ nhất 4252 km, chiều rộng từ 2 đến 6 km Chiều rộng vùng truyền

âm gần từ tháng 12 đến tháng 2 thay đổi trong khoảng từ 2 đến 4 km; còn từtháng 3 đến tháng 11 là 1,6  4,0 km Đặc điểm phan bố vận tốc âm được thểhiện ở phụ lục 1 và phụ lục 2

1.3 KẾT LUẬN

Trên đây đã đề cập tới quá trình truyền sóng âm trong môi trườngnước, với những đặc tính riêng Nội dung chương đã giới thiệu được cácvấn đề:

+ Sóng âm và các tham số cơ bản

+ Đặc trưng lan truyền của sóng âm, ảnh hưởng của môi trường đếnqua trình truyền sóng.

Đó là tiền đề cơ bản để nghiên cứu các chương tiếp theo của đồ án

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT SENSOR THỦY ÂM

VÀ NGUYÊN LÝ TẠO TRƯỜNG ÂM THANH

2.1 NGUYÊN LÝ SENSOR SÓNG ÂM DƯỚI NƯỚC

Các sensor thực hiện chức năng tạo ra sóng âm trong môi trườngnước hoặc phát hiện sự tồn tại của sóng âm cũng như các tính chất của nó(chẳng hạn biên độ, pha) Trong trường hợp tạo ra sóng âm, bộ chuyển đổiđược gọi là nguồn Trường hợp chỉ để phát hiện (dò trình), được gọi là thiết

bị thu Trong thực tế, ta cần bộ Sensor phải thực hiện được cả hai chứcnăng Các sensor đơn hoặc mạng Sensor có thể được thiết kế các dạng định

hướng (giản đồ hướng) của năng lượng âm thanh sinh ra để phân biệt vớitiếng ồn trong trường hợp chỉ dò tìm (thu).

Chức năng của Sensor tạo âm thanh là biến đổi năng lượng vào(thường là điện năng) thành năng lượng âm thanh theo cách truyền thốngsao cho hiệu quả và tương thích với các thành phần khác của hệ thống âmthanh Ở thiết bị thu âm dưới nước, thực hiện biến đổi tuyến tính tín hiệu

âm thanh thành tín hiệu điện là chức năng cơ bản và phải duy trì tính tươngthích với những thành phần khác

Quá trình biến đổi năng lượng của Sensor được thực hiện bằng mộttrong các hiện tượng vật lý Ví dụ: áp điện và điện giảo, áp từ và từ giảo,điện động lực và từ động lực, các biến đổi hóa học và thủy động lực

Việc chọn cơ chế chuyển đổi và thiết kế Sensor dựa trên các tham số:Tần số làm việc, dải thông, công suất (âm thanh và điện); các tính chất địnhhướng; các đặc trưng của các chất biến đổi năng lượng khả dụng, các vậtliệu dùng để lắp ráp, kèm theo những điều kiện về độ ổn định với áp suấttĩnh, nhiệt độ, thời gian, sự sinh hốc cộng hưởng và những hiệu ứng kháccủa môi trường; sự ảnh hưởng của áp suất tĩnh gặp ở những độ sâu lớn khithiết kế Sensor nói chung và các tham sổ riêng của nó khi làm việc Hiệnnay trên thế giới đã có những phát triển quan trọng về đo lường hiệu chuẩn,thử nghiệm tính năng của các bộ chuyển đổi trong phòng thí nghiệm cũngnhư trong môi trường đại dương kèm theo các tiêu chuẩn cũng đã đượcthiết lập,

2.2 TÍNH CHẤT CHUNG CỦA SENSOR

2.2.1 Phân loại Sensor

Có hai loại sensor chính dùng làm nguồn âm thanh dưới nước: Loạilàm việc với đầu vào sóng âm liên tục hoặc điều biến (biên độ, tần số) và loạilàm việc như các nguồn xung Loại thứ nhất áp dụng khá nhiều trong quân sự.Loại thứ hai áp dụng chủ yếu cho ngành hải dương học và địa vật lý

2.2.2 Sensor sóng âm liên tục và điều biến

Đây là các sensor thiết kế cho các áp dụng dưới nước sử dụng cácvật liệu biến đổi năng lượng áp điện, điện giảo, hoặc từ giảo Tinh thể ápđiện, ví dụ như thạch anh, có mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng vàđiện trường Tuy vậy môi trường ứng dụng chúng bị hạn chế do hằng sốđiện môi thấp, hệ số ghép điện cơ thấp (tỷ số năng lượng biến đổi trên tổngnăng lượng vào trong sensor) dải thông hẹp, khả năng xử lý công suất thấp,hạn chế về mặt hình học Nói chung có thể cho hiệu suất biến đổi rất cao,các sensor thạch anh có hiệu suất trên 90 % đã được thiết kế trên thế giới.

Tinh thể sắt điện (xenhet điện), dưới dạng đơn tinh thể hoặc đa tinhthể, thường là điện giảo, có các tính chất phi tuyến bậc cao trong trạng thái

tự nhiên của chúng Khi có tác dụng của điện trường phân cực, các quátrình điện, cơ ở những vật liệu đó có thể trở thành tuyến tính hóa ở một dảikhá rộng trong môi trường làm việc Những vật liệu này có ưu điểm làhằng số điện môi cao (đưa đến trở kháng thấp), hệ số ghép điện cơ cao, dảithông rất rộng, khả năng xử lý công suất cao khi được sử dụng đúng và cóthể có rất nhiều dạng (tấm, ống, vòng, mặt cắt, đối cầu ) Hiệu suất có thểđạt tới 70 %, tần số làm việc 1 Hz  10 MHz

Vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong nhóm áp điện là chìZinriconat titanat cải biến và bari titanat cải biến Đặc tuyến dòng điện phát

và điện áp lý tưởng của sensor khi sử dụng các vật liệu trên như hình 2.1(a,b), f0 là tần số cơ của sensor

Áp suất âm (ampe,db)

0

(a) -10

-20 6db/octave -6db/octave

-30

-20

-30

Tần số Hz

0.5f0 f0 2f0

Hình 2.1: Đặc tuyến dòng và điện áp phát lý tưởng

đối với bộ Sensor áp điện (a): Đặc tuyến dòng, (b): Đặc tuyến áp

Điện kháng (Ohm)

Hình 2.2: Vị trí trở kháng

lý tưởng hóa đối với sensor áp điện

Hình 2.2 cho thấy đặc tuyến trở kháng điển hình của các sensor từgiảo phụ thuộc vào sự trao đổi năng lượng giữa các dạng từ và cơ Ở trạngthái không phân cực, những bộ chuyển đổi này là phi tuyến, tần kép Tuynhiên ở trạng thái phân cực (đạt được nhờ nam châm vĩnh cửu, dòng mộtchiều hoặc cảm ứng từ dư) chúng là dụng cụ tuyến tính (tức là áp từ) Vậtliệu thường sử dụng là hợp kim Niken và ferit khác nhau

Các bộ sensor từ giảo thiết kế đúng có thể đạt công suất âm thanhbức xạ vài kW với hiệu suất h = 50 %, tần số làm việc f  100 kHz Hình2.3 là đặc tuyến dòng phát lý tưởng

2.2.3 Sensor nguồn xung

Các cảm biến âm thanh xung tạo ra xung thời gian ngắn, chuyển tiếp

Áp suất âm thanh (ampe,dB)

Hình 2.3: Đáp ứng dòng điện truyền lý tưởng

đối với sensor từ giảo

biên độ dạng sóng tương đối đều Ví dụ, các chất nổ (TNT hoặc các hóachất có tốc độ cháy cao) kích nổ bằng thủy tĩnh, điện, hoặc ngòi nổ tạo ratrong đại dương, sóng có phân rã hàm mũ, sau đó là một chuỗi các xungbọt Sóng xung kính thường mạnh tới mức các hiệu ứng biên độ hữu hạncuối cùng thấy rõ được Hình 2.4 là đặc tuyến biểu diễn sự phụ thuộc của

áp suất vào thời gian đối với nguồn nổ

Hình 2.4: Đặc tuyến biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất vào thời

gian đối với nguồn nổ

Có thể biến diễn áp suất P0 bằng các công thức kinh nghiệm sau:

T = 3,35W1/3(0,0305d + 10,1)5/6 (2.3)Trong đó d là độ sâu (m), r là tầm (m), w là hiệu suất tương đươngcủa TNT (kg)

Các liều thuốc nổ trọng lượng từ 1 aoxơ đến 30 pao là thông dụng.Lượng thuốc nổ TNT 4 pao có thể tạo ra mức áp suất ở 1 km là 4 MPa.Những sensor kiểu xung khác bao gồm các dụng cụ nổ định hướng, cácthiết bị tạo khe phóng điện, khí nén, va đập cơ học

2.2.4 Sensor thụ động nghe dưới nước

Máy thu trong hệ thống Sonar sử dụng các sensor dưới nước hoặcmạng sensor dưới nước Các phần tử của sensor dưới nước sử dụng các vậtliệu áp điện biến đổi năng lượng Mặc dù có thể sử dụng các cơ chế từ giảo

và điện động lực Độ nhạy của cảm biến nghe dưới nước thường 180-200

dB tương ứng 1v/Pa Yêu cầu phải phối hợp trở kháng đúng và độ khuếchđại thích hợp để thu được các mức định áp hữu ích Hình 2.5 là đáp tuyếnthu mạch hở lý tưởng cho cảm biến nghe dưới nước áp điện

2.3.1 Nguyên lý âm thanh

Tạo ra trường âm thanh trong môi trường nước bao gồm đầu vàođiện vốn được các sensor biến thành chuyển động của bề mặt tiếp xúc vớimôi trường Chuyển động khởi phát bởi bề mặt động của sensor đượctruyền cho các hạt nước lân cận và sóng âm truyền đi từ bề mặt của nó

Áp suất âm thanh trường xa tạo ra bởi các sensor chủ động có thểđược mô tả theo công suất âm thanh bức xạ Pa bởi

a i

p (r, , )  cP D R( , ) / 4 r   (2.4)

Trong đó p (r, , )  - áp suất âm thanh bình phương trung bình (Pa);r,,) - tọa độ cầu, r theo mét; c - tích của mật dộ tốc độ sóng âm của môitrường, tức là trở kháng âm thanh riêng của môi trường (N.s/m3); R() -hàm giản đồ chuẩn hóa; và Di - hệ số định hướng của sensor chủ động.

Hệ số định hướng được định nghĩa như sau:

Ví dụ về giản đồ chùm chuẩn hóa như ở hình 2.6 Hình này cho thấy

đồ thị 10lgp2 (,,r) phụ thuộc  đối với giá trị đặc biệt  = k Chia phươngtrình 2.4 cho bình phương dòng vào Sensor I2và sắp xếp lại theo tham số tađược: