Sổ tay hàng hải - T1 - Chương 17

Sổ tay hàng hải - Tập 1 - Chương 17: Máy đo sâu hồi âm

17 MAY bO SAU HOI AM

17.1 Nguyên lý hoạt động

Máy đo sâu hổi âm hoạt động như sau, người ta đặt một nguồn

phát sóng âm A và một thiết bị thu sóng âm C (hai thiết bị năy

có cùng nguyên lý hoạt động, vì vậy người ta thường dùng

chung một thiết bị gọi là biết bị thu phát dùng cho cả phát lẫn thu sóng âm) dưới đáy tàu gọi là bộ tao dao déng (transducer)

Máy phát sóng âm cứ cách một khoảng thời gian nhất định phát ' :

về phía đáy biển B một xung sóng siêu âm theo chiéu thẳng đứng (Hình 17.01) Sóng siêu âm này khi đến đáy biển thì phần hổi trở về đáy tàu và tác dụng vào bộ tạo dao động Tín hiệu

phan hồi thu được dưới dang tín hiệu điện được chuyển cho bộ

Bs phận khuếch đại rồi đưa sang thiét bi-chi báo Bằng các phương

Hình 17.01 pháp điện và cơ, bộ phận chỉ báo tính toái và chỉ báo ra độ

Độ sâu của đáy biển được xác định bằng cách đo thời gian t từ khi phát đến khi thu được

sóng phần hồi, : sử :

Trong đó,

d - Khoảng cách từ đáy tàu đến đáy biển (độ sâu) - : x :

v - Tốc độ sóng âm trong nước

t- Thời gian sóng âm truyền lan từ bộ tạo dao động phát đến đáy biển và trở về

bộ tạo dao động thu

Giống như trong không khí, trong nước biển sóng âm truyền lan từ nguồn phát âm về mọi

phía Nói chung tốc độ truyển lan của sóng âm trong nước là cố định 1505 mét/s (chỉ trừ những trường hợp đặc biệt chịu ảnh hưởng bởi sự biến đổi tính chất vật lý của nước thì tốc độ

này mới thay đổi)

Một máy đo sâu hổi âm thường có các bộ phận : thiết bị chỉ báo, máy phát, thiết bị khuếch

đại, bộ tạo đao động (thu phát) và máy biến dòng cung cấp nguồn điện (Hình 17.02) Tùy theo thiết kế từng loại máy, các bộ phận này có thể ghép thành từng khối hoặc để riêng Trong thiết bị chỉ báo, ngoài bộ phận chỉ báo độ sâu còn có bộ phận điểu khiển máy phát tạo

thành bởi bánh xe lỗi và các tiếp điểm Máy phát thông qua sự điều khiển của máy chỉ báo

sẽ phát năng lượng (năng lượng này được tích lũy trong khoảng thời gian giữa hai lần phát

SỐ TAPHÀNG HÃI 646

năng lượng) vào cuộn đây dao động phát ở bộ phận phát sóng Được cấu tạo bằng nguyên

liệu đặc biệt, bộ tạo dao động phat sau khi nhận năng lượng (xung điện) từ máy phát sẽ tạo

ra dao động sóng siêu âm và truyền lan về phía đáy biển Sóng siêu âm từ đáy biển quay về

tác dụng vào bộ phận tạo đao động thu, ở đây năng lượng sóng âm chuyển thành năng lượng điện và đưa sang bộ phận khuếch đại Tín hiệu sau khi được khuếch đại đến mức đủ lớn

được chuyển về thiết bị chỉ báo độ sâu

¬_——”)

S®e

Thiết bị ất bì chỉ Thiết bị

phát Xung Thiết bị chỉ báo khuyếch đại

Máy phát Máy thu

Hình 17.02

Theo như hình 17.01, thì AB=BC > d, như vậy d đo được sẽ có sai số Tuy nhiên, nếu may do sâu dàng chung một bộ ?qo dao động thu phát và phát định hướng vuông góc với đáy biển thì

sai số này không tổn tại nữa

17.2 Phản xạ, khúc xạ, hấp thụ và tốc độ của dao động sóng âm trong nước

Trên thực tế, do đặc tính kỹ thuật của máy phát, sóng siêu âm được phát về phía đáy biển ,:

thành một chùm tia (beam) gồm có nhiều cánh sóng cạnh với công suất nhỏ và cánh sóng chính có công suất tập trung Các cánh sóng cạnh chịu ảnh hưởng của khúc xạ, và hấp thụ bởi nước biển và phần xạ rất yếu Thực tế, chỉ có cánh sống

biệt ở góc độ mà công suất đạt trên một nửa công suất

phát, là có sóng phản xạ đủ mạnh để máy thu có thể tiếp Tư

nhận Hơn nữa, tuỳ theo độ sâu của đáy biển cường độ

phản xạ biến đổi rất lớn

A Sông canh

A a

Các máy đo sâu dùng cho thương thuyễn có thể đo được độ Góc nữa him tia

sâu từ 1000 1500m, độ sâu nhỏ nhất có thể đo được là 1⁄2 Ũ phat 15~22°

đến 1 mét

›

Tốc độ của sóng âm trong nước biển với độ mặn 3,4% và

nhiệt độ 16°C gần như không đổi là 1505 m⁄s, thông thường

máy đo sâu được thiết kế cho tốc độ sóng âm 1500m/s

Khi nhiệt, độ mặn và áp suất của nước tăng lên thì tốc độ,

của sóng âm trong đó cũng tăng lên theo Trong thực tiễn,

việc áp dụng một tốc độ sóng âm cố định khi thiết kế sinh ra sai số không lớn Khi tàu chạy

từ nước biển sang nước ngọt thì thì độ sâu thực tế trong nước ñgọt nhỏ hơn chừng 3% độ sâu

Hình 17.03

SO TAY HANG HAI 647

chỉ báo trên máy Đồ thị hình 17.04 biểu thị quan hệ hàm số của tốc độ sóng âm trong nước

biển với nhiệt độ, độ mặn, hình 17.05 biểu thị quan hệ hàm số của tốc độ sóng âm với nhiệt

độ, độ mặn và áp suất khi gia tăng độ sâu Nếu yêu câu độ sâu có độ chính xác cao thì cố

thể hiệu chỉnh theo các đồ thị này

Tốc độ thuỷ âm: v(tms)

1460 7O 180 1490 — BOO

Độ mặn ge

3

1420

8

1400

Nhiệt độ nuốc biển (0)

8

Số lượng xung được phát đi trong một phút khoảng 10 đến 600 xung Tai người chỉ có thể nghe dude tin sé 100 Hz dén 18 kHz Tần số phát của máy phát càng giảm thì hấp thụ của nước biển đối với sóng âm càng giảm Tân số

sóng siêu âm dùng trong máy đo sâu được Thạch anh

chọn từ từ 30 đến 50 KHz Tần số này vượt xa / \ | L

tần số nghe được vì vậy gọi nó là (ẩn số siêu L rc ++ 7]

PTT

âm

Bộ tạo đao động được chia ra làm hai kiểu: " Hình 17.06

17.3.1 Bộ tạo dao động điện động

++

17.3 Bộ tạo dao động

Một số loại tỉnh thể có đặc tính khi cho lực ép

cơ học tác dụng vào hai mặt của nó thì giữa

hai mặt đó sinh ra hiệu điện thế ngược đấu

trên hai bể mặt tỉnh thể Nếu lực ép biến

thành lực kéo thì điện thế sẽ đổi dấu Hình

trên tỉnh thể thạch anh khi có tác dụng của áp - _ Tấm kim loại van Bach 1 Tổ đây

lực Khi tỉnh thể đặt vào trong một dao động

cơ học thì nó tạo ra điện thế xoay chiều giữa

hai bể mặt tỉnh thể Tinh thể còn có một đặc

tính ngược lại, khi cho một điện thế xoay

chiều tác dụng lên hai mặt của nó thì chiều

dày của nó biến đối lúc co lúc dan tao thành

đao động cơ học

Hình 17.07

Nhờ các đặc tính nói trên, tỉnh thể được sử

dụng để làm bộ tạo đao động phát kết hợp với bộ tạo dao động thu của máy đo sâu đình

SO TAY HANG HAI 648

17.07) Trong hình, miếng tính thể thạch anh được kẹp vào giữa hai tấm kim loại, khi có điện áp tác dụng vào hai mặt kim loại thì đao động được tạo ra trên tỉnh thể và cả trên hai tấm kim loại và hình thành sóng âm truyền lan ra vào trong nước theo hướng vuông góc với

bể mặt tấm kim loại Tần số của điện áp xoay chiều được chọn cộng hưởng với tấn số tự

nhiên của tỉnh thể và kim loại Khi sóng âm phần xạ trổ về tác dụng vào hai tấm kim loại

bằng lực cơ học làm cho tỉnh thể sình ra điện thế xoay chiều, nó được đưa sang bộ phận khuyếch đại và chỉ báo độ sâu Tinh thé PZT được sử dụng cho mục đích này, và dùng cho

cả mục đích phát và thu sóng âm

17.3.2 Bộ tạo dao động thu phát từ động

Thanh kim loại

30x 10-8

Từ

trường

/ t 9

Hình 17.08 5

B -10

§ -20

A v tư v v s

2 -30

f

Gường độ từ trường

Hộp nối điện

Bộ dao động thu phat

Chua day

nuge ngot

A ton day tau

; * mas ì € x

H ‡ + ‡ ’

ob 4 i fot

Khi một thỏi sắt từ đặt trong từ trường thì nó biến đổi chiêu dài (Hình 17.08) Biên độ biến , đổi chiều đài phụ thuộc vào vật liệu của thỏi kim loại và cường độ của từ trường, chiều dài

của thỏi kim loại có thể kéo dài ra hoặc thu ngắn lại, Trong các loại kim loại cobalt, thép và nickel thì nikel có hiệu ứng co đãn mạnh hơn cả (Hình 17.09) Khi thỏi nikel được đặt vào

một cuôn dây cho dòng điện xoay chiều chạy qua ( Hình 17.10), nó sẽ co dãn với tần số gấp

SO TAY HANG HAI 649

đôi tần số dòng điện Kích thước của thỏi nikel được thiết kế sao cho tần số tự nhiên của nó cộng hưởng với dòng điện thì cường độ dao động rất mạnh Dao động cơ học của thỏi nikel

nhận được bằng cách này sẽ truyén lan vào trong nước

Hiện tượng ngược lại cũng xảy ra đối với thanh nikel, lực cơ học biến đổi (sóng âm phần hồi) tác dụng lên nó, thì kích thước của thỏi nikel cũng thay đổi và tạo ra từ trường biến đổi, từ trường biến đổi tạo ra dòng điện xoay chiều trong cuộn dây quấn quanh nó Cho nên hiệu

ứng từ động được áp dụng cho cả phát và thu sóng âm Hình 17.11 là một bộ tạo đao động theo nguyên lý từ động, hình 17.12 biểu thị cách lắp đặt bộ phận này dưới đáy tàu

17.4 Thiết bị chỉ báo và thiết bị tự ghỉ

Để có thể đọc được độ sâu, máy đo sâu có các loại thiết bị chỉ báo: thiết bị chỉ báo bằng

điod phát sáng, chỉ báo kỹ thuật số và thiết bị tự ghi

17.4.1 Thiết bị chỉ báo bằng diod phát sáng (Hình 17.13)

Đấu hiệu phát sông

S Đầu dò cảm ứng

sọ

Thanh

kim loại 35 kích phát

\ Diod phat s4rig Tiép diém 1d xo

Hinh 17.13

Hoạt động của bộ chỉ báo này như sau, một môtØ servo quay cánh tay đòn trên đó gắn 3 diod

phát sáng (Le.d — light emitting diode) va một thanh kim loại kích phát Mỗi lần cánh tay đòn quay đến điểm zero thì thanh kim loại kích phát tác động vào từ trường của đầu dò cắm

ứng kích hoạt máy phát khiến bộ tạo dao động phát phát ra một xung, đông thời một tín hiệu

yếu cũng được đưa qua tiếp điểm lò xo làm sáng díod phát sáng biểu thị máy phát xung đã

hoạt động Cánh tay đòn tiếp tục quay trong khi xung đã được phát đi vào đáy biển Cho đến

Khi bộ tạo đao động thu tiếp nhận được tín hiệu phần hồi từ đáy biển và chuyển từ tín hiệu

cơ sang tín hiệu điện, sau khi qua khuyếch đại, tín hiệu được truyền về tiếp điểm lờ xo làm

cho các dióđ phát sáng chỉ báo độ sâu, căn cứ vào vị trí phát sáng của đèn có thể đọc độ sâu

trên vòng tròn thang tỷ lệ, Môtơ servo quay với một tốc độ cố định chính xác sẽ đảm bảo độ

chính xác của độ sâu chỉ báo, khi thay đổi thang đo sâu thì tốc độ quay của môtơ cũng thay đổi

17.4.2 Thiết bị tự ghi độ sâu ( Hình 17.14)

Với thiết bị này, độ sâu được ghỉ trên giấy Giấy ghi được kéo bằng một môiơ ( Hình 17.14a) (giấy quấn thành cuộn trong trục quấn) di chuyển chậm qua một bể mặt kim loại

SO TAY HANG HAI 650

Dấu hiệu phát

Công tắc

3 | thang đo sâu

Đầu cảm biến

Than dẫn kim ghi

Giấy ghi Tin hiệu

từ mây thu

Hướng giấy chuyển động

A

Băng truyền động

a)

6 thu giấy Vị trí ip cuộn giấy mới

Hinh 17.14

Bang truyễn động quấn qua bai ròng rọc được kéo bằng một môtơ quay nhanh với ï tốc độ

ổn định chính xác, trên băng truyền động gắn một kim ghi ép chặt trên mặt giấy ghi Trên

bể mặt giấy ghi tráng một lớp kim loại mỏng (thường dùng lá nhôn), trên đó lại phủ một lép

chất không dẫn điện mỏng nữa Khi có một điện thé din qua kim ghi thì lớp trên của kim

loại bị cháy và làm lộ ra lớp kim loại với màu sắc khác

Khi máy hoạt động, nam châm kích phát, gắn trên băng truyễn động, lướt qua đầu cảm biến

(gắn cố định) thì mạch điện được đóng kín khiến máy phát tạo ra một xung đao động cơ học `

và phát sóng âm vào đáy biển Cùng lúc đó kim ghi cũng chỉ đúng vị trí “zerô” trên thang tỷ

lệ giấy ghi Trong khi bút ghi van tiếp tục di chuyển thì một phần năng lượng của xung phẩn hổi từ đáy biển được bộ tạo dao động thu nhận được và chuyển từ tín hiệu cơ thành tín hiệu điện rồi đưa qua bộ khuếch đại và đưa về bút ghi vế thành một vệt đen trên giấy ghi để chỉ báo độ sâu

SỐ TAY HÀNG HẢI 651

Khi thay đổi các thang đo khác nhau thì cũng thay đổi tốc độ môtơ cho phù hợp

Hình 17.14b chỉ rõ cách thức giấy ghi chuyển động ra sao và cách thay cuôn giây ghi

Ngoài hai phương pháp chỉ báo độ sâu như trên còn có loại chỉ báo theo nguyên lý kỹ thuật

số

17.5 Một số điều cần chú ý khi sử dụng máy đo sâu

17.5.1 Phần hồi nhiều lần

Khi máy đo sâu hoạt động ở độ nhạy cao trên đáy biển cạn lại nhiễu đá thi sóng âm phản hếi từ đáy biển về đáy tàu có thể bị đáy tàu phần hổi trở lại về đáy biển, sóng phần hồi đó lại từ đáy biển phản hồi về đáy tàu một lần nữa Sự phần hổi như vậy có thể lập lại vài lần

Kết quả là trên thiết bị chỉ báo tự ghi xuất hiện hai hoặc ba tín hiệu chỉ độ sâu, dĩ nhiên là ta

chỉ quan tâm đến tín hiệu độ sâu đầu tiên còn các tín hiệu đến chậm hơn là các tín hiệu giả Tốt nhất khi khởi động máy đo sâu nên bắt đầu từ thang đo nhỏ, khí chưa thấy tín hiệu phần hổi thì chuyển sang thang đo lớn hơn, cứ tăng thang đo lên dẫn cho đến khi thấy tín hiệu phần hồi, bằng cách đó có thể tránh được các tín hiệu phản hổi giả Hoặc cũng có thể giảm tín hiệu phản hôi giả bằng cách giảm độ khuếch đại máy thu cho đến khi chỉ còn tín hiệu rõ

ràng nhất, đó là tín hiệu thật

17.5.2 Khi tàu chạy không tải

Tàu chạy không tải thì chênh lệch mớn nước mũi - lái rất lớn, khi sóng gió lớn mũi tầu va đập vào nước biển rất đữ dội làm cho rất nhiều bọt khí trộn lẫn vào nước biển tạo thành hỗn hợp nước biển và bọt khí chay qua déy tau Trong khi nước lẫn khí chảy dưới đáy tàu, vì bọt khí trong nước nhẹ nên nổi lên trên, các bọt khí này một mặt chui vào bộ phận tạo đao động làm giảm hiệu quả phát sóng siêu âm của bộ tạo dao động, mặt khác khi các bọt khí đi qua

bộ phận tạo dao động sẽ hấp thụ và tán xạ sóng âm làm cho tín hiệu thu bị yếu đi Vì những

lý do đó mà việc đo độ sâu trong trường hợp tàu không tải là khó khăn

17.5.3 Khi tàu bị nghiêng

Tàu nghiêng thì bộ tạo đao động thu phát cũng bị nghiêng theo Do tính chất phản xạ của các loại sóng nói chung trong đó có sóng âm, khi bộ tạo đao động phát nghiêng làm cho

sóng phát đi không còn thẳng góc hoặc gần thẳng góc với đáy biển, do đó sóng phan xa

không trổ về bộ tạo dao động thu, việc đo sâu trở nên khó khăn Nói chung các máy đo sâu

hồi âm khi tàu bị nghiêng đến một giới hạn nào đó thì máy rất khó chỉ báo đúng độ sâu

17.5.4 Lúc sóng to gió lớn

Trong sóng to gió lớn tàu bị lắc bổ về nhiễu phía, dĩ nhiên bộ tạo dao động thu phát cũng ở

trong tình trạng bị chao đảo Nếu bộ tạo dao động bị lắc đến một góc độ lớn, do không thu được sóng phần xạ nên việc đo sâu cũng rất khó khăn

17.5.5 Khi tàu chạy lùi

Khi tàu chạy lùi, bọt khí do chân vịt quay tạo nên trộn lẫn vào nước biển, hỗn hợp nước biển

và không khí sẽ chẩy qua đáy tàu khiến cho sóng âm bị tán xạ hoặc bị hấp thụ không đến được đáy biển ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến việc đo sâu

17.5.6 Đặc biệt chú ý bộ dao động đặy ở đáy tàu

SO TAY HANG HAI 652

6 đáy tàu, nếu bộ tạo dao động thu phát không được chứa trong một hộp nhỏ thì phải thận

trọng khi sơn lên tôn đáy tàu, tránh sơn hoặc phun cát lên tấm kim loại của bộ tạo đao động thu phát Ban thân tấm kim loại này làm bằng thép không rỉ nên không cân phải sơn Nếu bộ tạo dao động thu phát lại được chứa trong một hộp nhỏ ở đáy tàu, thì một phân miếng tôn vỏ phía dưới hộp đã được thay thế bằng một tấm thép không rỉ mỏng, cũng không được sơn tấm thép này Trước khi tau ra đà cần kiểm tra miếng thép không rỉ này, lau chùi đầu mỡ sạch

sẽ để không ảnh hưởng đến hoạt động của máy đo sâu

ja,

SO TAY HANG HAI 653