BÀI GIẢNG MÁY ĐIỆN 1

Nếu trong quá trình truyền lan của sóng âm gặp một mặt phân chia giữa môi trường 1 và 2 ví dụ như đáy biển có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài của sóng thì ta sẽ quan sát thấy hiện tượ

BμI GIảNG CHI TIếT MÔN MáY ĐIệN HμNG HảI 1

PHầN 1 - MáY ĐO SÂU

Nguồn âm có thể là hệ thống dao động cơ học đặt trong môi trường chất lỏng

Trong quá trình dao động, hệ thống sẽ truyền một phần năng lượng tới những phân tử của môi trường bao quanh nó Những phân tử này bắt đầu lệch khỏi vị trí ban đầu của chúng Những phân tử của môi trường nối với nhau bởi lực đàn hồi Nếu một trong chúng lệch khỏi vị trí cân bằng thì các lực tác dụng từ các phân tử bên cạnh làm cho nó trở lại ví trí ban đầu của nó Sau đó, theo quán tính nó sẽ chuyển động tiếp về phía ngược lại Như vậy phần tử sẽ dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó Bởi vì trong điều kiện thực tế, trong môi trường không những chỉ có lực đàn hồi tác dụng mà còn có lực ma sát trong nên sau khi mất kích động thì dao động của phân

tử tắt đi rất nhanh Sự dịch chuyển của mỗi phân tử làm cho những phân tử bên cạnh lệch đi khỏi

vị trí cân bằng của chúng Từ đây ta thấy rằng sự kích động xảy ra ở một nơi nhất định của môi trường sẽ dần dần truyền lan tới các phân tử ở xa nguồn kích động Quá trình đó gọi là truyền âm Tốc độ truyền kích động từ phân tử này đến phân tử khác gọi là tốc độ của âm Nếu như lực kích

động tác dụng theo chu kỳ thì quá trình truyền âm cũng sẽ theo chu kỳ không những theo thời gian mà cả không gian, nghĩa là nó mang tính chất sóng

Bởi vì mỗi phân tử kế tiếp bắt đầu chuyển động chậm hơn phân tử trước nó, nên trong môi trường sẽ hình thành những vùng dày đặc và những vùng thưa thớt cách nhau

Khi hình thành vùng dày đặc thì áp lực và nồng độ của môi trường tăng lên và ở vùng thưa thớt thì giảm Không gian trong đó hình thành âm áp gọi là trường âm

3 Phân loại sóng âm

Sóng âm có thể phân theo hình dạng và tần số

Trong trường hợp riêng, người ta phân sóng theo ba dạng sóng dọc, sóng ngang, sóng phức tạp Trong các chất lỏng, độ lệch không bị biến dạng, chỉ có thể truyền lan sóng dọc

Hình dạng của sóng âm được xác định bởi dạng của làn sóng Làn sóng là vùng mặt mà các

điểm trong đó đều có cùng một pha dao động Đường vuông góc với làn sóng trùng với hướng truyền lan sóng gọi là tia âm

Sóng siêu âm là sóng âm có tần số dao động lớn hơn 16kHz) Trong hàng hải thường sử dụng sóng siêu âm có tần số dao động lớn hơn 20kHz

Nếu nguồn âm là một điểm thì sóng âm có dạng hình cầu

Nếu nguồn âm là hình trụ thì sóng âm có dạng hình trụ

Nếu nguồn âm là một mặt thì sóng âm có dạng mặt

4 Những thông số cơ bản của trường âm

Để tiếp tục phân tích trường âm, ta đưa vào những đại lượng vật lý thông dụng mà ta sẽ gọi

là thông số của trường âm Những thông số đó cần chọn sao cho chúng bao hàm hết mọi hiện tượng xảy ra trong trường âm, những dao động của các phân tử và sự thay đổi áp lực, nồng độ của chất lỏng và năng lượng

+ Sự thay đổi áp lực của môi trường khi có âm tác động so với ban đầu được đánh giá bởi

âm áp p Đại lượng p được xác định bởi biểu thức:

p = p1 - p0 (1) (đơn vị : mbar)

Trong đó: p0 trị số áp lực của môi trường khi không có sóng âm

P1 trị số áp lực của môi trường khi có sóng âm

Sự thay đổi nồng độ của chất lỏng thường được xác định bởi độ đông đặc của nó:

ổ =

0

0 1

+ Sóng âm được đặc trưng bởi các thông số sau:

- Bước sóng λ của âm là khoảng cách giữa 2 miền dày đặc và miền thưa thớt

- Biên độ A là độ lệch lớn nhất của phân tử so với vị trí cân bằng

- Chu kỳ T là khoảng thời gian hoàn thành một dao động trong môi trường

đàn hồi

- Tần số f là số lượng sóng truyền qua môi trường trong một đơn vị thời gian

- Tốc độ truyền lan của âm trong môi trường phụ thuộc vào tính chất của môi trường đó

Do các phần tử của mỗi môi trường đàn hồi có trọng, khối khác nhau cũng như lực đàn hồi giữa chúng là khác nhau nên tốc độ truyền âm trong mỗi môi trường là khác nhau

Công thức tính tốc độ truyền âm:

C = E (m/s)

ρ

E: mô đun đàn hồi

ρ: tỉ trọng của môi trường

Trong môi trường chất lỏng:

C = 1 (m/s)

ρ.K K: hệ số nén, là đại lượng nghịch đảo của E trong chất lỏng không giới hạn

2 tính chất của sóng âm

1 Tính phản xạ và khúc xạ của sóng âm

Nếu trong quá trình truyền lan của sóng âm gặp một mặt phân chia giữa môi trường 1 và 2 (ví dụ như đáy biển) có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài của sóng thì ta sẽ quan sát thấy hiện tượng một phần năng lượng của nó sẽ đi trở lại môi trường 1 và một phần năng lượng sẽ đi vào môi trường 2 Hiện tượng đó được gọi là phản xạ và khúc xạ sóng âm

Khi tia âm truyền qua hai môi trường đồng nhất được đặc trưng bởi các âm kháng Z1=ρ1C1

và Z2=ρ2C2 Trên hình vẽ 1, giả sử C2 > C1,theo lý thuyết về tia chiếu, áp dụng định luật quang học ta có :

α’1 và α2 là góc phản xạ và góc khúc xạ tương ứng

Như vậy, ta có: tỷ số sin góc tới α t và góc khúc xạ α 2 bằng tỷ số tốc độ C 1 và C 2 của sóng

âm Nếu như trên đường truyền lan sóng âm có nhiều lớp chất lỏng song song có những tính chất thuỷ âm học khác nhau thì ta sẽ có đẳng thức sau:

const C

C C

t t

3 2

2 1

1

αα

α

Các tỷ số hình học tìm được xuất phát từ giả thiết rằng mặt phản xạ là một mặt phẳng Chúng sẽ đúng với bất kỳ trường hợp nào nếu như kích thước của vật cản lớn hơn chiều dài của sóng nhiều lần Sự phản xạ như vậy gọi là phản xạ gương

Trong thực tế tại bề mặt phân cách xẩy ra hiện tượng phân kỳ, phản xạ gương, phản xạ cộng hưởng, khúc xạ và tán xạ vì mặt phân cách không nhẵn

- Nếu tăng góc tới α1 tới khi α2 = 90 thì sóng âm sẽ không vào môi trường

2, nếu tăng α1 hơn nữa sóng âm sẽ phản xạ hoàn toàn Khi đó α1 gọi lá góc giới hạn

αGH = arc sin arcsinη

2

1 =

C C

Quan hệ năng lượng: Quan hệ năng lượng giữa sóng tới, sóng phản xạ và sóng khúc xạ

thường được xác định bởi hệ số phản xạ A và khúc xạ B Trong trường hợp sóng tới vuông góc với mặt ngăn những hệ số đó được xác định như sau:

2 2

1 1 2 2

1 1 2 2

C

C C

ρρ

ρρ

(2)

( ) (2 )2

1 1 2 2

2 2 1 1

1

4

4

q

q c

c

c c

(3)

Trong đó: q =

2 2

1 1

c

c

ρρ

Z1 = ρ1C1: là âm kháng của môi trường 1

Z2 = ρ2C2: là âm kháng của môi trường 2

Trên cơ sở các biểu thức trên ta có thể rút ra kết luận:

1 Nếu như âm kháng của các môi trường bằng nhau, nghĩa là ρ1.C1= ρ2.C2 thì toàn bộ năng lượng sẽ chuyển từ môi trường một sang môi trường hai

2 Khi có điều kiện ρ1C1>> ρ2C2 hoặc ρ1C1<< ρ2C2 thì tất cả năng lượng âm sẽ phản xạ trở lại môi trường đầu

3 Nếu như âm kháng của các môi trường khác nhau không nhiều thì phụ thuộc vào trị số q

mà một phần âm năng phản xạ, một phần đi vào môi trường thứ hai và một phần bị nhiễu xạ

thay đổi pha của tốc độ dao động và của âm áp Trong trường hợp ρ1C1>> ρ2C2 thì phản xạ xảy

ra với sự thay đổi pha 1800

Khi màng phát, phát sóng siêu âm thì sóng siêu âm chia làm hai hướng chính:

- Hướng do công suất búp chính phát xuyên xuống đáy biển để đo sâu

- Một phần sóng siêu âm do búp phụ gây ra truyền lan theo phương ngang

Sự phản xạ sóng âm từ đáy biển: Lớp trên của đáy biển trực tiếp tiếp xúc với nước có thể

có cấu trúc khác nhau Nơi này là đá cứng, nơi kia là bùn nhão, nơi khác lại là những hạt nhỏ lẫn với nước Thực tế thì khi sóng âm đi tới đáy biển thì tuỳ thuộc vào loại đáy biển, mà một phần năng lượng nhất định của nó truyền vào đáy biển và bị đáy biển hấp thụ Phân tích năng lượng của sóng âm đi tới đáy biển thật là phức tạp vì rằng lúc đó sẽ có hình thành sóng âm có dạng phức tạp gồm những thành phần sóng dọc và sóng ngang Lý thuyết cho ta hệ số tiêu hao β1

của sóng dọc trong đáy biển như sau:

Đáy biển không bằng phẳng sẽ gây nên sự phân tán năng lượng của sóng đi rất nhiều Trong trường hợp đó khi mà kích thước của độ gồ ghề của đáy biển nhỏ hơn chiều dài sóng thì sự phản xạ cũng giống như trên mặt phẳng Nếu như độ gồ ghề đủ lớn thì một phần năng lượng của sóng tới sẽ phân tán đi mọi hướng Sự phản xạ như vậy gọi là khuếch tán

Như vậy trường âm của sóng phản xạ được xác định bởi 3 yếu tố cơ bản: âm kháng của

nước biển, cấu trúc của đáy biển và hình thù của nó Trong bảng dưới đây cho ta thấy trị số

của hệ số phản xạ của đáy biển:

đó phụ thuộc vào trạng thái của mặt biển Sóng biển lớn, sóng gợn đều có ảnh hưởng đến sự phản xạ đó Nói chung, sóng biển lớn có những đặc tính tự do, những tham số của sóng biển luôn

trong khoảng thời gian ngắn thì sự phản xạ từ mặt biển cũng tương tự như sự phản xạ đáy biển không bằng phẳng Vì rằng mặt biển có nhiều hình thù khác nhau nên năng lượng của sóng âm

có thể hội tụ lại trong một trường hợp hoặc phân tán trong trường hợp khác

âm của hai nguồn sẽ đan xen vào nhau, vùng đan xen của hai sóng gọi là vùng giao thoa sóng

âm, vùng giao thoa sóng âm càng lớn thì nhiễu giao thoa càng nhiều (Đối với sóng vô tuyến, sóng ánh sáng cũng tuân theo quy luật này) Bây giờ ta xét một nguồn phát sóng âm tại điểm O 1

có phương trình như sau:

t a

Nguồn phát sóng thứ hai tại điểm O 2 : x2= a2.cos ω0.t

Tại một điểm M trong không gian phương trình truyền sóng do nguồn O 1 và O 2 sinh ra

)

0 1

1

2 (

cos ω t π λ r

a

x = ư ;

)

0 2

2

2 (

Biên độ dao động được xác định theo công thức sau:

) (

2 cos

22

Nhận xét:

- Nếu r 1 và r 2 bằng không; hoặc r 1 - r 2 =k.λ (k là số nguyên)

a a a

a a

a a

a

2

) (

2 1 2 1 2

22

21

2 1 2 1 2

22

21

âm ở đằng trước vật cản cũng trở nên phức tạp hơn do có hiện tượng giao thoa giữa sóng tới, sóng phản xạ và sóng nhiễu xạ Kết quả là ở máy thu ta nhận được áp lực khác xa với áp lực của sóng tới Hiện tượng nhiễu xạ ta có thể giải thích bởi cái gọi là nhiễu loạn số 0 của các máy đo sâu hồi âm mà ta thấy khi ở thời điểm phát, do ki tàu hình cong sẽ tác động lên máy thu

Giao thoa cực tiểu

Ta hãy khảo sát vấn đề sóng âm đi qua màng ngăn mỏng Trường hợp này có ý nghĩa thực

tế khi lắp ráp dao động của máy hồi âm mà không cần xẻ đáy tàu Những hệ thức về năng lượng cần thiết có thể có được bằng cách phân tích sóng phản xạ và sóng khúc xạ của sóng âm đi qua mép trong và mép ngoài của vỏ tàu Sự phân tích này không khác với sự phân tích trường hợp sóng âm đi qua một mặt ngăn trước đây Nhưng nó cũng tương đối khó nên ở đây ta chỉ khảo sát mặt thực chất của hiện tượng

1 Từ công thức (2) và (3) ta thấy cường độ sóng đi qua vỏ càng lớn nếu như càng thực hiện

đúng đẳng thức:

ρ1 C 1 = ρ2 C 2 = ρ3 C 3

Để thực hiện được điều kiện đó, thường người ta đặt màng dao động trong thùng chứa dung dịch có âm kháng gần bằng âm kháng của nước biển (ví dụ như chất dầu KactopBae) Tình trạng

sẽ càng tốt hơn nếu như vỏ tàu ở chỗ đặt thùng chứa màng dao động được làm bằng chất cũng có

âm kháng như vậy Những chất thông âm như vậy là những chất như một vài loại cao su và nhựa êbôxit

2 Năng lượng truyền vào các phân tử nước biển ngoài ra còn phụ thuộc vào chiều dày của vỏ tàu Vì rằng âm kháng của chất lỏng nằm hai bên vỏ tàu có khác nhiều với âm kháng của vỏ tàu Nếu như theo chiều dày của vỏ tàu có nguyên nửa sóng, nó sẽ hình thành cộng hưởng và sóng âm truyền qua không bị tiêu hao năng lượng

3 Ta nên chọn khoảng cách từ mặt màng dao động đến mặt trong đáy tàu (s) theo điều kiện sau:

s = (2n + 1).

41

λ

trong đó n = 1, 2, 3

5 Truyền lan của sóng âm trong chất lỏng chuyển động

Khảo sát sự truyền lan của sóng âm trong chất lỏng chuyển động có một ý nghĩa không kém phần quan trọng đối với thực tiễn, bởi vì trong nước biển (chưa kể đến sông) thường có những dòng nước có tốc độ đạt tới vài nơ Khi sóng âm lan truyền trong chất lỏng chuyển động, tốc độ tuyệt đối của sự chuyển dịch các thành phần làn sóng dọc theo tia sóng sẽ bằng tổng hình học véctơ của tốc độ theo và véc tơ của tốc độ tương đối Véctơ của tia tốc độ bây giờ sẽ không trùng với pháp tuyến của làn sóng nữa Khi đó hình dạng của tia âm sẽ khác với đường thẳng, đồng thời sự dịch chuyển này cũng làm thay đổi tần số của sóng âm Như vậy, chuyển động của môi trường dẫn tới sự thay đổi quang cảnh của trường âm - thay đổi hai tham số quan trọng của sóng là: tốc độ truyền lan và tần số.

6 Sự truyền lan sóng âm trong nước biển

Trong biển sâu, lớp nước biển không thể xem là một lớp nước đồng nhất có độ dính được Vì có những phần tử của bùn, khoáng chất, có những bọt khí, có gradian nhiệt độ và độ mặn, tỉ trọng tăng giảm thất thường nên ta có thể coi nước biển là môi trường không đồng nhất Môi trường không đồng nhất đó đòi hỏi ta phải khảo sát đặc biệt sự truyền âm trong đó, ví dụ phải xét hàm số tốc độ c=f(x, y, z, t), sự nhiễu xạ sóng âm, sự phân tán sóng âm phụ trong trường

âm Tất cả những hiện tượng đó đều có ý nghĩa thực tế lớn

Tốc độ truyền sóng âm trong nước biển - tính chất thuỷ âm cơ bản có tầm quyết định lớn thực chất của sự truyền lan sóng âm và độ chính xác của các máy thuỷ âm hoạt động

Tốc độ truyền âm trong nước biển được tính theo công thức:

C

12

- ρ: tỉ trọng của môi trường

- K: hệ số nén

Sự khảo sát thực tế cho ta thấy rằng những đại lượng nằm trong công thức tính tốc độ truyền

âm đều là hàm số của độ mặn S0/00, của nhiệt độ t0 và áp lực P0, nghĩa là:

K = f1(t0, S0/00, H, P0) và ρ = f2 (t0, S0/00, H, P0) + Nếu nhiệt độ tăng thì ρ giảm, K giảm do đó C tăng ( chủ yếu)

+ Nếu độ mặn S0/00 tăng thì ρ tăng (không đáng kể so với K), K giảm do đó C tăng

+ Nếu độ sâu tăng thì S0/00 tăng, P0 tăng, còn nhiệt độ tăng về mùa Đông, giảm về mùa Hè Theo chiều sâu ảnh hưởng của C chủ yếu là P0 Theo bề ngang ảnh hưởng của C chủ yếu là nhiệt

độ

Tỉ trọng của nước biển tăng lên khi áp lực P 0 tăng cũng như khi độ mặn S 0 /00 tăng, còn khi nhiệt độ t 0 tăng khi nó giảm Nhưng sự thay đổi của ρ so với sự thay đổi của hệ số nén K sẽ rất nhỏ và ta có thể bỏ qua K sẽ giảm khi t 0 , S 0 /00 và P 0 tăng, trong đó P 0 ít ảnh hưởng tới sự thay đổi nhất Trong thực tế thì các đại lượng t 0 , S 0 /00 và P 0 của nước biển là không cố định theo thời gian cũng như không gian và nếu như theo hướng nằm ngang trong một khoảng cách ngắn ta có thể xem gradian của những đại lượng trên là bằng 0 thì theo hướng thẳng đứng nhiệt độ, độ mặn và

áp lực thuỷ tĩnh phụ thuộc rất nhiều vào độ sâu Trong đó có S 0 /00 và P 0 sẽ tăng lên cùng với độ sâu, còn t 0 có thể là tăng, cũng có thể là giảm Về mùa hè khi mà lớp nước trên của biển bị nung nóng nhiều thì nhiệt độ sẽ giảm khi độ sâu tăng, mà nó có thể thay đổi 0,1 0 khi độ sâu thay đổi 1m Về mùa đông thì ngược lại, nhiệt độ sẽ tăng lên khi độ sâu tăng Nhưng gradian của nhiệt độ thường không qua 0,01 0 trên 1 mét Sự thay đổi K và ρ do nhiệt độ không cố định, độ mặn và áp lực thuỷ tĩnh thay đổi là quan hệ hàm số:

C = f (t0, S0/00, H, p0)

C = 1440 đến 1585 m/s bảng 34A-34B MT 63 Tốc độ lan truyền của âm trong nước biển được lấy gần đúng là 1500 m/s

7 ứng dụng của sóng âm

Sóng âm được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế quốc dân, quốc phòng, đặc biệt

là sóng siêu âm có tác dụng rất lớn

Trong nghành hàng hải, người ta dùng sóng siêu âm để đo sâu, đo sâu kết hợp với dò cá, chế tạo ra máy đo độ dày tôn, dùng sang siêu âm để kiểm tra chất lượng mối hàn

Chương 2: Lý thuyết máy đo sâu

1 khái quát chung về máy đo sâu

1 Khái niệm: Máy đo sâu là một thiết bị điện dùng để xác định độ sâu của lớp nước dưới

đáy tàu Để làm được điều này người ta ứng dụng tính chất phản xạ của sóng âm và thông qua việc đo thời gian lan truyền của sóng âm từ khi phát tới khi thu được để tính ra độ sâu của đáy biển dưới ki tàu:

2 Cấu tạo và vị trí lắp đặt trên tàu: nhìn chung máy đo sâu gồm 3 khối chính là khối

nguồn, khối điều khiển và chỉ báo và khối thu phát

a Khối nguồn: có nhiệm vụ chuyển đối nguồn điện của tàu thành các dạng điện áp phù hợp

để cung cấp cho sự hoạt động của máy đo sâu Khối này thường được lắp đặt trên buồng lái, trong phòng thiết bị điện

b Khối điều khiển và chỉ báo: có nhiệm vụ điều khiển sự hoạt động thống nhất toàn bộ máy đo sâu và hiển thị độ sâu đo được

Sự hoạt động thống nhất thể hiện ở chỗ:

- Trong thời gian phát xung thì mạch thu ngừng hoạt động và khi phát xong thì lập tức chuyển sang thu tín hiệu phản xạ trở về

- Vệt đánh dấu không độ sâu phải tương ứng với vị trí 0 trên thang đo Việc chỉ báo độ sâu có thể được thực hiện bằng những cách sau:

- Chỉ báo bằng số: giá trị độ sâu được hiển thị bằng số tương ứng với đơn

vị độ sâu đã chọn

- Chỉ báo bằng đèn (phương pháp chỉ thị): tín hiệu phản xạ trở về thu được

sẽ làm sáng đèn trên mặt chỉ báo và ta có độ sâu đo được tương ứng với

vị trí đèn sáng của thang đo

- Chỉ báo bằng cách ghi lại vệt độ sâu trên băng giấy (phương pháp tự ghi): tín hiệu phản xạ trở về thu được sẽ làm cháy băng giấy tự ghi và để lại một vệt đen Đó là hình ảnh đường viền đáy biển Độ sâu của đáy biển chính là chỉ số trên thang đo tương ứng với vị trí băng giấy bị đốt cháy

- Phương pháp điện tử: tín hiệu phản xạ trở về thu được sẽ làm xuất hiện vệt sáng ngang trên màn hình và chỉ số trên thang đo tương ứng với vị trí vệt sáng là độ sâu đo được

Khối này được lắp đặt trên buồng lái, trong phòng hải đồ

b Khối thu phát: có nhiệm vụ tạo xung siêu âm phát vuông góc với đáy tàu về phía

đáy biển và thu tín hiệu phản xạ trở về, biến nó thành tín hiệu điện để chuyển tới khối điều khiển và chỉ báo Khối này thường gồm bộ tạo xung điện áp cao, màng dao động thu, phát và bộ khuếch đại Màng dao động thường dùng là màng dao

động gião từ Khối này thường được đặt trong một khoang nhỏ dưới đáy tàu Khoang này thường được đặt ở trước mặt phẳng sườn giữa, cạnh ki tàu Thông thường người ta khoét một lỗ nhỏ ở đáy tàu và màng dao động được đặt trong đó với màng bảo vệ bên ngoài và cơ cấu định vị chắc chắn nó với vỏ đáy tàu

2 nguyên lý hoạt động của máy đo sâu hồi âm

Hình vẽ 2

ở dưới đáy tàu người ta đặt một màng dao động thu phát sóng siêu âm Tại thời điểm t1 ta phát sóng siêu âm xiên qua nước Sóng siêu âm truyền lan xuống đáy biển gặp đáy biển không

đồng chất với nước, một phần năng lượng bị hấp thụ, một phần sóng siêu âm phản xạ trở lại môi trường nước về màng thu sóng siêu âm dưới đáy tàu Từ hình vẽ (2) ta có công thức tính độ sâu như sau:

Δt là khoảng thời gian phát, thu sóng siêu âm

Nhìn vào công thức (5) ta thấy muốn đo sâu ta chỉ cần đo khoảng thời gian từ khi phát đến khi thu được tín hiệu của sóng siêu âm phản xạ trở về là xong

Nếu vận tốc C tính bằng m/s thì độ sâu h tính bằng m

Nếu vận tốc C tính bằng feet/s thì độ sâu h tính bằng feet

Trong người ta dùng công thức (5) để khắc thước độ sâu do vậy thước khắc độ sâu là đều nhau

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo sâu như sau:

h

Hình vẽ 3

1 Trung tâm điều khiển: điều khiển sự hoạt động thống nhất giữa máy phát, máy thu và máy chỉ báo

2 Máy phát: tạo ra xung điện áp cao để đưa xuống màng dao động thu phát

3 Màng dao động thu phát: biến tín hiệu điện từ máy phát thành dao động cơ học tạo ra xung siêu âm phát vào môi trường và thu tín hiệu xung siêu âm phản xạ trở về và biến đổi thành tín hiệu điện để đưa tới bộ khuếch đại

4 Bộ khuếch đại: khuếch đại tín hiệu nhận được từ màng dao động thu phát lên đủ lớn để

đưa tới trung tâm điều khiển

5 Khối chỉ báo: chỉ báo độ sâu đo được dưới dạng số, băng giấy tự ghi,

3 nguyên lý cấu tạo của mμng dao động thu, phát

sóng siêu âm

1, Phương pháp1: Nguyên lý co, giãn từ thuận, nghịch

A Nguyên lý co, giãn từ thuận:

Người ta lấy một thanh Niken hoặc

Cobalt hoặc một thanh kim loại khác nhiễm từ

tính Sau đó cho dòng điện xoay chiều chạy

qua cuộn dây quấn xung quanh nó Người ta

thấy thanh Niken thay đổi chiều dài một đoạn

là Δl, đoạn này phụ thuộc vào tần số nguồn

điện xoay chiều chạy qua cuộn dây

Δl = Y(ϖo)

Y là quy luật thay đổi chiều dài

ϖo là tần số góc của nguồn xoay chiều

Người ta áp dụng nguyên lý này để chế tạo ra màng phát sóng siêu âm Nhược điểm nguồn cung cấp cho màng phát lớn, kích thước màng phát cồng kềnh, tần số phát ra màng phát trong phạm vi f = 23 đến 35kHz

B Nguyên lý co, giãn từ nghịch:

Người ta đặt một thanh Niken hoặc một thanh Cobalt vào trong lòng một cuộn dây Sau

đó dùng lực cơ học tác động kéo, nén thanh Niken, thì thấy trong lòng cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng Suất điện động này phụ thuộc vào tần số kéo, nén Người ta áp dụng nguyên lý này để chế tạo ra màng thu sóng siêu âm

Trong thực tế hiện nay ít áp dụng phương pháp trên

2 Phương pháp 2: Nguyên lý hiệu ứng áp điện

A Đặt một tinh thể thạch anh vào hai bản cực của một tụ điện và đưa dòng điện xoay chiều chạy qua hai bản cực này, ta thấy tinh thể thạch anh dao động, mặt ngoài của tinh thể thạch anh sát hai bản cực của tụ điện xuất hiện điện tích trái dấu với hai bản cực của tụ điện, chu kỳ xuất hiện trái dấu phụ thuộc vào tần số của nguồn điện xoay chiều Dưới tác dụng của điện trường thạch anh và điện trường ngoài, làm cho tinh thể thạch anh bị co giãn liên tiếp phát ra sóng siêu

âm

_ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Ưu điểm: Kích thước màng dao động gọn nhẹ, tần số dao động tương đối cao, f = 120 đến

312 kHz ( Có thể đạt tới 50MHz) Nguồn cung cấp thấp (năng lượng tiêu thụ thấp)

B Đặt một tinh thể thạch anh giữa hai bản cực Dùng lực cơ học để kéo nén tinh thể thạch anh, thì thấy mặt ngoài tinh thể thạch anh xuất hiện một điện áp trái dấu phụ thuộc vào tần số kéo nén

Người ta ứng dụng nguyên lý này để chế tạo màng thu sóng siêu âm

_ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

4 Những thông số cơ bản của máy đo sâu hμng hải

Máy đo sâu hồi âm được đặc trưng bởi những thông số khai thác và kỹ thuật nhất định Đó

là những thông số xung, khoảng đo sâu, tần số phát xung, phương hướng tính của màng dao

động, khả năng đo độ sâu, độ chính xác đo đạc ý nghĩa và đặc điểm cấu tạo của máy đo sâu hồi

âm phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật và khai thác Ta hãy khảo sát kỹ hơn về các thông số của máy đo sâu hồi âm hàng hải để có thể lựa chọn chúng được

Phần lớn các máy đo sâu hồi âm hoạt động ở chế độ xung Người ta phân biệt xung theo dạng đường viền của nó, theo tần số trong xung, theo độ kéo dài xung và tần số lặp lại của xung Thường người ta hay dùng loại xung vuông và xung nhọn răng cưa Xung vuông là xung của dao

động không tắt Đường viền của chúng có dạng góc vuông và có chứa 30 - 40 dao động Xung nhọn răng cưa đường viền của nó có dạng răng nhọn, chứa dao động tắt dần

1 Độ rộng của xung phát τx: là khoảng thời gian phát xong một xung phát, đơn vị là giây

2 Chu kỳ lập xung Tx: là khoảng thời gian từ khi kết thúc phát xong xung phát thứ nhất

đến khi kết thúc phát xung thứ hai, đơn vị là giây

3 Tần số lập xung Fx: là số xung được phát ra trong thời gian một giây, đơn vị là xung/giây

Fx = 1/Tx

4 Hệ số định hướng của màng thu, phát sóng siêu âm: là khả năng phát tập trung năng lượng theo một chùm búp vói các góc mở rất hẹp Với cùng một công suất phát, nếu phát định hướng thì tầm xa quan sát của sóng siêu âm lên rất lớn Năng lượng do màng phát phát ra được tập trung vào búp chính khoảng 95 % đến 97 %

Ta có: GA= .2

4λ

π

k k

Trong đó: k1, k2 là hệ số phụ thuộc vào hình dáng của màng thu phát (Hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật) S là diện tích hiệu dụng của màng phát

Từ công thức (6) ta có hai phương pháp để tăng hệ số định hướng Thứ nhất là tăng diện tích

S, phương pháp này làm cho màng phát cồng kềnh mà lợi ích không nhiều do đó ít được ứng dụng Thứ hai là giảm bước sóng λ Nếu xét tổn hao năng sóng âm trong môi trường truyền sóng thì tần số càng cao tổn hao càng lớn Người ta chứng minh được rằng sự tổn hao năng lượng của sóng âm luôn tỉ lệ mũ bậc ba với tần số

Hiện nay, tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng mà người ta sử dụng các máy đo sâu có tần số làm việc khác nhau Trong lĩnh vực hàng hải máy của Nga thường chọn tần số từ 23 đến 45 kHz, máy của Nhật thường chọn tần số từ 50 đến 60 kHz Đối với ngành ngư nghiệp để dò luồng cá người ta chọn tần số từ 100 đến 120 kHz Đối với ngành khảo sát luồng lạch người ta thường sử dụng tần số đo sâu từ 200 đến 220 kHz

Kết luận: Tóm lại tần số càng cao thì thang đo sâu càng nhỏ

5 Công suất phát của máy phát: từ 50 đến 300 W (Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng)

6 Độ nhạy của máy thu: quyết định đo được độ sâu lớn hay nhỏ

7 Góc mở ngang của búp phát α = 250 đến 450 ứng với 0,5 công suất P, tuỳ thuộc vào độ sâu và tần số lựa chọn của máy

5 các sai số của máy đo độ sâu hồi âm

1 Sai số do tốc độ truyền lan sóng âm trong môi trường nước biển

Trong công thức tính toán độ sâu, tốc độ truyền âm trong nước biển C lấy trung bình là

1500 m/s, nhưng thực tế khảo sát cho ta thấy rằng tốc độ truyền lan sóng âm trong nước biển đều

là hàm số của độ mặn S0/00, của nhiệt độ t0, độ sâu h, áp lực P0 và các yếu tố khác không mô tả

được bằng phương trình toán học, nghĩa là:

Direction of minimum powwer

Búp phát của sóng siêu âm

có tần số cao

Pmax α

Half power angle

Pmax95%

Main beam direction

Pmax95%

Búp phát của sóng siêu

âm có tần số thấp

Hình vẽ 8

C = f(t , S/00, h, P0 ) Công thức sai số Δh = hđo ⎟⎟⎠

ta có thể bỏ qua Còn trong ngành khảo sát, thì cần phải hiệu chỉnh sự ảnh hưởng của độ mặn

S0/00, của nhiệt độ t0 và độ sâu h tới tốc độ truyền âm, để có thể chỉ ra số chính xác của độ sâu thực tế

2 Sai số do tàu lắc ngang:

Người ta chứng minh được rằng khi tàu lắc ngang gây ra sai số đáng kể cho máy đo sâu

Từ hình vẽ (9) ta có độ sâu thực tế bằng độ sâu đo được Ht = Hđ Khi tàu nghiêng ngang như hình vẽ (10) ta thấy Hđ = Ht + Δh, Δh chính là sai số của độ sâu đo được khi tàu lắc ngang Tàu lắc ngang càng lớn thì sai số Δh càng lớn

3 Sai số do đáy biển bị nghiêng

Phần lớn các máy đo sâu hồi âm ngày nay hoạt động với tần số siêu âm và do đó có một tính phương hướng nhất định được đặc trưng bởi yếu tố phương hướng tính G

Do có hình chóp khuếch tán nên khi đáy biển nghiêng, nhiều máy đo sâu hồi âm sẽ không ghi nhận độ sâu AD dưới ki tàu mà ghi nhận một khoảng độ sâu AC nào đó (hình vẽ 11) Giả sử rằng α > β ta hãy tìm trị số của số hiệu chỉnh đo độ sâu đo được

α

α

do th

h

h =

Ta có: Δhβ = hđo (secβ - 1) (7)

Phân tích công thức (8) ta thấy rằng ở trong các máy đo sâu hiện nay, sai số h sẽ không ảnh

hưởng tới độ sâu đo được nếu như β ≤80 và α ≤300

4 Sai số trong tính thời gian

Trong máy đo sâu người ta dùng một động cơ điện để tính thời gian thu, phát, làm quay

cam điều khiển phát tín hiệu, có thể là cam từ hoặc cam cơ tuỳ từng loại, để có độ chính xác tốc

độ của động cơ phải bằng một hằng số, tốc độ này không phụ thuộc vào điện áp cung cấp của

nguồn mà phụ thuộc vào thang đặt độ sâu trên máy, thang đặt độ sâu càng lớn thì tốc độ quay

càng nhỏ và ngược lại nhưng phải là hằng số trong thang đó Nhưng trong thực tế nguồn cung cấp

bên ngoài vào động cơ luôn thay đổi do vậy tốc độ động cơ thay đổi Ngày nay, người ta dùng bộ

ổn áp điện để tự động điều chỉnh do vậy điện áp vào động cơ luôn ổn định thì sai số này bị loại

bỏ

5 Sai số vạch không

Tại thời điểm phát sóng đo sâu về mặt nguyên lý thì kim chỉ thị phải đặt đúng ở vị trí 0 (m),

đối với máy đo sâu chỉ thị hình thì gốc của vệt quét phải ứng với vị trí 0 (m) Nhưng thực tế kim

ghi hoặc gốc của vệt quét nằm trên vị trí 0 (m) (nếu máy phát phát sớm), hoặc nằm dưới vạch 0

(m) ( nếu phát muộn), cả hai trường hợp trên đều dẫn đến sai số

Để giảm sai số này người ta hiệu chỉnh kim chỉ thị đúng vào vị trí “0” của thước đo lúc máy

phát bắt đầu hoạt động

Sai số chung của máy đo sâu hồi âm bằng tổng các sai số đã nêu trên đây

6 độ sâu tối thiểu của máy đo sâu (hmin)

Bất kỳ một máy đo sâu nào cũng có một độ sâu tối thiểu, nhỏ hơn độ sâu này thì máy đo

sâu không đo được

Màng dao động của máy đo sâu có chức năng vừa phát vừa thu, do đó khi máy đo sâu phát

hết một xung thì mới chuyển sang thu tín hiệu trở về, vì vậy hmin = C.(τx + τq )/ 2

hđ

hth

Hình vẽ 11

Trong đó τx là chiều rộng của một xung phát, τq là độ ì của bộ chuyển mạch giữa thiết bị phát và thiết bị thu Giá trị độ sâu tối thiểu của một máy đo sâu đặt trên tàu có giá trị khác nhau, thông thường hmin = 0,1 - 0,3 m

7 sơ đồ lắp đặt của các khối máy đo sâu đặt trên tμu

1 Khối chỉ báo độ sâu bao gồm: băng giấy tự ghi hoặc đèn hình, đèn quang, bộ khuếch

đại tín hiệu độ sâu, và máy phát đặt chung vào một hộp gọi là khối chỉ báo, ngoài hộp có công tắc cấp nguồn (power), công tắc đặt thang độ sâu (range), núm khuếch đại (gain), núm điều chỉnh

độ sáng máy chỉ báo (dimmer), núm đánh dấu (mark), núm White line, núm điều chỉnh tốc độ băng giấy (chart speed), núm hiệu chỉnh mớn nước của tàu (draft) Khối chỉ báo thường được đặt

ở buồng hải đồ hoặc ở buồng lái

2 Màng dao động thu, phát sóng siêu âm

Màng dao động thu phát của máy đo sâu thường có đường kính = 0,1 đến 0,2 m, kích thước gọn nhẹ, khi hoạt động tiêu tốn năng lượng ít Được đặt ở gần ki tàu, thường ở những nơi ít bọt nước tụ tập để tránh tổn hao năng lượng của sóng siêu âm do bị bọt nước hấp thụ, tránh ảnh hưởng tiếng ồn từ chân vịt và bọt nước do tàu chạy gây ra

8 những điều cần chú ý khi sử dụng máy đo sâu

1 Hiện tượng giao thoa sóng âm khi đo sâu

Giả sử có hai tàu chạy gần nhau, đang sử dụng máy đo sâu có tần số làm việc xấp xỉ nhau Sóng siêu âm phát đi trong nước của hai tàu có một vùng bị đan chéo vào nhau như hình vẽ 12

Hình vẽ 13

Theo tính chất cơ bản của sóng âm thì sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa sóng âm và trên băng giấy ghi sẽ xuất hiện những đường song song đứt quãng hoặc chéo nhau nhưng không ảnh hưởng đến kết quả đo sâu, như trên hình vẽ (14, 15, 16)

2 Phản xạ nhiều lần của sóng âm

Khi ta phát sóng siêu âm xuyên xuống nước gặp đáy biển thì một phần năng lượng bị đáy biển hấp thụ, một phần năng lượng phản xạ trở về ( chất đáy càng rắn thì năng lượng phản xạ trở về càng lớn và ngược lại) Sóng phản xạ, một phần lọt vào màng dao động thu sóng siêu âm và cho

ta độ sâu của đáy biển mà tàu đi qua, một phần khác đập vào đáy tàu lại phản xạ xuống đáy biển

và từ đáy biển phản xạ trở về cho độ sâu h2, cũng tương tự như vậy ta có h3 Hiện tượng này chỉ xảy ra với khu vực có chât đáy rắn, máy phát sóng siêu âm có công suất lớn Đặc điểm nhận biết phản xạ nhiều lần khi đọc độ sâu là các độ sâu ghi được trên băng giấy có dáng dấp đồng dạng và song với nhau Độ sâu thứ nhất là nét nhất chính là độ sâu dưới đáy tàu, sau đó là các đường mờ dần, khoảng cách của các đường ghi độ sâu trên băng giấy luôn bằng nhau (Xem hình vẽ 17)

Hình vẽ 17

Muốn loại bỏ phản xạ nhiều lần có hai cách:

+ Giảm khuếch đại

+ Khi chế tạo máy nhà sản xuất thiết kế hai nấc công suất phát khác nhau, ở độ sâu nhỏ thì

ta sử dụng công suất phát nhỏ và ở độ sâu lớn thì ta sử dụng công suất phát lớn

3 ảnh hưởng bất thường của dòng hải lưu nóng, lạnh trong nước biển

Khi máy đo sâu hoạt động sóng siêu âm truyền đi trong môi trường nước được coi là môi trường đồng nhất như là đồng nhất về nhiệt độ, độ mặn Trường hợp bất thường có dòng hải lưu nóng, hoặc lạnh chảy ngầm trong lòng đại dương sẽ tạo thành hai môi trường không đồng nhất,

do đó khi sóng siêu âm đập vào mặt ngăn cách giữa hai môi trường này, một phần xuyên qua mặt ngăn cách đi vào môi trường thứ hai, một phần khác sẽ phản xạ trở về màng thu sóng siêu âm và tạo trên băng giấy ghi độ sâu một hình ảnh như hình vẽ (18)

Ta có thể loại trừ được hiện tượng này bằng cách giảm khuếch đại

4 Nhiễu do đàn cá hoặc vật trôi nổi dưới mặt nước

Khi sóng siêu âm truyền trong nước gặp bất cứ vật gì như băng trôi hoặc đàn cá đi ngầm trong nước đều coi là môi trường không đồng nhất với môi trường nước, một phần sóng âm phản xạ trở về hiển thị trên băng giấy một hình ảnh lơ lửng giữa đáy biển và mặt nước Hiện tượng này chỉ xảy ra đối với máy đo sâu hoạt động ở tần số cao f = 120 4 200 kHz

5 Nhiễu loạn số không (do búp phụ gây ra)

Khi sử dụng máy đo sâu ở thang tầm gần thì do công suất búp phụ của sóng âm phản xạ ngay về máy đo sâu tạo ra một tín hiệu giả trên máy Thông thường ở độ sâu nhỏ hơn 15 mét muốn loại

bỏ nhiễu loạn số không ta sử dụng núm STC

Hình vẽ 18

Nhiễu

do dòng hải lưu

Đường viền đáy biển

9 nguyên lý đo sâu bằng bút ghi di động trên băng giấy

a) Các khối cơ bản

- Băng giấy và bút tự ghi: băng giấy của máy đo sâu có hai loại là giấy hoá điện và nhiệt

điện ( Loại thứ nhất là băng giấy có tráng iốt Kali, nó phải luôn được giữ ở trạng thái hơi ẩm Khi dòng điện chạy qua trên mặt băng giấy để lại vết đen của iốt nguyên chất Loại thứ hai gồm hai lớp, lớp dưới là lớp giấy có rắc bột gra-phít dẫn điện có trộn keo, lớp trên có láng lớp ô xít lưu huỳnh - chì Khi có dòng điện chạy qua lớp trên bị phân hoá làm xuất hiện vệt đen) Có loại

kẻ ô hoặc không kẻ ô Một kim dẫn điện chạy trên băng giấy nếu có dòng điện phóng qua kim xuyên qua băng giấy về nguồn kín mạch thì băng giấy này sẽ cháy để lại một vệt đen

- Mô tơ 1 quay với vận tốc cực đều nhờ bộ tự động điều chỉnh tốc độ làm quay dây cuaroa lai bút ghi và các mấu cam phát

- Mô tơ 2 làm quay cuộn giấy dịch chuyển từ trái qua phải

- Bộ tạo xung khởi động làm nhiệm vụ điều khiển máy phát, gồm một số loại sau: cam phát từ, cam phát cơ

- Máy phát kết hợp với màng dao động phát sóng siêu âm xuống đáy biển

- Màng dao động thu phát phát làm nhiệm vụ phát xung siêu âm xuống đáy biển và thu sóng siêu âm phản xạ trở về

- Bộ khuếch đại khuếch đại tín hiệu thu được từ màng dao động

b) Nguyên lý hoạt động

Khi cho máy đo sâu hoạt động, thì động cơ được cấp điện sau khi qua hộp giảm tốc thì

động cơ này làm quay các mấu cam phát và bút tự ghi được gắn trên dây cuaroa và băng giấy

được dịch chuyển theo hướng vuông góc với sự dịch chuyển của kim ghi

Tại thời điểm phát khi mấu cam phát đi qua bộ tạo xung khởi động làm đóng mạch, đồng thời kim ghi nằm ở vị trí 0 (m) của thang đo độ sâu Máy phát được đóng mạch, nguồn điện cao

áp phóng qua màng dao động phát, xung điện này làm cho màng dao động phát phát sóng siêu

âm xuyên thẳng vào nước, gặp đáy biển phản xạ trở về qua màng dao động thu sóng siêu âm, sóng siêu âm được biến thành dao động điện áp, qua bộ khuếch đại điện áp này được đưa đến kim ghi phóng qua băng giấy để lại vệt đen Khoảng thời gian phát, thu sóng siêu âm đúng bằng khoảng thời gian kim chạy trên băng giấy được một đoạn nào đó chính là độ sâu

Thật vậy nếu gọi thời gian phát, thu sóng siêu âm là t1ta có t1 =

Trong đó : L quãng đường kim ghi di chuyển trên băng giấy

Vk vận tốc di chuyển của kim

Theo nguyên lý đo sâu thì t1 = t2 hay

.2

2 thì K là một hằng sốtrong thang độ sâu đó, gọi là hệ số tỉ lệ độ sâu Khi ta

thay đổi thang độ sâu thì Vk thay đổi dẫn tới K cũng thay đổi theo Về nguyên tắc khi ta đặt thang độ sâu nhỏ thì Vk tăng, do đó K giảm và ngược lại

Nhìn vào công thức h =K.L ta thấy muốn đo độ sâu dưới đáy biển ta chỉ cần đo hành trình của kim ghi trên băng giấy

Ưu điểm: Ghi được độ sâu liên tục khi tàu hành trình do đó ta có thể biết được sự biến thiên của đáy biển ở khu vực mà tàu đi qua, đồng thời phán đoán được độ dốc của khu vực tàu đang hành trình

Nhược điểm: Bảo quản băng giấy tránh để ẩm ướt