BÁO cáo CHUYÊN đề máy đo sâu

BÁO cáo CHUYÊN đề máy đo sâu BÁO cáo CHUYÊN đề máy đo sâu BÁO cáo CHUYÊN đề máy đo sâu BÁO cáo CHUYÊN đề máy đo sâu BÁO cáo CHUYÊN đề máy đo sâu BÁO cáo CHUYÊN đề máy đo sâu BÁO cáo CHUYÊN đề máy đo sâu BÁO cáo CHUYÊN đề máy đo sâu

MÁY ĐO SÂU

Một trong những thiết bị không thể thiếu của mỗi con tàu nó là máy đo sâu hàng hải – dụng cụ dùng để xác định độ sâu vùng nước tàu đang hoạt động Không chỉ có vậy, máy đo sâu còn có thể được sử dụng hỗ trợ tàu điều động trong luồng lạch hẹp, công tác neo và thu neo, đảm bảo an toàn cho hành trình.Ngoài ra, máy đo sâu và những thiết bị thủy âm khác còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học như khảo sát địa chất, thủy văn Trước khi tìm hiểu sâu hơn về máy đo sâu phục vụ trong ngành hàng hải trong chương 2, ta sẽ tiếp cận với phần lý thuyết cơ sở về sóng âm và việc truyền sóng âm trong môi trường nước biển , từ đó sẽ có cái nhin toàn diện hơn trong thao tác, vận hành, khai thác tốt nhất máy đo sâu phục vụ công tác dẫn tàu an toàn, hiệu quả

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT SÓNG ÂM

1 1 Sóng âm

1.1.1 Khái niệm

Âm là hiện tượng vật lí, là trường hợp riêng của dao động cơ học của chuyển động trong môi trường đàn hồi 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 ñộng 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

1.1.2 Những đặc tính của trường âm

Những đặc tính cơ bản của trường âm: sự truyền âm là một quá trình phức tạp, gồm những hiện tượng vật lý khác nhau Những đặc tính quan trọng trong đó là:

- Các phân tử của chất lỏng không ảnh hưởng tới sóng âm, chúng chỉ dao động quanh vị trí cân bằng của chúng

- Tốc độ của âm là tốc độ của dao động các phân tử môi trường, đó là tốc độ truyền kích

1.1.3 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

1.1.4 Những thông số cơ bản của trường âm

ðể tiếp tục phân tích trường âm, ta ñưa vào những ñại lượng vật lý thông dụng mà ta sẽ

gọi là thông số của trường âm Những thông số ñó cần chọn sao cho chúng bao hàm hết mọi hiện tượng xảy ra trong trường âm, những dao ñộng của các phân tử và sự thay ñổi áp lực, nồng

ñộ của chất lỏng và năng lượng

+ Sự thay ñổi áp lực của môi trường khi có âm tác ñộng so với ban ñầu ñược ñánh giá bởi

âm áp p ðại lượng p ñược xác ñịnh bởi biểu thức:

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

Sự thay ñổi nồng ñộ của chất lỏng thường ñược xác ñịnh bởi ñộ ñông ñặc của nó:

- Tốc ñộ truyền lan của âm trong môi trường phụ thuộc vào tính chất của môi trường ñó

Do các phần tử của mỗi môi trường ñàn hồi có trọng, khối khác nhau cũng như lực ñàn hồi giữa

ρ: tỉ trọng của môi trường

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

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

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

- Nếu tốc ñộ truyền âm ở môi trường như nhau có nghĩa là sin các góc bằng nhau thì không có khúc xạ

- Nếu sóng âm truyền từ môi trường 1 sang 2 trong ñó C1 > C2 thì tia khúc xạ lệch về phía gần mặt ngăn cách

- 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 ñó α1 gọi lá góc giới hạn

α GH = arc sin

C1

 arcsin

C2

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

thường ñược xác ñịnh bởi hệ số phản xạ A và khúc xạ B Trong trường hợp sóng tới vuông góc

với mặt ngăn những hệ số ñó ñược xác ñịnh như sau:

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 ñiều kiện ρ1C1>> ρ2C2 hoặc ρ1C1<< ρ2C2 thì tất cả năng lượng âm sẽ phản xạ

trở lại môi trường ñầu

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 ñi vào môi trường thứ hai và một phần bị nhiễu xạ

Quan hệ pha: Nếu thực hiện ñiều kiện ρ1C1<< ρ2C2 thì sự phản xạ âm sẽ diễn ra không

bị thay ñổi pha của tốc ñộ dao ñộng và của âm áp Trong trường hợp ρ1C1>> ρ2C2 thì phản xạ xảy ra với sự thay ñổi 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 ñáy biển ñể ño sâu

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

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

có cấu trúc khác nhau Nơi này là ñá cứng, nơi kia là bùn nhão, nơi khác lại là những hạt nhỏ lẫn với nước Thực tế thì khi sóng âm ñi tới ñáy biển thì tuỳ thuộc vào loại ñáy biển, mà một phần năng lượng nhất ñịnh của nó truyền vào ñáy biển và bị ñáy biển hấp thụ Phân tích năng lượng của sóng âm ñi tới ñáy biển thật là phức tạp vì rằng lúc ñó 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 ñáy biển như sau:

1 1

1 1

đáy biển không bằng phẳng sẽ gây nên sự phân tán năng lượng của sóng ựi rất nhiều

Trong trường hợp ựó khi mà kắch thước của ựộ gồ ghề của ựáy biển nhỏ hơn chiều dài sóng thì

sự phản xạ cũng giống như trên mặt phẳng Nếu như ựộ gồ ghề ựủ lớn thì một phần năng lượng của sóng tới sẽ phân tán ựi mọi hướng Sự phản xạ như vậy gọi là khuếch tán

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

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

hệ số phản xạ của ựáy biển:

ựó phụ thuộc vào trạng thái của mặt biển Sóng biển lớn, sóng gợn ựều có ảnh hưởng ựến sự

phản xạ ựó Nói chung, sóng biển lớn có những ựặc tắnh tự do, những tham số của sóng biển luôn biến ựổi Thực tế ựó gây nên sự khó khăn lớn trong việc phân tắch bằng toán học Nhưng nếu xét trong khoảng thời gian ngắn thì sự phản xạ từ mặt biển cũng tương tự như sự phản xạ

ựáy 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

1.2.2 Sự giao thoa sóng âm

Như ta ựã biết trong vật lắ chứng minh rằng, khi có nhiều nguồn sóng có biên ựộ nhỏ, cùng tần số (hoặc tần số xấp xỉ bằng nhau) cùng truyền qua một môi trường ựàn hồi nào ựó, thì sóng

âm của hai nguồn sẽ ựan xen vào nhau, vùng ựan 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,

x2  a2 .cos 0 .t

- r 1 và r 2 là khoảng cách truyền sóng từ ñiểm O 1 và O 2 ñến ñiểm M

Vậy tại ñiểm này pha dao ñộng tổng hợp của hai dao ñộng sóng là:

Hình vẽ 2.2

1.2.3 Nhiễu xạ của sóng âm

Sóng âm có khả năng uốn cong khi nó gặp một vật nào ñó trên ñường truyền lan Hiện tượng ñó gọi là nhiễu xạ Nhiễu xạ càng mạnh khi kích thước của vật cản nhỏ so với chiều dài sóng Trong trường hợp ñó, ta quan sát thấy năng lượng phân tán ra ñều về các hướng Nếu kích thước của vật cản lớn hơn chiều dài bước sóng thì xảy ra hiện tượng nhiễu xạ Nhưng ñằng sau vật cản sẽ hình thành một vùng bóng râm, mà ở ñó không có sóng âm ñi qua ðồng thời trường

âm ở ñằng 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 ñược 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 ño sâu hồi âm mà ta thấy khi ở thời ñiểm phát, do ki tàu hình cong sẽ tác ñộng lên máy thu

1.2.4 Sóng âm ñi qua màng ngăn mỏng

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

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

1 Từ công thức (2) và (3) ta thấy cường ñộ sóng ñi qua vỏ càng lớn nếu như càng thực hiện ñúng ñẳng thức:

ρ1 C 1 = ρ 2 C 2 = ρ 3 C 3

ðể thực hiện ñược ñiều kiện ñó, thường người ta ñặt màng dao ñộng 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 ñặt thùng chứa màng dao ñộng ñược 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 ñộng ñến mặt trong ñáy tàu (s) theo ñiều

1

Giao thoa cực ñại

cực tiểu

kiện sau: s = (2n + 1)

4 trong ñó n = 1, 2, 3

.K

1.2.5 Truyền lan của sóng âm trong chất lỏng chuyển ựộng

Khảo sát sự truyền lan của sóng âm trong chất lỏng chuyển ựộng có một ý nghĩa không kém phần quan trọng ựối với thực tiễn, bởi vì trong nước biển (chưa kể ựến sông) thường có những dòng nước có tốc ựộ ựạt tới vài nơ Khi sóng âm lan truyền trong chất lỏng chuyển ựộng, tốc ựộ tuyệt ựối của sự chuyển dịch các thành phần làn sóng dọc theo tia sóng sẽ bằng tổng hình học véctơ của tốc ựộ theo và véc tơ của tốc ựộ tương ựối Véctơ của tia tốc ựộ bây giờ sẽ không trùng với pháp tuyến của làn sóng nữa Khi ựó hình dạng của tia âm sẽ khác với ựường thẳng,

ựồng thời sự dịch chuyển này cũng làm thay ựổi tần số của sóng âm Như vậy, chuyển ựộng của

môi trường dẫn tới sự thay ựổi quang cảnh của trường âm - thay ựổi hai tham số quan trọng của sóng là: tốc ựộ truyền lan và tần số

1.2.6 Sự truyền lan sóng âm trong nước biển

Trong biển sâu, lớp nước biển không thể xem là một lớp nước ựồng nhất có ựộ dắnh ựược

Vì có những phần tử của bùn, khoáng chất, có những bọt khắ, có gradian nhiệt ựộ và ựộ mặn, tỉ trọng tăng giảm thất thường nên ta có thể coi nước biển là môi trường không ựồng nhất Môi trường không ựồng nhất ựó ựòi hỏi ta phải khảo sát ựặc biệt sự truyền âm trong ựó, vắ dụ phải xét hàm số tốc ựộ 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 ựó ựều có ý nghĩa thực tế lớn

Tốc ựộ truyền sóng âm trong nước biển - tắnh chất thuỷ âm cơ bản có tầm quyết ựịnh lớn thực chất của sự truyền lan sóng âm và ựộ chắnh xác của các máy thuỷ âm hoạt ựộng

Tốc ựộ truyền âm trong nước biển ựược tắnh theo công thức:

Sự khảo sát thực tế cho ta thấy rằng những ựại lượng nằm trong công thức tắnh tốc ựộ

/00 tăng, P0 tăng, còn nhiệt ựộ tăng về mùa đông, giảm về mùa Hè

ựộ

Tỉ trọng của nước biển tăng lên khi áp lực P 0 tăng cũng như khi ựộ mặn S 0 /00 tăng, còn khi

nhiệt ựộ t 0 tăng khi nó giảm Nhưng sự thay ựổi của ρ so với sự thay ựổi 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 ựó P 0 ắt ảnh hưởng tới sự thay

ựổi nhất Trong thực tế thì các ựại lượng t 0

, S 0 /00 và P 0 của nước biển là không cố ựịnh 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 ựại lượng trên là bằng 0 thì theo hướng thẳng ựứng nhiệt ựộ, ựộ mặn và áp lực thuỷ tĩnh phụ thuộc rất nhiều vào ựộ sâu Trong ựó có S 0 /00 và P 0 sẽ tăng lên cùng với ựộ 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 ựộ sẽ giảm khi ựộ sâu tăng, mà nó có thể thay ựổi 0,1 0 khi ựộ sâu thay ựổi 1m Về mùa ựông thì ngược lại, nhiệt ựộ sẽ tăng lên khi ựộ sâu tăng Nhưng gradian của nhiệt ựộ thường không qua 0,01 0 trên 1 mét Sự thay ựổi K và ρ do nhiệt ựộ không cố ựịnh, ựộ

mặn và áp lực thuỷ tĩnh thay ñổi là quan hệ hàm số:

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MÁY đO SÂU

2.1 Khái quát chung về máy ựo sâu

2.1.1 Khái niệm: Máy ựo sâu là một thiết bị ựiện dùng ựể xác ựịnh ựộ sâu của lớp nước dưới ựáy

tàu để làm ựược ựiều này người ta ứng dụng tắnh chất phản xạ của sóng âm và thông qua việc

ựo thời gian lan truyền của sóng âm từ khi phát tới khi thu ựược ựể tắnh ra ựộ sâu của ựáy biển dưới ki tàu:

2.1.2 Cấu tạo và vị trắ lắp ựặt trên tàu: nhìn chung máy ựo sâu gồm 3 khối chắnh là khối nguồn,

khối ựiều khiển và chỉ báo và khối thu phát

a Khối nguồn: có nhiệm vụ chuyển ựối nguồn ựiện của tàu thành các dạng ựiện áp phù hợp ựể cung cấp cho sự hoạt ựộng của máy ựo sâu Khối này thường ựược lắp ựặt trên buồng lái, trong phòng thiết bị ựiện

b Khối ựiều khiển và chỉ báo: có nhiệm vụ ựiều khiển sự hoạt ựộng thống nhất toàn bộ máy ựo sâu và hiển thị ựộ sâu ựo ựược

Sự hoạt ựộng thống nhất thể hiện ở chỗ:

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

Việc chỉ báo ựộ sâu có thể ựược thực hiện bằng những cách sau:

trên mặt chỉ báo và ta có ựộ sâu ựo ựược tương ứng với vị trắ ựèn sáng của thang ựo

trở về thu ựược sẽ làm cháy băng giấy tự ghi và ựể lại một vệt ựen đó là hình ảnh ựường viền ựáy biển độ sâu của ựáy biển chắnh là chỉ số trên thang ựo tương ứng với vị trắ băng giấy bị ựốt cháy

màn hình và chỉ số trên thang ựo tương ứng với vị trắ vệt sáng là ựộ sâu ựo ựược

Khối này ựược lắp ựặt trên buồng lái, trong phòng hải ựồ

c Khối thu phát: có nhiệm vụ tạo xung siêu âm phát vuông góc với ựáy tàu về phắa ựáy biển và thu tắn hiệu phản xạ trở về, biến nó thành tắn hiệu ựiện ựể chuyển tới khối ựiều khiển và chỉ báo Khối

này thường gồm bộ tạo xung ñiện áp cao, màng dao ñộng thu, phát và bộ khuếch ñại Màng dao

ñộng thường dùng là màng dao ñộng gião từ Khối này thường ñược ñặt trong một khoang nhỏ dưới ñáy tàu Khoang này thường ñược ñặt ở trước mặt phẳng sườn giữa, cạnh ki tàu Thông thường người ta khoét một lỗ nhỏ ở ñáy tàu và màng dao ñộng ñược ñặt trong ñó với màng bảo vệ bên ngoài và cơ cấu ñịnh vị chắc chắn nó với vỏ ñáy tàu

2.2 Nguyên lý hoạt ñộng của máy ño sâu hồi âm

Hình vẽ 2.1

Ở dưới ñáy tàu người ta ñặt một màng dao ñộng thu phát sóng siêu âm Tại thời ñiểm t1 ta phát sóng siêu âm xiên qua nước Sóng siêu âm truyền lan xuống ñáy biển gặp ñáy biển không ñồng 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 ñáy tàu Từ hình vẽ (2) ta có công thức tính ñộ sâu như sau:

h = C t

Trong ñó: C là tốc ñộ truyền âm trong nước (C= 1.500 m/s)