luận án nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển vịnh bắc bộ việt nam phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm

Từ các số liệu thựcnghiệm, các kết quả phân tích, tác giả đã tiến hành nghiên cứu xây dựng cơ sở dữliệu vận tốc âm, đưa ra quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển tạikhu

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN VĂN CƯƠNG

NGHIÊNCỨUQUYLUẬTBIẾNĐỔIVẬNTỐCÂMVÀHOÀN THIỆNQUYTRÌNHLẤYMẪUXÁCĐỊNHVẬNTỐCÂMTRONG MÔITRƯỜNGNƯỚCBIỂNKHUVỰCVỊNHBẮCBỘVIỆTNAM PHỤCVỤKHAITHÁCHIỆUQUẢCÁCTHIẾTBỊTHỦYÂM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2021

Trang 2

NGUYỄN VĂN CƯƠNG

NGHIÊNCỨUQUYLUẬTBIẾNĐỔIVẬNTỐCÂMVÀHOÀN THIỆNQUYTRÌNHLẤYMẪUXÁCĐỊNHVẬNTỐCÂMTRONG MÔITRƯỜNGNƯỚCBIỂNKHUVỰCVỊNHBẮCBỘVIỆTNAM PHỤCVỤKHAITHÁCHIỆUQUẢCÁCTHIẾTBỊTHỦYÂM

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêngtôi Các kết quả nghiên cứu trong luận án có được trên cơ sở tìm hiểu tài liệu, phântích một cách trung thực, khách quan và áp dụng trong điều kiện thực tiễn của ViệtNam Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Cương

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 2

3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

4 Nội dung nghiên cứu của luận án 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

7 Các luận điểm bảo vệ 4

8 Điểm mới của luận án 5

9 Cấu trúc của luận án 5

10 Cơ sở tài liệu 6

11 Lời cảm ơn 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬN TỐC ÂM VÀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ THỦY ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 7

1.1 Các công trình nghiên cứu trên thế giới về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển 7

1.1.1 Lịch sử phát triển ứng dụng công nghệ thủy âm 7

1.1.2 Các nghiên cứu ngoài nước về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm 10

1.2 Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển 13

1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng thiết bị thủy âm tại Việt Nam 15

Trang 5

1.2.2 Các nghiên cứu về vận tốc âm tại Việt Nam được công bố trên các tạp chí

chuyên ngành 16

1.2.3 Các nghiên cứu về biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ 17

1.3 Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM, PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 19

2.1 Khái quát về thủy âm học 19

2.1.1 Nguồn âm, năng lượng âm và đơn vị đo 19

2.1.2 Tần số âm và độ rộng băng tần 23

2.1.3 Lan truyền sóng âm và các hiệu ứng vật lý của sóng âm 24

2.1.4 Hấp thụ, tán xạ và sự suy yếu sóng âm 26

2.2 Vận tốc sóng âm và các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển 27

2.2.1 Vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển 27

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển 27

2.2.3 Các công thức thực nghiệm xác định vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển 28

2.3 Các phương pháp xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển 35 2.3.1 Sử dụng các trị đo hải văn (nhiệt độ, độ mặn, độ sâu) và áp dụng công thức thực nghiệm xác định vận tốc âm, sai số xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển 35

2.3.2 Máy đo vận tốc âm SVM (Sound Velocity Meter) 36

2.3.3 Xác đinh vận tốc âm bằng bar check 39

2.4 Quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển 39

2.4.1 Sự biến đổi của vận tốc âm theo độ mặn 40

2.4.2 Sự biến đổi của vận tốc âm theo nhiệt độ 40

Trang 6

2.4.3 Sự biến đổi của vận tốc âm theo độ sâu 41

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC ÂM ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐO THỦY ÂM, QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM TẠI VỊNH BẮC BỘ 44

3.1 Ảnh hưởng của vận tốc âm tới các thiết bị thủy âm 44

3.1.1 Đo sâu đơn tia 44

3.1.2 Đo sâu đa tia và thủy âm quét sườn (side scan sonar) 47

3.1.3 Định vị thủy âm 51

3.2 Quy trình lấy mẫu vận tốc âm trong khảo sát bằng thiết bị thủy âm 53

3.2.1 Quy trình đo sâu đơn tia 53

3.2.2 Quy trình đo sâu đa tia 55

3.2.3 Quy trình đo thủy âm quét sườn (Side Scan Sonar - SSS) 56

3.2.4 Quy trình định vị thủy âm 57

3.3 Các yêu cầu về độ chính xác khảo sát thủy âm 59

3.3.1 Tiêu chuẩn về độ chính xác của Tổ chức Thủy đạc Quốc tế (IHO) cho công tác khảo sát đáy biển 59

3.3.2 Tiêu chuẩn về độ chính xác đo sâu của một số cơ quan thủy đạc quốc gia (Canada, New Zealand, Australia) 62

3.3.3 Các quy định kỹ thuật liên quan tới sử dụng máy đo sâu hồi âm tại Việt Nam 66

3.4 Quy luật biến đổi vận tốc âm trong khu vực Vịnh Bắc Bộ 68

3.4.1 Khái quát chung về đặc điểm địa lý, tự nhiên biển khu vực Vịnh Bắc Bộ 68 3.4.2 Số liệu vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ 72

3.4.3 Quy luật biển đổi vận tốc âm theo vị trí địa lý 85

3.4.4 Thay đổi vận tốc âm theo phương cột nước (Water colum) và theo thời gian 98

Trang 7

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VẬN TỐC ÂM VÀ HOÀN THIỆN QUY TRÌNH LẤY MẪU VẬN TỐC ÂM KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ CHO CÁC THIẾT BỊ THỦY ÂM VÀ THỰC NGHIỆM CSDL 101

4.1 Cơ sở dữ liệu vận tốc âm, đánh giá chất lượng số liệu 101

4.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ 108

4.2.1 Dữ liệu nguồn 108

4.2.2 Các đặc trưng kỹ thuật và chuẩn hóa cơ sở dữ liệu 109

4.2.3 Khai thác cơ sở dữ liệu vận tốc âm 113

4.2.2 So sánh vận tốc âm trên cơ sở dữ liệu và vận tốc âm thực tế 115

4.3 Đánh giá kết quả và đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm 121

4.3.1 Quy trình lấy mẫu vận tốc âm theo văn bản pháp quy 121

4.3.2 Đề xuất hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm 125

KẾT LUẬN 130

KIẾN NGHỊ 132

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ 133

PHỤ LỤC 1 Bình độ cơ sở dữ liệu vận tốc âm trung bình các tháng tại khu vực Vịnh Bắc Bộ 138

PHỤ LỤC 2 Một phần số liệu cơ sở dữ liệu vận tốc âm sử dụng trong luận án 150

PHỤ LỤC 3 Một phần số liệu vận tốc âm thực tế đo được 153

Trang 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Hệ số của công thức Del Grosso 29

Bảng 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ mặn, độ sâu tới xác định giá trị vận tốc âm 32 Bảng 2.3 Hệ số sử dụng trong công thức (2.21) 33

Bảng 2.4 Mẫu số liệu vận tốc âm xác định bằng thiết bị SVP 15 38

Bảng 2.5 Nhiệt độ bề mặt trung bình 12 tháng của năm 2006 và 2010 tại Bãi Cháy, Quảng Ninh 40

Bảng 3.1 Sai số xác định độ sâu mD với mt=10-5s 46

Bảng 3.4 Các chuẩn cho khảo sát thủy đạc (Theo S-44 của IHO) 59

Bảng 3.5 Các chuẩn cho thủy đạc của Cơ quan Thủy đạc Canada - CHS 62

Bảng 3.6 Độ chính xác đo sâu bằng hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia SBES (Cơ quan Thủy đạc New Zealand) 64

Bảng 3.7 Khoảng cách giữa các tuyến đo đơn tia (Cơ quan Thủy đạc New Zealand) 64

Bảng 3.8 Tiêu chuẩn của Hiệp hội nhà thầu Hàng hải quốc tế (IMCA) 65

Bảng 3.9 Sai số độ sâu cho phép trong đo sâu phục vụ thành lập bản đồ địa hình đáy biển 67

Bảng 3.10 Sai số trung phương đo sâu của điểm ghi chú độ sâu so với độ cao của điểm chuẩn độ cao (bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000) 67

Bảng 3.11 Sai số trung phương độ sâu đường đẳng sâu so với độ cao của điểm chuẩn độ cao (bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1: 10.000) 67

Bảng 3.12 Số liệu đo nhiệt độ tại vị trí A 73

Bảng 3.13 Số liệu đo độ mặn tại vị trí A 74

Bảng 3.14 Số liệu đo nhiệt độ tại vị trí B 74

Bảng 3.15 Số liệu đo độ mặn tại vị trí B 75

Trang 9

Bảng 3 16 Số liệu đo nhiệt độ tại vị trí C 76

Bảng 3.17 Số liệu đo độ mặn tại vị trí C 76

Bảng 3.18 Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 12 tháng tại vị trí A 77

Bảng 3.19 Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 12 tháng tại vị trí B 79

Bảng 3.20 Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 4 mùa tại vị trí C 81

Bảng 4.1 So sánh số liệu WOD và số liệu GDEMV 3.0 phục vụ việc chuẩn hóa dữ liêu xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm 105

Bảng 4 2 các thành phần dữ liệu tương ứng vào các thực thể 111

Bảng 4 3 khóa chính cho các giá trị 112

Bảng 4.4 Chênh lệch giữa vận tốc âm thực và vận tốc âm trên cơ sở dữ liệu 116 Bảng 4.5 Chênh lệch giữa độ sâu sử dụng vận tốc âm thực tế và cơ sở dữ liệu 117 Bảng 4 6 So sánh và đánh giá độ tin cậy của số liệu vận tốc âm trên CSLD và số liệu vận tốc âm thực tế đối với tỷ lệ bản đồ 1:10.000 118

Bảng 4.7 Độ chính xác tối thiểu của các thiết bị đo vẽ địa hình đáy biển 122

Trang 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mặt cắt theo độ sâu tại các lưu vực của nhiệt độ, độ mặn, mật độ và

oxy hòa tan tại biển Baltic, biển Địa Trung Hải, biển Đen [26] 10

Hình 1.2 Phân bố sự bốc hơi và lượng mưa từ vĩ độ 40o N đến 50o S trên biển, [26] 11

Hình 2.1 Độ rộng băng tần của bộ phát biến 23

Hình 2.2 Độ phân giải của chiều dài xung 24

Hình 2.3 Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh 25

Hình 2.4 Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ và tần số 26

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý của máy đo vận tốc âm trực tiếp 37

Hình 2.6 Số liệu vận tốc âm đo được bằng thiết bị xác định vận tốc âm SVP 15 38

Hình 2.7 Thông số thiết bị xác định vận tốc âm svp - 15 39

Hình 2.8 Biểu đồ thay đổi vận tốc âm theo nhiệt độ và độ mặn tại z=0m [18] 40

Hình 2.9 Biểu đồ biến đổi nhiệt độ trung bình năm 2006 và 2010 tại Bãi Cháy 41

Hình 2.10 Sự biến đổi vận tốc âm theo độ sâu 41

Hình 2.11 Mặt cắt nhiệt độ và độ mặn theo độ sâu của nước 42

Hình 3.1 Nguyên lý đo sâu hồi âm đơn tia 44

Hình 3.2 Ví dụ về hệ thống đo đa tia và ảnh hưởng của vận tốc âm tới tia đo [38] 48

Hình 3.3 Hiện tượng khúc xạ của âm thanh khi qua các lớp nước khác nhau 48

Hình 3.4 Sự thay đổi hướng tia khi vận tốc âm không biến đổi theo các lớp nước 49

Hình 3.5 Sự thay đổi hướng tia khi vận tốc âm biến đổi theo các lớp nước 49 Hình 3.6 Thay đổi góc mở của hệ thống đa tia 50

Trang 11

Hình 3.7 Hình trên là dữ liệu đo sâu đa tia khi không hiệu chỉnh, hình dưới là

dữ liệu đo sâu đã hiệu chỉnh vận tốc âm 50

Hình 3.8 Đo góc tác động cơ học 51

Hình 3.9 Mối quan hệ hình học của nguồn âm và bộ phát biến 52

Hình 3.10 Sơ đồ quy trình khảo sát đo sâu đơn tia [14] 54

Hình 3.11 Ảnh hưởng của vận tốc âm bề mặt và qua các lớp nước có vận tốc âm khác nhau [28] 56

Hình 3.12 Quy trình khảo sát quét SSS [6] 57

Hình 3.13 Ảnh hưởng của vận tốc âm tới các tia ngoài của quét bề mặt 57

Hình 3.14 Sơ đồ quy trình định vị thủy âm 58

Hình 3.15 Sơ đồ kết nối thiết bị trong định vị thủy âm 58

Hình 3 16 Sơ đồ các dòng hải lưu tháng 2 và tháng 8 hàng năm 72

Hình 3.17 Vị trí các điểm quan trắc trên Vịnh Bắc bộ 73

Hình 3.18 Biểu đồ vận tốc âm trung bình tại vị trí A theo tháng 78

Hình 3.19 Mặt cắt vận tốc âm tháng 2 và tháng 8 (vị trí A) 79

Hình 3.20 Biểu đồ vận tốc âm trung bình theo tháng tại vị trí B 80

Hình 3.21 Mặt cắt vận tốc âm tháng 2 và tháng 8 (vị trí B) 81

Hình 3.22 Biểu đồ vận tốc âm trung bình theo tháng tại vị trí C 82

Hình 3.23.Mặt cắt vận tốc âm tháng 3 và tháng 10 (vị trí C.) 83

Hình 3.24 Sơ đồ vị trí điểm quan trắc độ mặn tham khảo tại khu vực Biển Đông 84

Hình 3.25 Sơ đồ vị trí điểm quan trắc nhiệt độ tham khảo tại khu vực Biển Đông 85

Hình 3.26 Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 17o45’ 86

Hình 3.27 Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 18 86

Hình 3.28 Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 18o15 87

Trang 12

Hình 3.42 Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 105o45 92

Hình 3.43 Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 106 93

Hình 3.53 Sự thay đổi vận tốc âm theo độ sâu và theo thời gian 100 Hình 4.1 Sơ đồ vị trí trạm quan trắc độ mặn và nhiệt độ cung cấp bởi WOD 102

Trang 13

Hình 4.2 Trang chủ của trang Cơ sở dữ liệu về hải dương vùng Viễn Đông

Nga 102

Hình 4.3 Sơ đồ các trạm đo độ mặn của cơ sở dữ liệu về hải dương vùng 103 Hình 4.4 Sơ đồ các trạm đo nhiệt độ của cơ sở dữ liệu về hải dương vùng 104 Hình 4.5 Lựa chọn tham khảo các giá trị độ mặn, nhiệt độ của cơ sở dữ liệu về hải dương học vùng Viễn Đông Nga 104

Hình 4.6 Ví dụ về tham khảo giá trị nhiệt độ tại độ sâu = 0 của cơ sở dữ liệu về hải dương học vùng Viễn Đông Nga tại khu vực Biển Đông tại Việt Nam 105 Hình 4.7 Chương trình khai thác dữ liệu vận tốc âm 109

Hình 4 8 mối quan hệ giữa các thành phần trong dữ liệu 112

Hình 4 9 Lựa chọn vị trí trích xuất vận tốc âm 113

Hình 4 10 Giao diện cài đặt thông số trích xuất giá trị vận tốc âm 115

Hình 4 12 Quy trình lấy mẫu vận tốc âm trong công tác khảo sát thủy âm 126 Hình 4 13 Quy trình lấy mẫu trực tiếp tại khu vực khảo sát 127

Trang 14

GIẢI THÍCH TỪ VÀ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

International Hydrographic

National Oceanic and Cơ quan quản lý đại dương và

2 NOAA Atmospheric Administration khí quyển quốc gia Hoa Kỳ

Mapping European Seabed Bản đồ đáy biển vi sinh vật

4 EEZ Exclusive economic zone Vùng đặc quyền kinh tế

Global Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường

Differential Global

7 DGNSS Navigation Satellite System Định vị GNSS vi phân

Conductivity, Temperature

15 1 PPT One Part Per Thousand Đơn vị một phần nghìn

Trang 15

Geographic Information

17 SIS Seafloor Information System Hệ thống thông tin đáy biển

Trang 16

18 CSV Comma-Separated Values Định dạng tệp dùng dấu phẩy

19 RMSE Root Mean Squares Error Sai số trung phương

20 THU Total Horizontal Uncertainty Tổng mức tin cậy mặt phẳng

21 TVU Total Vertical Uncertainty Tổng mức tin cậy độ cao

The International Marine Hiệp hội nhà thầu Hàng hải

Generalized Digital Mô hình số môi trường tổng

23 GDEMV 3.0 Environmental Model quát phiên bản 3.0

Cơ sở dữ liệu hải dương quốc

Trang 17

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một quốc gia có thủy hệ phong phú với đường bờ biển trải dài từMóng Cái đến Hà Tiên, tổng chiều dài bờ biển khoảng 3,260 km nằm về phía tâyBiển Đông [33] Dọc bờ biển cứ khoảng 23 km có một cửa sông, có thủy hệ phongphú nên công tác thành lập bản đồ chuyên đề, bản đồ địa hình đáy biển và thi côngcông trình ngầm dưới nước bằng thiết bị thủy âm được khai thác và sử dụng phổbiến với độ chính xác cao, đảm bảo tiến độ và chất lượng kỹ thuật Trong thi côngbằng các thiết bị thủy âm có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả

đo, do đó cần phải tính hiệu chỉnh nhằm hạn chế ảnh hưởng của các sai số này Cácnguồn sai số như đã nêu ở trên bao gồm ảnh hưởng của thiết bị định vị GNSS, thiết

bị cải chính chuyển động, công tác lắp đặt các thiết bị đo đạc, xác định vận tốc âmtrong môi trường nước v.v

Xác định chính xác vận tốc âm lan truyền trong môi trường nước tại khu đo

và tại thời điểm đo là rất quan trọng, cần xác định được vận tốc âm tại khu đo đểđảm bảo độ chính xác kết quả đo và khi đó sai số xác định vận tốc âm ảnh hưởng tớikết quả đo sâu tăng dần khi độ sâu tăng Để làm được điều này ta cần nghiên cứu vàphân tích đặc tính biến đổi vận tốc âm tại từng khu vực đặc trưng, từ đấy đưa ra đềxuất và kiến nghị phương pháp xác định vận tốc âm hợp lý với từng khu vực

Nghiên cứu về sóng âm và vận tốc âm trong môi trường nước lần đầu tiênđược Isaac Newton đưa ra trong “Book II, Prop XLV of Principia (1687)” sau đólần lượt được phát triển, đi sâu nghiên cứu bởi các nhà khoa học khác Đến thờiđiểm hiện tại các vấn đề về sóng âm, vận tốc âm trong môi trường nước ở nướcngoài đã được nghiên cứu và phân tích khá toàn diện Ở Việt Nam cũng có nhiềunghiên cứu về vật lý biển, địa chất biển, địa vật lý thềm lục địa nhưng nghiên cứusóng âm và vận tốc âm trong môi trường nước biển để khai thác hiệu quả thiết bịthủy âm vẫn chưa được nghiên cứu nhiều

Vấn đề vận tốc âm trong môi trường nước biển chỉ được nghiên cứu thông

Trang 18

qua việc quan trắc các tham số đại diện như nhiệt độ, độ sâu (áp suất), độ mặn Cácnghiên cứu đã có là nghiên cứu chung trên vùng rộng, chưa phản ánh được sự biếnđổi chi tiết của vận tốc âm.

Với mục đích đi sâu vào việc nghiên cứu vận tốc âm trong môi trường nướcbiển tác giả muốn nghiên cứu phân tích quy luật, sự ảnh hưởng của vận tốc âm tạicác vùng biển đặc trưng của Việt Nam, cụ thể là khu vực Vịnh Bắc Bộ Phân tíchđánh giá ảnh hưởng của vận tốc âm theo độ sâu, khu vực, theo thời gian để đưa rađược sự biến đổi của vận tốc âm theo từng yếu tố ảnh hưởng Từ các số liệu thựcnghiệm, các kết quả phân tích, tác giả đã tiến hành nghiên cứu xây dựng cơ sở dữliệu vận tốc âm, đưa ra quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển tạikhu vực Vịnh Bắc Bộ Khi thi công sử dụng CSDL vận tốc âm tại khu vực VịnhBắc Bộ với mục đích giảm số lần lấy mẫu trực tiếp ngoài thực địa vẫn đảm bảo yêucầu độ chính xác khi thi công, khảo sát đối với các tỷ lệ bản đồ bằng thiết bị thủy

âm trong công tác đo đạc thủy âm tại khu vực

Chính vì những lý do trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm”.

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận phân tích, xác định đặc điểm,quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ ViệtNam để hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm phục vụ khai thác hiệu quả thiết bịthủy âm

3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài

a Đối tượng nghiên cứu của đề tài:

Các cơ sở dữ liệu về nhiệt độ, độ mặn độ sâu, vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc

Bộ theo các trường thời gian, không gian

b Phạm vi nghiên cứu:

Sự biến đổi các yếu tố nhiệt độ, độ mặn, độ sâu của khu vực Vịnh Bắc Bộ

Trang 19

nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố này tới vận tốc âm

Ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc âm tới các thiết bị thủy âm thông dụng

4 Nội dung nghiên cứu của luận án

Thu thập số liệu về nhiệt độ, độ mặn, vận tốc âm, mặt cắt âm đã có ở khu vựcnghiên cứu là vùng biển Vịnh Bắc Bộ Phân tích các nguồn dữ liệu thu được, đềxuất bổ sung ở một số vùng còn khuyết số liệu vận tốc âm

Nghiên cứu phân tích đặc tính vận tốc âm phân bố theo vùng, theo độ sâu vàthay đổi theo thời gian tại vùng biển Vịnh Bắc Bộ

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định vận tốc âm trung bình theo độ sâu, vậntốc âm đại diện theo vùng và đánh giá ảnh hưởng của sai số xác định vận tốc âmđến kết quả đo bằng thiết bị thủy âm

Trên cơ sở những quy định hiện hành, sự biến đổi vận tốc âm từ đó đề xuấtquy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm tại khu vực nghiên cứu

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích số liệu: Phân tích số liệu vận tốc âm tại khu vực

Vịnh Bắc Bộ theo thời gian, theo độ sâu Phân tích đánh giá sự thay đổi vận tốc âmtại khu vực Vịnh Bắc Bộ nhằm xác định được các quy luật biến đổi của vận tốc âmtrong khu vực và đưa ra quy trình xác định vận tốc âm theo các yêu cầu khảo sát cụthể

Phương pháp cơ sở dữ liệu: Xây dựng được cơ sở dữ liệu vận tốc âm tại khu

vực Vịnh Bắc Bộ dựa trên sự thay đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ, tríchxuất giá trị vận tốc âm tại các thời điểm trên cơ sở dữ liệu và đánh giá với số liệu đođạc thực tế đưa ra các đề xuất cho công tác xác định vận tốc âm phục vụ khảo sát

Phương pháp thực nghiệm: Tính toán số liệu thực nghiệm của cơ sở dữ liệu

vận tốc âm và tính toán hiệu chỉnh vận tốc âm vào dữ liệu đo sâu đưa ra kết quả độsâu theo cơ sở dữ liệu, độ sâu theo vận tốc âm thực tế Đưa ra các nhận xét về cáckết quả

Phương pháp so sánh: Sau khi xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm, số liệu đã

được tính toán, so sánh với kết quả độ sâu sử dụng vận tốc âm theo cơ sở dữ liệu và

Trang 20

vận tốc âm đo thực tế Đánh giá sự thay đổi của việc sử dụng cơ sở dữ liệu và sốliệu thực tế.

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a Ý nghĩa khoa học:

Dựa trên cơ sở lý thuyết, các quy luật phân bố vận tốc âm theo không gian vàthời gian trong môi trường nước để đánh giá mức độ ảnh hưởng của thay đổi vậntốc âm đến độ chính xác đo đạc bằng thiết bị thủy âm, xác lập được mối quan hệgiữa điều kiện tự nhiện và quy luật biến đổi vận tốc âm từ đó đề xuất phương phápxác định vận tốc âm phù hợp bảo đảm khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm

Đưa ra các kiến nghị, phương pháp xác định vận tốc âm, xác định vận tốc âmtrung bình trong môi trường nước biển tại điều kiện khảo sát tương ứng Xây dựngđược cơ sở dữ liệu về vận tốc âm theo các dữ liệu đã có

Xây dựng cơ sở dữ liệu phân bố vận tốc âm trong môi trường nước biển tạikhu vực Vịnh Bắc Bộ, xây dựng chương trình khai thác cơ sở dữ liệu vận tốc âm,tính toán các các giá trị vận tốc âm tại các vị trí yêu cầu dựa trên cơ sở dữ liệu đãđược xây dựng

b Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu đưa ra phương pháp hạn chế các ảnh hưởng của vận tốc

âm trong môi trường nước biển đến kết quả đo

Đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm phù hợp từng khu vực khảo sát, từng

tỷ lệ bản đồ khảo sát

Khai thác, sử dụng cơ sở dữ liệu vận tốc âm cho các trường hợp khảo sát, tỷ

lệ bản đồ cụ thể tại khu vực Vịnh Bắc Bộ

7 Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Vịnh Bắc Bộ là vùng nước có độ sâu nhỏ, có nhiều cửa sông

do đó sự biến đổi nhiệt độ và độ mặn là các nhân tố ảnh hưởng đến quy luật biến đổivận tốc âm theo không gian và thời gian Đặc điểm đó đã ảnh hưởng tới sự biếnthiên vận tốc âm trong môi trường nước theo thời gian các tháng trong một năm lêntới 27.2 m/s

Trang 21

Luận điểm 2: Quy trình lẫy mẫu vận tốc âm được đề xuất trong luận án căn

cứ trên kết quả phân tích sự thay đổi nhiệt độ, độ mặn Vịnh Bắc Bộ, các đánh giáquy trình lấy mẫu vận tốc âm hiện hành, phân tích ưu điểm nhược điểm của quytrình Từ quy luật biến đổi vận tốc âm, các nhược điểm của quy trình lấy mẫu vậntốc âm hiện nay đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm mới phục vụ khai thác hiệuquả các thiết bị thủy âm

Luận điểm 3: Quy trình lấy mẫu vận tốc âm đề xuất, cùng cơ sở dữ liệu vận

tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ đã xây dựng đáp ứng được các yêu cầu về độ chínhxác khi ứng dụng các thiết bị thủy âm trong thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ1:10.000 và nhỏ hơn trong khu vực Vịnh Bắc Bộ

8 Điểm mới của luận án

- Vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ có quy luật biến đổi phức tạp Luận

án đã đưa ra phân tích, đánh giá trực quan sự biến đổi vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộtheo vị trí, không gian và thời gian nhằm mục đích khai thác hiệu quả các thiết bị thủyâm

- Sử dụng cơ sở dữ liệu hải dương toàn cầu (WOD) và cơ sở dữ liệu hảidương của đơn vị Hải dương vùng Viễn đông của Nga để xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc

âm cho khu vực Vịnh Bắc Bộ Độ chính xác của cơ sở dữ liệu này được đánh giá dựatrên các kết quả đo thực tế

- Cơ sở dữ liệu vận tốc âm được xây dựng là kết quả mới ứng dụng trongkhảo sát đo đạc thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn trong khuvực Vịnh Bắc Bộ

9 Cấu trúc của luận án

Cấu trúc luận án bao gồm các phần như sau:

Gồm 3 phần chính:

(1) Phần mở đầu: Giới thiệu về tính cấp thiết của luận án, mục đích nghiên

cứu của luận án, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, những luận điểmbảo vệ và những điểm mới của luận án

(2) Phần nội dung gồm 4 chương:

Trang 22

Chương 1 Tổng quan về vận tốc âm và ứng dụng thiết bị thủy âm trong môitrường nước biển

Chương 2 Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm, phương pháp xác địnhvận tốc âm trong môi trường nước biển

Chương 3 Ảnh hưởng của vận tốc âm đến độ chính xác của các thiết bị đothủy âm, quy luật biến đổi vận tốc âm tại Vịnh Bắc Bộ

Chương 4 Xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấymẫu vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ cho các thiết bị thủy âm và thực nghiệmCSDL

10 Cơ sở tài liệu

- Tài liệu của luận án sử dụng các tài liệu chuyên ngành tại Trung tâm Trắcđịa và Bản đồ Biển, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam Bên cạnh đó nghiên cứu sinhcũng sử dụng nguồn tài liệu tại Thư viện Quốc gia Việt Nam và Thư viện Khoa học vàCông nghệ Quốc gia Các số liệu điều tra khảo sát sử dụng số liệu trong nhiều năm tạiTrung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển

- Tài liệu tham khảo trên Internet

11 Lời cảm ơn

Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Nam Chinh,các thầy cô giáo trong Bộ môn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lýđất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tận tình giúp đỡ, góp ý và tạo những điềukiện tốt nhất để nghiên cứu sinh có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình

Trân trọng cảm ơn ban Lãnh đạo Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển - Tổngcục Biển và Hải đảo Việt Nam - Bộ Tài nguyên và Môi trường, các đồng nghiệp,các nhà khoa học đã quan tâm, đóng góp ý kiến để nghiên cứu sinh hoàn thiện tốthơn bản luận án của mình

Đặc biệt gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình đã dànhnhững điều kiện tốt nhất về tinh thần và vật chất để tôi có thể hoàn thành tốt nhấtkhóa học của mình

Trang 23

CHƯƠNG1 TỔNG QUAN VỀ VẬNTỐC ÂMVÀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ THỦY

ÂM TRONG MÔITRƯỜNGNƯỚCBIỂN

1.1 Các công trình nghiên cứu trên thế giới về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển.

1.1.1 Lịch sử phát triển ứng dụng công nghệ thủy âm

Ngay từ những năm trước Công nguyên, nhà triết học Hy Lạp Aristotle 322), đã có nhận định rằng, âm thanh lan truyền trong môi trường nước tốt hơn lantruyền trong không khí Sau đó cũng có một số nghiên cứu về sự lan truyền âmthanh trong môi trường nước như các nghiên cứu của Leonardo Da Vici (1452-1519) và Francis Bacon (1561-1626) Cho đến thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX, cómột số nhà khoa học như J.A Nollet (1700-1770), Alexander Monro (1733-1817)mới thực sự nghiên cứu, tiến hành thử nghiêm xác định vận tốc âm trong môitrường nước để ứng dụng vào một số mục đích khác nhau Trong các nghiên cứunày, người ta đã sử dụng nguồn âm là tiếng chuông (bell) phát dưới nước Năm

(384-1826, nhà vật lý người Thụy sĩ J.D Calladon (1802-1893) và nhà toán học ngườiPháp là J.K.F Sturm (1803-1855) đã triển khai thực nghiệm xác định vận tốc âm tại

hồ Geneva (Thụy Sĩ) ở nhiệt độ nước là 8oC Giá trị vận tốc âm xác định được lúcbấy giờ là 1435m/s, chỉ sai khác với giá trị vận tốc âm xác định hiện nay cỡ 3m/s.Trong khoảng những năm 1830-1860 đã có một số nhà khoa học nghiên cứu ứngdụng sóng âm trong môi trường nước với mục tiêu là để xác định độ sâu lớp nước

và xác định khoảng cách giữa các con tàu trên biển, hình thành kỹ thuật thủy âm.Thời gian tiếp theo, các nhà khoa học cũng quan tâm nghiên cứu để hoàn thiện dầncác thiết bị kỹ thuật thủy âm như chế tạo các nguồn sóng âm và chế tạo các ống thu

âm Sự kiện chìm tàu Titanic do con tàu cỡ lớn này va vào tảng băng trôi khổng lồtrên Đại Tây Dương vào tháng 4 năm 1912 đã hối thúc các nhà khoa học tích cựctriển khai nghiên cứu phương pháp dò thủy âm (Hydroaucoustic Sonar) sử dụngsóng âm Nhờ các cố gắng của các nhà khoa học, đến năm 1914, bằng thiết bị dòthủy âm người ta đã có thể phát hiện được các tảng băng trôi ở khoảng cách 3,2 km

Trang 24

Trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất (1914-1918), nước Đức đã bắt đầuchế tạo tàu ngầm, từ đó các ứng dụng kỹ thuật thủy âm trong lĩnh vực quân sự bắtđầu phát triển Trong thời gian này các nhà kỹ thuật ở Pháp, Anh, Hoa Kỳ cũng pháttriển ứng dụng kỹ thuật thủy âm trong quân sự và đã đạt được những thành tựu quantrọng, trong đó phải kể đến Paul Langevin (Pháp), Robert W Boyle (Anh) vàHarvey Hayes (Hoa Kỳ) Năm 1919, H Lichte (Đức) đã khái quát được mức độ ảnhhưởng của nhiệt độ, độ muối và áp suất tĩnh đến vận tốc lan truyền sóng âm trongnước

Dựa trên những nghiên cứu và kỹ thuật đạt được trước đó, trong khoảng thờigian sau Chiến tranh Thế giới thứ I đến Chiến tranh Thế giới thứ II, người ta vẫntiếp tục phát triển ứng dụng kỹ thuật thủy âm trong chế tạo thiết bị thủy âm phục vụquân sự và dân sự

Những năm tiếp theo, kỹ thuật dò thủy âm đã phát triển khá mạnh nhờ sựphát triển của các kỹ thuật khác như sự ra đời của đồng hồ thạch anh (1927), vật liệu

từ giảo, đầu phát biến áp điện, đầu phát biến điện giảo vv Kỹ thuật dò thủy âm(sonar) được chia thành hai nguyên lý là kỹ thuật (sonar) chủ động và (sonar) thụđộng Trong kỹ thuật chủ động, người ta tạo tín hiệu âm phát đi và thu tín hiệu phảnhồi từ đó xác định được khoảng cách và phương hướng tới đối tượng phản xạ, còntrong kỹ thuật thụ động người ta chỉ thu tín hiệu tới từ nguồn phát nào đó

Trong những năm 1970 hệ thống đo sâu đơn tia chính xác (singlebeamechosounder) và hệ thống dò thuỷ âm quét sườn (Side-Scan Sonar) được chế tạo.Những năm 1980 người ta đã chế tạo ra máy đo sâu hồi âm 2 tần số

Năm 1984 người ta đã chế tạo được máy đo sâu hồi âm đa tia (multibeamechosounder) Năm 1995 người ta đã sản xuất ra hệ thống đo sâu chùm tia cho vùngnước nông Từ năm 2000 trở lại đây, xu hướng tích hợp công nghệ cảm biến(sensor) với các thiết bị đo đạc khác được phát triển mạnh mẽ Hiện nay, nhờ ứngdụng thành tựu của tin học và kỹ thuật số, các thiết bị thủy âm không ngừng hoànthiện về độ chính xác, về kích thước và tính tiện dụng trong thực tế

Trang 25

Sự phát triển của đo đạc địa hình dưới nước có liên quan chặt chẽ với việchoàn thiện không ngừng của phương pháp đo sâu Trước khi máy đo sâu hồi âm rađời, việc đo vẽ địa hình dưới nước chỉ dựa vào quả dọi, chì đo sâu, thước đo sâu.Phương pháp đo sâu thủ công này không những độ chính xác rất thấp, tốn công sức

và thời gian mà còn cho hiệu suất không cao vì chỉ có thể đo sâu từng điểm khi tàuđứng yên Mặt khác, độ sâu đo được lại bị hạn chế nên không thể tiến hành đo vẽđịa hình dưới nước và nghiên cứu sự phát triển của hải dương

Công tác thủy đạc hiện đại sử dụng nhiều loại thiết bị và phần mềm kết nốivới nhau Các thiết bị này có thể được lắp đặt trên nhiều loại tàu, thuyền và cácphương tiện không người lái dưới mặt nước UUVs (Unmanned UnderwaterVehicles) như AUVs (Autonomous underwater vehicles - robot ngầm tự hành) hayROVs (Remotely operated underwater vehicles - robot ngầm điều khiển từ xa) hoặctrên các tàu lớn và có thể bao gồm các máy quét sườn, máy đo sâu sóng âm đơn tiahay đa tia Thêm vào đó, các hệ thống đo sâu sử dụng sóng âm giao thoa(Interferometric sonar systems) có khả năng thu được các dải quét rộng ở các vùngnước nông Các tiến bộ của công nghệ dò bằng sóng âm (sonar - Sound Navigationand Ranging) độ mở tổng hợp (synthetic aperture) sẽ cho phép thu nhận được nhiềuthông tin hơn về môi trường biển và được lập bản đồ Công nghệ này có khả năngtạo ra các bộ dữ liệu có độ phân giải cao hơn, mở ra các ứng dụng mới của dữ liệusonar như giám sát chuyển động của các luồng cá và các quần thể sinh vật [2]

Hiện nay công tác thủy đạc (đặc biệt tại các vùng nước nông - dưới 50m vàtrong) ngày càng được thực hiện nhiều bằng công nghệ đo sâu bằng sóng laser từmáy bay (Airborne Lidar Bathymetry - ALB) Ưu điểm nổi bật của công nghệLIDAR là cho phép đo nhanh và với độ chính xác cao nhờ sử dụng các kỹ thuậtlaser hiện đại Sự khác biệt rõ rệt nhất là công nghệ đo sâu bằng sóng âm là tối ưu ởcác vùng nước sâu trong khi công nghệ ALB tỏ ra có hiệu quả và an toàn hơn tại cácvùng nước với độ sâu không vượt quá 50 m với điều kiện là nước phải tương đốitrong Một ưu điểm nữa của công nghệ ALB là ngoài độ sâu còn đo được cả độ caocủa vùng đất ven bờ biển, cho phép thu được khối dữ liệu liên tục độ cao (trên

Trang 26

đất liền) - độ sâu (dưới biển).

1.1.2 Các nghiên cứu ngoài nước về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm

Năm 1950 đã công bố tài liệu Địa chất biển của Giáo sư địa chất Ph Kuenentrường đại học Groningen Hà Lan [26] Trong tài liệu này đã đề cập tới các đặc tínhcủa nước biển như độ mặn, nhiệt độ, mật độ vật chất trong nước Đã có các nghiêncứu về sự phân bố của các đặc tính trên tại các vùng như biển Baltic, biển ĐịaTrung Hải, biển Đen, Hình 1.1 biểu thị các giá trị nhiệt độ độ mặn theo độ sâu tạikhu vực biển nói trên

Hình 1.1 Mặt cắt theo độ sâu tại các lưu vực của nhiệt độ, độ mặn, mật độ và

oxy hòa tan tại biển Baltic, biển Địa Trung Hải, biển Đen [26].

Ph Kuenen đã đưa ra mối quan hệ giữa lượng mưa, lượng nước bay hơi, độmặn của nước biển tại vĩ độ 40o N và 50oS, mối tương quan giữa lượng mưa, lượngnước bay hơi, độ mặn được thể hiện trên Hình 1.2 Tại thời điểm này, các nghiêncứu ban đầu đã đánh giá sự biến đổi vận tốc âm dựa trên các biến đổi theo thời gian,theo vị trí và theo sự biến đổi của thời tiết nhưng chưa có điều kiện đi sâu nghiêncứu về vận tốc âm với các thiết bị thủy âm

Trang 27

Cũng trong tài liệu [23] đã đưa ra được cách tính vận tốc âm theo phươngngang Các lý thuyết, các đặc trưng của chuyển động trong môi trường nước biển đãđược đưa ra sơ bộ trong tài liệu này Đã có các nghiên cứu chuyên sâu, phạm vinghiên cứu rộng do một phần là chỉ chuyên sâu về vật lý biển và thiết bị công nghệthời này chưa phát triển nên chỉ nghiên cứu tổng thể, không đi sâu về vận tốc âm.

Năm 1960, Wayne D Wilson đã đưa công thức thực nghiệm tính vận tốc âm,đến năm 1990 ông công bố bài báo “Equation for the speed of sound in Sea Water”[31], xây dựng công thức thực nghiệm tính vận tốc âm và được trình bày chi tiếttrong tài liệu [31] Tuy nhiên, công thức này chỉ được sử dụng tại khu vực nước sâu

và có độ mặn trung bình không phù hợp với khu vực Việt Nam Đây là công thứcthực nghiệm đầu tiên để tính toán giá trị vận tốc âm, làm cơ sở tính toán cho cácthiết bị xác định vận tốc âm sau này

Vào năm 1974, VA Del Grosso đưa ra trong “New equation for the speed ofsound in natural waters (with comparisons to other equations)” [21] công thức xácđịnh giá trị vận tốc âm và xem hàm của vận tốc âm là hàm của độ mặn, áp suất,

Trang 28

nhiệt độ Trong công thức đó, các hệ số đặc trưng được sử dụng để tính toán thựcnghiệm các giá trị vận tốc âm theo từng khoảng nhiệt độ, độ mặn, áp suất Tác giả

đã tính ra hệ số với từng khoảng chia khác nhau, tính giá trị vận tốc âm trong môitrường nước ngọt, môi trường nước biển với kết quả thể hiện trong tài liệu [21].Công thức của tác giả sử dụng tại vùng nước có biến thiên độ sâu lớn từ 0 đến

11000 m không phù hợp với điều kiện ở Việt Nam

Năm 1975, Medwin đã đưa ra công thức tính gần đúng giá trị vận tốc âmtrong “Fundamentals of Acoustical Oceanography” [22] và công thức này áp dụngcho độ sâu đến 1000m Với điều kiện như ở Việt Nam phần lớn độ sâu nhỏ hơn

1000 m nên việc sử dụng công thức của Medwin trong công tác kiểm nghiệm thiết

bị xác định vận tốc âm là hợp lý Công thức Medwin đang được áp dụng trong tàiliệu [16]

Năm 1977, Chen và Millero đã đưa ra công thức tính giá trị vận tốc âm trongbài báo “Speed of sound in seawater at high pressures” [29] công thức được trìnhbày chi tiết trong tài liệu [29] Công thức Chen và Millero thường được áp dụng chocác vùng biển có độ sâu lớn (áp suất lớn), được áp dụng trong một số thiết bị xácđịnh vận tốc âm với độ sâu lớn thường là các thiết bị vận tốc âm chuyên dùng chonghiên cứu đại dương thế giới

Năm 1981, Mackenzie đã đưa ra công thức tính vận tốc âm trong bài báo

“Nine-term equation for the sound speed in the oceans” [27], công thức được sửdụng cho trường hợp nhiệt độ từ 2 đến 30oC, độ mặn từ 25 đến 40 ppt, độ sâu từ 0đến 8000m được dùng chung cho các vùng biển có độ sâu biến đổi lớn

Cũng trong năm 1981, A.B.Coppens đưa ra một cách tính giá trị vận tốc âmkhác và công thức của A.B.Coppens được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ từ 0 đến

35oC, độ mặn từ 0 đến 45 ppt, độ sâu đến 0 đến 4km, là các vùng biển có độ sâutrung bình [20]

Các công thức của các tác giả trên là các công thức thực nghiệm tính giá trịvận tốc âm tại các vùng biển khác nhau tùy thuộc từng điều kiện Dựa vào các côngthức thực nghiệm này các nhà nghiên cứu đã ứng dụng trong việc sản xuất các thiết

Trang 29

bị xác định vận tốc âm Các vấn đề vận tốc âm của từng khu vực cũng dựa trên cáccông thức thực nghiệm để đánh giá, sau đó so sánh với thiết bị xác định vận tốc âm.Các nghiên cứu sau này đều ứng dụng và dựa trên các công thức thực nghiệm đãnêu trong các tài liệu từ [19, 20, 21, 25, 27, 29, 32]

Trong tạp chí hiệp hội âm học Hoa Kỳ (The Journal of the AcousticalSociety of America) bắt đầu từ năm 1929 đến nay đã có nhiều đóng góp trong lĩnhvực nghiên cứu về vận tốc âm trong môi trường nước biển Các tác giả nghiên cứunhiều khía cạnh về ảnh hưởng của vận tốc âm tới kết quả khảo sát như năng lượng

âm suy giảm trong các điều kiện nước nông, sâu Vận tốc âm thay đổi theo thờigian, theo vị trí địa lý ảnh hưởng tới kết quả khảo sát bằng thiết bị thủy âm, tuynhiên chi tiết cho vùng biển Việt Nam chưa được nghiên cứu

Tiếp theo đó là các tài liệu sách ứng dụng âm học dưới nước (AppliedUnderwater Acoustics) xuất bản năm 2017 của các tác giả Thomas H Neighbors III

và David Bradley [19] đã giới thiệu về quá trình phát triển của công nghệ thủy âm,ảnh hưởng của vận tốc âm tác giả đề cập tới từ năm 1946, đã nói tới thay đổi củavận tốc âm theo mùa, theo độ sâu Trong tài liệu đã viết về ứng dụng của công nghệ

âm học trong môi trường nước như định vị thủy âm, kết nối trong môi trường nước,ảnh hưởng độ ồn tới kết quả khảo sát, ứng dụng trong việc xác định đàn cá và chưanghiên cứu cho khu vực Việt Nam

Các nghiên cứu của nước ngoài về vận tốc âm khá chi tiết và đầy đủ về mọimặt, cả ứng dụng trong công nghệ thủy âm Ảnh hưởng của vận tốc âm tới kết quảkhảo sát khi sử dụng thiết bị thủy âm cũng được đánh giá và cho ra kết quả với từngvùng riêng biệt Nhưng sự biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ thì chưa cótài liệu nào nghiên cứu, có chăng chỉ nghiên cứu vùng Biển Đông tại các khu vựcnước có độ sâu lớn hay nghiên cứu tổng quan cả vùng biển Việt Nam

1.2 Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển.

Vấn đề nghiên cứu biển tại Việt Nam đã được bắt đầu thực hiện từ khá lâu,theo bài viết về nghiên cứu biển [32], từ những năm 1920 đã có tàu nghiên cứu của

Trang 30

Pháp bắt đầu nghiên cứu vùng biển Việt Nam Tiếp theo đó, Việt Nam phối hợp vớicác nước như Việt Nam - Trung Quốc (1959 - 1962), Việt Nam - Liên Xô (1960 -1961) rút ra nhiều kết luận có giá trị về trữ lượng cá biển khơi và những vấn đề vềđịa chất - địa vật lý thềm lục địa, v.v Giai đoạn này các vấn đề nghiên cứu nhằmmục đích phát triển ngư nghiệp, chủ yếu nghiên cứu về trữ lượng cá và một phần vềvật lý biển, địa chất biển.

Đến những năm đầu của thập kỷ 90, Việt Nam bắt đầu nghiên cứu và triểnkhai công nghệ khảo sát đo đạc địa hình đáy biển Từ năm 1988 đến năm 1995 Bộ

Tư lệnh Hải quân đã thành lập bản đồ độ sâu với các tỷ lệ nhỏ như là tỷ lệ1:1.000.000, 1:500.000, 1:200.000, 1:100.000 các khu vực ven biển

Từ năm 1999 đến nay, Bộ Tài nguyên Môi trường đã triển khai đo bản đồ địahình tỷ lệ 1:50.000 và 1:10.000 phục vụ quản lý nhà nước Để đảm bảo cho công tác

đo đạc, Cục Đo đạc, Bản đồ Việt Nam nay là Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa

lý Việt Nam đã đưa ra các quy định, quy phạm phục vụ cho công tác đo đạc khảosát bản đồ địa hình đáy biển

Ngoài các văn bản của quản lý nhà nước, đã có các tài liệu khác cũng đãnghiên cứu về vật lý biển như:

Cuốn tài liệu Vật lý biển của tác giả NGUT GS TS Đinh Văn Ưu - PGS

TS Nguyễn Minh Huấn [4] đã đưa ra các khái niệm cơ bản của nhiệt động họctrong môi trường nước biển, các phương trình cơ bản thủy nhiệt động học, các vấn

đề về âm học trong môi trường nước biển Đây là tài liệu nghiên cứu phục vụ giảngdạy đưa ra các công thức và vấn đề của vật lý biển Chưa đề cập tới sự biến đổi củavận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ

Cuốn tài liệu Cơ sở âm học đại dương được PGS TS Phạm Văn Huấn biêndịch được xuất bản tại NXB Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2003 [3] Trong tài liệunày vấn đề sóng âm, trường âm trong môi trường nước biển được đề cập chi tiết.Các lý thuyết và công thức được công bố chi tiết giải thích đầy đủ để người đọc cóthể tham khảo và áp dụng Đây là tài liệu giáo khoa về trường âm trong môi trườngnước biển và các yếu tố ảnh hưởng của môi trường nước biển tới sóng âm lan

Trang 31

truyền Làm tài liệu tham khảo trong luận án, tài liệu đã nêu các công thức cơ bản

và nghiên cứu sinh đã sử dụng đưa vào trong luận án

Năm 2006, tại Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển SEAMAP (Tổng cục Biển

và Hải đảo Việt Nam) đã có đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Ứng dụng máy đovận tốc âm trong công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển” của tác giả Dương QuốcLương [5] Đề tài đã đánh giá được vai trò quan trọng của vận tốc âm trong công táckhảo sát địa hình đáy biển và đã đề xuất sử dụng thiết bị xác định vận tốc âm ápdụng trong quy trình kỹ thuật đo địa hình đáy biển các tỷ lệ Các số liệu vận tốc âmthực tế đang được sử dụng và thực hiện lấy mẫu được thực hiện bởi Trung tâm Trắcđịa và Bản đồ biển

Năm 2011, Viện khoa học và công nghệ Việt Nam đã xuất bản sách chuyênkhảo về biển đảo Việt Nam với tiêu đề “Âm học biển và trường sóng âm tại khu vựcBiển Đông Việt Nam” của tác giả Phạm Văn Thục [8] Trong đó tác giả viết rất chitiết về trường sóng âm, sóng âm trong môi trường nước biển tại khu vực Biển Đông

Đã đề cập tới một số thiết bị sử dụng công nghệ sóng âm thực hiện các công táckhảo sát phục vụ nghiên cứu Tài liệu mang tính chất chuyên khảo và đưa ra phạm

vi nghiên cứu tổng quát tại khu vực Biển Đông, có ý nghĩa nghiên cứu và tham khảotrong đề tài của nghiên cứu sinh

1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng thiết bị thủy âm tại Việt Nam

Thiết bị thủy âm tại Việt Nam đã được rất nhiều cơ sở đào tạo, cơ sở sản xuấtnghiên cứu ứng dụng Trong đó, được sử dụng nhiều nhất là công nghệ đo sâu hồi

âm đơn tia, thường được dùng trong công tác khảo sát luồng lạch cửa sông, cửabiển

Về luận văn nghiên cứu thiết bị thủy âm tại trường Đại học Mỏ - Địa chất cócác đề tài nghiên cứu về thiết bị thủy âm như:

Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của việc xác định vận tốc âm đến kết quả

đo sâu trong quy trình đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển ở Việt Nam, Luận

văn Thạc sỹ Kỹ thuật, Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội bảo vệ năm 2011 do ThS VũHồng Tập thực hiện [7] Luận văn tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc

Trang 32

âm tới kết quả đo sâu hồi âm đơn tia trong việc thành lập bản đổ địa hình đáy biểnnhưng chưa nghiên cứu cho các thiết bị khác chưa nêu được các căn cứ đề xuất quytrình lấy mẫu vận tốc âm.

Luận văn “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ dò thủy âm quét sườn trong

công tác thành lập bản đồ địa hình đáy biển ở Việt Nam” do ThS Phạm Vũ Vinh

Quang thực hiện năm 2013 [6] Trong đó tác giả đã tập trung nghiên cứu ứng dụng

thiết bị dò thủy âm quét sườn bổ sung cho công tác đo vẽ địa hình đáy biển tại ViệtNam Bên cạnh đó cũng đề cập tới tham số vận tốc âm trong công tác khai thác thiết

bị dò thủy âm quét sườn, không đi vào chi tiết nghiên cứu vận tốc âm

Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển đã có các nghiên cứu ứng dụng các thiết

bị thủy âm như thiết bị đo sâu đơn tia, đa tia, thủy âm quét sườn, thiết bị đo từ, nổ

địa chấn Với đề tài nghiên cứu cấp cơ sở “Nghiên cứu phương pháp xác định và

hiệu chỉnh độ nghiêng của đầu biến âm máy đo sâu hồi âm đơn tia trong đo đạc độ sâu đáy biển” năm 2013 do Th.S Tăng Quốc Cương chủ trì đã được nghiệm thụ [1].

Được ứng dụng cho lắp đặt thiết bị thủy âm, không liên quan nhiều tới luận án

1.2.2 Các nghiên cứu về vận tốc âm tại Việt Nam được công bố trên các tạp chí chuyên ngành

Ngoài các công trình nghiên cứu dưới dạng đề tài hay sách tham khảo thì kếtquả nghiên cứu vận tốc âm cũng được đăng tải trên các tạp chí chuyên ngành haycác báo cáo khoa học chuyên ngành như tuyển tập báo cáo Hội nghị Quốc gia vềBiển Đông năm 2007 [10] Trong tài liệu [10] tác giả đã đánh giá cấu trúc và đặcđiểm phân bố của vận tốc âm tại khu vực Biển Đông Việt Nam và đã phân tích vậntốc âm theo các mùa, các thời điểm khí hậu đặc trưng, độ sâu đặc trưng cho khu vựcBiển Đông nhưng chưa chi tiết cho khu vực Vịnh Bắc Bộ

Trong chương trình Điều tra cơ bản và nghiên cứu ứng dụng công nghệ biển(KC.09) [11] đã phân tích các điều kiện khí hậu, tự nhiên của khu vực Vịnh Bắc Bộ.Trong đó đã phân tích về điều kiện nhiệt độ, lượng mưa, độ mặn trong khu vựcVịnh Bắc Bộ, đã trình bày kết quả đã đánh giá theo mùa và tại một số trạm cố định.Các yếu tố nhiệt độ, độ mặn là một phần trong yếu tố ảnh hưởng tới việc xác định

Trang 33

vận tốc âm nhưng vẫn chưa có đánh giá chung về các tham số của vận tốc âm nếuước tính theo công thức thực nghiệm

Trong dự án “Thăm dò, khai thác nguồn lợi hải sản phục vụ nghề cá xa bờ”

đã có báo cáo “Kết quả nghiên cứu chế độ nhịêt, mặn vùng biển khơi Vịnh Bắc Bộ”năm 1999 [9] Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu các đại lượng nhiệt độ, độ mặn củakhu vực Vịnh Bắc Bộ với 17 trạm quan trắc trong thời gian 2 tháng là tháng12/1998 và tháng 6/1999 Trong kết quả đó chưa phản ánh được sự thay đổi nhiệt độ

và độ mặn trong Vịnh Bắc Bộ vì chỉ quan trắc được 02 tháng Tài liệu dùng để thamkhảo công tác xác định vận tốc âm theo công thức thực nghiệm

Các đề tài thuộc dự án “Xây dựng cơ sở dữ liệu biển Quốc gia” từ năm 2001-2002 [39] đã công bố các tham số đặc trưng về nhiệt độ, độ mặn của vùng biểnViệt Nam và đã xây dựng thành cơ sở dữ liệu VODC 3.1 Các tham số này dùng đểtính toán thực nghiệm vận tốc âm tại các vị trí quan trắc và không công bố rộng rãi

1.2.3 Các nghiên cứu về biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ

Nghiên cứu riêng về vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ hiện nay chưa cónghiên cứu chi tiết, cụ thể Về các yếu tố địa vật lý biển như nhiệt độ và độ mặn độsâu được nghiên cứu phục vụ các mục đích khác cũng đã có nghiên cứu như tác giảMai Thanh Tân với sách chuyên khảo Biển Đông tập I: Khái quát về Biển Đôngđược Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam xuất bản Nghiên cứu sự biến đổi vềvận tốc âm phục vụ công tác khảo sát thủy âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ vẫn chưađược nghiên cứu cụ thể

1.3 Kết luận chương 1

- Từ các nghiên cứu và các tài liệu tham khảo trong nước và ngoài nước như

đã trình bày ở trên nghiên cứu sinh nhận thấy nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âmtheo không gian và thời gian tại khu vực Vịnh Bắc Bộ chưa được nghiên cứu chi tiết.Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm tại Vịnh Bắc Bộ để phục vụ sử dụng các hiệuquả các thiết bị thủy âm nói riêng và phục vụ công tác nghiên cứu biển nói chung là cầnthiết Sự biến đổi của vận tốc âm trong môi trường biển tại khu vực Vịnh Bắc Bộ phảnánh nhiều yếu tố thay đổi của môi trường, của dòng chảy, của

Trang 34

địa hình.

- Về phương pháp luận, nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm tại khu vựcVịnh Bắc Bộ làm tiền đề để nghiên cứu sự biến đổi vận tốc âm trong toàn bộ khu vựcbiển Việt Nam Trên cơ sở đó có thể đưa ra quy trình lấy mẫu vận tốc âm hợp lý nhằmkhai thác hiệu quả thiết bị thủy âm theo từng vùng

- Trong luận án, nghiên cứu sinh sẽ phân tích quy luận biến đổi vận tốc âmtheo vị trí địa lý và theo thời gian tại khu vực Vịnh Bắc Bộ để đưa ra được các nhận xét,đánh giá về sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển với các khảo sát theophương kinh tuyến, vỹ tuyến và theo mùa Từ đó đề xuất được Quy trình lấy mẫu vận tốc

âm phù hợp

Trang 35

CHƯƠNG2.NGHIÊN CỨUQUY LUẬT BIẾNĐỔIVẬN TỐCÂM, PHƯƠNG PHÁPXÁC ĐỊNHVẬNTỐC ÂM TRONG MÔITRƯỜNGNƯỚC BIỂN

2.1 Khái quát về thủy âm học

Thủy âm học là môn học thuộc lĩnh vực vật lý, trong đó nghiên cứu về sự lantruyền của âm thanh trong môi trường nước, sóng âm trong môi trường nước là hiệntượng vật lý khá phức tạp, đặc biệt là môi trường nước biển Do môi trường nướcbiển không đồng nhất và có sự biến đổi rất lớn ở các vị trí khác nhau, độ sâu khácnhau, thời điểm khác nhau nên việc xác định vận tốc âm chính xác sử dụng cho thiết

bị thủy âm khá khó khăn Với mỗi tần số âm khác nhau mang một dạng năng lượngkhác nhau và truyền tới một độ sâu khác nhau Tùy thuộc khu vực, mục đích cầnnghiên cứu, khảo sát người ta sẽ sử dụng các tần số âm khác nhau cho phù hợp yêucầu Dưới đây là một số đặc tính cơ bản của sóng âm trong môi trường nước biển

2.1.1 Nguồn âm, năng lượng âm và đơn vị đo

a Nguồn âm

Bản chất của sóng âm là sự lan truyền sóng cơ học trong môi trường nước,

đó là sự tác động liên tục quá trình tiếp nhận và truyền tải năng lượng của dao độngsóng âm Hiện tượng sóng âm phổ biến nhất là sóng dọc, khi sóng âm truyền quamôi trường các phân tử nước rung động trong môi trường tạo ra mật độ và áp suấtthay đổi dọc theo hướng chuyển động của sóng Sự thay đổi áp suất được hiểu nhưsóng âm hoặc thừa áp, thừa áp Pe được định nghĩa như sau theo tài liệu [24]:

Trang 36

và được biểu diễn như sau:

vo là vận tốc âm ban đầu

v là vận tốc âm tại thời điểm xét

Khi Δυ thay đổi trong thể tích ban đầu và pe được chấp nhận, nếu s là hằng sốthì có thể hiểu như định luật Hooke Sự phản hồi của lực nén được hiểu như hệ sốtải trọng k Đối với biên độ sóng âm nhỏ, xem xét ở đây lực nén và hệ số tải trọng

có thể được coi là hằng số

Từ khi có nhiễu cục bộ, môi trường không thể ngay lập tức truyền tín hiệu,

sự lan truyền của sóng âm thanh xảy ra cùng một lúc với sự xáo trộn tương ứng vớivận tốc âm v Vận tốc âm thanh phụ thuộc vào hệ số tải trọng k và mật độ ρo trungbình được tính như sau:

v  k / 0  1/ (s 0 )

Với môi trường nước giá trị k=2.2x10-9 Pa và Po = 1000kg/m3, vận tốc âmtrong môi trường nước xấp xỉ bằng 1480 m/s, vận tốc âm trong sắt là khoảng 5050m/s và trong không khí là 330 m/s

b Năng lượng âm

Theo tài liệu [8] thì năng lượng âm học là dao động của hạt trong một chấtlỏng bao gồm cả động năng và thế năng Động năng của một chuyển động đượcbiểu thị bởi công thức dưới đây:

Trang 37

(W) 

P2

Bv2

Với P là áp suất tại điểm khảo sát và v là vận tốc âm tại điểm khảo sát

c Đơn vị đo trong sóng âm.

Theo tài liệu [8], các đơn vị đo trong sóng âm thì đại lượng chủ yếu ghi đượctrực tiếp là áp suất âm học, đó là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích.Trong hệ đơn vị quốc tế SI, đơn vị xuất phát để mô tả các quá trình cơ học là mét,kilogram, và sec Đơn vị lực trong hệ SI là Newton truyền cho một khối lượng 1kgmột gia tốc là 1m/s2, áp suất sóng âm được thể hiện là Pascal (Pa), 1 Pascal là áp lựcgây nên bởi 1 lực N phân bố đều trên một diện tích bề mặt là 1m2 Trong các quátrình vật lý truyền sóng âm hệ SI thì áp suất được biểu thị bằng dyn trên centimetvuông (dyn/cm2) Giữa các đơn vị trong hệ SI và GGS có sự liên hệ sau:

1Pa=10dyn/cm2 (2.9) Áp suất tĩnh trong lý thuyết về âm họcngoài Pa người ta còn sử dụng kiloPascal (kPa), áp lực khí quyển vào khoảng

105Pa Ngoài ra để biểu diễn áp lực không khí người ta còn sử dụng đơn vị đặc biệt

là atmosphere (atm) và milimet thủy

Trang 39

Khi nhúng vào trong nước một vật tại các độ sâu 10m thì áp lực tăng lênkhoảng 100kPa, áp suất tĩnh tại độ sâu 5km trong môi trường nước biển vào khoảng50mega Pa (50 MPa = 5.107 Pa)

Năng lượng trường sóng âm là một yếu tố quan trọng, sau đó là tổng độngnăng của hạt dao động với thế năng của biến dạng đàn hồi Trong hệ SI năng lượngđược đo bằng Jun, 1Jun là công của một lực Newton trên quãng đường 1m

Trong hệ GGS năng lượng được đo bằng erg (1 erg bằng công thức thựcnghiệm thực hiện bởi 1 lực là 1dyn bị dịch chuyển trên quãng đường 1cm) Ta có sựliên hệ 1J=10-7 erg Đơn vị công suất tương ứng trong hệ SI là Wat (1W=1J/s) còn

trong hệ GGS là erg/s, sự liên hệ giữa chúng là

Năng lượng sóng âm từ nguồn vào môi trường sau đó truyền đi dưới dạngsóng âm Năng lượng chứa trong một đơn vị thể tích của môi trường được gọi làmật độ năng lượng của sóng âm và năng lượng này được truyền dọc theo tia sóng

âm Số lượng năng lượng sóng âm trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diệntích vuông góc với phương truyền nghĩa là mật độ của dòng năng lượng sóng âmđược gọi là cường độ sóng âm và cũng là một loại đơn vị quan trọng được dùng

trong âm học

Người ta định nghĩa mức cường độ âm L là lôgarít thập phân của tỉ số :

Đơn vị mức cường độ âm là Ben (ký hiệu: B) Như vậy mức cường độ âm

bằng 1, 2, 3, 4 B điều đó có nghĩa là cường độ âm I lớn gấp 10, 102, 103, 104

cường độ âm chuẩn I0

Trong thực tế người ta thường dùng đơn vị đêxiben (ký hiệu: dB), bằng 1/10ben Số đo L bằng đêxiben lớn gấp 10 số đo bằng ben

Khi L= 1 dB, thì I lớn gấp 1.26 lần I0 Đó là mức cường độ âm nhỏ nhất màtai ta có thể phân biệt được Mức cường độ âm chuẩn I0 = 10-12W/m2

Trang 40

2.1.2 Tần số âm và độ rộng băng tần

a Tần số âm:

Các tần số âm thanh là những tham số để xác định phạm vi và những vùng

mà âm thanh có thể đi qua Sự suy giảm của tín hiệu âm trong nước tỷ lệ thuận vớitần số, tần số càng cao thì sự suy giảm càng nhanh tức là đo được khoảng cách nôngngược lại tần số càng thấp thì càng đi xuống được sâu dưới đáy biển

Độ rộng chùm phụ thuộc vào độ dài sóng âm thanh và kích thước của bộ phátbiến Đối với cùng một độ rộng chùm tia tần số thấp hơn sẽ đòi hỏi phải có bộchuyển đổi lớn hơn

Tần số theo độ sâu thể hiện như sau:

• Vùng nước nông hơn 100 mét: tần số cao hơn 200 kHz

• Vùng nước nông hơn 1500 mét: tần số 50 - 200 kHz

• Vùng nước sâu hơn 1500 mét: tần số 12 - 50 kHz

• Các tần số cho độ sâu bề mặt đáy biển là dưới 8 kHz

b Độ rộng băng tần:

Hình 2.1 Độ rộng băng tần của bộ phát biến

Lấy f0 là tần số của truyền tải điện tối đa (cộng hưởng tần số) và f1 và f2 làtần số tương ứng với một nửa cường độ tín hiệu, độ rộng băng tần là khoảng tần sốgiữa các tần số (Hình 2.1), tức là: W = f2 - f1

Hệ số chất lượng của bộ phát biến Q được tính bởi:

W

Định dạng
Số trang	204
Dung lượng	6,38 MB