PHƯƠNG PHÁP đo và KIỂM TRA KHÔNG PHÁ hủy sử DỤNG SONAR BKHN

Nó thường được sử dụng trong quân sự, mặc dù nócũng được sử dụng trong các ứng dụng khoa học Nguyên lý Sonar thụ động nghe âm thanh do mục tiêu phát ra bằng các sử dụng hydrophne một mic

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đỗ Tiến Trung - 20174289 Nguyễn Tá Tuấn - 20164386 Bùi Văn Sơn – 20153173 Giảng viên hướng dẫn:

TS Cung Thành Long

Hà Nội - 2021

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của xã hội, khoa học công nghệ đãphát triển mạnh mẽ như cầu của xã hội, trong đó sự yêu cầu ngày càng cao của chất lượng sảnphẩm cũng như an toàn lao động đã sinh ra một lĩnh vực mới đó là lĩnh vực “Đo và kiểm trakhông phá hủy”

Đo và kiểm tra không phá hủy (hay Non-Destructive Testing – NDT) là kỹ thuật baogồm các phương pháp dùng để thử nghiệm, kiểm tra, đánh giá và chuẩn đoán tình trạng sảnphầm, công trình công nghiệp mà không làm tổn hại đến khả năng sử dụng của chúng Saukhi kiểm tra không phát hủy, đối tượng không bị thay đổi về hình dạng, kích thước, các tínhchất cơ lí hóa và vẫn có thể dùng theo mục đích thiết kế ban đầu

NDT có thể và nên dùng trong mọi công đoạn của quá trình sản xuất và sử dụng: từkhâu lựa chọn vật liệu, kiểm soát chất lượng của các bán sản phẩm trong các giai đoạn côngnghệ khác nhau đến việc đánh giá chất lượng các sản phẩm cuối trước khi xuất xưởng Kiểmtra không phá huỷ còn dùng để phát hiện và đánh giá sự xuất hiện và phát triển của các khuyếttật trong các sản phẩm, kết cấu công trình trong quá trình sử dụng Trên cơ sở đó có thể loại điđược các vật liệu và sản phẩm không đạt yêu cầu tránh được các chi phí trong các công đoạntiếp theo cho các sản phẩm bị loại Cũng bằng cách đó có thể sớm tìm ra được các chi tiết, cấukiện hư hại, đánh giá được mức độ toàn vẹn của công trình và có biện pháp bảo dưỡng vàthay thế kịp thời các thành phần cấu kiện hư hại, tránh được những thảm hoạ có thể xảy ra

Có nhiều kỹ thuật được sử dụng trong đo kiểm tra không phá hủy Dựa vào khả năngphát hiện khuyết tật, người ta chia làm hai nhóm chính:

• Nhóm phương pháp có khả năng phát hiện khuyết tật trên bê mặt và gần bề mặt, như:kiểm tra bằng mắt (Visual Testing), thẩm thấu chất lỏng (Liquid Penetrant Testing),phương pháp đánh dấu hạt từ (Magnetic Particle Testing), phương pháp dòng điệnxoáy (Eddy Curent Testing)

• Nhóm phương pháp có khả năng phát hiện khuyết tật nằm sâu bên trong và cả trên bềmặt đối tượng: chụp ảnh phóng xạ (Radiographic Testing), phương pháp sử dụngsóng siêu âm (Ultrasonic Testing) và phương pháp sử dụng SONAR

Môn học “Đo và kiểm tra không phá hủy” được bộ môn Đo lường và tin học côngnghiệp của Viện Điện đưa vào chương trình dạy trong chương trình đào tạo kỹ sưKTĐ&THCN Dưới sự hướng dẫn và chỉ dạy của TS Cung Thành Long, chúng em xin đượctập trung tìm hiểu về một trong những phương pháp trên, đó là:

“PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY SỬ DỤNG SONAR”

Trong quá trình tìm hiểu, chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, chúng em mong sẽnhận được lời góp ý của thầy và các bạn để Báo cáo này được hoàn thiện hơn

Chúng em chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ SONAR

1.1 Khái niệm

1.1.1 Khái niêm sóng âm

Sóng âm là một loại sóng cơ học được truyền đi từ một nguồn âm thanh Sóng âm cóthể lan truyền trong môi trường rắn, lỏng, khí Dựa vào ton số, sóng âm được chia làm 3 loại :

• Sóng hạ âm: tần số nhỏ hơn 16Hz

• Sóng âm con người nghe được: tần số từ 16Hz đến 20KHz

• Sóng siêu âm: tần số lớn hơn 20KHz

Sóng siêu âm có đặc tính riêng so với hai loại sóng âm còn lại, đó là tính định hướng.Sóng siêu âm có tần số cao nên bước sóng sẽ ngắn, vì vậy khi sóng siêu âm lan truyền trongmôi trường và gặp vật cản thì sẽ bị phản xạ lại mà không đi vòng qua vật thể như hai loạisóng âm còn lại

Tốc độ lan truyền của sóng âm phụ thuộc vào vật chất và nhiệt độ của môi trường vàkhông phụ thuộc vào tần số Vận tốc sóng âm trong môi trường khí khoảng 342m/s, trong môitrường nước là 1500m/s và trong môi trường thép là 5000m/s

1.1.2 Khái niệm SONAR

Đánh giá các cấu kiện xây dựng chìm sâu trong nước biển : Các cấu kiện kể cả kim loại,

bê tông hay phi kim dù có phủ sơn trong điều kiện sử dụng ở nước biển thông thường trên bềmặt bị bám sò, … dẫn đến việc bị hà khá nhiều Việc phá bỏ lớp hà bên ngoài ra để kiểm tracấu trúc bên trong có thay đổi, rạn nứt không là không khả thi Cần phải kiểm tra, giám sátliên tục chất lượng đối tượng chìm sâu trong nước biển, chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện tựnhiên như vậy 1 cách không phá hủy, phương pháp đc sử dụng phổ biến hiện nay là phươngpháp Sonar

SONAR (viết tắt cụm từ tiếng Anh: Sound Navigation and Ranging) là một kỹ thuật sửdụng sự lan truyền âm thanh để tìm và phát hiện đối tượng ở trên bề mặt hoặc bên trong vậtliệu SONAR được dùng chủ yếu trong quân sự đặc biệt là hải quân, tuy nhiên với sự ưu việtcủa nó, SONAR đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác đặc biệt làtrong kỹ thuật đo và kiểm tra không phá hủy

Sonar sử dụng trong đo kiểm tra không phá hủy được đánh giá là phương pháp được sửdụng rộng rãi dùng để xác định vị trí lỗi hỏng hóc cơ khí của các cấu trúc và thiết bị Phươngpháp này có thể cung cấp thông tin một cách toàn diện

Các vật liệu có các vết nứt sẽ tỏa ra năng lượng khi mà chịu tải trọng, áp lực và nhiệt

độ Lượng năng lượng này tồn tại dưới dạng sóng Các tín hiệu sóng này được đọc bởi cáccảm biến chuyển thành điện áp Điện áp này được khuếch đại và sử dụng các mạch trong sử

lý tín hiệu Việc phân tích dữ liệu dựa trên đặc tính của tín hiệu thu được và tín hiệu nguồn, vềcường độ và tần số của chúng

1.1.3 Nguồn sóng âm

Như đã được đề cập trước đây, quá trinh lan truyền âm thanh bắt đầu với ứng suất Ứngsuất là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do sự tác dụng của cácnguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đôi nhiệt độ

Sức căng có thể được tưởng tượng như là trường có ba hướng ở mỗi điểm của một cấutrúc Đáp ứng của vật liệu so với sức căng là sự thay đổi của hình dạng Vật liệu sẽ biến dạngđàn hồi và nếu sức căng quá lớn thì vật liệu sẽ biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh viễn)

Khi vật liệu kim loại bị nứt thì sẽ có rất nhiều nguôn âm thanh và đây là điều quan trọngnhất trong đo và kiểm tra không phá hủy Khi bề mặt vết nứt to lên, chúng sẽ tạo ra các tínhhiệu có biên độ cao và dễ dàng có thể phát hiện

1.2 Phân loại

1.2.1 SONAR chủ động

Dùng đầu phát (Transmitter) phát xung sóng, thường được gọi là một ping, và nghetiếng vọng lại ở đầu thu Có nhiều cách bố trí hình học các đầu phát và thu, cho ra cách thứcđịnh vị đối tượng khác nhau

Nguyên lý Sonar chủ động sử dụng máy chiếu (loa dưới nước) để tạo xung của âmthanh truyền qua nước đến mục tiêu và được trả lại dưới dạng tiếng vang cho mộthydrophone, thường là cùng một thiết bị với máy chiếu và trong bối cảnh này thườngđược gọi là bộ chuyển đổi Tiếng vọng bây giờ phải được phát hiện chống lại nền của tiếng

ồn và tiếng vang (tiếng vọng không mong muốn từ mặt biển và đáy biển và từ các chất phântán trong môi trường biển) Bởi vì thời gian giữa việc truyền một xung và nhận một tiếngvọng có thể được đo lường và tốc độ âm thanh trên biển đã biết, phạm vi của mục tiêu tạotiếng vang chỉ đơn giản là tính toán Sonars tích cực đôi khi được gọi là hệ thống tạo tiếngvang

1.2.2 SONAR bị động

Lắng nghe mà không phát tín hiệu Nó thường được sử dụng trong quân sự, mặc dù nócũng được sử dụng trong các ứng dụng khoa học

Nguyên lý Sonar thụ động nghe âm thanh do mục tiêu phát ra bằng các sử dụng

hydrophne một micro dưới nước và phát tín hiệu dựa trên phát hiện tín hiệu dựa trên nền của

tiếng ồn xung quanh của biển và tiếng ồn của nền tảng sonar Hệ thống thụ động có thể đượcthực hiện theo hướng, do đó phương của tín hiệu được biết đến Bản chất của tín hiệu - phổtần số của nó và cách nó thay đổi theo thời gian sẽ giúp phân loại mục tiêu Tuy nhiên, các hệ

thống thụ động cơ bản không cung cấp thông tin về phạm vi của mục tiêu; một tín hiệu có thểtrả về một mục tiêu gần, yên tĩnh hoặc một mục tiêu xa ồn ào.

Phần 2: SONAR CHỦ ĐỘNG

2.1 Định nghĩa

Sonar chủ động hoạt động bằng cách phát ra một xung âm thanh vào cột nước và đokhoảng thời gian mà sóng âm thanh cần để phát ra khỏi mục tiêu và quay trở lại nguồn.Trong hầu hết các ứng dụng của sonar trong khoa học và công nghiệp, một bộ chuyển đổiđược sử dụng để phát và nhận xung âm thanh Bộ chuyển đổi chuyển đổi năng lượng điệnthành sóng âm thanh

Một "ping" sonar được tạo ra từ một tín hiệu điện dao động với các đặc tính tần số cóthể được phân biệt duy nhất Các tín hiệu điện dao động được chuyển thành dao động cơ họcđược truyền vào nước dưới dạng áp suất dao động hoặc sóng âm Khi sóng âm thanh trở lạidưới dạng tiếng vọng từ đáy biển, xung âm thanh sẽ được nhận và chuyển đổi trở lại thành tínhiệu điện bởi bộ chuyển đổi hoạt động như một hydrophone

Âm thanh truyền qua nước theo một chuỗi các sóng áp suất được gọi là sóng nén Hình2.1 minh họa sóng áp suất với hai độ dài sóng khác nhau Các sóng áp suất này truyền với tốc

độ không đổi trong môi trường nước đồng nhất Khoảng cách giữa các sóng áp suất được gọi

là chiều dài sóng Số đỉnh sóng đi qua một điểm trong nước trong một giây là tần số đo bằng

Hz hoặc kHz

Hình 2.1 Biểu đồ ví dụ về sóng âm tần số thấp và cao

Khi một bộ chuyển đổi sonar phát ra một xung âm thanh, âm thanh sẽ truyền qua nướctheo dạng chùm ngược theo mọi hướng như trong hình 2.2 Xung mạnh nhất ngay bên dưới

bộ chuyển đổi và yếu đi khi góc từ trục trung tâm tăng lên Góc hình nón của bộ chuyển đổi

là thước đo tiêu điểm trung tâm của chùm âm thanh được xác định bằng khoảng cách từ trụctrung tâm đến điểm của một nửa công suất Đặc tính này có thể liên quan đến các thuật ngữphi âm thanh đối với đèn pin và con trỏ laser chỉ vào một bức tường Đèn pin (góc hình nónrộng) chiếu sáng một khu vực rộng lớn trong khi con trỏ laser (góc hình nón nhỏ) tập trungvào một điểm

Hình 2.2 Đồ họa góc hình nón sonar và các thùy bên

Góc hình nón nhỏ nhất thường được ưu tiên khi thực hiện khảo sát thủy văn hoặc thuthập dữ liệu độ sâu vì mong muốn các giá trị đọc ngay bên dưới đầu dò Ngược lại, nếu ngườiđiều khiển sonar quan tâm đến việc xác định điểm nông nhất trong một khu vực hoặc vật cản,

thì một góc hình nón rộng hơn sẽ thích hợp hơn để quan sát một khu vực lớn hơn Các góchình nón của đầu dò cũng có thể có dạng hình elip hoặc thậm chí là hình quạt.

Một khía cạnh khác của hình dạng chùm sóng sonar là một thuộc tính được gọi là cácside lobe Các side lobe tồn tại trong tất cả các chùm sóng sonar và năng lượng định hướngyếu Các side lobe có thể gây ra tiếng vọng trở lại có thể bị hiểu sai, đặc biệt là khi làm việcgần các bề mặt thẳng đứng

2.2 Tốc độ âm thanh trong môi trường nước

Các hệ thống sonar cơ bản nhất cho rằng môi trường nước là đồng nhất và tốc độ âmthanh không thay đổi trong toàn bộ môi trường Tuy nhiên, những thay đổi về mật độ nước,thay đổi theo độ sâu, nhiệt độ và độ mặn, ảnh hưởng đến tốc độ của âm thanh Khi tốc độ âmthanh thay đổi từ môi trường này sang môi trường khác, độ dài sóng thay đổi tỷ lệ thuận,nhưng tần số không đổi Tốc độ âm thanh trong nước thay đổi như sau :

• 1.7 m/s mỗi 100 m độ sâu

• 3.5 m/s mỗi 1 °C thay đổi

• 1.4 m/s mỗi 1 ppt độ mặn thay đổi

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ mặn ở 5 ft

Bảng 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ mặn ở 200 ft

2.3 Phương trình Sonar chủ động

Trong một hệ thống sonar chủ động, nguồn phát cũng hoạt động như một máy thu

Hình 2.3 Phạm vi tiếng vang và các thông số sonar

Phương trình sonar phải tính đến mức độ lớn của nguồn âm thanh (mức nguồn), sự lantruyền và suy giảm âm thanh khi xung âm thanh truyền từ sóng âm đến mục tiêu ( suy haotruyền dẫn ), lượng âm thanh bị mục tiêu phản xạ trở lại sonar ( cường độ mục tiêu ), sự lantruyền và suy giảm âm thanh khi xung phản xạ truyền trở lại máy thu (suy hao truyền dẫn),nhiễu nền tại máy thu (mức nhiễu) và các đặc tính của máy thu (độ lợi mảng) Các thành phầntrong phương trình sonar được tính bằng đơn vị Decibel

Sonar truyền tín hiệu với mức nguồn SL, tính bằng dB dưới nước cách nguồn mộtmét Âm thanh trở nên yếu hơn khi nó truyền về phía mục tiêu, do sự lan truyền và hấpthụ Tổng cường độ tín hiệu giảm trong quá trình truyền được gọi là suy hao truyền dẫn (TL), tính bằng Decibel Cường độ âm thanh tại mục tiêu khi đó là (SL -TL) decibel Chỉ một

phần âm thanh trúng vào mục tiêu, cho dù đó là một đàn cá, đáy biển, hoặc một tàu ngầm ,được phản xạ trở lại về phía sonar Cường độ của tiếng vọng lại cách mục tiêu một mét so với

cường độ âm chạm vào mục tiêu được gọi là cường độ mục tiêu TS, tính bằng decibel Tiếng

vọng cách mục tiêu một mét về cơ bản giống như tín hiệu từ nguồn phản xạ lại với mứcnguồn là:

Cường độ tiếng vọng (decibel) = (SL - TL) + TS

Khi tín hiệu phản xạ truyền trở lại hệ thống sonar, cường độ tín hiệu lại bị giảm do suy hao truyền dẫn TL Khi đó cường độ của tín hiệu trả về hoặc tiếng vang tại máy thu là:

Cường độ tín hiệu trả về (decibel) = (SL - TL) + TS – TL

có thể được đơn giản hóa thành:

Cường độ tín hiệu trả về (decibel) = SL -2TL + TS

Nếu mức tạp âm tại máy thu là NL decibel, thì tỷ số giữa mức tín hiệu với mức nhiễu

tại máy thu, được gọi là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR), là:

SNR (decibel) = SL -2TL + TS - NL

Máy thu lớn, thường được cấu tạo bằng cách tập hợp một loạt các máy thu nhỏ hơn, có

thể hướng theo một hướng cụ thể và loại bỏ nhiễu từ tất cả các hướng khác Do đó, mức nhiễu

được giảm xuống một phần bằng độ lợi mảng AG, tính bằng decibel và SNR được tăng lên:

SNR (decibel) = SL -2TL + TS - (NL - AG)

2.4 Ứng dụng Sonar trong đánh giá các kết cấu cầu dưới nước

Khi công nghệ sonar cải tiến, mối quan tâm đến việc áp dụng các công cụ này để kiểmtra các kết cấu cầu dưới nước ngày càng tăng Xu hướng này đã phát triển, một phần donhững tiến bộ trong công nghệ sonar Xu hướng cũng tăng nhanh do các điều kiện bất lợi choviệc kiểm tra lặn, chẳng hạn như tầm nhìn dưới nước bị hạn chế, dòng chảy tốc độ cao, cácmảnh vỡ chìm và độ sâu lớn tồn tại ở nhiều vị trí cầu Vì những điều kiện bất lợi này có thểhạn chế khả năng của thợ lặn trong việc kiểm tra cây cầu bên dưới mặt nước, việc kiểm trabằng công nghệ Sonar nhằm nâng cao chất lượng kiểm tra, tăng độ an toàn, tăng hiệu quả vàcải thiện dữ liệu nhận đượccủa quá trình kiểm tra, đánh giá

Công nghệ sonar có thể được phân thành hai loại lớn dựa trên loại dữ liệu nhận được:2D và 3D Hệ thống sonar 2D lấy không gian 3D và vẽ biểu đồ trên màn hình 2D Sonar 2Dtạo ra độ nét tốt nhất khi góc tới rất cao Dữ liệu 3D bao gồm nhiều điểm dữ liệu, mỗi điểm

có tọa độ x, y và z duy nhất Những dữ liệu này yêu cầu nội suy để tạo ra hình ảnh sonarđược kết xuất Sonar 3D hoạt động tốt nhất khi góc tới rất thấp

Hình 2.4 (a) Nguyên lý quét cơ học 2D; (b) Nguyên tắc quét cơ học 3D.

2.4.1 Hệ thống Sonar 3D

Chi tiết được tạo ra bởi các hệ thống sonar 3D phụ thuộc vào:

1) diện tích mà chùm tia được hội tụ nhỏ đến mức nào để thu được một điểm đọc 2) số điểm thu được

Số lượng điểm dữ liệu thu được trong một khu vực được gọi là mật độ dữ liệu Nếu một

hệ thống sonar có nhiều chùm tia hơn hoặc tốc độ ping nhanh hơn, thì khả năng thu đượcvùng phủ dữ liệu dày đặc hơn sẽ trở nên khả thi trong thời gian ngắn hơn

Hệ thống sonar 3D bao gồm máy đo tiếng vang, máy đo sóng âm đa tia và sonar đa tiathời gian thực

2.4.1.1 Fathometers/Echosounders (Single-Beam)

Máy đo tiếng vang hiện đại là các hệ thống sonar đơn chùm thu thập dữ liệu 3D khiđược kết nối với GPS hoặc hệ thống thu thập tọa độ địa lý khác Tần số của máy đo thườngnằm trong khoảng từ 24 kHz đến 340 kHz, với tần số cao hơn mang lại độ phân giải cao hơn,nhưng rất ít hoặc không có sự thâm nhập cao Bởi vì sự thâm nhập cao thường không quantrọng khi thực hiện khảo sát bằng máy đo tiếng vang nên tần số cao hơn 200 kHz thường được

sử dụng

Hình 2.5 Kết quả khảo sát vị trí cầu bằng cách sử dụng sonar chùm tia đơn xung quanh cầu tàu.

Các hệ thống máy đo tiếng vang phức tạp hơn kết hợp với máy thu GPS cho phép kếthợp tọa độ địa lý với mỗi lần đọc độ sâu Điều này cho phép các cuộc khảo sát chính xác cóthể dễ dàng so sánh với các dữ liệu cuộc khảo sát trước đó và trong tương lai

Hình 2.6 Minh họa cách thức khảo sát

Đánh giá:

Lợi ích chính của máy đo là thu được cấu hình đáy sông được tham chiếu địa lý Cáccấu hình có thể được sử dụng để xác định vị trí và định lượng các vết lồi lõm bề mặt, các vậtthể như chân trụ lộ ra ngoài hoặc khu vực mảnh vụn tích tụ Việc kết hợp và so sánh cấu hìnhđáy sông từ các đợt kiểm tra cầu dưới nước liên tiếp có thể cảnh báo các kỹ sư về các vấn đề

+ Bản đồ viền được tạo ra từ sonar đơn chùm chủ yếu dựa vào phép nội suy giữa cácđiểm dữ liệu Đối với các khu vực tương đối bằng phẳng hoặc có độ dốc thoải, phương phápnày hoạt động tốt Tuy nhiên, với sự hiện diện của các bề mặt dốc hoặc không đều có thể dẫnđến việc hiển thị không chính xác các điều kiện thực tế

+ Hạn chế chính của fathometers là không có khả năng thu thập dữ liệu bên ngoàiđường đi của tàu vận chuyển Vì lý do này, chức năng của fathometers chỉ giới hạn ở việc cóđược thông tin độ sâu đáy sông và không có khả năng đánh giá các cấu trúc mặt thẳng đứng

2.4.1.2 Multibeam Swath và Sonar quét cơ học

Sonar quét đa tia, được phát triển lần đầu tiên vào giữa những năm 1960 cho Hải quânHoa Kỳ, còn được gọi là thiết bị âm thanh dội âm Chúng hoạt động tương tự như các thiết bị

âm thanh dội âm chùm tia đơn ngoại trừ chúng đồng thời chiếu một loạt các chùm sóng sonarhình quạt bao phủ một “chiều rộng dải” như thể hiện trong hình Sonar đa chùm tia cho phépphủ sóng dữ liệu dày đặc hơn nhiều trong một khoảng thời gian ngắn hơn Một cuộc khảo sátnhiều tia điển hình có thể có một mảng hình quạt có khả năng có chiều rộng vùng biển gấpbảy lần độ sâu của nước Do đó, nếu độ sâu của nước là 100 ft (30,5 m), dữ liệu đo có thể thuđược đối với chiều rộng vùng biển là 700 ft (210 m)

Hình 2.7 Sonar đa chùm tia

Sự sắp xếp chùm tia cho phép lập bản đồ chi tiết của một mặt cắt ngang rất mỏng vớimỗi xung sonar Hầu hết các hệ thống được gắn trên thuyền và nhờ sự di chuyển của thuyền

để thay đổi vị trí của tín hiệu gửi / nhận Tần số hoạt động thường nằm trong khoảng từ 0,7MHz đến 1,8 MHz

Đánh giá:

Lợi ích chính của sonar quét đa tia là khả năng nhanh chóng thu được số lượng lớn dữliệu 3D Sonar quét đa tia tạo ra hình ảnh tĩnh 3D thường được gọi là đám mây điểm Bằngcách kết hợp dữ liệu thu được của nhiều lần quét, người vận hành sonar có thể có được mật độ

dữ liệu lớn và độ bao phủ đáy 100% của khu vực

Hạn chế:

Một hạn chế chính của sonar quét đa tia là số lượng lớn dữ liệu được tạo ra cồng kềnh

và tốn thời gian cho quá trình xử lý Do yêu cầu của các cảm biến và sự phức tạp của mốiquan hệ giữa các cảm biến này, việc lắp đặt sonar quét đa tia tạm thời phức tạp và tốn thờigian hơn đáng kể so với việc lắp đặt một chùm tia tương đương Cả việc vận hành ở hiệntrường và xử lý dữ liệu đều yêu cầu đào tạo và kỹ năng đáng kể để làm chủ Ngoài ra, hệthống sonar đa tia đắt hơn đáng kể so với các loại công nghệ sonar khác

Đối với các ứng dụng kiểm tra cầu, dữ liệu 3D sonar đa chùm tia có thể cho phép ngườikiểm tra ghi lại và đánh giá độ sâu của việc phá hoại nền móng cầu Tuy nhiên, một hạn chếcủa sonar đa tia để kiểm tra cầu là khó chuyển đổi từ việc thu thập dữ liệu từ lòng sông sangmặt thẳng đứng của giá đỡ cầu khi sonar ở cấu hình hướng xuống

Ngoài ra, những dữ liệu này thường yêu cầu xử lý thủ công đáng kể để lọc bỏ tiếng ồn

âm thanh Dưới bàn tay của một kỹ thuật viên lành nghề, sonar đa chùm tia có thể mang lạicác cuộc khảo sát chất lượng cao

2.4.1.3 Real-Time Multibeam Sonar

Sonar đa tia thời gian thực là một hệ thống sonar thể tích Thay vì một hàng chùm tiahẹp, nó chứa nhiều hàng và cột chùm tia hẹp tạo thành một khối như minh họa trong hình

Ma trận chùm tia hẹp cho phép phủ sóng dữ liệu dày đặc hơn, tạo ra hàng nghìn điểm dữ liệuvới một ping duy hình.o với hàng trăm ping cho hệ thống quét đa tia Các hệ thống này tạo

ra hình ảnh ba chiều được cập nhật theo thời gian thực Chúng có thể được gắn trên một hệthống lắp đặt cố định hoặc gắn trên tàu, ROV hoặc phương tiện tự hành dưới nước (AUV)

Hình 2.8 Sonar đa tia

Sonar đa tia thời gian thực cung cấp nhiều lợi ích của dữ liệu 3D So với sonar quét đatia, một số công nghệ có thể được triển khai nhanh hơn, yêu cầu ít kỹ năng và đào tạo củangười vận hành đặc biệt hơn, đồng thời giảm độ khó khăn của việc xử lý dữ liệu Do sốlượng chùm lớn và mật độ dữ liệu cao, các cấu trúc lớn và phức tạp có thể được bao phủ mộtcách nhanh chóng mà không cần quét qua nhiều lần Kết quả cuối cùng là năng suất tăng lênrất nhiều

Một hạn chế của sonar đa tia thời gian thực là số lượng lớn dữ liệu được tạo ra có thểcồng kềnh và tốn thời gian cho quá trình xử lý Một hạn chế khác là mặc dù các hệ thốngsonar đa tia thời gian thực có thể được sử dụng như một thiết bị “độc lập”, chúng vẫn cầnđược tham chiếu địa lý đầy đủ bằng cách sử dụng GPS và các thiết bị bù chuyển động để cókết quả tốt nhất Điều này làm tăng thêm một mức chi phí cho các hệ thống vốn đã đắt tiền

Hệ thống như vậy cũng có thể yêu cầu nhiều thiết bị hơn để bảo trì

2.4.2 Hệ thống Sonar 2D

Hệ thống sonar chụp ảnh 2D của SONAR có chùm tia hình quạt

Các chùm tia tương tự được sử dụng để tạo ra hình ảnh 2D với các hệ thống sonar đa tiaquét bên, quét khu vực và dựa trên thấu kính

Hình 2.9 Hệ thống Sonar chụp ảnh 2D

2.4.2.1 Side-Scan Sonar

Sonar quét bên lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1960 và đã được sửdụng thành công để ghi lại các phát hiện dưới nước trong nhiều năm Sonar quét bên phát racác xung âm thanh hình quạt ở tần số hoạt động thường từ 83 kHz đến 800 kHz Chùm tia hẹp

ở một mặt (thường nhỏ hơn 1 độ) và rộng ở mặt kia (thường từ 35 đến 60 độ)

Hình 2.10 Hình dạng của một chùm sóng sonar quét bên điển hình.

Bộ chuyển đổi được kéo phía sau thuyền hoặc được gắn trên thân của tàu Sonar quétbên yêu cầu thuyền di chuyển về phía trước để mỗi lần ping sonar liên tiếp sẽ được định vịphía trước ping trước đó Khi các hình ảnh được ghép lại với nhau dọc theo hướng di chuyển,chúng tạo thành hình ảnh liên tục của đáy và các vật thể nằm ở đáy

Hình 2.11 Minh họa Sonar quét bên

Đánh giá:

Lợi ích chính của sonar quét bên là khả năng tạo ra hình ảnh của các khu vực rộng lớn ởđáy sông một cách nhanh chóng và hiệu quả Vì lý do này, sonar quét bên được coi là công cụđược lựa chọn cho các hoạt động tìm kiếm quy mô lớn Sonar quét bên có thể được sử dụngcho nhiều mục đích bao gồm xác định các thành địa chất và trầm tích lộ ra ngoài, phát hiệncác mảnh vỡ dưới nước hoặc các vật thể có thể gây nguy hiểm cho các hoạt động hàng hải vàtìm kiếm tàu đắm Ngoài ra, có thể khảo sát vị trí và cấu hình chung của các cấu trúc, đườngống và cáp chìm

Đối với các mặt thẳng đứng của các cấu trúc chìm dưới nước, có thể đo kiểm nếu cácđầu dò được xoay 90 độ Chất lượng của hình ảnh phụ thuộc phần lớn vào khả năng của ngườivận hành trong việc duy trì khoảng cách gần và không đổi với mặt cầu tàu và duy trì tốc độkhông đổi khi qua trụ cầu Hình dưới minh họa dạng chùm tia mà một sonar quét bên tạo ra

khi được sử dụng để quét đáy và khi xoay 90 độ để chụp ảnh các bề mặt thẳng đứng

Hình 2.11 Minh họa dạng chùm tia mà một sonar quét bên tạo ra

Hạn chế:

Những thách thức với sonar quét bên bao gồm phát hiện các mục tiêu tuyến tính hẹpsong song với các chùm tia và duy trì một đường đi nhất quán ở tốc độ không đổi Đối vớicác hệ thống kéo phía sau tàu, phải duy trì thiết bị đo ở vị trí cố định phía sau tàu và ở độ caokhông đổi trong cột nước Đối với các ứng dụng gắn trên thân tàu, phải xem xét chiều cao và

độ lăn của tàu

2.4.2.2 Sector-Scanning Sonar

Sonar quét khu vực được sử dụng lần đầu tiên để đánh giá cầu cho Washington DOTvào năm 1990 Kể từ năm 2000, các điều kiện dưới nước tại nhiều cây cầu đã được đo kiểmbằng cách sử dụng sonar quét khu vực

Sonar quét khu vực phát ra các xung âm thanh hình quạt xuyên qua mặt nước Tuynhiên, không giống như sonar quét bên phải yêu cầu chuyển động của tàu để thu hình ảnh,sonar quét khu vực hoạt động tốt nhất nếu đầu dò vẫn đứng yên trong khi đầu quay được quay

cơ học Hình ảnh được ghi lại theo một loạt các “lát cắt” được tạo ra bởi một ping sau mỗilần quay của đầu dò Tần số hoạt động của sonar quét khu vực thường nằm trong khoảng từ

330 kHz đến 2,25 MHz, với tần số phổ biến được sử dụng cho hình ảnh cấu trúc và đáy sông

là 675 kHz Hình sau cho thấy chùm hình quạt và mẫu quét được tạo ra bởi chức năng quétkhu vực điển hình của sonar

Hình 2.13 Chùm hình quạt và mẫu quét được tạo ra bởi chức năng quét khu vực điển hình của sonar

Đánh giá:

Lợi ích chính của sonar quét khu vực là khả năng tạo ra hình ảnh chi tiết của đáy sông

và các thành phần thẳng đứng của các cấu trúc ngập nước kéo dài từ đáy khu vực lên đến mặtnước

Hạn chế:

Do phạm vi hạn chế và nhu cầu đặt đầu sonar ở vị trí lắp ổn định, hạn chế chính củasonar quét khu vực là các thiết lập cố định cần thời gian lớn để có được kết quả thích hợp.Ngoài ra, việc phát triển các hình ảnh có độ chi tiết cao bằng cách sử dụng sonar quét khu vựcphụ thuộc nhiều vào định vị và độ ổn định của sonar

2.3.2.3 Sonar đa tia dựa trên thấu kính

Vào cuối những năm 1990, Hải quân Hoa Kỳ đã tài trợ cho sự phát triển của sonar đatia dựa trên thấu kính tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng của Đại học Washington để pháthiện những sự xâm nhập từ dưới nước Khoảng năm 2004, ngành công nghiệp dầu khí ngoàikhơi bắt đầu sử dụng sonar đa tia thấu kính để kiểm tra cấu trúc và điều hướng bằng ROVs.Sonar đa tia dựa trên thấu kính về cơ bản là sonar quét khu vực không quay Trong đósonar quét khu vực bao gồm một chùm song di chuyển cơ học mỗi chu kỳ truyền / nhận để tạo

ra hình ảnh, sonar đa tia dựa trên thấu kính bao gồm nhiều chùm hình elip đặt cạnh nhau đểtạo ra hình ảnh trong một chu kỳ truyền / nhận như được hiển thị trong hình Tần số hoạt độngthường nằm trong khoảng từ 0,7 MHz đến 1,8 MHz

Hình 2.14 Mẫu chùm tia sonar đa tia dựa trên thấu kính.

Đánh giá:

Lợi ích chính của sonar đa tia dựa trên ống kính là nó cung cấp hình ảnh thời gian thực.Ngoài ra, các thiết bị hoạt động bằng pin có màn hình có thể được người kiểm tra dưới nướcmang theo Sử dụng thiết bị mang theo của thợ lặn, thợ kiểm tra có thể điều hướng đến cáckhiếm khuyết tiềm ẩn cũng như xung quanh các vị trí nguy cơ tiềm ẩn dưới nước

Hạn chế:

Hạn chế chính của thiết bị sonar đa tia dựa trên thấu kính là khó thu được hình ảnh hoànchỉnh của bề mặt thẳng đứng Ngoài ra, bởi vì hình ảnh được tạo ra là hai chiều, không thểthu được thông số về độ sâu hoặc phá hoại thông tin thâm nhập

• Mảng hình trụ hoạt động ở một góc thẳng đứng cố định, thường là hướng xuống

• Mảng hình cầu, thường thấy trên tàu ngầm, có trường nhìn dọc rộng hơn nhiều Vìtàu ngầm có thể ở dưới những gì nó đang theo dõi, nên mảng này phải có thể nhìn lêntrên ở một mức độ nào đó

Hình 3.2 Mảng cầu thể hiện nhiều chùm tia thẳng đứng

3.1.2 Bộ xử lí Beamforming

Không giống như các hệ thống chủ động truyền và nhận theo một hướng đã định, hệthống thụ động phải luôn lắng nghe mọi góc độ Điều này đòi hỏi độ rộng chùm tia rất rộng.Đồng thời, cần có độ rộng chùm tia hẹp để định vị nguồn và loại bỏ tiếng ồn xung quanh Haimục tiêu này đạt được đồng thời nhờ bộ xử lý tạo chùm tia thụ động

Hình 3.3 Mảng Hydrophone thụ động

Bộ xử lý tạo chùm tia thụ động áp dụng một bộ thời gian trễ / lệch pha tín hiệu để tạo ramột chùm tia cụ thể Sự khác biệt trong hệ thống thụ động là quá trình này được lặp lại nhiềulần, mỗi lần có một bộ thời gian trễ / lệch pha khác nhau, để thu được nhiều chùm tia hẹp gầnnhư đồng thời Kết quả là một tập hợp các chùm bao phủ trường nhìn của mảng

Hình 3.4 Chùm tia thụ động

3.1.3 Broadband display

Đầu ra của bộ xử lý tạo tia được hiển thị dưới dạng lịch sử thời gian mang (BTH)

Hình 3.5 Màn hình hiển thị

3.1.3 Bộ phân tích tần số

Bộ phân tích tần số chia tín hiệu thành các tần số riêng biệt Đây là phổ của tín hiệu.Đối với mục đích xử lý, các tần số được chia thành các dải nhỏ được gọi là dải tần Chiềurộng của mỗi dải được gọi là băng thông phân tích

Hình 3.6 Phân tích tần số

Hệ thống sonar có thể đạt được những cải thiện đáng kể về tín hiệu trên nhiễu bằng cáchkết hợp băng thông phân tích với băng thông của các nguồn bang thông hẹp Cách để minhhọa điều này là bằng hai ví dụ ngược lại

- Nếu băng thông xử lý tín hiệu quá rộng, thì nhiễu từ phần phổ bên ngoài tín hiệu sẽ lọtvào và SNR (tỷ số tín hiệu trên nhiễu) bị suy giảm

- Nếu băng thông quá hẹp, thì một phần của tín hiệu bị mất, đồng thời làm giảm SNR

Rõ ràng là bây giờ tình huống tốt nhất xảy ra khi băng thông khớp chính xác với tínhiệu

3.2 Phương trình SONAR bị động

Hệ thống sonar thụ động lắng nghe âm thanh do cá voi, núi lửa, tàu ngầm và các nguồn

âm thanh dưới nước khác tạo ra, thay vì lắng nghe tiếng vọng phản xạ từ mục tiêu Trongtrường hợp này, phương trình sonar phải tính đến âm lượng của nguồn âm thanh (mức nguồn),

sự lan truyền và suy giảm âm thanh khi xung âm thanh truyền từ nguồn đến máy thu nơi pháthiện nó (suy hao truyền dẫn), nhiễu xung quanh máy thu (mức độ nhiễu), và các đặc tính củamáy thu (độ lợi của mảng) (Phương trình sonar tương tự được sử dụng để ước tính tỷ lệ tínhiệu trên nhiễu dự kiến cho tất cả các đường truyền một chiều, bao gồm cả các đường truyềnđược sử dụng bởi các phao nổi SOFAR và RAFOS cũng như bởi các hệ thống chụp ảnh cắtlớp đo nhiệt độ và dòng chảy của đại dương.)

Nguồn âm thanh, cho dù đó là cá voi, núi lửa, tàu ngầm hay phao SOFAR, đều phát ratín hiệu với mức nguồn SL Cường độ âm bị suy giảm theo TL khi âm truyền từ nguồn đếnmáy thu Cường độ âm tại máy thu khi đó là:

Cường độ tín hiệu nhận được (decibels) = SL -TL

Nếu mức tạp âm tại máy thu là NL decibel, thì tỷ số giữa mức tín hiệu với mức nhiễu tạimáy thu, được gọi là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) là:

SNR (decibels) = SL -TL – NLMáy thu lớn có thể nhìn theo một hướng cụ thể và loại bỏ tạp âm từ tất cả các hướngkhác Sau đó, mức nhiễu hiệu quả được giảm đi bởi độ lợi mảng AG, tính bằng decibel vàSNR được tăng lên:

SNR (decibels) = SL -TL – (NL – AG)Phương trình sonar thụ động đơn giản hơn nhiều so với phương trình sonar chủ độngbởi vì sonar thụ động không lắng nghe tiếng vọng trở lại từ mục tiêu Suy hao truyền dẫn TLchỉ xuất hiện một lần, vì chỉ tham gia truyền một chiều

VÍ DỤ:

Chụp cắt lớp âm thanh sử dụng thời gian di chuyển của âm thanh trong đại dương để đo

nhiệt độ của đại dương trên các khu vực rộng lớn Dự án ATOC (Acoustic Thermometry of Ocean Climate) đã đo nhiệt độ ở Bắc Thái Bình Dương bằng phương pháp chụp cắt lớp âm

thanh

Tốc độ âm thanh tăng khi nhiệt độ tăng và thời gian di chuyển đo được do đó phụ thuộcvào nhiệt độ trung bình giữa các nguồn và máy thu Trong ví dụ sau, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễuđược tính toán cho quá trình truyền từ nguồn nhiễu Pioneer Seamount tới máy thu Hawaiicách xa 3.000 km

Phương trình sonar thụ động là:

SNR (decibel) = SL -TL - (NL - AG)

Trong đó SNR là tỷ số tín hiệu trên nhiễu, SL là mức nguồn, TL là suy hao truyền, NL

là mức nhiễu và AG là độ lợi mảng Các nguồn âm thanh được sử dụng cho dự án ATOC cócác mức nguồn là:

SL = 195 dB với 1 μPa ở 1 m

Độ lợi mảng bằng 0 đối với một hydrophone nhỏ, đơn giản, như đã được sử dụng trêncác máy thu neo trong dự án ATOC:

AG = 0 dBSuy hao truyền dẫn TL bao gồm cả suy hao và suy giảm lan truyền âm thanh Ở phạm vidài, sự kết hợp giữa trải rộng hình cầu và hình trụ cung cấp các ước tính chính xác hơn về tổnthất lan truyền so với một trong hai Giả sử lan truyền hình cầu trong phạm vi 5 km, tươngứng gần với độ sâu của nước, tiếp theo là lan truyền hình trụ trong khoảng cách còn lại trongphạm vi 3.000 km sẽ cho ra tổn thất lan truyền là:

Suy hao lan truyền hình cầu đến 5 km = 20 log (5.000) = 74 dB

Bởi vì lan truyền hình cầu kéo dài đến 5 km, người ta phải trừ khoảng cách lan truyềnhình cầu trong phương trình lan truyền hình trụ Phép trừ các giá trị nhật ký riêng lẻ bằngphép chia các giá trị đó trong một phép tính nhật ký:

Suy hao lan rộng hình trụ từ 5 km đến 3.000 km =

10 log (3.000.000) - 10 log (5.000) = 10 log (3.000.000 / 5.000) = 28 dB

NL tổng (dB lại 1 μPa) = NL + 10 log BW

Mối quan hệ giữa độ dài xung và băng thông máy thu đối với các tín hiệu đơn giản gầnnhư là:

BW (Hz) = 1 / T, trong đó T là độ dài xung tính bằng giây

Các nguồn ATOC truyền các tín hiệu phức tạp có độ dài xung hiệu dụng chỉ 0,0267

giây, cho băng thông BW khoảng 37,5 Hz, mặc dù quá trình truyền ATOC kéo dài trong 20

phút Tổng nhiễu trong băng thông máy thu ATOC khi đó là:

NL tổng = NL + 10 log BW = 75 + 10 log (37,5) = 91 dB với 1 μPa

Kết hợp tất cả các giá trị này, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu ở máy thu là:

SNR (decibel) = SL - TL - (NL - AG) = 195 - 103 - (91 - 0) = 1 dB

SNR về cơ bản bằng 0, có nghĩa là mức tín hiệu nhận được bằng với mức nhiễunền Các phương pháp xử lý tín hiệu phức tạp đã được sử dụng trong dự án ATOC để tăngSNR khoảng 46 dB, mang lại tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu có thể sử dụng được sau khi xử lý Nếukhông có quá trình xử lý này, tín hiệu sẽ không thể phát hiện được

3.3 Những yếu tố khác

3.3.1 Nhiễu bức xạ

Nhiễu bức xạ là nhiễu do một tàu phát ra và được nhận bởi một hydrophone, hoặc mộtloạt các hydrophone, ở một khoảng cách nào đó từ tàu Nhiễu bức xạ là nguồn tín hiệu chocác bộ sonars thụ động được thiết kế để phát hiện nhiễu bức xạ trên môi trường xung quanh

và nhiễu của bản thân

3.3.2 Mức nguồn

Mức nguồn của nhiễu bức xạ tương tự như mức nguồn phát của một sonar chủ động vàđược sử dụng trong các phương trình sonar thụ động Các phép đo được thực hiện ở mộtkhoảng cách nào đó so với nguồn (từ 100 đến 1000 m) và giảm xuống khoảng cách tiêu chuẩn

1 m Các phép đo thường được thực hiện ở các dải quãng tám thứ ba trên dải tần quan tâm - từ

10 Hz đến 100 kHz - và được chuyển đổi thành các mức tần số với giả định rằng cường độkhông đổi trên dải

3.3.3 Bản chất của nhiễu bức xạ

Nhiễu do một tàu phát ra tồn tại dưới dạng một phổ liên tục trên đó là các thành phầnrời rạc băng thông hẹp xếp chồng lên nhau, được gọi đơn giản là vạch hoặc tông Cả haithành phần liên tục và rời rạc đều giảm cường độ khi tần số tăng lên Nhiễu máy móc vànhiễu cánh quạt chiếm phần lớn trong phổ của nhiễu bức xạ trong hầu hết các điều kiện Cuốitần số thấp hơn của phổ bị chi phối bởi các dây chuyền máy móc và các đường tốc độ lưỡi củacánh quạt Các vạch này chết đi với tần số ngày càng tăng và trở nên chìm trong phổ liên tụccủa nhiễu cánh quạt và máy móc Khi tốc độ của một con tàu được tăng lên, cường độ liên tụctăng lên và kéo dài đến các tần số thấp hơn

3.3.4 Đánh giá thực tế

Thông tin về nhiễu bức xạ của tàu thuyền, đặc biệt là tàu ngầm và ngư lôi, được phânloại rất cao và nhà thiết kế phải sử dụng các tài liệu đã phân loại để biết chi tiết về mức độ vàtần số của sóng âm phát ra từ các tàu hiện đại

Hình dưới cho thấy phổ nhiễu bức xạ đại diện cho các mục tiêu sonar Nhiễu bức xạ củamột tàu khu trục nhỏ cũng được hiển thị để so sánh Quang phổ nên được coi là "trường hợpxấu nhất", đặc biệt là ở các vùng bị chi phối bởi các vạch rời rạc Các biện pháp giảm nhiễucủa tàu ngầm và ngư lôi đã thành công trong việc giảm thiểu hoặc loại bỏ đáng kể nhiềuđường dây rời rạc, đặc biệt là ở tần số cao hơn, dẫn đến nhu cầu các bộ sonar thụ động hoạtđộng ở tần số thấp hơn bao giờ hết để phát hiện các đường tần số thấp hơn còn lại, rất khó loạibỏ

Hình 3.7

3.3.5 Băng thông rộng và băng thông hẹp

Hệ thống sonar thụ động điều tra tổng phổ của nhiễu phát ra từ các mục tiêu, sử dụngcác kỹ thuật băng rộng và băng hẹp

- Các sonars băng rộng kiểm tra tổng năng lượng trên một dải tần số rộng, thường đượcchia thành các quãng tám Các phương trình sonar băng rộng chỉ ra rằng hiệu suấtđược cải thiện bằng cách tăng băng thông và các phương trình này chỉ đúng nếu băngthông không vượt quá đáng kể phổ của nhiễu được phát ra

- Các sonars băng hẹp chia tổng năng lượng thành các ô phân tích tần số hẹp để tìmkiếm các đường bức xạ rời rạc Các phương trình sonar thụ động băng hẹp chỉ ra rằnghiệu suất được cải thiện bằng cách giảm băng thông phân tích (cho đến khi tín hiệuđược giải quyết xong)

Nhiễu băng thông rộng từ một cánh quạt có thể được điều chế biên độ tỷ lệ tần số cơbản và tần số sóng hài Một kỹ thuật được gọi là DEMON (giải điều chế) khai thác điều nàybằng cách phân tích băng hẹp trên băng tần bao gồm các tần số điều chế này

Bởi vì chúng cung cấp chi tiết về nhiễu bức xạ của mối đe dọa, các bộ sonar dải hẹp chokhả năng phát hiện và phân loại tốt Bởi vì các âm sắc nổi bật được phát ra ở tần số tương đốithấp, đặc biệt là bởi tàu ngầm, độ chính xác của ổ trục bị hạn chế khi so sánh với các bộsonars băng rộng hoạt động ở tần số cao hơn, nơi chùm tia hẹp hơn và các kỹ thuật tươngquan có thể được sử dụng để cải thiện hơn nữa độ chính xác của ổ trục

Hình dưới cho thấy một hệ thống sonar thụ động hoàn chỉnh Các mảng tín hiệu đượcđịnh dạng chùm trên toàn bộ dải tần và xuất ra âm thanh, sonar băng rộng và băng hẹp Sonar

âm thanh sẽ có các cơ sở để chọn chùm tia và băng thông nghe

Hình 3.8 Hệ thống sonar bị động

Sonar băng rộng sẽ phát hiện tín hiệu từ bộ định dạng chùm tia (sử dụng năng lượnghoặc kỹ thuật tương quan chéo); tích hợp (tổng hợp không mạch lạc năng lượng trong dải tínhiệu); chuẩn hóa các tín hiệu và hiển thị chúng, thường ở định dạng mang (chùm) so với địnhdạng thời gian

Sonar băng hẹp thực hiện tính toán phổ tần số để chuyển đổi đầu ra của bộ tạo chùmchuỗi thời gian thành dữ liệu phổ công suất trong hai giai đoạn Giai đoạn đầu tiên được ápdụng cho tất cả dữ liệu từ tất cả các chùm tia để tạo ra khả năng giám sát; giai đoạn thứ haicho phép người vận hành 'phóng to' (tăng độ phân giải tần số) đến một phần của tổng phổ.Giai đoạn thứ hai này còn được gọi là xử lý vernier

Vật liệu áp điện là vật liệu lý tưởng để chế tạo hydrophone Nếu có thay đổi áp suấttrong môi trường nước (do sóng âm gây ra) thì vật liệu sẽ bị biến dạng, từ đó tạo ra sự chênhlệch điện tích trong vật liệu Đo đạc sự chênh lệch này ta sẽ có tính hiệu điện đại diện chosóng âm mà Hydrophone thu được.

Một hydrophone với một bộ transducer duy nhất có hình dạng hình nón tròn phản xạsóng âm thanh đến, do đó cho phép hydrophone được định vị ở các vị trí và độ sâu khác nhau.Hình 1 minh họa cách một hydrophone điển hình được sử dụng dưới nước để theo dõi sóng

âm thanh từ các nguồn khác nhau

Hình 4.1 Hydrophone có thể thu được sóng âm từ nhiều nguồn khác nhau

Hydrophone phát hiện sự thay đổi áp suất của tín hiệu âm thanh và tiếng ồn trong nước

và tạo ra một điện áp đầu ra tỷ lệ với áp suất Ngoài ra nó tạo ra điện áp nhiễu do sự kích độngnhiệt trong bất kỳ điện trở bên trong nào Như vậy tiêu chí hiệu suất cho hydrophone khá khác

so với tiêu chí cho máy phát

Trong khi máy chiếu thường được vận hành trong vùng cộng hưởng, với nguồn điện đầu

ra là mối quan tâm chính, hydrophone thường được vận hành trên một băng tần rộng dướicộng hưởng, và điện áp đầu ra mạch hở và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu là của mối quan tâm nhất Tín hiệu nhỏ nhất mà hydrophone có thể phát hiện được bằng nhỏ hơn với tiếng ồn củabiển xung quanh – (tiếng ồn của hydrophone bên trong + với tiếng ồn đầu vào của bộ tiềnkhuếch đại vượt quá tiếng ồn biển)

Nhiễu điện tạo ra bởi một hydrophone và tiếng ồn của bộ tiền khuếch đại của nó có thểđược so sánh với tiếng ồn biển bằng liên hệ nó với một áp suất tiếng ồn tương đương trongnước bằng cách sử dụng độ nhạy của hydrophone

Hình 4.2 Hình dạng 1 đầu thu Hydrophone

4.2 Vật liệu làm Hydrophone và đặc điểm đầu thu

4.2.1 Vật liệu làm Hydrophone

Có sáu loại cơ chế truyền âm chính (áp điện, điện động, từ trở, tĩnh điện, biến trở vàcuộn dây chuyển động) và tất cả đều được sử dụng làm đầu dò âm thanh dưới nước Ta tậptrung chủ yếu vào vật liệu áp điện vì nó thường được sử dụng để chế tạo các đầu do dướinước

4.2.2 Hiện tượng áp điện

Hiện tượng áp điện (piezoelectric phenomena) là một hiện tượng được nhà khoáng vật

học người Pháp đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đó được anh em nhà Pierre và JacquesCurie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880

Hiện tượng xảy ra như sau: một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic)

và nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch đó là khi áp vào nó một trường điện thì nó biến đổihình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra dòng điện Nó nhưmột máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại

Vậy áp điện theo chiều hướng thuận: là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngượclại là áp điện nghịch: tác động hiệu thế vào vật thì sẽ sinh ra công biến dạng làm biến đổi lực

Hiệu ứng thuận: nếu ta tác động một lực cơ học hay khi nén hoặc kéo dãn một số tinh

thể gốm theo những phương đặc biệt thì trên các mặt giới hạn của tinh thể đó xuất hiện nhữngđiện tích trái dấu và do đó có một hiệu điện thế giữa hai bề mặt

Sóng âm có bản chất là sóng cơ học do đó khi sóng âm va đập vào tinh thể gốm sẽ làmxuất hiện trên tinh thể gốm 1 chuỗi xung điện có độ lớn tỉ lệ với cường độ của sóng âm Hiệuứng thuận xảy ra ở đầu thu của đầu dò máy siêu âm

Sóng siêu âm——Tinh thể ————->Xung điện U

Hình 4.3 Hiệu ứng áp điện thuận

Hiệu ứng nghịch: nếu ta đặt lên tinh thể gốm áp điện 1 hiệu điên thế thì phụ thuộc vào

chiều của hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ dãn ra hay nén lại Nếu ta đặt lên tinh thể gốm mộtđiện thế xoay chiều => tạo ra áp lực nén giãn liên tục vào môi trường xung quanh tức là tạo rasóng âm Phụ thuộc vào tần số dao động của xung điện, kích thước và công nghệ chế tạo tinhthể gốm, ta sẽ thu được các chùm tia siêu âm có tần số khác nhau Hiệu ứng nghịch sảy ra tạiđầu phát của đầu dò máy siêu âm

Xung điện ———–Tinh thể gốm———–>Sóng siêu âm

4.2.3 Gốm áp điện

Một loạt mở rộng các công nghệ đã được nghiên cứu với việc sử dụng các vật liệu ápđiện thông minh Người ta đã phát hiện được chỉ có những chất liệu nhất định, trong đó cógốm, xảy ra hiện tượng hiệu ứng áp điện đơn giản, nghĩa là tạo ra điện tích tương ứng với tácđộng cơ học tác động lên chúng

- Gốm áp điện có thể xảy ra cả hiện tượng áp điện thuận và áp điện nghịch

• Bước cuối cùng sản xuất gốm áp điện bao giờ cũng bao gồm tạo ra điện trường mạnh dướinhiệt độ tăng cao, để xảy ra hiện tượng phân cực và vật liệu trở thành áp điện

Hình 4.5 Gốm áp điện ở giai đoạn phân cực

• Khi được phân cực, vật liệu gốm sắt điện trở thành vật liệu có cực và sở hữucác tính chất sắt điện và áp điện gần như những đơn tinh thể Chúng được sử dụng thay thếcho các đơn tinh thể áp điện đắt tiền và khó chế tạo

thuộc vào mức độ dư đạt được trong quá trình phân cực, và có thể cũng được thay đổi bởi cácđiều kiện hoạt động.

4.2.5 Tính chất áp điện

Vì phần này bị giới hạn ở các hiệu ứng tuyến tính, mô tả là một tập hợp các phươngtrình tuyến tính liên quan đến ứng suất T, biến dạng S, điện trường E và dịch chuyển điện D,tất cả đều là hàm của vị trí và thời gian

Hình 4.7 Tính chất của áp điện

Các thông số piezoceramics được quan tâm là độ đàn hồi, chất điện môi và hằng số ápđiện Các đặc tính của vật liệu áp điện có thể được mô tả bằng các phương trình trạng thái củachúng liên kết các đại lượng áp điện với cơ họcvà các đại lượng điện Các phương trình trạngthái thường được đưa ra trên cơ sở tensor, vì tinh thể áp điện thường thể hiện nhiều chất lượngkhác nhau theo các hướng của các trục tinh thể khác nhau của chúng Đối với gốm áp điện, làvật liệu cho hầu hết các đầu dò dưới nước, các phương trình trạng thái được đơn giản hóađáng kể vì hướng phân cực là trục đối xứng duy nhất

Nếu cường độ điện trường E (đơn vị: V / m) và biến dạng S (đơn vị: không thứ nguyên)

là hai biến độc lập và điều kiện đẳng hướng được giả định, các phương trình trạng thái là:

Trong đó:

• T là ứng suất (đơn vị: N / m2), D là độ dịch chuyển điện (đơn vị: C / m2),

• cE là mô đun đàn hồi (đơn vị: N / m2) với E không đổi,

• et là hệ số ứng suất áp điện (đơn vị: C / m2 hoặc N / Vm), t biểu thị là ma trận chuyển vị - tứchàng và cột đổi vị trí cho nhau

• εS là hằng số điện môi tuyệt đối (đơn vị: F / m) đối với S không đổi

Nếu T và E độc lập, phương trình trạng thái là:

Trong đó

• s là hệ số tuân thủ đàn hồi (đơn vị: m2 / N)

• d là hệ số biến dạng áp điện (đơn vị: C / N hoặc m / V)

• Hệ số áp điện g, hệ số áp điện (đơn vị: Vm / N hoặc m2/ C) và h và g (đơn vị: V / m hoặc N /C) rất hữu ích để mô tả vật liệu áp điện

Bốn hệ số áp điện có thể được biểu thị bằng các đạo hàm riêng, các chỉ số mũ nghĩa làcác đại lượng đó là hằng số T, E, D, S trong các phương trình dưới đây là hằng số

Hệ số áp điện được sử dụng phổ biến nhất là d, thể hiện biến dạng được tạo ra bởi mộtđiện trường đặt vào hoặc điện tích được hình thành bởi một áp suất âm thanh áp dụng

Hệ số g biểu thị trường điện được tạo ra bởi một áp suất âm được áp dụng d chủ yếuđược sử dụng cho gốm sứ áp điện hoạt động trong một máy phát, trong khi g chủ yếu được sửdụng cho hydrophone

Để biết mô tả về d và g theo các hướng vật liệu gốm áp điện khác nhau, một hệ trục tọa

độ vuông góc 1,2, 3 được sử dụng (Giống như Oxyz)

Ví dụ d31, trong đó 3 biểu thị sự phân cực hướng và 1 biểu thị hướng của sức căng hoặc

áp lực

Hệ số biến dạng áp điện d33 biểu thị biến dạng cùng chiều với điện trường gây ra.

Các tham số được đề cập ở trên có thể được sử dụng đưa một số các thông số gốm ápđiện hữu ích Ví dụ hằng số tần số N, có thể là suy ra từ môđun đàn hồi và mật độ Vì tần sốcộng hưởng, f0, của a chế độ rung cụ thể tỷ lệ nghịch với kích thước tuyến tính L của vật liệugốm, N =f0L, N có thể được sử dụng để tính toán các tần số cộng hưởng khác cho cùng mộtchế độ rung đối với các kích thước khác của cùng một vật liệu piezoceramic

Công suất: gd (đơn vị: m2/ N) dùng để đánh giá một vật liệu gốm áp điện hoạt động ởchế độ phát (máy phát song), cũng như ở chế độ nhận (hydrophone)

Hệ số ghép nối k của vật liệu gốm áp điện thể hiện hiệu quả mà vật liệu có thể chuyểnđổi năng lượng điện thành năng lượng âm thanh và nó là liên quan chặt chẽ đến băng thôngđầu dò tối đa có thể đạt được của vật liệu Về mặt vật lý, k là căn bậc hai của tỷ số giữa nănglượng tích trữ cơ học và tổng năng lượng điện đầu vào:

Bằng cách sử dụng tần số cộng hưởng nối tiếp fs và tần số cộng hưởng song song fp

Hệ số ghép nối phụ thuộc vào chế độ rung nào của gốm trong bộ chuyển đổi được kíchthích

Các giá trị k thay đổi theo trục của vật liệu gốm áp điện và được biểu thị bằng cách sửdụng các hệ số đi kèm Ví dụ: k33 là khoảng 70% đối với PZT và là thông số quan trọng nhất

để mô tả hiệu suất của bộ chuyển đổi tần số thấp theo giả định phân bố ứng suất qua sứ làđồng phục

Là một vật liệu điện môi, gốm áp điện hoạt động như một tụ điện không hoàn hảo, mộtphần năng lượng tích trữ bị mất đi trong mỗi chu kỳ dao động Tổn thất vật liệu gốm áp điệntrong thường có ba nhân tố: chất điện môi, một chất đàn hồi, và một thành phần áp điện hoặcđiện cơ

Hệ số tổ thất đàn hồi được xác định là nghịch đảo của hệ số chất lượng cơ học, giá trị

Qm, ở tần số cộng hưởng:

Những tổn thất này được đặc trưng bởi một hệ số tổn thất, tan δ , mô tả tổn thất trênmỗi chu kỳ của điện trường hoặc trường âm anh tác động.

Tan δ phụ thuộc vào loại gốm Năng lượng bị mất trong gốm góp phần để tăng nhiệt độgốm Tổn thất lớn có thể làm giảm chất lượng gốm chất áp điện thông qua quá trình khử cực

Vì lại thành phần gốm ảnh hưởng mạnh mẽ đến hệ số tổn thất, một số chế phẩm nhất định cóthể áp dụng hơn cho máy chiếu và các loại khác cho hydrophone:

Trong đó

• C0 biểu thị tổng điện dung của gốm (đơn vị: F)

• Re là tương đươngđiện trở (đơn vị: ohm), đại diện cho tổn thất điện, song song với tụ

Hình 4.8 Bộ rung dọc chế độ 33

Một hiệu điện thế xoay chiều, V, được đặt ở 2 đầu điện trường xoay chiều E3 song songvới chiều phân cực Điện trường E1 = E2 = 0 trên các điện cực là bề mặt đẳng thế, và nếu viềncủa trường bị bỏ qua, các thành phần này có thể được giả định bằng 0 trong toàn bộ thanh sứ.Người ta cũng giả định rằng điện trường dọc thuần túy này không kích thích cắt ứngsuất, (tức là T4 = T5 = T6 = 0) Sau đó, các phương trình trạng thái là

Gọi diện tích mặt cắt ngang của thanh là A0 và giả sử rằng các mặt của thanh được tự

do di chuyển Khi đó ứng suất T1 và T2 đều bằng không trên bề mặt của các bên và, nếu cáckích thước bên nhỏ, T1 và T2 bằng 0 trên toàn bộ thanh

Hai phương trình đầu tiên cho thấy S1 = S2 Những biến dạng bên này là do Hiệu ứng

tỷ lệ Poisson được sửa đổi bởi biến dạng áp điện và chúng không đóng vai trò gì trong hoạt

động của đầu dò, vì các mặt thường không tiếp xúc với môi trường âm thanh trong một đầu

dò thực Trường hợp này minh họa tầm quan trọng của chọn một cặp phương trình thuận tiện.Lưu ý rằng, trong trường hợp này, rất thuận tiện để làm cho ứng suất trở thành một biếnđộc lập, bởi vì các biến dạng không quan trọng, S1 và S2, sau đó được phân tích tách khỏibiến dạng quan trọng, S3

Nếu thanh đủ ngắn, độ dịch chuyển thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài của nó từ 0tại cố định đầu cuối đến mức tối đa ở đầu gắn với khối lượng Ứng suât T3 và độ biến dạng S3không đổi dọc theo chiều dài vì vậy lực tác dụng lên khối lượng bằng thanh là A0T3.

Phương trình cho S3 có thể được giải cho T3 và được chèn trực tiếp vào phương trìnhchuyển động của khối lượng

Trong đó x3 là độ dịch chuyển của khối lượng (tức là tấm M), Mt = M + Mr và Rt = R +

Rr trong đó Rr và Mr là sức cản và khối lượng bức xạ và Fb là ngoại lực Các biến dạng trongthanh là S3 = x3 / L và điện trường trong thanh là E3 = V / (L + x3) dẫn đến

Phương trình này cho thấy thanh sứ áp điện cung cấp lực cho lò xo (tỉ lệ với x3 sự dịchchuyển) và lực truyền động điện (tỉ lệ với V)

Lực là phi tuyến vì x3 xuất hiện ở mẫu số, nhưng x3 << L, và phương trình sẽ đượctuyến tính hóa bằng cách bỏ qua x3 so với L

Hệ số ghép nối

4.2.5.2 Bộ rung dọc chế độ 31

Hình 4.9 Bộ rung dọc chế độ 31