Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị liên lạc thủy âm ( Quyển III)

0
Bộ quốc phòng
trung tâm khoa học kỹ thuật & công nghệ quân sự
----------***----------



báo cáo TổNG KếT KHOA HọC Và Kỹ THUậT


Đề tài:

"Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo
hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không
và thiết bị truyền tin dới nớc
phục vụ kinh tế - x hội, an ninh - quốc phòng."


M số: KC.01.24


Quyển III

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo
Thiết bị liên lạc thuỷ âm

Chủ nhiệm đề tài: Đại tá-PGS.TS. Bạch Nhật Hồng

6213-2
25/11/2006
Hà nội, 5-2006

1
MỞ ĐẦU...........................................................................................................3

Chương 1 - LÝ THUYẾT THUỶ ÂM .............................................................5

1.1. Phương trình lan truyÒn sóng âm trong nước ........................................5

1.2. Vận tốc lan truyền sóng âm trong nước biÓn.........................................8

1.3. Phản xạ và khúc xạ sóng âm ................................................................10

1.4. HÊp thụ năng lượng âm trong nước .....................................................12

1.5. HÊp thụ năng lượng khi sóng âm phản xạ trên bề mặt vËt r¾n ............14

1.6. §Æc trưng lan truyền sóng âm trong nước biÓn....................................15

1.6.1. §Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m trong ®iÒu kiÖn ®¼ng nhiÖt............15

1.6.2. §Æc tr−ng lan truyền sóng âm trong vùng nước nông..................16

1.6.3. §Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m trong vïng n−íc s©u.....................18

1.7. Vài nét về thuỷ âm biển Việt Nam.......................................................23

Chương 2 - ĂNG TEN THỦY ÂM ................................................................26

2.1. Khái niệm .............................................................................................26

2.2. Mô hình biến đổi điện-âm....................................................................26

2.3. Nguyên lý biến đổi Điện-Âm...............................................................28

2.3.1. Nguyên lý biến đổi điện tĩnh .........................................................28

2.3.2. Nguyên lý biến đổi áp điện............................................................28

2.3.3. Nguyên lý biến đổi điện động........................................................30

2.3.4. Nguyên lý biến đổi điện từ ............................................................30

2.4 Sơ đồ điện tương đương của các kiểu biến đổi....................................31

2.5. Vật liệu thông dụng để chế tạo các bộ biến đổi...................................32

Chương 3- ỨNG DỤNG THUỶ ÂM TRONG QUÂN SỰ ...........................35

3.1. Mét sè khác biệt giữa sóng siêu âm và sóng điện từ ...........................35

3.2. Phân loại thiết bị thuỷ âm ...................................................................36

3.3. Các hướng ưu tiên trong nghiên cứu phát triÓn thiÕt bị thuỷ âm.........37

3.3.1. Phát triển thuỷ âm trên tàu ngầm .................................................37

3.3.2. Phát triển thuỷ âm trên tàu chiến .................................................37

3.4. Một số thiết bị thuỷ âm của Mỹ và Nga..............................................39

3.4.1. Thiết bị thuỷ âm trên tàu chiến (Mỹ) ...........................................39

3.4.2. Thiết bị thuỷ âm trên tàu ngầm (Mỹ) ...........................................40

3.4.3. Các thiết bị thuỷ âm không quân kiểu thả, kéo (Mỹ) ...................41

3.4.4. Các thiết bị thuỷ âm không quân kiểu phao (Mỹ)........................42

3.4.5. Các trạm thuỷ âm cố định (Mỹ) ...................................................42

3.4.6. Thiết bị thuỷ âm dùng cho ngư lôi (Nga).....................................43


2
Chương 4 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ THIẾT BỊ
LIÊN LẠC THỦY ÂM ...................................................................................45

4.1 Lựa chọn tần số liên lạc ........................................................................45

4.2. Phân tích lựa chọn bộ cảm biến siêu âm.............................................48

4.2.1. Hiệu suất biến đổi .........................................................................48

4.2.2. Độ bền của bộ biến đổi .................................................................49

4.2.3. Kết cấu của bộ biến đổi.................................................................49

4.3. Kết cấu vỏ chịu áp lực và chống nước................................................50

4.4 Phân tích thiết kế mạch xử lý tín hiệu...................................................51

Chương 5 - HỒ SƠ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM ..............53

5.1

Đặc trưng kỹ thuật máy thông tin thủy âm........................................54

5.1.1

Tính năng kỹ thuật máy mặt nước..............................................54

5.1.2

Tính năng kỹ thuật máy mặt người lặn ......................................55

5.2

Sơ đồ mạch điện ................................................................................56

5.3

Mạch điều khiển vi xử lý cho máy người lặn....................................65

5.3

Mạch điều khiển vi xử lý cho máy người lặn....................................66

Chương 6 - KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM .......................................76

6.1 Xác định các tham số kỹ thuật cơ bản của máy thông tin thủy âm ......76

6.1.1 Các tham số điện............................................................................76

6.1.2 Các tham số cơ học ........................................................................77

6.1.3 Các tham số liên quan đến môi trường ..........................................77

6.2 Thử nghiệm ...........................................................................................77

6.2.1 Thử nghiệm kín nước trong điều kiện áp lực cao ..........................77

6.2.2 Thử nghiệm cự ly liên lạc ..............................................................77

3
M U
Trong th k 21 thụng tin bng súng õm rt c coi trng. i vi
Hi Quõn súng õm quan trọng, n ni nu thiu nú khụng mt tu chin
no cú th ra khi [10].
Ngoi quan sỏt bng mt hoc nh tr giỳp ca mỏy bay, v tinh, ...
thỡ vic s dng súng õm vo mc ớch truyn thụng tin l vn sng cũn
ca Hi Quõn v phng tin quõn s trờn bin.
Nh ta ó bit, õm thanh v kh nng nghe c ca tai ng
i liờn
quan n 2 thuc tớnh quan trng nht, ú l tn s v cng ca súng
õm. V tn s, thng t 20Hz n 20kHz. m thanh cú tn s di 20Hz
thuộc di hng ngoi, t 20kHz n 10kHz thuộc di súng siờu õm. V
cng , tai ngi cú th phõn bit c õm thanh trong di t 30dB n
100dB; Cỏ bit, cú th xung n 20dB hoc lờn ti 120 dB. Tuy ngoi di
tn s v c
ng nói trên tai ngi cú th nhn bit c, nhng trong
nhng iu kin nht nh, nú cú th cú nhng tỏc ng khng khip ti
con ngi v thiết bị. ú cng l mt hng phỏt trin ca cỏc loi v khớ
õm trong chin tranh hin i.
Súng õm cú th lan truyn trong mi mụi trng, trong ú nc l
mụi trng truyn õm rt tt. Mụi trng cng n hi thỡ vn t
c lan
truyn õm cng ln (vớ d, vn tc truyn õm trong cao su l 50m/giõy,
trong khụng khớ l 330m/giõy, trong nc l 1450m/giõy, trong thộp l
5000m/giõy). Tuy nhiên, cũn nhiu yu t nh hng n vn tc lan
truyn õm nh: nhit , ỏp sut, mn, a hỡnh, vị trí ngun õm v..v..
Trong môi trng khụng ng nht súng õm b bin dng, i
hng, nng lng ca nú b hp th đáng kể.
Nội dung ti này đề cập n lan truyề

n súng õm trong nc, nơi
súng õm lan truyn với nhng c tớnh riờng, cú nh hng ỏng k n
thit k ch to cỏc thit b thy õm. Thụng thng ngi ta gi thu õm là

4
hiện tợng lan truyn sóng âm trong nc. Song, trong cỏc ti liu khoa
hc khỏi nim thuỷ õm c hiu rng hn. ú l khoa hc v cỏc hin
tng xy ra trong nc, liờn quan đến phỏt, lan truyn v thu súng õm.
Khỏi nim thu õm cũn bao hm c vic thit k, ch to cỏc thit b thuỷ
õm [1].
Ngay sau chin tranh th gii th II cỏc nh khoa hc Nga v
Phng Tõy ó bắt đầu nghiờn cu sâu về lý thuyt, đã lm sỏng t nhi
u
hin tng c bit ca thy õm. Trờn c s ú, cỏc tp on sn xut thit
b quõn s cng đầu t nghiờn cu ch to nhng thit b thụng tin thu
õm.
Sau õy chỳng tụi tập trung chú ý 2 khớa cnh quan trng nht ca
vn thụng tin di nc. ú l lý thuyt lan truyn súng õm v cỏc thit
b thông tin thu õm.






5
Chương 1 - LÝ THUYẾT THUỶ ÂM

1.1. Phương trình lan truyÒn sóng âm trong nước

Khi các phần tử chất lỏng chịu nén dao động với biên độ nhỏ sẽ xuÊt
hiÖn sóng ©m.
Do dao động nhỏ, nên vận tốc truyền âm v, sự thay đổi tương đối của
tỷ trọng và áp suất chất lỏng cũng nhỏ. Vì thế, thừa số
( )
vv∇
trong phương
trình Ơ-ler có thể bỏ qua. Cho áp suất và tỷ trọng có thể viết
'
0
ppp +=
,
'
0
ρρρ
+=
( 1.1.1)
trong đó: ρ
0
, p
0
- tỷ trọng và áp suất cân bằng của chất lỏng, còn ρ’, p’ -
lượng thay đổi của chúng trong sóng âm (ρ’<<ρ
0

; p’<< p
0
).
Khi đó phương trình liên tục có dạng:
()

0=+
∂
∂
vdiv
t
ρρ

Thay các giá trị (1.1.1) vào phương trình trên và bỏ qua các giá trị
nhỏ bậc 2, ta có:

0)(
0
,
=+
∂
∂
vdiv
t
ρρ
(1.1.2 )
Phương trình Ơ-ler trong trường hợp gần đúng này
cã d¹ng
:

0
1
'
=∇−
∂
∂

p
pt
ρ
(1.1.3 )
Điều kiện sử dụng các phương trình tuyến tính hoá chuyển động
(1.1.2) và (1.1.3) cho lan truyền sóng âm là v << c,
tho¶ m·n
khi ρ’<< ρ
0
.
V×
sóng âm trong chất lỏng lý tưởng là đẳng nhiệt, nên sự thay đổi
nhỏ của áp suất (p’) và tỷ trọng (ρ’) liên hệ với nhau bằng biểu thức:

6

S
pp
0
''
ρ
ρ
∂
∂
=
(1.1.4 )
Thay (1.1.4) vào (1.1.2) ta có:

()
0

0
0
'
=
∂
∂
+
∂
∂
vdivp
t
S
ρ
ρρ
(1.1.5 )
Hai phương trình (1.1.3) và (1.1.5) với các hàm ẩn
v
và p’ đủ để mô
tả sóng âm. Biểu diễn các giá trị ẩn thông qua một trong hai hàm ẩn đó sẽ
rất thuận tiện, nếu sử dụng thế vận tốc
( )
ϕ
gradv =
. Từ phương trình
(1.1.3) ta có đẳng thức:

ϕρ
t
p
∂

∂
−=
'
( 1.1.6 )
(
ë ®©y
cũng như về sau, để đơn giản, ta bỏ chỉ số ở p
0
và ρ
0
).
Kết hợp (1.1.6) và (1.1.5), ta có:

0
2
2
2
=∆−
∂
∂
ϕϕ
c
t
(1.1.7 )
trong đó:

S
p
p
c

0
∂
∂
=
(1.1.8 )
Phương trình (1.1.7) gọi là phương trình sóng và c là vận tốc truyền
sóng. Nếu thực hiện thao tác grad dễ dàng nhận thấy
c¶
3 thành phần của
vec
t¬
vận tốc v thoả mãn phương trình (1.1.7), còn nếu lấy đạo hàm theo
thời gian thì lại thấy p’ (và do đó cả
ρ
’) cũng thoả mãn (1.1.7).
Để làm thí dụ ta xét trường hợp sóng phẳng
lan truyÒn theo trôc x
,
đồng nhất trong mặt phẳng (y, z).
Phương trình sóng có dạng:

0
1
2
2
22
2
=
∂
∂

−
∂
∂
ϕϕ
tcx
( 1.1.9 )
NÕu
đặt:

7
tcx .=

;
tcx .+=

,
thì (1.1.9) có dạng:

0
.
2
=





Tớch phõn phng trỡnh trờn theo
và
, ta c:

( ) ( )
tcxftcxf ..
21
++=

(1.1.10 )
Dễ dàng chứng
minh
rằng
s phõn b ca p,
và
v trong súng
phng cng cú dng (1.1.10).
Rõ ràng,
f
1
(x - c.t) l súng phng, lan truyn theo chiu dng trc x,
còn
f
2
(x + c.t) - lan truyn theo chiu ngc li.
Dễ nhận thấy rằng vận tốc
lan truyền sóng âm đợc xác định theo biểu thức
:



'
.cv = (1.1.11 )

S lan truyn ca súng õm trong nc cng lm thay i nhit
ca nc. Tht vy, ỏp dng kin thc nhit ng hc cho cht lng ta cú:
S
T
p
pT


=
''

P
p
S
V
T
T
c
T
p

=

1

Thay vo (1.1.11) ta c
biểu thức xác định nhiệt độ chất lỏng khi
có sóng âm chạy qua:

vTc

c
T
p

1
'
= ( 1.1.12 )
trong ú:
P
V
TV

=
1


l h s n nhit
của chất lỏng
.


8
1.2. Vận tốc lan truyền sóng âm trong nước biÓn
Để xác định chính xác vị trí của
môc tiªu
ngầm bằng phương pháp
tích cực vấn đề có ý nghĩa quyết định là xác định chính xác vận tốc lan
truyền sóng âm.
Như ta đã biết vận tốc lan truyền sóng âm trong nước biển phụ thuộc
vào nhiệt độ, độ mặn, áp suất

(®é s©u
)
vµ
một loạt các yếu tố khác như
®Æc
tr−ng
đáy biển, sinh vật biển, gió,... Vì thế, sự hiểu biết về biển là vô cùng
quan trọng.

Trên hình 1.2.1 trình bày
sù thay ®æi
vận tốc âm theo độ
s©u cña
biÓn.


H×nh 1.2.1 - Sù thay ®æi vËn tèc truyÒn ©m theo ®é s©u.


9
Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm, một số tài liệu đã đưa ra biểu
thức tính vận tốc lan truyền sóng âm trong nước biển dưới dạng hàm nhiệt
độ T [
o
C], độ mặn S [phần nghìn] và độ sâu D [cm
hoÆc
m].
ThÝ dô
, theo [2]
th×:

c=141000 + 412.T - 3,7.T
2
+ 110.S + 0,18.D (cm/s)
Hay
c = 1445,5 + 4,62.T - 0,452.T
2
+ (1,32 - 0,007T)(S + 0,35) (m/s).
Hoặc theo [3]
th×:

c
TSD
= c
0,35,0
+ ∆c
T
+ ∆c
S
+ ∆c
D
+ ∆c
ϕ
+ ∆c
TSD

trong đó:
c
TSD
- vận tốc [m/s]

ë nhiÖt ®é T, ®é mÆn S, ®é s©u D
;
c
0,35,0
- vận tốc ở 0
o
C, độ mặn 3,5 %, áp suất khí quyển;
∆c
T
= 4,6374T-5,383.10
-2
T
2
+2,543.10
-4
T
3
;
∆c
S
= 1,307(S-35) - 1,5.10
-4
(S-35)
2
;
∆c
D
= 1,815.10
-2
D - 5,291.10

-12
D
3
; [D] = m
∆c
ϕ
= 1,50.10
-6
D(ϕ-35) + 0,94.10
-12
D
2
(ϕ-35)
2
- 2,94.10
-18
D
3
(ϕ-35)
3
∆c
TSD
= ∆c
TS
+ ∆c
SD
+ ∆c
TD
,
trong đó:

∆c
TS
= (S -35)[-1,07.10
-2
T+(5.10
-5
- 4,1.10
-8
D)T
2
] ;
∆c
SD
= (S -35)(3,36.10
-5
D - 4,55.10
-9
) ;
∆c
TD
= D(-1,19.10
-6
T
2
+ 6,35.10
-8
T
3
+ 4,1.10
-10

T
4
) +
+ T(6,95.10
-6
D - 5,27.10
-9
D
2
+ 2,7.10
-14
D
3
).
Theo Del Grosso [4] thì c
0,35,0
= 1.448,6 m/s.


10
1.3. Phn x v khỳc x súng õm
Khi súng õm gp b mt phõn cỏch gia 2
môi trờng
hay 2
lớp nớc

khỏc nhau
thì bị
phn x v khỳc x. Khi
đó

, chuyn ng súng trong mụi
trng th nht l kt hp ca súng ti v súng phn x, trong mụi trng
th hai - ch cú súng
khúc xạ
lan truyn.
Quan h gia 3 súng
phụ thuộc vào
cỏc iu kin biờn (bo ton ỏp
sut v cỏc thnh phn phỏp tuyn ca vn tc) trờn mt phõn cỏch.
Ta xem xột hin tng phn x v khỳc x ca súng dc, n sc
trờn mt phõn cỏch phng (y,z). D dng thy rng trong mụi trng ng
nht v ln súng n sc vi vec-t súng
k
v tn s khụng i l
nghim ca phng trỡnh chuyn ng. Khi cú b mt phõn cỏch thỡ ch
thờm iu kin biờn trờn mt phõn cỏch. Trong trng hp ang xem xột l
iu kin khi x = 0, tc l khụng ph thuc vo thi gian, cng khụng ph
thuc y, z. Vỡ th, s ph thuc ca nghim vo t v (y, z) vn c gi
nguyờn trong ton b khụng gian v thi gian, tc l , k
y
, k
z
ca
sóng

phn x v súng khỳc x vn gi nguyờn nh trong súng ti (k
x
theo hng
vuụng gúc vi mt phõn cỏch khụng ging nhau). iu ú cú ngha l
hng lan truyn ca c 3 súng u nm trong cựng mt mt phng.

Gi s l gúc gia hng súng v trc x.
T ng thc k
y
=.c
-1
sin cho súng ti v súng phn x suy ra:

1
=
1
(1.3 .1)
tc l gúc ti
1
bng gúc phn x
1
.

T cỏc ng thc tng t cho súng ti v súng khỳc x ta cú tng
quan gia gúc ti
1
v gúc khỳc x
2
:
sin
1
/ sin
2
= c
1
/ c

2
, (1.3.2)
trong ú : c
1
v c
2
l vn tc õm trong 2
lớp nớc
tng ng.
nh lng cng gia cỏc súng
và qua đó xác định hệ số
phản xạ,
ta biu din cỏc th nng vn tc trong cỏc súng ny di dng:

11
ϕ
1
= A
1
.exp {iω[x/c
1
.cosθ
1
+ y/ c
1
.sin(θ
1
- t)]} ;
ϕ’
1

= A’
1
.exp{iω[-x/c
1
.cosθ
1
+ y/ c
1
.sin(θ
1
- t)]} ;
ϕ
2
= A
2
.exp{iω[x/c
2
.cosθ
2
+ y/ c
2
.sin(θ
2
- t)]} .
Trên bề mặt phân cách (x=0) các áp suất (p=-ρ.∂ϕ/∂t) và các vận tốc
pháp tuyến (v
x
=∂ϕ/∂x) trong 2 môi trường phải bằng nhau. Các điều kiện
này dẫn đến các đẳng thức:
ρ

1
(A
1
+ A’
1
) = ρ
2
A
2
;

( )
1
2
2
'
11
1
1
coscos
A
c
AA
c
θθ
=−
.

Bởi lẽ, mật độ dòng năng lượng trong sóng tới bằng c.ρ.v
2

, nên ta có
biÓu thøc x¸c ®Þnh hÖ sè ph¶n x¹ nh−
sau:

( )
()
2
1
'
1
2
1
2
'
111
A
A
vc
vc
R ==
ρ
ρ

Sau vài phép biến đổi đơn giản ta
cã biÓu thøc x¸c ®Þnh hÖ sè ph¶n
x¹
:

2
1122

1122
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
−
=
θρθρ
θρθρ
tgtg
tgtg
R
(1.3.3 )
Do
θ
1
và
θ
2
liên hệ với nhau bằng biểu thức (1.3.2), nên có thể viết
(1.3.3 ) dưới dạng:
2
1
22
2
2
1122

1
22
2
2
1122
sincos
sincos
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−+
−−
=
θρθρ
θρθρ
ccc
ccc
R
(1.3.4 )
Nếu sóng tới vuông góc với mặt phân cách, thì
θ
1
= 0, nên:

2

1122
1122
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
−
=
cc
cc
R
ρρ
ρρ
(1.3.5 )
Nếu góc tới thoả mãn điều kiện

()
2
2
2
1
2
1
1122
1
2
cc

cc
tg
−
−
=
ρ
ρρ
θ
(1.3.6 )

12
thì R=0, tức sóng âm bị khúc xạ hoàn toàn. Trường hợp này có thể xảy ra,
nếu c
1
> c
2
, nhưng
ρ
2
c
2
>
ρ
1
c
1
(hay ngược lại).


1.4. HÊp thụ năng lượng âm trong nước

Do nước có tính nhớt và tính dẫn nhiệt nên năng lượng của sóng âm
bị hấp thụ, cường độ của nó bị suy giảm dần. Để tính được vận tốc suy
giảm đó ta sử dụng các hiểu biết phổ quát sau đây. Năng lượng cơ học
chính là công cực đại mà ta có thể thu được khi hệ thống chuyển từ trạng
thái không cân bằng sang trạng thái cân bằng nhiệt động học. Nhiệt
động
học cho thấy công cực đại được thực hiện nếu chuyển biến diễn ra một
cách thuận nghịch (tức là không thay đổi entrôpie) và bằng:

( )
SEEE
côhoc
−=
0
(1.4.1)
trong đó:
E
0
là giá trị năng lượng ban đầu của
sãng ©m,
còn
E
(
S
) là năng
lượng ở trạng thái cân bằng với entrôpie
S
, mà

sãng ©m
có từ đầu.
Vi phân (1.4.1) theo thời gian ta được:
() ()
SE
S
SSE
t
E
t
côhoc
∂
∂
−=
∂
∂
−=
∂
∂
.
Hay:
STE
t
cohoc
.
0
−=
∂
∂

Kết quả tính toán [1] cho thấy năng lượng tản mát trong chất lỏng
chịu nén và có tính dẫn nhiệt
lµ:


321
2
III
T
E
cohoc
ζ
ηχ
−−−=
(1.4.2)
trong đó:
χ
- độ dẫn nhiệt độ của chất lỏng,
η
- hệ số độ nhớt của chất lỏng,
ζ
- hệ số thứ 2 của độ nhớt,
I
1
, I
2
, I
3
là các tích phân (phức tạp nên không
dẫn ra). Về độ lớn,

η
và
ζ
cùng bậc.
Giả sử hướng lan truyền của sóng âm trùng với trục x,
th×
giá trị
trung bình của 2 hạng tử sau cùng trong (1.4.2) là:

13

0
2
0
2
3
4
2
1
Vvk






+

(1.4 .3)
(V

0
- th tớch cht lng).
Giỏ tr trung bỡnh ca hng t th nht trong (1.4.2) l:

0
2
0
2
11
2
1
Vvk
cc
pv










(1.4.4 )
Kt hp (1.4.3) v (1.4.4) ta cú giỏ tr trung bỡnh ca tn hao nng
lng súng õm trong cht lng chu nộn nh sau:

++=
pv
cohoc
cc
VvkE
11
3
4
2
1
0
2
0
2

(1.4 .5)

Nng lng ton phn ca súng õm l:

0
0
2
..
2
1
VvE

=
(1.4.6 )
i vi súng phng, cng suy gim theo quy lut exp(-2x), cũn
biờn suy gim theo quy lut exp(-x), trong ú l h s hp th, c
nh ngha nh sau:

Ec
E
cohoc
..2
=

(1.4.7 )
Thay (1.4.5) v (1.4.6) vo (1.4.7) ta cú biu thc cui cựng cho h
s hp th nng lng súng õm:

++=
pv
ccc
11
3
4
..2
3
2




(1.4.8 )
Biu thc (1.4.8) ch rừ tn hao ca nng lng súng õm khi lan
truyn trong nc t l thun vi

2

. Nhng:

= 2

.f (f - tn s ca súng
õm), nờn:






2


f
2

. (1.4.9)
Biểu thức (1.4.9) chỉ rõ, tần số làm việc càng cao thì độ suy hao
càng lớn.


14
Ngoi ra,
cỏc c trng lan truyn ca súng õm trong i dng ph
thuc vo mt lot thụng s
khác, đợc khái quát hoá thành độ ồn.
Nhỡn
chung, s

tổn hao
nng lng súng õm trong nc bin
lớn
hn trong nc
ngt
hàng chục lần,
vỡ trong nc bin cú mui ho tan.


1.5. Hấp th nng lng khi súng õm phn x trờn b mt vật rắn

Ta xem xột hin tng hp th nng lng khi súng õm phn x trờn
b mt vt rn vi cỏc iu kin sau õy [1]:
- T trng ca vt rn ln, n ni súng õm hu nh khụng thõm
nhp vo bờn trong;
- dn nhit ca vt rn ln, coi nhit b mt vt rn
khụng thay i, khi cú súng õm phn x trờn ú.
Ta chn h to sao cho b mt phn x trựng vi b mt x=0, cũn
b mt ti ca súng õm l (x, y). Ký hiu gúc ti v gúc phn x l

.
Mc thay i t trng trong súng ti mt im no ú (thớ d,
ti im x=y=0) trờn b mt s l:
ti
eA
..
'
1
.

=


Giả thiết rằng
súng phn x
và sóng tới có biên độ nh nhau
.
Khi đó

trờn b mt phõn cỏch:
'
2
'
1

=

S thay i thc t ca t trng cht lng, ni lan truyn súng ti v
súng phn x, s l:

ti
Ae
..
'
2
'
1
'

2



=+=


Vn tc cht lng trong súng ti l:
1
'
1
1
ncv


=

v trong súng phn x l:

15
2
'
2
2
ncv


=

Vỡ vn tc ton phn trờn b mt vt rn l:

21
vvv +=
,
nờn:

( )
ti
py
ecAvv
..
.sin2



==
(1.5.1)
Sai lch nhit T so vi giỏ tr trung bỡnh T (nhit b mt phõn
cỏch), khi cha tớnh n cỏc iu kin biờn trờn mt phõn cỏch, l:
( )
ti
p
ecTcAT
..2'
/.2



=

Mật độ năng
lng tn mỏt ton phn trờn b mt l:

( )
( )
[ ]
vcccAE
vpcohoc

222
sin1/./2
+=

Vỡ mt trung bỡnh ca dũng nng lng trờn mt n v din tớch
b mt l
c.

.v
2
1
cos

= (c
3
A
2
/2

). cos

nờn phn nng lng súng õm b b mt hp th l:
E
hấp thụ
=
( )
( )
[ ]
1/sincos./22
2
+
vp
ccvc

(1.5.2)
Nh vậy:
E
hấp thụ
f
1/2
. (1.5.3)


Ta thu đợc
biu thc (1.5.3)
với giả thiết
biờn súng ti v súng
phn x nh nhau,
tức

khi
khác xa
/2 . Trong [6]
có dẫn
biu thc tớnh
hp th õm khi phn x gúc bt k, theo ú hp th súng õm trờn b mt
rn l rt ln.

1.6. Đặc trng lan truyn súng õm trong nc biển

1.6.1. Đặc trng lan truyền sóng âm trong điều kiện đẳng nhiệt
- Trong lp nc ng nhit vn tc õm tng theo sõu, bi vỡ ỏp
sut cht lng tng theo sõu. Súng õm lan truyn trong
nớc
vi vn tc

16
thay i luụn cú xu hng lch v phớa cú vn tc nh hn, tuõn theo nh
lut tia súng ca Snellius, cú dng nh sau:

nn
ccc

cos/...cos/cos/
2211
===

trong ú c
n
l vn tc õm trờn biờn ca lp n, m qua ú tia õm i vo lp;

n
- gúc trt ca tia ti trờn mt ú.
nh lut Snellius cho phộp gii thớch cỏc hiu ng khỏc nhau (vựng
ti, cỏc kờnh õm) thng gp khi súng õm lan truyn trong nc bin trờn
c ly ln [5].
- Chựm tia do ngun õm phỏt ra lan truyn trong lp nc ng nhit
luụn cú xu hng i lch lờn trờn, ni cú ỏp sut nh hn. Nu nh ngun
õm c b trớ sõu, ni õm cú vn tc c
0
thỡ tia õm phỏt ra t ú di
gúc
0
s tr thnh tia súng truyn ngang, sõu
tơng ứng
vn tc õm l
c
1
= c
0
/cos
0
.
Cự
ly lan
truyền
õm (t ngun c b trớ sao cho trc õm
nm ngang v cú c trng hng hp trong mt phng ng) ph thuc
vo sõu ngun phỏt, rng c trng hng trong mt phng ng v
sõu u thu. Ch cú nhng tia phn x t b mt mi n c ni xa

hn
cự
ly ú trong nc sõu. Vựng c chiu ri
bởi
cỏc tia phn x t b
mt gi l vựng ti.


1.6.2. Đặc trng lan truyn súng õm trong vựng nc nụng
Khụng th s dng lý thuyt tia õm,
mà
phi s dng lý thuyt súng
õm thụng thng nghiờn cu quỏ trỡnh truyn õm trong vựng nc nụng,
bi vỡ ú lp nc tng t ng dn súng. Trng thỏi mt nc, tớnh cht
bựn t v a hỡnh ỏy bin cú vai trũ quan trng, bi vỡ chỳng nh hng
trc tip n tn hao khi súng õm phn x t
đó
. Tuy nhiờn, trong nhiu
trng hp, ỏnh giỏ hiu nng ca sonar, phi s dng cỏc quy lut lý
thuyt tia õm.
Gi s ngun õm t ti im (0, 0) trong lp nc cú b dy z = H.
Khi y, ti im (r,z) s xp chng cỏc súng ti v súng phn x t b mt

17
và đáy lớp nước. Sóng phản xạ từ các bề mặt phân cách có thể xem là sóng
phản xạ từ nguồn “ảo” và là nguồn gương của nguồn âm thực trong mặt
phẳng tương ứng với z = H và z = 0.
Trong lớp nước đồng nhất năng lượng tổng hợp của trường âm được
xác định theo quy luật
“

3/2”:

)21(24
4
2/3
σσ
π
π
+
=
r
P
J
a


Theo đánh giá của Brekhovski, biểu thức trên đúng khi thoả mãn
điều kiện:
( )
2
1
//1
πσ
kHH <<<<
;
21
σσσ
+=

trong đó:
2,1
σ
=
2,1
Rm
1
2
2,1
−n

;
m
1
= ρ
2
/ρ
1
- tỉ số mật độ đáy và nước;
m
2
= ρ
3
/ρ
1
- tỉ số mật độ không khí và nước;
n
1
= c
1

/c
2
- hệ số khúc xạ;
n
2
= c
1
/c
3
- hệ số khúc xạ giữa nước và không khí;
ở cự ly R ≈ r;
Khi môi trường không đồng nhất và cự ly lớn thì sử dụng biểu thức:

J
=
()
[]
()
02
1
minmin
''2/3
2
2
rf
dd
etgD
fr
p
−

−
α
π
α

Trong đó:

()
mind
D
α
- độ dài chu kỳ tia;

()
)(ln)(
1
0
dd
VDf
ααα
−
−=
;

( )
)(ln)(0
minmin
1
dd
VDf

αα
−
−=
;

18

d
d
d
d
d
C
C
D
V
f
α
α
α
α
α
α
sin
sin
)(
)(ln
)('
0
0

0
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂
∂
=
;

min
)(
)(ln
)0(''
dd
d
d
d
Ctg
D
V
f
αα
α
α
α
⎪
⎭

⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
∂
∂
=
.
ở đây: α
0
, α
d
, C
0
, C
d
- là giá trị các góc tới và vận tốc âm trên
møc
ngang
nguồn âm, đáy và máy thu; V(α

d
) - hệ số phản xạ.
Tuy nhiên, để tính toán độ suy giảm trong không gian cần phải bổ
sung thêm các hệ số tương ứng cho các biểu thức trên.


1.6.3. §Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m trong vïng n−íc s©u
Trong đại dương bao la thường gặp hiện tượng tồn tại lớp bề mặt
đồng nhất (đẳng nhiệt) hay gradient nhiệt độ dương không lớn, mà dưới đó
có lớp nước với gradient nhiệt độ âm. Trong những điều kiện ấy, tia âm
phát ra dưới góc θ trong lớp bề mặt sẽ bị bẻ cong và trở thành tia ngang
trên biên của 2 lớp nước. Tất cả các tia phát ra dưới góc nhỏ hơn θ
đều bị
uốn cong về phía trên và không chạm được biên phân cách 2 lớp nước. Tất
cả các tia phát ra dưới góc lớn hơn θ sẽ bị uốn cong về phía dưới, xuyên
qua biên phân cách, sau đó uốn cong mạnh xuống dưới. Hiện trạng vừa nêu
dẫn đến sự hình thành vùng tối, nơi mà các tia âm tới không thể thâm nhập
được, do bị khúc xạ. Tuy nhiên, các tia âm phản xạ từ bề mặt lại có thể
thâm nhập vào vùng tối.
Dĩ nhiên, mức tín hiệu mà đầu thu có thể nhận
được sẽ phụ thuộc vào khoảng cách giữa máy thu và máy phát, độ sâu
cña

chúng và đặc trưng phân bố vận tốc âm theo độ sâu.
Bởi vì tia âm luôn luôn bị uốn cong về phía lớp nước có vận tốc âm
nhỏ hơn, nên một phần năng lượng âm phát ra trong lớp đó sẽ được giữ lại
trong kênh, có trục ở độ sâu ứng với vận tốc âm nhỏ nhất. Kênh âm này
được gọi là kênh âm nước sâu. Cũng có thể tồn tại kênh âm gần bề mặt,
nếu gradient nhiệt độ
trong lớp nước đó làm xuất hiện cực tiểu vận tốc âm.

19
Khi nghiên cứu lan truyền âm trong đại dương cần phân biệt 2
trường hợp điển hình, đó là lan truyền theo kênh và lan truyền không theo
kênh. Khi truyền âm không theo kênh, năng lượng âm tập trung chủ yếu ở
các lớp nước phía dưới. Ngược lại, khi âm lan truyền theo kênh thì phần
lớn năng lượng âm nằm trong kênh, tổn hao năng lượng không lớn lắm,
nên cự ly lan truyền xa, có trường hợp tới hàng nghìn km. Tuỳ thuộc vào vị
trí tồn tại mà ng
ười ta chia kênh âm thành kênh bề mặt và kênh ngầm.
a) Kênh âm bề mặt
Kênh âm bề mặt có thể nằm ở độ sâu 60-90m tính từ mặt biển và trải
trên diện tích lớn. Vị trí kênh âm không cố định, mà thay đổi tuỳ theo
“kênh” nhiệt độ. Có trường hợp kênh âm “nóng” nằm xen giữa 2 lớp nước
lạnh hơn.
Kênh âm bề mặt có đặc điểm cơ bản là truyền lan theo nhiều tia
vµ
lý
thuyết tia sóng có thể áp dụng được khi λ<<Z
gh
(Z
gh
là giới hạn của kênh
âm bề mặt).
Quan hệ giữa vận tốc âm và độ sâu được mô tả như sau:

( ) ( )
ZacZc .1.
0
+=

(1.6.1)
trong đó: c
0
- vận tốc âm trên đường ngang qua nguồn âm (Z = 0);
a - gradient vận tốc tương đối.
Hình ảnh sóng trong điều kiện kênh âm bề mặt tương ứng với sự
phân bố vận tốc âm được nêu
trªn
hình 1.6.3.1.


20


Hình 1.6.3.1- Hình ảnh sóng âm trong kênh bề mặt
b) Kênh âm ngầm
Ta xét dạng điển hình của kênh âm ngầm có bức tranh tia như trên
hình 1.6.3.2.

Hình 1.6.3.2- Hình ảnh sóng âm trong kênh ngầm
(Nguồn âm được bố trí trên trục kênh)

Tuy có sự thay đổi lớn ở phần trên của đường cong C(z) (điều này
phụ thuộc vào thời gian trong năm), nhưng trên đặc tuyến phân bố vận tốc
âm có thể tách đoạn có gradien âm (đến trục kênh âm ngầm) và đoạn có
gradien dương sau đó.
Từ hình vẽ ta thấy đặc tính của bức tranh tia phụ thuộc vào vị trí của
nguån ©m
so với trục kênh âm ngầm. Khi dịch chuyển
nguån ©m

gần trục

21
kênh âm ngầm sẽ xuất hiện nhóm tia truyền lan trên cự ly lớn, mà không
suy giảm trong phạm vi kênh.
Trên hình 1.6.3.3 biểu diễn sự phụ thuộc của vận tốc âm vào độ sâu
và bức tranh tia, khi đặt nguồn âm gần bề mặt. Các tia sóng giới hạn bởi
các giá trị α
0
1m
và α
0
2m
tạo ra kênh, trong đó năng lượng âm truyền tải
không bị mất mát khi phản xạ từ các biên của kênh. Trường âm trong
trường hợp này có cấu trúc miền: vùng nguồn âm và hướng nằm trên trục
kênh âm ngầm, sau đó là vùng lặng âm, đến vùng hội tụ thứ nhất, rồi lại
tiếp tục vùng lặng âm, vùng hội tụ thứ hai, . . .


Hình 1.6.3.3- Hình ảnh sóng âm trong kênh ngầm
(Nguồn âm bố trí gần mặt biển)

Khi nguồn âm định hướng phát xạ liên tục, trường âm được đặc
trưng bằng kênh năng lượng xác định kích thước góc cắt bề mặt. Ở mức
quan sát cố định thì khoảng cách tới miền hội tụ, độ rộng và độ dày là các
thông số của miền hội tụ. Các thông số này phụ thuộc vào vị trí trục kênh,
v
ận tốc âm ở đáy và trên bề mặt. Ở điều kiện tiêu chuẩn, khoảng cách đến
miền hội tụ thứ nhất khoảng 55÷70km, đến miền hội tụ thứ hai là

110÷140km, ... Độ rộng của miền thứ nhất khoảng 10÷15km, của miền thứ
hai - 20km. Độ dày của miền thứ nhất có thể đạt tới vài trăm mét. Kích
thước vùng truyền âm tă
ng theo số miền, còn kích thước vùng lặng âm thì

22
ngược lại, giảm khi số miền tăng. Trong điều kiện thuận lợi có thể đạt tới
11 miền hội tụ.
Sự gia tăng độ sâu của nguồn âm làm vùng hội tụ mở rộng và vùng
lặng âm co lại. Nếu đặt bộ phát xạ trên trục kênh âm ngầm thì sóng âm lan
truyền trong toàn bộ kênh âm.
Trong nhiều trường hợp, miền hội tụ tồn tại ở các độ sâu khác nhau.
Thí d
ụ, ở các vùng biển với vận tốc âm bề mặt lớn hơn vận tốc âm ở đáy
(c
bm
> c
d
), và nguồn âm được bố trí sao cho mức vận tốc âm nhỏ hơn vận
tốc âm ở đáy biển.
Thông qua cấu trúc miền của trường âm cũng có thể đánh giá một số
tham số như: thời gian lan truyền, độ dài miền hội tụ,...
Cần lưu ý là các đặc trưng miền vừa trình bày trên cho kênh âm bề
mặt và kênh âm ngầm thể hiện rõ nét ở miền tần số đủ cao. Khi tần số

giảm, hiệu suất khúc xạ tăng, vùng lặng âm giảm, cấu trúc miền của trường
âm
cã thÓ
bị phá vỡ.

23
1.7. Vài nét về thuỷ âm biển Việt Nam
Về mặt thuỷ âm, có thể chia biển Việt Nam thành 3 khu vực chính:
- Khu vực 1: bao gồm thềm lục địa, vùng Tây Bắc và Tây Nam biển
Đông;
- Khu vực 2: vùng biển sâu phía Bắc;
- Khu vực 3: vùng biển sâu phía Nam.
Trong nước biển Việt Nam hiện tượng kênh âm bề mặt (
xem h×nh
1.7.1
) xuất hiện quanh năm, nhưng thường xuyên nhất là từ tháng 10 đến
tháng 3, với xác suất là 70%. Độ dày kênh âm bề mặt khoảng 30÷50m.
Trong giai đoạn từ tháng 4 đến hết tháng 9 xác suất xuất hiện là 60%, độ
dày kênh âm khoảng 20÷30m. Hiện tượng khúc xạ ở lớp nước bề mặt xẩy
ra phổ biến từ tháng 4 đến tháng 10 (42%) và từ tháng 11 đến tháng 3
(27%).
Vùng truyền âm xa xuất hiện chủ yếu ở
độ sâu trên 100m, cách vùng
truyền âm thứ nhất chừng 48÷53m và trải dài 1÷5km. Độ dài vùng truyền
âm gần trong thời gian từ tháng 11 đến tháng 3 khoảng 1,6÷6,9km, còn
trong giai đoạn từ tháng 4 đến tháng 10 là 1,4÷4km.
Trong khu vực 2
vµ khu vùc
3 quan sát thấy phân bố vận tốc âm theo
độ sâu có dạng
nh− trªn
hình 1.7.2.
Đặc trưng khu vực 3 là không tồn tại vùng truyền âm xuất phát từ bề
mặt và vùng phân bố với tính chất phản xạ đáy. Hiện tượng kênh âm bề

mặt xuất hiện quanh năm, với độ dày
3
0 ÷ 50m.
Hiện tượng khúc xạ ở lớp bề mặt xẩy ra trong khoảng thời gian từ
tháng 11 đến tháng 3, với xác suất trên 20%. Vùng truyền âm xa cũng như
vùng thuỷ âm thứ hai thường thấy ở độ sâu trên 100m. Độ dài vùng truyền
âm thứ nhất 42÷52 km, chiều rộng từ 2 đến 6 km. Chiều rộng vùng truyền
âm gần từ tháng 12 đến tháng 2 thay đổi trong khoảng từ 2 đến 4 km; còn

24
từ tháng 3 đến tháng 11 là 1,6 ÷ 4,0 km.
§Æc ®iÓm ph©n bè vËn tèc ©m
®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1.7.1 vµ 1.7.2


Hình 1.7.1- Đặc điểm phân bố vận tốc âm trong vùng
thuỷ âm thứ nhất ở Biển Đông


Hình 1.7.2 - Đặc điểm phân bố vận tốc âm trong
vùng thuỷ âm thứ hai và thứ ba ở Biển Đông.

Trong bảng 1.7.1 trình bày chu kỳ phân bố vận tốc âm và khúc xạ
âm ở lớp nước bề mặt và trong kênh âm bề mặt.