Xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm

MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................................7
LỜI NÓI ĐẦU .....................................................................................................................1
TÓM TẮT LUẬN VĂN ......................................................................................................2
GIỚI THIỆU CHUNG .........................................................................................................3
Mục đích thiết kế ..............................................................................................................3
Phương pháp thực hiện .....................................................................................................3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI NƯỚC ......................4
Giới thiệu chương .............................................................................................................4
1.1 Vai trò của hệ thống thông tin thủy âm ......................................................................4
1.2 Đặc điểm sóng thủy âm ..............................................................................................4
1.2.1

Đặc tính tần số của sóng thủy âm ....................................................................4

1.2.2

Vận tốc sóng âm dưới nước .............................................................................5

1.2.3

Đặc tính lan truyền sóng âm trong môi trường nước.......................................7

1.3 Đặc điểm kênh truyền thủy âm. ................................................................................17
1.3.1

Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền thủy âm ...........................................17

1.3.2

Suy hao trong môi trường dưới nước ............................................................20

1.3.3

Sự suy giảm âm thanh trong chất lắng cặn ....................................................29

1.3.4

Nhiễu môi trường ...........................................................................................35

1.3.5

Hiệu ứng Doppler ..........................................................................................35


1.4 Các tham số đánh giá hiệu quả của kênh ..................................................................37
1.4.1

Đánh giá tỉ số SNR – Tần số tối ưu ...............................................................37

1.4.2

Đánh giá băng thông, tỉ số C/B ......................................................................38

Kết chương......................................................................................................................42
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC COGNITIVE RADIO ........................................................................................................43

Giới thiệu chương ...........................................................................................................43
2.2 Software defined radio ..............................................................................................43
2.2.1

Khái Niệm ......................................................................................................43

2.2.2

Giới thiệu về Lịch sử SDR.............................................................................43

2.2.3

Các thiết bị hỗ trợ SDR ..................................................................................44

2.2.4

Lợi ích từ SDR ...............................................................................................45

2.3 Cognitive Radio (CR) ...............................................................................................46
2.3.1

Giới thiệu .......................................................................................................46

2.3.2

Định nghĩa ......................................................................................................47

2.3.3

Kiến trúc vật lí ...............................................................................................48

2.3.4

Sự phát triển của Cognitive Radio (CR). .......................................................50

2.3.5

Các chức năng chính của CR .........................................................................54

2.3.6

Cảm biến phổ (spectrum sensing) ..................................................................56

Kết chương ......................................................................................................................60
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CHO HỆ
THỐNG THÔNG TIN THỦY ÂM ...................................................................................61
Giới thiệu chương ...........................................................................................................61
3.2 Đặc tính kênh truyền dưới nước ...............................................................................61
3.2.1

Suy hao đường truyền trong môi trường nước ..............................................61

3.2.2

Nhiễu màu trong môi trường nước ................................................................62

3.3 Công nghệ vô tuyến nhận thức .................................................................................63


Kết chương ......................................................................................................................68

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ...............................................................................69
Giới thiệu chương ...........................................................................................................69
4.2 Kênh truyền dẫn ........................................................................................................69
4.3 Hệ thống vô tuyến nhận thức thông minh trong thủy âm .........................................69
Kết chương ......................................................................................................................77
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .........................................................................78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................79


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn dựa trên các
kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết
quả nghiên cứu của tác giả khác. Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng
một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các
tài liệu tham khảo.

Nguyễn Văn Thọ


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ

Từ gốc

Ý nghĩa

ASK

Amplitude Shift Keying

Điều chế số theo biên độ tín hiệu

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

FSK

Frequency Shift Keying

Điều chế số theo tần số tín hiệu

GMSK

Gaussian Minimum Shift Keying

Điều chế dịch cực tiểu Gauss

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự

MSK

Minimum Shift Keying

Điều chế dịch cực tiểu

OFDM

Orthogonal Frequency Divionsion Kỹ thuật điều chế đa sóng mang
Multiplex

trực giao

PAM

Pulse Amplitude Modulation

Điều chế biên độ xung

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế số theo pha tín hiệu

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Điều chế pha trực giao

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

UAC

Underwater Acoustic Channel

Kênh thông tin thủy âm

CR

Cognitive Radio

Sóng mang nhận thức thông minh

PU

Primary User

Người dùng chính


DANH MỤC BẢNG BIỂU

4-1: Bảng lựa chọn phạm vi truyền song theo băng thông tín hiệu .......................... 70


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt). .................. 6
Hình 1-2 Sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh vào độ mặn của nước ........................... 6
Hình 1-3 Di chuyển của hạt từ vị trí x tới vị trí x+dx. ................................................ 7
Hình 1-4 Môi trưởng truyền sóng đồng nhất với nguồn S và bên thu R .................. 12
Hình 1-5 Hiện tượng đa đường trong môi trường nước ............................................ 13
Hình 1-6 Mô hình đa đường theo lý thuyết tia .......................................................... 14
Hình 1-7 Sự phụ thuộc của nhiệt độ theo độ sâu của nước biển. .............................. 18
Hình 1-8 Sự thay đổi của độ mặn theo độ sâu ( Biển Atlantic). ............................... 19
Hình 1-9 Hệ số hấp thụ a  f  trong môi trường nước ............................................. 20
Hình 1-10 Suy hao theo phân bố cầu ở vùng nước sâu ............................................. 21
Hình 1-11 Suy hao theo phân bố trụ trong môi trường nước nông ........................... 22
Hình 1-12 Hệ số hấp thụ theo công thức Thorp ........................................................ 24
Hình 1-13 Hệ số suy giảm theo tần số (công thức Francois và Garrison). ............... 26
Hình 1-14 Hệ số suy giảm thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=200C) - công thức
Francois và Garrison[4]............................................................................................. 27
Hình 1-15 Hệ số suy hao thay đổi theo độ mặn và nhiệt độ (T=300C) - công thức
Francois và Garrison[4]............................................................................................. 28
Hình 1-16 Hệ số suy hao theo các mô hình khác nhau. (T = 4oC, D=1000m, pH=8)28
Hình 1-17 Phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách hai chất lỏng ............................... 30
Hình 1-18 Sự phụ thuộc của SNR vào khoảng cách truyền và tần số ...................... 37
Hình 1-19 Giá trị tần số tối ưu theo khoảng cách ..................................................... 38
Hình 1-20 Bảng các giá trị b0 , c0 , p0 , 0 ,  0 ,  0 theo SNR ........................................... 41
Hình 1-21 Giá trị của B[kHz] và C[kHz] theo khoảng cách ..................................... 41


Hình 1-22 Đặc tuyến C/B theo SNR0 và Eb / N0 ....................................................... 42

Hình 2-1 Hiệu suất sử dụng phổ tần số. .................................................................... 47
Hình 2-2 Cấu trúc của SDR ...................................................................................... 48
Hình 2-3 RF Fron-End .............................................................................................. 49
Hình 2-4 Sự phát triển của Cognitive Radio (CR). ................................................... 50
Hình 2-5 Kiến trúc mạng xG. .................................................................................... 53
Hình 2-6 Chu trình cognitive .................................................................................... 55
Hình 2-7 Cảm biến tìm ra phổ trống. ........................................................................ 56
Hình 2-8 Sơ đồ khối của Spectrum Sensing.............................................................. 58
Hình 2-9 Sơ đồ cảm biến trong miền thời gian. ........................................................ 59
Hình 2-10 Sơ đồ cảm biến trong miền tần số............................................................ 60
Hình 3-1: Phân bố phổ tần giữa hệ thống sơ cấp và thứ cấp .................................... 64
Hình 3-2: Mô hình nhiễu giữa hệ thống sơ cấp và thứ cấp ....................................... 65
Hình 4-1 Mô tả sơ đồ hệ thống xây dựng cho kênh truyền....................................... 69
Hình 4-2: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 165 mW ............................ 71
Hình 4-3: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 4*165 mW ........................ 72
Hình 4-4: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 7*165 mW ........................ 72
Hình 4-5: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 11*165 mW ...................... 73
Hình 4-6: Phân bố công suất của CR với ngưỡng nhiễu 15* 165 mW ..................... 73
Hình 4-7: Thông lượng của hệ thống với trường hợp dss = 1km,dsp = 1km, dps
= 3km ........................................................................................................... 74
Hình 4-8: Thông lượng của hệ thống với trường hợp dss = 2km, dsp = 1km, dps =
3km ............................................................................................................................ 74
Hình 4-9: Phân bổ công suất CR với trường hợp, Ith = 4*165mW, dss = 10km, dsp
= 1km, dps = 3km...................................................................................................... 75


Hình 4-10: Phân bổ công suất CR với trường hợp, Ith = 4*165mW, dss = 10km,
dsp = 2km, dps = 5km ............................................................................................... 75
Hình 4-11: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 10km, dsp = 2km, dps =
5km,không tính đến nhiễu màu ................................................................................. 76

Hình 4-12: Thông lượng hệ thống với trường hợp dss = 10km, dsp = 2km, dps =
5km, tính đến nhiễu màu ........................................................................................... 76


LỜI NÓI ĐẦU

Tài nguyên tần số là hữu hạn và vô cùng quý giá, dải tần số đang dần trở nên
chật hẹp bởi nhu cầu sự dụng… Mặc dù vậy nhưng hiệu suất sử dụng tài nguyên
tần số lại rất thấp. Hiệu suất này thay đổi dựa vào đặc điểm hệ thống mạng viễn
thông ở từng vùng địa lí (mạng dày đặc hay thưa thớt) và thời điểm sử dụng (giờ
cao điểm hay bình thường). Cognitive radio là công nghệ mới đầy hứa hẹn cho sự
phát triển của viễn thông trong tương lai bởi tính linh hoạt và thông minh của nó sẽ
đáp ứng được yêu cầu về sử dụng hiệu quả tần số cao hơn có thể cảm nhận phổ, biết
được phổ đang sử dụng và phổ trống, từ đó đưa ra những quyết định sử dụng phổ.
Nhu cầu thông tin liên lạc dưới nước ở Việt Nam ngày càng trở nên cần thiết
với mục đích khác nhau như thám hiểm tài nguyên biển, vận hành các phương tiện
dưới biển tự động và quân sự. Tuy nhiên, do sự khác biệt cơ bản về đặc tính của
môi trường không gian tự do và môi trường biển nên những công nghệ sử dụng cho
thông tin vô tuyến hiện thời khó có thể áp dụng cho việc thông tin dưới nước. Đặc
biết dải tần số cho thông tin liên lạc dưới nước lại hạn hẹp (KHz). Xuất phát từ nhu
cầu thực tế đó và trong khuôn khổ luận văn này, tôi xin trình bày về việc xây dựng
công nghệ vô tuyến nhận thực Cognitive radio và ứng dụng cho kênh truyền thông
tin liên lạc dưới nước sử dụng công cụ mô phỏng Matlab.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS.Nguyễn Quốc Khương đã tận tình chỉ
bảo giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn. Với thời gian và kiến thức
còn hạn hẹp nên luận văn không tránh khỏi tồn tại nhiều thiếu sót. Tôi mong sẽ
nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn để phát triển đề tài này tốt hơn
nữa.

1

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn đề cập đến vấn đề xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ
thống thông tin thủy âm.
Nội dung luận văn bao gồm 6 phần :
 Giới thiệu chung
 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin dưới nước
Tổng quan mạng hệ thống thông tin dưới nước, vai trò của hệ thống thông tin
thủy âm, các đặc tính sóng thủy âm và đặc tính của kênh truyền thủy âm.
 Chương 2: Giới thiệu về công nghệ vô tuyến nhận thức
Trình bày ngắn gọn về nền tảng công nghệ được sử dụng trong các ứng dụng
về công nghệ vô tuyến nhận thức trong truyền dẫn, các chức năng chính của
công nghệ vô tuyến nhận thức.
 Chương 3: Xây dựng công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin
thủy âm
Trong chương này đề cập chi tiết đến đặc tính của kênh truyền dưới nước. Sự
ảnh hưởng của suy hao đường truyền, ảnh hưởng của nhiễu. Sau đó áp dụng
công nghệ vô tuyến nhận thức cho hệ thống thông tin thủy âm.
 Chương 4: Kết quả mô phỏng hệ thống
Trình bày về kết quả đã đạt được dựa vào mô hình hệ thống đề xuất ở
chương 3.
 Kết luận và hướng phát triển

2


GIỚI THIỆU CHUNG

Mục đích thiết kế
Ngày nay khi nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng phát triển mạnh mẽ đặc
biệt như với môi trường truyền dẫn dưới nước các các phương tiện giao thông trên
biển, tàu ngầm, thiết bị nghiên cứu, thông tin về thời tiết, thông tin quân sự ... thì
yêu cầu về nghiên cứu hệ thống và tối ưu hệ thống trở thành yêu cầu cần thiết và có
tính thực tiễn cao. Không nằm ngoài mục đích đó, trong khuôn khổ nghiên cứu và
thiết kế của luận văn, giúp tìm hiểu, nghiên cứu và mô phỏng áp dụng công nghệ vô
tuyến nhận thức thông minh trong truyền dẫn môi trường dưới nước. Tạo ra hệ
thống thân thiện và hiệu suất sử dụng phổ vô tuyến cao kèm theo các đánh giá và
hướng phát triển tiếp theo.
Phương pháp thực hiện
Tiếp cận vấn đề từ việc nghiên cứu công nghệ triển khai, từ lý thuyết SDR
đến CR.
Khảo sát đặc điểm của kênh truyền thủy âm, các yếu tố cơ bản ảnh hưởng
đến khả năng truyền sóng như suy hao trong môi trường nước theo khoảng cách,
các loại nhiễu.
Áp dụng công nghệ vô tuyến nhận thức vào mô hình kênh truyền dưới nước
trong hệ thống thông tin liên lạc dưới nước thông qua việc phân bổ công suất cho
cho hệ thống CR dựa vào các điều kiện rằng buộc.

3


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DƯỚI
NƯỚC

Giới thiệu chương
Hệ thống thông tin dưới nước ngày càng góp phần quan trọng vào các lĩnh

vực của cuộc sống với nhiều mục đích khác nhau. Tuy nhiên, do những tính chất
của môi trường, các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường truyền sóng nên hệ thống
thông tin liên lạc thủy âm có nhiều điểm khác biệt với hệ thống trên mặt đất. Do
đó để đảm bảo truyền thông tin ổn định và chính xác việc nghiên cứu các đặc tính
của kênh truyền đóng một vai trò quan trọng. Việc hiểu đúng và đầy đủ các đặc
tính đó giúp ta có được những thiết kế phù hợp, hiệu quả với kiến trúc máy thu,
máy phát cũng như các thiết bị khác dùng trong hệ thống.
Chương 1 trình bày ngắn gọn vai trò của hệ thống thông tin thủy âm, các
đặc tính sóng thủy âm và đặc tính của kênh truyền thủy âm.

Vai trò của hệ thống thông tin thủy âm

1.1

Để đáp ứng những nhu cầu thực tế, thông tin liên lạc dưới nước ngày càng được
sử dụng rộng rãi và đóng vai trò rất quan trọng với nhiều mục đích khác nhau như:
thăm dò dưới biển, điều khiển thiết bị tự động, thu thập dữ liệu về môi trường một
cách tự động sau đó truyền về trung tâm, đặc biệt cho những mục đích quân sự,...
1.2
1.2.1

Đặc điểm sóng thủy âm
Đặc tính tần số của sóng thủy âm
Việc thông tin dưới biển thực tế khó có thể thực hiện được bằng sóng điện từ

trường, lý do mức độ suy hao rất lớn trong môi trường lan truyền dưới nước. Sóng
quang học tuy không có suy hao lớn trong môi trường nước tuy nhiên lại bị nhiễu
bởi hiện tượng tán xạ. Cho đến nay, phương pháp hiệu quả nhất cho việc truyền dẫn
thông tin vô tuyến dưới nước là sử dụng lan truyền sóng âm.
Tần số công tác thấp: nằm trong dải dao động của sóng âm thanh

Độ rộng băng rất hẹp và độ gợn sóng khá lớn.

4


1.2.2 Vận tốc sóng âm dưới nước
Sự biến thiên vận tốc sóng âm trong môi trường biển là tương đối nhỏ.
Thông thường, vận tốc sóng âm c sẽ biến thiên từ 1450 tới 1540m/s. Tuy nhiên,
những thay đổi nhỏ trong vận đốc sóng âm cũng có những ảnh hưởng lớn tới lan
truyền sóng ở trong nước.
Tốc độ âm thanh trong nước biển đã được tập trung phân tích trong rất nhiều
mô hình toán học. Trong đó có phương trình Mackenzine được trình bày trong [1],
ở đây tốc độ âm thanh trong nước biển được tính toán với một ước lượng tốc độ sai
số xấp xỉ 0.070m/s.

v  1448.96  4.591 T  5.304 102  T 2  2.374 104  T 3
1340  ( S  35)  1.630 102  D  1.675 107  D 2
2

1.025 10  T  ( S  35)  7.139 10

13

T  D

(1.1)

3

Trong đó:

v là tốc độ âm thanh tính theo m/s, T là nhiệt độ theo oC, S là độ mặn thep phần
nghìn ppt, D là độ sâu theo met.
Với biển Đông Việt Nam, nhiệt độ và độ mặn của nước biển thay đổi rất
nhiều theo các mùa trong năm, và theo vị trí ven bờ hay ngoài khơi, cả theo độ sâu.
Hơn nữa, vùng Vịnh Bắc Bộ, biển miền Trung và biển miền Nam cũng có đặc điểm
khác nhau khá nhiều. Nhưng theo thống kê thì có thể lấy S=30÷40ppt (trung bình
33ppt), T = 10÷30 oC.

5


Hình 1-1 Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và độ sâu (S=33ppt).

Ta thấy tốc độ âm thanh tăng theo cả nhiệt độ và độ sâu, nhưng theo chiều tăng
nhiệt độ, đặc tính tốc độ âm thanh dốc hơn nhiều. Tốc độ âm thanh đối với vùng
biển Việt Nam có độ sâu dưới 1000m thay đổi từ 1400÷1560 m/s.

Hình 1-2 Sự phụ thuộc của tốc độ âm thanh vào độ mặn của nước

6


Hình 1-4 chỉ ra rằng mặc dù tốc độ âm thanh thay đổi theo sự thay đổi của độ
mặn, nhưng thậm chí những giá trị về độ sâu và nhiệt độ được sử dụng được cho là
tối ưu cho sự thay đổi của tốc độ âm thanh, nhưng tốc độ âm thanh cũng chỉ thay
đổi 10m/s trong phạm vi tăng giảm độ mặn đi 10ppt, do vậy ảnh hưởng của độ mặn
có thể lấy một giá trị cố định mà vẫn chấp nhận được. Sử dụng phương trình
MacKenzine, xây dựng một đồ hình cho tốc độ âm thanh trong nước thay đổi theo
độ sâu và nhiệt độ trong Hình 1-4. Độ mặn ở đây lấy cố định là 35ppt đã trình bày
hiệu quả nhất về ảnh hưởng của độ sâu và nhiệt độ, hai biến số thay đổi nhiều nhất

trong môi trường nước sâu.
1.2.3 Đặc tính lan truyền sóng âm trong môi trường nước
Quá trình lan truyền sóng âm trong môi trường dưới nước có thể được mô tả
dưới dạng toán học bằng phương trình sóng, các tham số và điều kiện biên của
phương trình thỏa mãn điều kiện môi trường dưới nước ở từng khu vực khác nhau.
1.2.3.1Phương trình sóng của quá trình truyền sóng âm
Phương trình sóng trong chất lỏng có thể được giải từ mối quan hệ thủy động
lực và đoạn nhiệt giữa áp suất và mật độ. Phương trình bảo toàn khối lượng, phương
trình Euler, và phương trình đoạn nhiệt của trạng thái được trình bày dưới đây [3]

x
pg  x

pg  x  dx 

v(x)

v(x+dx)
x



A



x+dx

Hình 1-3 Di chuyển của hạt từ vị trí x tới vị trí x+dx[3].

Với kí hiệu Pg là áp suất và  g là mật độ, ta thu được các quan hệ sau:

pg  p0  p
7

(1.2)


Trong đó:
pg

: áp suất tổng cộng

p0 : áp suất tĩnh

p : thay đổi áp suất

Và:

 g  0  

(1.3)

Trong đó:

 : áp suất tổng cộng
 0 : áp suất tĩnh

 : thay đổi áp suất
Từ phương trình bảo toàn khối lượng, ta có:

x

 dx  Av  x  dx    g

x

Av  x    Adx

 g
t














Density variation








Resultant mass stream

Mass variation

Trong đó
Av  x  dx  : âm lượng ra tại độ dịch chuyển dx

 g  x  dx  Av  x  dx  : Khối lượng ra tại độ dịch chuyển dx
Av  x  : âm lượng vào tại vị trí x

 g  x  Av  x  : khối lượng vào tại vị trí x
a) Phương trình Euler:
Áp dụng định luật 2 Newton, F  m  a , ta được:

8


pg  x   A  pg  x  dx   A   g Av

dv
dt

(1.4)

Với:

v
v

dt  dx
t
x
dx v v dx dv v
v
 

 v
dx t x dt dt t
x

dv 

(1.5)

Và

pg  x, t   pg  x  dx, t 
dx

  pg  x  dx, t   pg  x, t  
p
 
 g
dx
x

(1.6)

Phương trình (1.6) có thể được viết lại thành:



pg
x



p
v 
 v
  v 
x
x 
 x

(1.7)

Kết hợp với điều kiện:

 g  x  dx, t   v  x  dx, t    g  x, t   v  x, t 
dx



  gv
x

(1.8)

Phương trình trên có thể được viết lại thành:

  g v
x



 g
t




t

(1.9)

Phương trình này được biết đến là phương trình thể hiện tính liên tục của mật độ.
b) Phương trình đoạn nhiệt trạng thái
Ta có:
 p  1
  2 pg 
pg  p0    g     2  
 ...
2 


2



 g  s
 g 

Để cho tiện, ta sẽ kí hiệu:

9

(1.10)


 p 
c2   
   s

(1.11)

Trong môi trường chất lỏng lý tưởng (đồng nhất) thì c sẽ trở thành vận tốc
sóng âm. Trong những phương trình trên,  là mật độ, v là vận tốc hạt, p là áp suất
và chỉ số s thể hiện phương trình đạo hàm riêng thủy động lực được xác định trong
điều kiện entroly không đổi.
Với điều kiện 𝑝 ≪ 𝑝0 và 𝜌 ≪ 𝜌0 , phương trình (1.11) trở thành:

p  c2 

(1.12)

Coi như trục thời gian của những thay đổi ở môi trường lớn hơn nhiều so với
trục thời gian của việc lan truyền sóng âm, ta giả sử rằng các tính chất của vật liệu
2
 0 và c là độc lập với thời gian. Khi đó phương trình Euler với biến x và phương

trình liên tục với biến t trở thành:

 2 p   v   
v 
 2   g    g v 
x
x  t  x 
x 

(1.13)

   g    v 
2
1 2 p
v    g    2   2 2

x  t  x  t 
t
c t

(1.14)

Và:

Với những vận tốc thấp hơn, phương trình (1.13) có thể bỏ qua thành phần
 
v 
   g 
v

 trong phương trình (1.14) có thể
  g v  . Với 𝜌 ≪ 𝜌0 thành phần
x 
x 
x  x 

được bỏ qua. Khi đó, hai phương trình (1.13) và (1.14) được viết lại thành:

 2 p   v 
 2   g 
x
x  t 

(1.15)

  v 
1 2 p



 g 
x  t 
c 2 t 2

(1.16)

10


Kết hợp hai phương trình (1.15) và (1.16) ta nhận được phương trình sau cho

không gian một chiều:
2 p 1 2 p

x 2 c 2 t 2

(1.17)

Mở rộng cho không gian ba chiều ta thu được:
1 2 p
p  2 2
c t

(1.18)

2
2
2
 2  2  2
x y
z

(1.19)

Trong đó:

1.2.3.2 Phương trình Helmholtz
Với áp suất p  P  x, y, z  exp  jt  , ta được:
P  k 2 P  0
2 P 2  P
Trong hệ tọa độ cầu, toán tử P  2 

R
R R

Nếu như coi P chỉ phụ thuộc vào R, nghiệm của phương trình Helmholtz cho sóng
cầu được xác định như sau:

P

A  exp   jkR 
4 R

(1.20)

Với:

R

 x  x0    y  y0    z  z0 
2

2

2

(1.21)

Trong đó x0 , y0 , z0 là tọa độ của nguồn. Một lời giải đơn giản và quan trọng cho
sóng phẳng:

11

P  A  exp  j  k x x  k y y  k z z 

(1.22)

Trong đó kx , k y , k z là các tham số sóng.
1.2.3.3 Lan truyền sóng âm trong ống dẫn sóng đồng nhất
Môi trường truyền sóng được minh họa trong Hình 1-4.
0

r

air

rs

1. Boundary

z

R

c  1480 m/s
S

zs

  1000 kg/m3
2. Boundary

D

Sediment

z

Hình 1-4 Môi trưởng truyền sóng đồng nhất với nguồn S và bên thu R [3]

Trường tạo ra tại nguồn  0, zs  khi không có biên (ở những nơi rất sâu) là:
P  r , z   A  

e jkR
4 R

(1.23)

Trong đó:

R

 z  zs    r  rs 
2

2

(1.24)

A   :biên độ tại nguồn.

Để nghiệm thu được thỏa mãn điều kiện biên, ta cần thêm điều kiện biên vào
phương tình Helmholtz. Điều kiện biên ở đây là: áp suất giảm về 0 tại bề mặt và đáy
của môi trường truyền sóng.

12


Phương pháp được sử dụng là phương pháp ảnh gương, và được trình bày
trong phần 2.5.5
1.2.3.4 Tính đa đường trong lan truyền sóng âm
Truyền dẫn đa đường trong truyền thông vô tuyến gây ra nhiễu liên kí tự
(inter-symbol interference) và fading của kênh trong miền tần số. Mặt khác, truyền
dẫn đa đường dẫn đến sự chậm trễ khác nhau của tín hiệu nhận được ở phía thu,
điều này sẽ làm khó khăn cho quá trình hiệu chỉnh dữ liệu. Hiện tượng đa đường
trong môi trường nước khác rất nhiều so với hiện tượng đa đường trong môi trường
trên cạn. Nó bị chi phối bởi hai hiệu ứng: phản xạ âm thanh ở bề mặt, ở đáy, hay
phản xạ với bất kỳ vật thể nào, và khúc xạ âm thanh trong nước như mô tả trong
Hình 1-5. Mỗi đường truyền có những đặc trưng riêng của mình, chẳng hạn như sự
lan truyền, hấp thụ, tốc độ trải trễ. Do đó, mô hình kênh cần phải được xem xét cho
từng loại đường dẫn.
c

Khoảng cách

tx
rx

tx

rx

Độ sâu
b, Mô hình tia cho vùng nước sâu

a, Mô hình tia cho vùng nước nông

Hình 1-5 Hiện tượng đa đường trong môi trường nước [10]

Như đã trình bày, có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng đa đường:
phản xạ của đáy, của bề mặt, khúc xạ, do các vật trong nước,… Tuy nhiên, để cho
phù hợp với môi trường nước ở Việt Nam- các vùng dưới nước đều không quá sâu,
đồ án phân tích hai yếu tố chính gây nên hiện tượng đa đường: sự phản xạ tại mặt
và đáy trong môi trường truyền dẫn.

13


1.2.3.5 Phương pháp ảnh gương
Có nhiều cách để mô tả quá trình truyền sóng âm dưới nước. Tuy nhiên, đồ
án trình bày về phương pháp ảnh gương. Đây là phương pháp áp dụng với phạm vi
rộng, đồng thời cũng giúp ta có một cái nhìn trực quan về quá trình truyền sóng âm
dưới nước.
Do tính chất phản xạ của bề mặt và đáy, chúng ta coi hai bề mặt đó như là
hai mặt gương có thể phản xạ tín hiệu giống. Tín hiệu có thể được phản xạ nhiều lần
trước khi đi tới máy thu. Hình vẽ dưới đây giúp ta hình dung rõ hơn về phương
pháp này

Hình 1-6 Mô hình đa đường theo lý thuyết tia [8]

Khác với phương pháp ảnh gương trong môi trường tự do, trong môi trường

dẫn sóng, (mô hình suy hao trụ, nước nông) âm thanh sẽ bị phản xạ nhiều lần giữa
hai mặt phản xạ và tạo ra vố số các tín hiệu phản xạ truyền từ nguồn từ đích.

14


Hình 1-6 minh họa hệ thống với nguồn ở độ sâu z s , ba nguồn ảnh đầu tiên
tạo ra 4 thành phần trong khai triển của trường tổng cộng [8]:

 e  jkL01 ˆ

e jkL02

R

,





1
02


L02
 L01

P  r , z ,    A    


 jkL03
e  jkL04 
 Rˆ  ,    e
ˆ
 R1 04 ,   
 2 03
L03
L04 

(1.25)



Ri  ,    Ri    ,    Ri  ,  
2


(1.26)

Trong đó i  1, 2 .
Các khoảng cách L01 , L02 , L03 , L04 được tính theo công thức dưới đây
L01  r 2   zs  z 

2

L02  r 2   zs  z 

2

L03  r   2 D  zs  z 

2

(1.27)
2

L04  r 2   2 D  zs  z 

2

Các số hạng còn lại, có thể thu được bằng cách khai triển tổng vô hạn sau:
^

 ^
e  jkLm1
P  r , z ,    A      R1m m1 ,    R2m m1 ,   
Lm1
m0 
^
^
e  jkLm 2
+ R1m 1 m 2 ,    R2m m 2 ,   
Lm 2
^
m
1

R

^
m 1

2

m3 ,    R

^

^

e  jkLm 3
m3 ,   
Lm3

 R1m 1 m 4 ,    R2m 1 m 4 ,   

Trong đó:
A: biên độ của tín hiệu

15

e  jkLm 4 

Lm 4 

(1.28)


Rˆ1 : hệ số phản xạ bề mặt
Rˆ 2 : hệ số phản xạ đáy

k: hằng số sóng

Lm1 , Lm2 , Lm3 , Lm4 : chiều dài của tuyến tương ứng và được tính như sau:
Lm1  r 2   2 D  m  zs  z 

2

Lm 2  r 2   2 D  m  zs  z 

2

Lm3  r 2   2 D   m  1  zs  z 

2

Lm 4  r 2   2 D   m  1  zs  z 

(1.29)

2

Với D là chiều sâu của ổng dẫn sóng.
1.2.3.6 Góc hợp bởi tia tới và tia phản xạ
Góc này còn được gọi là Grazing angle. Trong Hình 1-6, các góc đã được
minh họa rõ nét. Với mô hình toán học đơn giản, giá trị của các góc này được tính
như sau:
 2 D  m  zs  z 
,
r


 2 D  m  zs  z 

 tan 1 
,
r



m1  tan 1 
m 2

 2 D   m  1  zs  z 
m3  tan 
,
r


 2 D   m  1  zs  z 
m 4  tan 1 

r



(1.30)

1

Trong đó:

m1 ,m2 ,m3 ,m4 : góc hợp bởi tia thứ m và mặt phản xạ- như minh họa trên Hình 1-6
D: chiều sâu của ống dẫn sóng, hoặc là kênh truyền

m: nhận giá trị từ 0 tới vô cùng

16