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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP
.......................***........................

BÁO CÁO BTL
ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY
Đề tài:
PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ KIỂM TRA KHƠNG PHÁ
HỦY SỬ DỤNG SONAR
Nhóm sinh viên: (NHĨM 3)
Nguyễn Sỹ Thái - 20174190
Trần Đức Tuệ - 20174343
Trần Đình Hưng - 20173936
Nguyễn Văn Hiến - 20173844
Nguyễn Văn Quang - 20174138
Nguyễn Đức Toàn - 20174273
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 đã
phát triển mạnh mẽ như cầu của xã hội, trong đó sự yêu cầu ngày càng cao của chất lượng sản
phẩm cũng như an toàn lao động đã sinh ra một lĩnh vực mới đó là lĩnh vực “Đo và kiểm tra
không phá hủy”.

Đo và kiểm tra không phá hủy (hay Non-Destructive Testing – NDT) là kỹ thuật bao
gồm các phương pháp dùng để thử nghiệm, kiểm tra, đánh giá và chuẩn đốn tình trạng sản
phầm, cơng trình cơng nghiệp mà không làm tổn hại đến khả năng sử dụng của chúng. Sau
khi kiểm tra không phát hủy, đối tượng không bị thay đổi về hình dạng, kích thước, các tính
chất cơ lí hóa và vẫn có thể dùng theo mục đích thiết kế ban đầu.
NDT có thể và nên dùng trong mọi cơng đoạn của q trình sản xuất và sử dụng: từ
khâu lựa chọn vật liệu, kiểm soát chất lượng của các bán sản phẩm trong các giai đoạn công
nghệ khác nhau đến việc đánh giá chất lượng các sản phẩm cuối trước khi xuất xưởng. Kiểm
tra không phá huỷ còn dùng để phát hiện và đánh giá sự xuất hiện và phát triển của các khuyết
tật trong các sản phẩm, kết cấu cơng trình trong q trình sử dụng. Trên cơ sở đó có thể loại đi
được các vật liệu và sản phẩm không đạt yêu cầu tránh được các chi phí trong các cơng đoạn
tiếp theo cho các sản phẩm bị loại. Cũng bằng cách đó có thể sớm tìm ra được các chi tiết, cấu
kiện hư hại, đánh giá được mức độ tồn vẹn của cơng trình và có biện pháp bảo dưỡng và
thay 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 năng
phát 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 dịng điện
xốy (Eddy Curent Testing)
• Nhóm phương pháp có khả năng phát hiện khuyết tật nằm sâu bên trong và cả trên bề
mặt đối tượng: chụp ảnh phóng xạ (Radiographic Testing), phương pháp sử dụng
sóng 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 công
nghiệp của Viện Điện đưa vào chương trình dạy trong chương trình đào tạo kỹ sư
KTĐ&THCN. Dưới sự hướng dẫn và chỉ dạy của TS. Cung Thành Long, chúng em xin được
tập 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 q trình tìm hiểu, chắc chắn khơng tránh khỏi những sai sót, chúng em mong sẽ
nhận được lời góp ý của thầy và các bạn để Báo cáo này được hoàn thiện hơn.

Chúng em chân thành cảm ơn!

2


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 có
thể lan truyền trong mơi 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 cịn 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 trong
mơi trường và gặp vật cản thì sẽ bị phản xạ lại mà khơng đi vịng qua vật thể như hai loại
sóng âm cịn lại.
Tốc độ lan truyền của sóng âm phụ thuộc vào vật chất và nhiệt độ của môi trường và
không phụ thuộc vào tần số. Vận tốc sóng âm trong mơi trường khí khoảng 342m/s, trong mơi
trường 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 bề
mặt bị bám sò, … dẫn đến việc bị hà khá nhiều. Việc phá bỏ lớp hà bên ngoài ra để kiểm tra
cấu trúc bên trong có thay đổi, rạn nứt khơng là không khả thi. Cần phải kiểm tra, giám sát
liên tục chất lượng đối tượng chìm sâu trong nước biển, chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện tự

nhiên như vậy 1 cách không phá hủy, phương pháp đc sử dụng phổ biến hiện nay là phương
pháp Sonar.
SONAR (viết tắt cụm từ tiếng Anh: Sound Navigation and Ranging) là một kỹ thuật sử
dụng sự lan truyền âm thanh để tìm và phát hiện đối tượng ở trên bề mặt hoặc bên trong vật
liệu. SONAR được dùng chủ yếu trong quân sự đặc biệt là hải quân, tuy nhiên với sự ưu việt
của nó, SONAR đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác đặc biệt là
trong 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 sử
dụng rộng rãi dùng để xác định vị trí lỗi hỏng hóc cơ khí của các cấu trúc và thiết bị. Phương
pháp này có thể cung cấp thơng tin một cách tồn diện.

3


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 các
cảm 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, về
cường 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. Ứng
suất là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do sự tác dụng của các
nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đơi nhiệt độ.
Sức căng có thể được tưởng tượng như là trường có ba hướng ở mỗi điểm của một cấu
trúc. Đáp ứng của vật liệu so với sức căng là sự thay đổi của hình dạng. Vật liệu sẽ biến dạng
đàn 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 ngn âm thanh và đây là điều quan trọng
nhất trong đo và kiểm tra không phá hủy. Khi bề mặt vết nứt to lên, chúng sẽ tạo ra các tính
hiệu 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 nghe
tiếng vọng lại ở đầu thu. Có nhiều cách bố trí hình học các đầu phát và thu, cho ra cách thức
định vị đối tượng khác nhau.
Nguyên lý Sonar chủ động sử dụng máy chiếu (loa dưới nước) để tạo xung của âm
thanh truyền qua nước đến mục tiêu và được trả lại dưới dạng tiếng vang cho một
hydrophone, thường là cùng một thiết bị với máy chiếu và trong bối cảnh này thường
được 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 phân
tán trong mơi trường biển). Bởi vì thời gian giữa việc truyền một xung và nhận một tiếng
vọng có thể được đo lường và tốc độ âm thanh trên biển đã biết, phạm vi của mục tiêu tạo
tiếng vang chỉ đơn giản là tính tốn. Sonars tích cực đôi khi được gọi là hệ thống tạo tiếng
vang
1.2.2. SONAR bị động

Lắng nghe mà khơng phát tín hiệu. Nó thường được sử dụng trong quân sự, mặc dù nó
cũng 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 được
thực hiện theo hướng, do đó phương của tín hiệu được biết đến. Bản chất của tín hiệu - phổ
tần số của nó và cách nó thay đổi theo thời gian sẽ giúp phân loại mục tiêu. Tuy nhiên, các hệ
4


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

5


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 đo
khoảng 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 đổi
được sử dụng để phát và nhận xung âm thanh. Bộ chuyển đổi chuyển đổi năng lượng điện
thành sóng âm thanh.
Một "ping" sonar được tạo ra từ một tín hiệu điện dao động với các đặc tính tần số có
thể được phân biệt duy nhất. Các tín hiệu điện dao động được chuyển thành dao động cơ học
được truyền vào nước dưới dạng áp suất dao động hoặc sóng âm. Khi sóng âm thanh trở lại
dưới dạng tiếng vọng từ đáy biển, xung âm thanh sẽ được nhận và chuyển đổi trở lại thành tín
hiệu 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. Hình
2.1 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.

6


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 nước
theo 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 trục
trung tâm đến điểm của một nửa cơng suất. Đặc tính này có thể liên quan đến các thuật ngữ
phi âm thanh đối với đèn pin và con trỏ laser. chỉ vào một bức tường. Đèn pin (góc hình nón
rộng) chiếu sáng một khu vực rộng lớn trong khi con trỏ laser (góc hình nón nhỏ) tập trung
vào 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 thu
thập dữ liệu độ sâu vì mong muốn các giá trị đọc ngay bên dưới đầu dò. Ngược lại, nếu người
điều khiển sonar quan tâm đến việc xác định điểm nông nhất trong một khu vực hoặc vật cản,
7


thì một góc hình nón rộng hơn sẽ thích hợp hơn để quan sát một khu vực lớn hơn. Các góc
hình nón của đầu dị 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 các
side lobe. Các side lobe tồn tại trong tất cả các chùm sóng sonar và năng lượng định hướng
yếu. Các side lobe có thể gây ra tiếng vọng trở lại có thể bị hiểu sai, đặc biệt là khi làm việc
gần 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 âm
thanh không thay đổi trong tồn bộ mơi 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 âm
thanh thay đổi từ môi trường này sang mơi 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

8


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 thơng số sonar

Phương trình sonar phải tính đến mức độ lớn của nguồn âm thanh (mức nguồn), sự lan
truyền và suy giảm âm thanh khi xung âm thanh truyền từ sóng âm đến mục tiêu ( suy hao
truyền dẫn ), lượng âm thanh bị mục tiêu phản xạ trở lại sonar ( cường độ mục tiêu ), sự lan
truyền 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 phần
trong phương trình sonar được tính bằng đơn vị Decibel.
Sonar truyền tín hiệu với mức nguồn SL, tính bằng dB dưới nước cách nguồn một
mét. Âm thanh trở nên yếu hơn khi nó truyền về phía mục tiêu, do sự lan truyền và hấp
thụ. Tổng cường độ tín hiệu giảm trong q 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 mức
nguồn 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
9


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 kiểm
tra các kết cấu cầu dưới nước ngày càng tăng. Xu hướng này đã phát triển, một phần do
những tiến bộ trong công nghệ sonar. Xu hướng cũng tăng nhanh do các điều kiện bất lợi cho
việc kiểm tra lặn, chẳng hạn như tầm nhìn dưới nước bị hạn chế, dịng chảy tốc độ cao, các
mảnh vỡ chìm và độ sâu lớn tồn tại ở nhiều vị trí cầu. Vì những điều kiện bất lợi này có thể
hạn chế khả năng của thợ lặn trong việc kiểm tra cây cầu bên dưới mặt nước, việc kiểm tra
bằng công nghệ Sonar nhằm nâng cao chất lượng kiểm tra, tăng độ an toàn, tăng hiệu quả và
cải thiện dữ liệu nhận đượccủa quá trình kiểm tra, đánh giá.
Cơng 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 2D
tạo 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 sonar
được kết xuất. Sonar 3D hoạt động tốt nhất khi góc tới rất thấp.

Hình 2.4. (a) Ngun lý qt 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.

10


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 được
vùng 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 tia
thời 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 khi
được kết nối với GPS hoặc hệ thống thu thập tọa độ địa lý khác. Tần số của máy đo thường
nằm trong khoảng từ 24 kHz đến 340 kHz, với tần số cao hơn mang lại độ phân giải cao hơn,
nhưng rất ít hoặc khơng có sự thâm nhập cao. Bởi vì sự thâm nhập cao thường không quan
trọng 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 kết
hợp tọa độ địa lý với mỗi lần đọc độ sâu. Điều này cho phép các cuộc khảo sát chính xác có
thể dễ dàng so sánh với các dữ liệu cuộc khảo sát trước đó và trong tương lai.

11

Hình 2.6. Minh họa cách thức khảo sát

12


Đánh giá:
Lợi ích chính của máy đo là thu được cấu hình đáy sơng được tham chiếu địa lý. Các
cấu hình có thể được sử dụng để xác định vị trí và định lượng các vết lồi lõm bề mặt, các vật
thể như chân trụ lộ ra ngoài hoặc khu vực mảnh vụn tích tụ. Việc kết hợp và so sánh cấu hình
đáy sơng từ các đợt kiểm tra cầu dưới nước liên tiếp có thể cảnh báo các kỹ sư về các vấn đề
có thể xảy ra.
Hạn chế:
+ Mật độ dữ liệu thường thấp so với dữ liệu thu được bằng phương pháp thu thập
SONAR nhiều tia.
+ Một cuộc khảo sát bằng máy đo tiếng vang một chùm thường sẽ chỉ bao gồm 5 đến 10
phần trăm tổng diện tích đáy kênh. Điều này hạn chế việc phát hiện các bất thường ở đáy
kênh trừ khi tàu đi trực tiếp qua đỉnh vị trí bất thường.
+ Bản đồ viền được tạo ra từ sonar đơn chùm chủ yếu dựa vào phép nội suy giữa các
điểm dữ liệu. Đối với các khu vực tương đối bằng phẳng hoặc có độ dốc thoải, phương pháp
này hoạt động tốt. Tuy nhiên, với sự hiện diện của các bề mặt dốc hoặc không đều có thể dẫn
đến việc hiển thị khơng chính xác các điều kiện thực tế.
+ Hạn chế chính của fathometers là khơng có khả năng thu thập dữ liệu bên ngồi
đường đi của tàu vận chuyển. Vì lý do này, chức năng của fathometers chỉ giới hạn ở việc có
được thơng tin độ sâu đáy sơng và khơng 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 quân
Hoa 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 sonar

hình quạt bao phủ một “chiều rộng dải” như thể hiện trong hình. Sonar đa chùm tia cho phép
phủ sóng dữ liệu dày đặc hơn nhiều trong một khoảng thời gian ngắn hơn. Một cuộc khảo sát
nhiều tia điển hình có thể có một mảng hình quạt có khả năng có chiều rộng vùng biển gấp
bảy lần độ sâu của nước. Do đó, nếu độ sâu của nước là 100 ft (30,5 m), dữ liệu đo có thể thu
được đối với chiều rộng vùng biển là 700 ft (210 m).

13


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 với
mỗi 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 0,7
MHz đến 1,8 MHz.
Đánh giá:
Lợi ích chính của sonar quét đa tia là khả năng nhanh chóng thu được số lượng lớn dữ
liệu 3D. Sonar quét đa tia tạo ra hình ảnh tĩnh 3D thường được gọi là đám mây điểm. Bằng
cách 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 mối
quan hệ giữa các cảm biến này, việc lắp đặt sonar quét đa tia tạm thời phức tạp và tốn thời
gian hơn đáng kể so với việc lắp đặt một chùm tia tương đương. Cả việc vận hành ở hiện
trường và xử lý dữ liệu đều yêu cầu đào tạo và kỹ năng đáng kể để làm chủ. Ngoài ra, hệ
thống 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 người
kiểm tra ghi lại và đánh giá độ sâu của việc phá hoại nền móng cầu. Tuy nhiên, một hạn chế
của sonar đa tia để kiểm tra cầu là khó chuyển đổi từ việc thu thập dữ liệu từ lịng sơng sang

mặt thẳng đứng của giá đỡ cầu khi sonar ở cấu hình hướng xuống.
Ngồi 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 lại
các cuộc khảo sát chất lượng cao.
14


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 tia
hẹp, 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 liệu
với 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 hệ
thống 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 đa
tia, một số cơng nghệ có thể được triển khai nhanh hơn, yêu cầu ít kỹ năng và đào tạo của
người vận hành đặc biệt hơn, đồng thời giảm độ khó khăn của việc xử lý dữ liệu. Do số
lượng chùm lớn và mật độ dữ liệu cao, các cấu trúc lớn và phức tạp có thể được bao phủ một
cách nhanh chóng mà khơng cần qt qua nhiều lần. Kết quả cuối cùng là năng suất tăng lên
rất nhiều.
Một hạn chế của sonar đa tia thời gian thực là số lượng lớn dữ liệu được tạo ra có thể
cồng kềnh và tốn thời gian cho quá trình xử lý. Một hạn chế khác là mặc dù các hệ thống
sonar đa tia thời gian thực có thể được sử dụng như một thiết bị “độc lập”, chúng vẫn cần
được tham chiếu địa lý đầy đủ bằng cách sử dụng GPS và các thiết bị bù chuyển động để có
kết 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 tia
quét bên, quét khu vực và dựa trên thấu kính.

15


Hình 2.9. Hệ thống Sonar chụp ảnh 2D
16


2.4.2.1. Side-Scan Sonar
Sonar quét bên lần đầu tiên được giới thiệu vào đầu những năm 1960 và đã được sử
dụng thành công để ghi lại các phát hiện dưới nước trong nhiều năm. Sonar quét bên phát ra
các 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 qt bên điển hình.

Bộ chuyển đổi được kéo phía sau thuyền hoặc được gắn trên thân của tàu. Sonar quét
bên yêu cầu thuyền di chuyển về phía trước để mỗi lần ping sonar liên tiếp sẽ được định vị
phía 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.

17


Hình 2.11. Minh họa Sonar qt bên

Đánh giá:

Lợi ích chính của sonar quét bên là khả năng tạo ra hình ảnh của các khu vực rộng lớn ở
đáy sông một cách nhanh chóng và hiệu quả. Vì lý do này, sonar quét bên được coi là công cụ
được lựa chọn cho các hoạt động tìm kiếm quy mơ lớn. Sonar qt bên có thể được sử dụng
cho nhiều mục đích bao gồm xác định các thành địa chất và trầm tích lộ ra ngồi, phát hiện
các mảnh vỡ dưới nước hoặc các vật thể có thể gây nguy hiểm cho các hoạt động hàng hải và
tìm kiếm tàu đắm. Ngồi ra, có thể khảo sát vị trí và cấu hình chung của các cấu trúc, đường
ống và cáp chìm.
Đối với các mặt thẳng đứng của các cấu trúc chìm dưới nước, có thể đo kiểm nếu các
đầu dị được xoay 90 độ. Chất lượng của hình ảnh phụ thuộc phần lớn vào khả năng của người
vận hành trong việc duy trì khoảng cách gần và khơng đổi với mặt cầu tàu và duy trì tốc độ
khơng 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.

18


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 hẹp
song song với các chùm tia và duy trì một đường đi nhất quán ở tốc độ không đổi. Đối với
các hệ thống kéo phía sau tàu, phải duy trì thiết bị đo ở vị trí cố định phía sau tàu và ở độ cao
không 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 DOT
vào năm 1990. Kể từ năm 2000, các điều kiện dưới nước tại nhiều cây cầu đã được đo kiểm
bằng cách sử dụng sonar quét khu vực.
Sonar quét khu vực phát ra các xung âm thanh hình quạt xun qua mặt nước. Tuy
nhiên, khơng 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 mỗi
lần 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 sơng
là 675 kHz. Hình sau cho thấy chùm hình quạt và mẫu quét được tạo ra bởi chức năng quét
khu vực điển hình của sonar.

19


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 mặt
nước.
Hạn chế:
Do phạm vi hạn chế và nhu cầu đặt đầu sonar ở vị trí lắp ổn định, hạn chế chính của
sonar quét khu vực là các thiết lập cố định cần thời gian lớn để có được kết quả thích hợp.
Ngồi ra, việc phát triển các hình ảnh có độ chi tiết cao bằng cách sử dụng sonar quét khu vực
phụ 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 đa
tia dựa trên thấu kính tại Phịng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng của Đại học Washington để phát
hiện những sự xâm nhập từ dưới nước. Khoảng năm 2004, ngành công nghiệp dầu khí ngồi
khơi 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 qt khu vực khơng quay. Trong đó
sonar qt 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 để
tạo ra hình ảnh trong một chu kỳ truyền / nhận như được hiển thị trong hình. Tần số hoạt động

thường nằm trong khoảng từ 0,7 MHz đến 1,8 MHz.

20


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 nước
mang theo. Sử dụng thiết bị mang theo của thợ lặn, thợ kiểm tra có thể điều hướng đến các
khiếm 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 hồn
chỉnh của bề mặt thẳng đứng. Ngồi ra, bởi vì hình ảnh được tạo ra là hai chiều, không thể
thu được thông số về độ sâu hoặc phá hoại thông tin thâm nhập.

21


PHẦN 3. SONAR THỤ ĐỘNG
3.1. Hệ thống SONAR thụ động
Hệ thống sonar thụ động khác với hệ thống chủ động về nhiều mặt. Dưới đây là sơ đồ
chức năng điển hình:

Hình 3.1 Các thành phần chức năng

3.1.1. Mảng hydrophone
Đây là những phần tử nhạy cảm phát hiện năng lượng âm thanh phát ra từ mục tiêu.
Một lần nữa, chúng được sắp xếp thành một mảng để cải thiện độ rộng chùm tia. Các cấu hình

phổ biến là hình trụ hoặc hình cầu.
• 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. Vì
tàu ngầm có thể ở dưới những gì nó đang theo dõi, nên mảng này phải có thể nhìn lên
trên ở một mức độ nào đó.

Hình 3.2 Mảng cầu thể hiện nhiều chùm tia thẳng đứng

22


3.1.2. Bộ xử lí Beamforming
Khơng giống như các hệ thống chủ động truyền và nhận theo một hướng đã định, hệ
thống thụ động phải ln 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. Hai
mục 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 ra
một chùm tia cụ thể. Sự khác biệt trong hệ thống thụ động là quá trình này được lặp lại nhiều
lần, mỗi lần có một bộ thời gian trễ / lệch pha khác nhau, để thu được nhiều chùm tia hẹp gần
như 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
23

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. Chiều
rộng của mỗi dải được gọi là băng thơng 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 cách
kết hợp băng thơng phân tích với băng thơng của các nguồn bang thông hẹp. Cách để minh
họa điều này là bằng hai ví dụ ngược lại.
-

Nếu băng thơng xử lý tín hiệu q rộng, thì nhiễu từ phần phổ bên ngồi tín hiệu sẽ lọt
vào và SNR (tỷ số tín hiệu trên nhiễu) bị suy giảm.

-

Nếu băng thơng q 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 thơng khớp chính xác với tín

hiệu.
24


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. Trong
trường 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 phát
hiện nó (suy hao truyền dẫn), nhiễu xung quanh máy thu. (mức độ nhiễu), và các đặc tính của
máy thu (độ lợi của mảng). (Phương trình sonar tương tự được sử dụng để ước tính tỷ lệ tín
hiệu trên nhiễu dự kiến cho tất cả các đường truyền một chiều, bao gồm cả các đường truyền
được sử dụng bởi các phao nổi SOFAR và RAFOS cũng như bởi các hệ thống chụp ảnh cắt
lớp 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 ra
tín hiệu với mức nguồn SL. Cường độ âm bị suy giảm theo TL khi âm truyền từ nguồn đến
máy 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 tại
máy thu, được gọi là tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) là:
SNR (decibels) = SL -TL – NL
Máy thu lớn có thể nhìn theo một hướng cụ thể và loại bỏ tạp âm từ tất cả các hướng
khác. Sau đó, mức nhiễu hiệu quả được giảm đi bởi độ lợi mảng AG, tính bằng decibel và
SNR được tăng lên:
SNR (decibels) = SL -TL – (NL – AG)
Phương trình sonar thụ động đơn giản hơn nhiều so với phương trình sonar chủ động
bởi vì sonar thụ động không lắng nghe tiếng vọng trở lại từ mục tiêu. Suy hao truyền dẫn TL
chỉ 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 thuộc
vào nhiệt độ trung bình giữa các nguồn và máy thu. Trong ví dụ sau, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
được tính tốn cho q trình truyền từ nguồn nhiễu Pioneer Seamount tới máy thu Hawaii

cách xa 3.000 km.
Phương trình sonar thụ động là:
SNR (decibel) = SL -TL - (NL - AG)

25