Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị liên lạc thủy âm

Chia sẻ: Nguyen Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

126
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đề cập đến lan truyền sóng âm trong nước, nơi sóng âm lan truyền với những đặc tính riêng, có ảnh hưởng đáng kể đến thiết kế chế tạo các thiết bị thủy âm...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị liên lạc thủy âm

Bé quèc phßng trung t©m khoa häc kü thuËt & c«ng nghÖ qu©n sù ----------***---------- b¸o c¸o TæNG KÕT KHOA HäC Vµ Kü THUËT §Ò tµi: "Nghiªn cøu øng dông mét sè c¶m biÕn siªu ©m ®Ó thiÕt kÕ chÕ t¹o hÖ thèng ph¸t hiÖn, ®o ®¹c c¸c tham sè vËt bay trªn kh«ng vµ thiÕt bÞ truyÒn tin d−íi n−íc phôc vô kinh tÕ - x∙ héi, an ninh - quèc phßng." M∙ sè: KC.01.24 QuyÓn III Nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o ThiÕt bÞ liªn l¹c thuû ©m Chñ nhiÖm ®Ò tµi: §¹i t¸-PGS.TS. B¹ch NhËt Hång 6213-2 25/11/2006 Hµ néi, 5-2006 0
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 1
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 2
MỞ ĐẦU Trong thế kỷ 21 thông tin bằng sóng âm rất được coi trọng. Đối với Hải Quân sóng âm quan träng, đến nỗi nếu thiếu nó không một tàu chiến nào có thể ra khơi [10]. Ngoài quan sát bằng mắt hoặc nhờ trợ giúp của máy bay, vệ tinh, ... thì việc sử dụng sóng âm vào mục đích truyền thông tin là vấn đề sống còn của Hải Quân và phương tiện quân sự trên biển. Như ta đã biết, âm thanh và khả năng nghe được của tai người liên quan đến 2 thuộc tính quan trọng nhất, đó là tần số và cường độ của sóng âm. Về tần số, thường từ 20Hz đến 20kHz. Âm thanh có tần số dưới 20Hz thuéc dải hồng ngoại, từ 20kHz đến 10kHz thuéc dải sóng siêu âm. Về cường độ, tai người có thể phân biệt được âm thanh trong dải từ 30dB đến 100dB; Cá biệt, có thể xuống đến 20dB hoặc lên tới 120 dB. Tuy ngoài dải tần số và cường độ nãi trªn tai người có thể nhận biết được, nhưng trong những điều kiện nhất định, nó có thể có những tác động khủng khiếp tới con người và thiÕt bÞ. Đó cũng là một hướng phát triển của các loại vũ khí âm trong chiến tranh hiện đại. Sóng âm có thể lan truyền trong mọi môi trường, trong đó nước là môi trường truyền âm rất tốt. Môi trường càng đàn hồi thì vận tốc lan truyền âm càng lớn (ví dụ, vận tốc truyền âm trong cao su là 50m/giây, trong không khí là 330m/giây, trong nước là 1450m/giây, trong thép là 5000m/giây). Tuy nhiªn, còn nhiều yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc lan truyền âm như: nhiệt độ, áp suất, độ mặn, địa hình, vÞ trÝ nguồn âm v..v.. Trong m«i trường không đồng nhất sóng âm bị biến dạng, đổi hướng, năng lượng của nó bị hấp thụ ®¸ng kÓ. Néi dung đề tài nµy ®Ò cËp đến lan truyÒn sóng âm trong nước, n¬i sóng âm lan truyền víi những đặc tính riêng, có ảnh hưởng đáng kể đến thiết kế chế tạo các thiết bị thủy âm. Thông thường người ta gọi thuỷ âm lµ 3
hiÖn t−îng lan truyền sãng ©m trong nước. Song, trong các tài liệu khoa học khái niệm thuû âm được hiểu rộng hơn. Đó là khoa học về các hiện tượng xẩy ra trong nước, liên quan ®Õn phát, lan truyền và thu sóng âm. Khái niệm thuỷ âm còn bao hàm cả việc thiết kế, chế tạo các thiết bị thuû âm [1]. Ngay sau chiến tranh thế giới thứ II các nhà khoa học Nga và Phương Tây đã b¾t ®Çu nghiên cứu s©u vÒ lý thuyết, ®· làm sáng tỏ nhiều hiện tượng đặc biệt của thủy âm. Trên cơ sở đó, các tập đoàn sản xuất thiết bị quân sự cũng ®Çu t− nghiên cứu chế tạo những thiết bị thông tin thuỷ âm. Sau đây chúng tôi tËp trung chó ý 2 khía cạnh quan trọng nhất của vấn đề thông tin dưới nước. Đó là lý thuyết lan truyền sóng âm và các thiết bị th«ng tin thuỷ âm. 4
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 (v∇ )v trong phương trình Ơ-ler có thể bỏ qua. Cho áp suất và tỷ trọng có thể viết p = p0 + p ' , ρ = ρ0 + ρ ' ( 1.1.1) trong đó: ρ0, p0 - tỷ trọng và áp suất cân bằng của chất lỏng, còn ρ’, p’ - lượng thay đổi của chúng trong sóng âm (ρ’
∂ p' = ρ ' p (1.1.4 ) ∂ρ 0 S Thay (1.1.4) vào (1.1.2) ta có: ∂ ' ∂ ρ + ρ0 p div(v ) = 0 (1.1.5 ) ∂t ∂ρ 0 S 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 v = grad (ϕ ) . Từ phương trình (1.1.3) ta có đẳng thức: ∂ p' = −ρ ϕ ( 1.1.6 ) ∂t (ë ®©y cũng như về sau, để đơn giản, ta bỏ chỉ số ở p0 và ρ0). Kết hợp (1.1.6) và (1.1.5), ta có: ∂2 ϕ − c 2 ∆ϕ = 0 (1.1.7 ) ∂t 2 trong đó: ∂ c= p (1.1.8 ) ∂p0 S 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: ∂2 1 ∂2 ϕ− 2 2ϕ =0 ( 1.1.9 ) ∂x 2 c ∂t NÕu đặt: 6
ξ = x − c.t ; η = x + c.t , th× (1.1.9) cã d¹ng: ∂2 ϕ =0 ∂ξ .∂η Tích phân phương trình trên theo ξ vµ η, ta được: ϕ = f1 ( x − c.t ) + f 2 ( x + c.t ) (1.1.10 ) DÔ dµng chøng minh r»ng sự phân bố của p’, ρ’ vµ v trong sóng phẳng cũng có dạng (1.1.10). Râ rµng, f1(x - c.t) là sóng phẳng, lan truyền theo chiều dương trục x, cßn f2(x + c.t) - lan truyền theo chiều ngược lại. DÔ nhËn thÊy r»ng vËn tèc lan truyÒn sãng ©m ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: ρ' v = c. (1.1.11 ) ρ Sự lan truyền của sóng âm trong nước cũng làm thay đổi nhiệt độ của nước. Thật vậy, áp dụng kiến thức nhiệt động học cho chất lỏng ta có: ∂ T ' = p' T ∂p S ∂ 1 ∂ T = T V ∂p S c p ∂T P Thay vào (1.1.11) ta được biÓu thøc x¸c ®Þnh nhiÖt ®é chÊt láng khi cã sãng ©m “ch¹y” qua: 1 T' = cβT v ( 1.1.12 ) cp 1 ∂ trong đó: β = V là hệ số nở nhiệt cña chÊt láng. V ∂T P 7
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. 8
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 [oC], độ mặn S [phần nghìn] và độ sâu D [cm hoÆc m]. ThÝ dô, theo [2] th×: c=141000 + 412.T - 3,7.T2 + 110.S + 0,18.D (cm/s) Hay c = 1445,5 + 4,62.T - 0,452.T2 + (1,32 - 0,007T)(S + 0,35) (m/s). Hoặc theo [3] th×: cTSD = c0,35,0 + ∆cT + ∆cS + ∆cD + ∆cϕ + ∆cTSD trong đó: cTSD - vận tốc [m/s] ë nhiÖt ®é T, ®é mÆn S, ®é s©u D; c0,35,0 - vận tốc ở 0oC, độ mặn 3,5 %, áp suất khí quyển; ∆cT = 4,6374T-5,383.10-2T2+2,543.10-4T3; ∆cS = 1,307(S-35) - 1,5.10-4(S-35)2 ; ∆cD = 1,815.10-2D - 5,291.10-12D3 ; [D] = m ∆cϕ = 1,50.10-6D(ϕ-35) + 0,94.10-12D2(ϕ-35)2 - 2,94.10-18D3(ϕ-35)3 ∆cTSD = ∆cTS + ∆cSD + ∆cTD , trong đó: ∆cTS = (S -35)[-1,07.10-2T+(5.10-5 - 4,1.10-8D)T2] ; ∆cSD = (S -35)(3,36.10-5D - 4,55.10-9) ; ∆cTD = D(-1,19.10-6T2 + 6,35.10-8T3 + 4,1.10-10T4) + + T(6,95.10-6D - 5,27.10-9 D2 + 2,7.10-14D3). Theo Del Grosso [4] thì c0,35,0 = 1.448,6 m/s. 9
1.3. Phản xạ và khúc xạ sóng âm Khi sóng âm gặp bề mặt phân cách giữa 2 m«i tr−êng hay 2 líp n−íc khác nhau th× bÞ phản xạ và khúc xạ. Khi ®ã, chuyển động sóng trong môi trường thứ nhất là kết hợp của sóng tới và sóng phản xạ, trong môi trường thứ hai - chỉ có sóng khóc x¹ lan truyền. Quan hệ giữa 3 sóng phô thuéc vµo các điều kiện biên (bảo toàn áp suất và các thành phần pháp tuyến của vận tốc) trên mặt phân cách. Ta xem xét hiện tượng phản xạ và khúc xạ của sóng dọc, đơn sắc trên mặt phân cách phẳng (y,z). Dễ dàng thấy rằng trong môi trường đồng nhất và đủ lớn sóng đơn sắc với vec-tơ sóng k và tần số ω không đổi là nghiệm của phương trình chuyển động. Khi có bề mặt phân cách thì chỉ thêm điều kiện biên trên mặt phân cách. Trong trường hợp đang xem xét là điều kiện khi x = 0, tức là không phụ thuộc vào thời gian, cũng không phụ thuộc y, z. Vì thế, sự phụ thuộc của nghiệm vào t và (y, z) vẫn được giữ nguyên trong toàn bộ không gian và thời gian, tức là ω, ky, kz của sãng phản xạ và sóng khúc xạ vẫn giữ nguyên như trong sóng tới (kx theo hướng vuông góc với mặt phân cách không giống nhau). Điều đó có nghĩa là hướng lan truyền của cả 3 sóng đều nằm trong cùng một mặt phẳng. Giả sử θ là góc giữa hướng sóng và trục x. Từ đẳng thức ky=ω.c-1sinθ cho sóng tới và sóng phản xạ suy ra: θ1 = θ’1 (1.3 .1) tức là góc tới θ1 bằng góc phản xạ θ’1. Từ các đẳng thức tương tự cho sóng tới và sóng khúc xạ ta có tương quan giữa góc tới θ1 và góc khúc xạ θ2: sin θ1/ sin θ2 = c1/ c2 , (1.3.2) trong đó : c1 và c2 là vận tốc âm trong 2 líp n−íc tương ứng. Để định lượng cường độ giữa các sóng vµ qua ®ã x¸c ®Þnh hÖ sè ph¶n x¹, ta biểu diễn các thế năng vận tốc trong các sóng này dưới dạng: 10
ϕ1 = A1.exp {iω[x/c1 .cosθ1+ y/ c1 .sin(θ1- t)]} ; ϕ’1 = A’1.exp{iω[-x/c1 .cosθ1+ y/ c1 .sin(θ1- t)]} ; ϕ2 = A2.exp{iω[x/c2 .cosθ2+ y/ c2 .sin(θ2- t)]} . Trên bề mặt phân cách (x=0) các áp suất (p=-ρ.∂ϕ/∂t) và các vận tốc pháp tuyến (vx=∂ϕ/∂x) trong 2 môi trường phải bằng nhau. Các điều kiện này dẫn đến các đẳng thức: ρ1(A1 + A’1) = ρ2A2 ; cos θ1 c1 (A1 − A1' ) = cosθ 2 A1 c2 . Bởi lẽ, mật độ dòng năng lượng trong sóng tới bằng c.ρ.v2, nên ta có biÓu thøc x¸c ®Þnh hÖ sè ph¶n x¹ nh− sau: c1 ρ1 (v1' ) 2 2 A' R= = 1 cρ (v1 ) 2 A1 Sau vài phép biến đổi đơn giản ta cã biÓu thøc x¸c ®Þnh hÖ sè ph¶n x¹: 2 ⎡ ρ tgθ − ρ1tgθ1 ⎤ R=⎢ 2 2 ⎥ (1.3.3 ) ⎣ ρ 2 tgθ 2 + ρ1tgθ1 ⎦ Do θ1và θ2 liên hệ với nhau bằng biểu thức (1.3.2), nên có thể viết (1.3.3 ) dưới dạng: 2 ⎡ ρ 2 c2 cos θ1 − ρ c12 − c2 sin 2 θ1 ⎤ 2 R=⎢ ⎥ (1.3.4 ) ⎢ ρ 2 c2 cos θ1 + ρ c1 − c2 sin θ1 ⎥ 2 2 2 ⎣ ⎦ Nếu sóng tới vuông góc với mặt phân cách, thì θ1= 0, nên: 2 ⎡ ρ c − ρ1c1 ⎤ R=⎢ 2 2 ⎥ (1.3.5 ) ⎣ ρ 2 c2 + ρ1c1 ⎦ Nếu góc tới thoả mãn điều kiện ρ 2 c2 − ρ1c1 tg 2θ1 = (1.3.6 ) ρ12 (c12 − c2 ) 2 11
thì R=0, tức sóng âm bị khúc xạ hoàn toàn. Trường hợp này có thể xảy ra, nếu c1> c2, nhưng ρ2c2>ρ1c1 (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: Ecôhoc = E0 − E (S ) (1.4.1) trong đó: E0 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: ∂ ∂ ∂ Ecôhoc = − E (S ) = − S . E (S ) ∂t ∂t ∂S ∂ Hay: Ecohoc = −T0 .S ∂t Kết quả tính toán [1] cho thấy năng lượng tản mát trong chất lỏng chịu nén và có tính dẫn nhiệt lµ: χ η Ecohoc = − I1 − I2 − ζ I3 (1.4.2) T 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, I1, I2, I3 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: 12
1 ⎛4 ⎞ 2 − k 2 ⎜ η + ζ ⎟v0 V0 (1.4 .3) 2 ⎝3 ⎠ (V0 - thể tích chất lỏng). Giá trị trung bình của hạng tử thứ nhất trong (1.4.2) là: 1 ⎛1 1⎞ 2 − χ ⎜ − ⎟k 2 v0 V0 (1.4.4 ) 2 ⎜ cv c p ⎟ ⎝ ⎠ Kết hợp (1.4.3) và (1.4.4) ta có giá trị trung bình của tổn hao năng lượng sóng âm trong chất lỏng chịu nén như sau: 1 ⎡4 ⎛ 1 1 ⎞⎤ Ecohoc = − k 2 v0 V0 ⎢ η + ζ + χ ⎜ − ⎟⎥ 2 ⎜c c ⎟ (1.4 .5) 2 ⎢3 ⎣ ⎝ v p ⎠⎥ ⎦ Năng lượng toàn phần của sóng âm là: 1 E = ρ .v 2 0 .V0 (1.4.6 ) 2 Đối với sóng phẳng, cường độ suy giảm theo quy luật exp(-2γx), còn biên độ suy giảm theo quy luật exp(-γx), trong đó γ là hệ số hấp thụ, được định nghĩa như sau: Ecohoc γ= (1.4.7 ) 2.c.E Thay (1.4.5) và (1.4.6) vào (1.4.7) ta có biểu thức cuối cùng cho hệ số hấp thụ năng lượng sóng âm: ω2 ⎡4 ⎛ 1 1 ⎞⎤ γ= ⎢ η + ζ + χ ⎜ − ⎟⎥ ⎜c c ⎟ (1.4.8 ) 2.ρ .c 3 ⎢ 3 ⎣ ⎝ v p ⎠⎥ ⎦ Biểu thức (1.4.8) chỉ rõ độ tổn hao của năng lượng sóng âm khi lan truyền trong nước tỷ lệ thuận với ω2. Nhưng: ω = 2π.f (f - tần số của sóng âm), nên: γ ∼ ω2 ∼ f 2 . (1.4.9) BiÓu thøc (1.4.9) chØ râ, tÇn sè lµm viÖc cµng cao th× ®é suy hao cµng lín. 13
Ngoài ra, các đặc trưng lan truyền của sóng âm trong đại dương phụ thuộc vào một loạt thông số kh¸c, ®−îc kh¸i qu¸t ho¸ thµnh ®é ån. Nhìn chung, sự tæn hao năng lượng sóng âm trong nước biển lín hơn trong nước ngọt hµng chôc lÇn, vì trong nước biển có muối hoà tan. 1.5. HÊp thụ năng lượng khi sóng âm phản xạ trên bề mặt vËt r¾n Ta xem xét hiện tượng hấp thụ năng lượng khi sóng âm phản xạ trên bề mặt vật rắn với các điều kiện sau đây [1]: - Tỷ trọng của vật rắn lớn, đến nỗi sóng âm hầu như không thâm nhập vào bên trong; - Độ dẫn nhiệt của vật rắn lớn, đủ để coi nhiệt độ bề mặt vật rắn không thay đổi, khi có sóng âm phản xạ trên đó. Ta chọn hệ toạ độ sao cho bề mặt phản xạ trùng với bề mặt x=0, còn bề mặt tới của sóng âm là (x, y). Ký hiệu góc tới và góc phản xạ là θ. Mức độ thay đổi tỷ trọng trong sóng tới ở một điểm nào đó (thí dụ, tại điểm x=y=0) trên bề mặt sẽ là: ρ1' = A.e −i.ω .t Gi¶ thiÕt r»ng sóng phản xạ vµ sãng tíi cã biªn ®é nh− nhau. Khi ®ã trên bề mặt phân cách: ρ1 ' = ρ 2 ' Sự thay đổi thực tế của tỷ trọng chất lỏng, nơi lan truyền sóng tới và sóng phản xạ, sẽ là: ρ ' = ρ1 ' + ρ 2 ' = 2 Ae −i.ω .t ρ Vận tốc chất lỏng trong sóng tới là: ρ1' v1 = c n1 ρ và trong sóng phản xạ là: 14
ρ2 ' v2 = c n2 ρ Vì vận tốc toàn phần trên bề mặt vật rắn là: v = v1 + v2 , nên: v = v y = 2 A sin θ .(c p ρ )e − i.ω .t (1.5.1) Sai lệch nhiệt độ T’ so với giá trị trung bình T (nhiệt độ bề mặt phân cách), khi chưa tính đến các điều kiện biên trên mặt phân cách, là: ( ) T ' = 2 A c 2T .β / c p ρ e − i.ω .t MËt ®é n¨ng lượng tản mát toàn phần trên bề mặt là: ( Ecohoc = − A2c 2 2ω / ρ )[ χ .(c p / cv − 1) + sin 2 θ v ] Vì mật độ trung bình của dòng năng lượng trên một đơn vị diện tích bề mặt là c.ρ.v21cosθ = (c3A2/2ρ). cosθ nên phần năng lượng sóng âm bị bề mặt hấp thụ là: E hÊp thô = (2 )[ 2ω / c. cosθ sin 2 θ v + χ (c p / cv − 1) ] (1.5.2) Nh− vËy: EhÊp thô ∼ f 1/2 . (1.5.3) Ta thu ®−îc biểu thức (1.5.3) víi gi¶ thiÕt biên độ sóng tới và sóng phản xạ như nhau, tøc khi θ kh¸c xa π/2 . Trong [6] cã dÉn biểu thức tính hấp thụ âm khi phản xạ ở góc bất kỳ, theo đó hấp thụ sóng âm trên bề mặt rắn là rất lớn. 1.6. §Æc trưng lan truyền sóng âm trong nước biÓn 1.6.1. §Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m trong ®iÒu kiÖn ®¼ng nhiÖt - Trong lớp nước đẳng nhiệt vận tốc âm tăng theo độ sâu, bởi vì áp suất chất lỏng tăng theo độ sâu. Sóng âm lan truyền trong n−íc với vận tốc 15
thay đổi luôn có xu hướng lệch về phía có vận tốc nhỏ hơn, tuân theo định luật tia sóng của Snellius, có dạng như sau: c1 / cos θ1 = c 2 / cos θ 2 = ... = c n / cos θ n trong đó cn là vận tốc âm trên biên của lớp n, mà qua đó tia âm đi vào lớp; θn - góc trượt của tia tới trên mặt đó. Định luật Snellius cho phép giải thích các hiệu ứng khác nhau (vùng tối, các kênh âm) thường gặp khi sóng âm lan truyền trong nước biển trên cự ly lớn [5]. - Chùm tia do nguồn âm phát ra lan truyền trong lớp nước đẳng nhiệt luôn có xu hướng đi lệch lên trên, nơi có áp suất nhỏ hơn. Nếu như nguồn âm được bố trí ở độ sâu, nơi âm có vận tốc c0 thì tia âm phát ra từ đó dưới góc θ0 sẽ trở thành tia sóng truyền ngang, ở độ sâu t−¬ng øng vận tốc âm là c1= c0/cosθ0. Cù ly lan truyÒn âm (từ nguồn được bố trí sao cho trục âm nằm ngang và có đặc trưng hướng hẹp trong mặt phẳng đứng) phụ thuộc vào độ sâu nguồn phát, độ rộng đặc trưng hướng trong mặt phẳng đứng và độ sâu đầu thu. Chỉ có những tia phản xạ từ bề mặt mới đến được nơi xa hơn cù ly đó trong nước sâu. Vùng được chiếu rọi bëi các tia phản xạ từ bề mặt gọi là vùng tối. 1.6.2. §Æc tr−ng lan truyền sóng âm trong vùng nước nông Không thể sử dụng lý thuyết tia âm, mµ phải sử dụng lý thuyết sóng âm thông thường để nghiên cứu quá trình truyền âm trong vùng nước nông, bởi vì ở đó lớp nước tương tự ống dẫn sóng. Trạng thái mặt nước, tính chất bùn đất và địa hình đáy biển có vai trò quan trọng, bởi vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao khi sóng âm phản xạ từ ®ã. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, để đánh giá hiệu năng của sonar, phải sử dụng các quy luật lý thuyết tia âm. Giả sử nguồn âm đặt tại điểm (0, 0) trong lớp nước có bề dày z = H. Khi ấy, tại điểm (r,z) sẽ xếp chồng các sóng tới và sóng phản xạ từ bề mặt 16
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”: Pa π J= 4πr 3 / 2 24(σ 1 + σ 2) Theo đánh giá của Brekhovski, biểu thức trên đúng khi thoả mãn điều kiện: 1
∂ ⎡ ln V (α d ) ⎤ C d sin α 0 f ' (α 0 ) = ⎢ ⎥ ; ∂α d ⎣ D (α d ) ⎦ C 0 sin α d ⎧ ⎪ ∂ ⎡ ln V (α d ) ⎤ ⎫ ⎪ f ' ' ( 0) = ⎨ ⎢ ⎥Ctgα d ⎬α d min . ⎪ ∂α d ⎣ D(α d ) ⎦ ⎩ ⎪ ⎭ ở đây: α0, αd, C0 , Cd - là giá trị các góc tới và vận tốc âm trên møc ngang nguồn âm, đáy và máy thu; V(αd) - 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. 18
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 người 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