Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị liên lạc thủy âm (quyển 3) ppt

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 t c x ( 1.1.9 ) NÕu đặt: 7 tcx . = ; tc x . + = , 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. [...]... sin 2 v + (c p / cv 1) (1.5.2) Nh vậy: Ehấp 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... lý ca nú c th hin trờn hỡnh 2.3.4 Hỡnh 2.3.4 S nguyờn lý bin i in t 30 2.4 S in tng ng ca cỏc kiu bin i Trờn thc t cỏc b bin i va trỡnh by trờn õy luụn nm trong mch kt ni vi cỏc phn khỏc c a thiết bị thuỷ âm Do ú, i vi cỏc chuyờn gia nghiờn cu tớnh toỏn cỏc b khuch i thỡ s in tng ng ca cỏc kiu bin i cú ý ngha quan trng Vỡ thế trờn hỡnh 2.4.1 trỡnh by s in tng ng ca cỏc kiu bin i [8] C d 2 m 2 d... bán kính màng rung; S - điện tích hiệu dụng của tấm chắn; s - độ cứng của hệ thống; c - vận tốc âm trong môi trờng; r - trở kháng tổn hao cơ học; K - hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào tính chất và đặc điểm kết cấu của vật liệu; B - cảm ứng từ; l - độ dài hiệu dụng của dây dẫn; d - khe hở giữa màng và cực nam châm; m khối lợng của bộ biến đổi; n - số vòng dây; - từ thông; C - điện dung 2.5 Vt liu thụng dng... trong nm), nhng trờn c tuyn phõn b vn tc õm cú th tỏch on cú gradien õm (n trc kờnh õm ngm) v on cú gradien dng sau ú T hỡnh v ta thy c tớnh ca bc tranh tia ph thuc vo v trớ ca nguồn âm so vi trc kờnh õm ngm Khi dch chuyn nguồn âm gn trc 20 kờnh õm ngm s xut hin nhúm tia truyn lan trờn c ly ln, m khụng suy gim trong phm vi kờnh Trờn hỡnh 1.6.3.3 biu din s ph thuc ca vn tc õm vo sõu v bc tranh tia, khi... hng lan truyn ca súng õm trựng vi trc x, thì giỏ tr trung bỡnh ca 2 hng t sau cựng trong (1.4.2) l: 12 1 4 2 k 2 + v0 V0 2 3 (1.4 3) (V0 - th tớch cht lng) Giỏ tr trung bỡnh ca hng t th nht trong (1.4.2) l: 1 1 1 2 k 2 v0 V0 2 cv c p (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: 4 1 1 1 2 Ecohoc = k 2 v0 V0 + + ... thy cụng cc i c thc hin nu chuyn bin din ra mt cỏch thun nghch (tc l khụng thay i entrụpie) v bng: Ecụhoc = E0 E (S ) (1.4.1) trong ú: E0 l giỏ tr nng lng ban u ca sóng âm, cũn E(S) l nng lng trng thỏi cõn bng vi entrụpie S, m sóng âm cú t u Vi phõn (1.4.1) theo thi gian ta c: Ecụhoc = E (S ) = S E (S ) t S t Hay: Ecohoc = T0 S t Kt qu tớnh toỏn [1] cho thy nng lng tn mỏt trong cht lng chu nộn... 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: 1' = A.e i. t Giả thiết rằng súng phn x và sóng tới có biên độ nh nhau Khi đó trờn b mt phõn cỏch: 1 ' = 2 ' S thay i thc t ca t trng cht lng, ni lan truyn súng ti v súng phn x, s l: ' = 1 ' + 2 ' = 2 Ae i. t Vn tc... di vựng truyn õm th nht 42ữ52 km, chiu rng t 2 n 6 km Chiu rng vựng truyn õm gn t thỏng 12 n thỏng 2 thay i trong khong t 2 n 4 km; cũn 23 t thỏng 3 n thỏng 11 l 1,6 ữ 4,0 km Đặc điểm phân bố vận tốc âm đợc thể hiện trên hình 1.7.1 và 1.7.2 Hỡnh 1.7.1- c im phõn b vn tc õm trong vựng thu õm th nht Bin ụng Hỡnh 1.7.2 - c im phõn b vn tc õm trong vựng thu õm th hai v th ba Bin ụng Trong bng 1.7.1 trỡnh... c khi hiu sut khụng thay i Do ú, cỏc b bin i thu õm khụng nhng phi cú bn cao, m cũn phi tho món yờu cu ớt thay i ca nhy (hay h s hu ớch) trong di ỏp sut rộng 2.2 Mụ hỡnh bin i in-õm Trong bin i điện âm cũng cú s tham gia ca 4 tham s liờn h cht ch vi nhau, trong ú 2 tham s mụ t nng lng in, 2 tham s mụ t nng lng õm Vỡ th, khi nghiờn cu cỏc b bin i ta ỏp dng khỏi nim b 4 cc thng dựng trong k thut thụng...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 . 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. 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