tài liệu máy đo sâu

www.hanghaikythuat.tk www.hanghaikythuat.edu.tf MÁY ðO SÂU Một trong những thiết bị không thể thiếu của mỗi con tàu ñó là máy ño sâu hàng hải – dụng cụ dùng ñể xác ñịnh ñộ sâu vùng nước tàu ñang hoạt ñộng. Không chỉ có vậy, máy ño sâu còn có thể ñược sử dụng hỗ trợ tàu ñiều ñộng trong luồng lạch hẹp, công tác neo và thu neo, ñảm bảo an toàn cho hành trình.Ngoài ra, máy ño sâu và những thiết bị thủy âm khác còn ñược ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học như khảo sát ñịa chất, thủy văn Trước khi tìm hiểu sâu hơn về máy ño sâu phục vụ trong ngành hàng hải trong chương 2, ta sẽ tiếp cận với phần lý thuyết cơ sở về sóng âm và việc truyền sóng âm trong môi trường nước biển , từ ñó sẽ có cái nhin toàn diện hơn trong thao tác, vận hành, khai thác tốt nhất máy ño sâu phục vụ công tác dẫn tàu an toàn, hiệu quả CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT SÓNG ÂM 1. 1. Sóng âm 1.1.1. Khái niệm Âm là hiện tượng vật lí, là trường hợp riêng của dao ñộng cơ học của chuyển ñộng trong môi trường ñàn hồi. Nguồn âm có thể là hệ thống dao ñộng cơ học ñặt trong môi trường chất lỏng. Trong quá trình dao ñộng, hệ thống sẽ truyền một phần năng lượng tới những phân tử của môi trường bao quanh nó. Những phân tử này bắt ñầu lệch khỏi vị trí ban ñầu của chúng. Những phân tử của môi trường nối với nhau bởi lực ñàn hồi. Nếu một trong chúng lệch khỏi vị trí cân bằng thì các lực tác dụng từ các phân tử bên cạnh làm cho nó trở lại ví trí ban ñầu của nó. Sau ñó, theo quán tính nó sẽ chuyển ñộng tiếp về phía ngược lại Như vậy phần tử sẽ dao ñộng xung quanh vị trí cân bằng của nó. Bởi vì trong ñiều kiện thực tế, trong môi trường không những chỉ có lực ñàn hồi tác dụng mà còn có lực ma sát trong nên sau khi mất kích ñộng thì dao ñộng của phân tử tắt ñi rất nhanh. Sự dịch chuyển của mỗi phân tử làm cho những phân tử bên cạnh lệch ñi khỏi vị trí cân bằng của chúng. Từ ñây ta thấy rằng sự kích ñộng xảy ra ở một nơi nhất ñịnh của môi trường sẽ dần dần truyền lan tới các phân tử ở xa nguồn kích ñộng. Quá trình ñó gọi là truyền âm. Tốc ñộ truyền kích ñộng từ phân tử này ñến phân tử khác gọi là tốc ñộ của âm. Nếu như lực kích ñộng tác dụng theo chu kỳ thì quá trình truyền âm cũng sẽ theo chu kỳ không những theo thời gian mà cả không gian, nghĩa là nó mang tính chất sóng. Bởi vì mỗi phân tử kế tiếp bắt ñầu chuyển ñộng chậm hơn phân tử trước nó, nên trong môi trường sẽ hình thành những vùng dày ñặc và những vùng thưa thớt cách nhau.Khi hình thành vùng dày ñặc thì áp lực và nồng ñộ của môi trường tăng lên và ở vùng thưa thớt thì giảm. Không gian trong ñó hình thành âm áp gọi là trường âm. 1.1.2. Những ñặc tính của trường âm Những ñặc tính cơ bản của trường âm: sự truyền âm là một quá trình phức tạp, gồm những hiện tượng vật lý khác nhau. Những ñặc tính quan trọng trong ñó là: - Các phân tử của chất lỏng không ảnh hưởng tới sóng âm, chúng chỉ dao ñộng quanh vị trí cân bằng của chúng. - Tốc ñộ của âm là tốc ñộ của dao ñộng các phân tử môi trường, ñó là tốc ñộ truyền kích ñộng từ phân tử này ñến phân tử khác. - Khi truyền kích ñộng trong trường âm sẽ hình thành những chuỗi dày phân tử và những chuỗi thưa cách ñều nhau. Quá trình ñó dẫn tới sự thay ñổi áp lực và nồng ñộ của môi trường. Sự nén và kéo theo chu kỳ có thể phá vỡ sự cân bằng nhiệt ñộng của môi trường và như vậy sẽ gây nên sự thay ñổi nhiều hơn ở mức phân tử. 1.1.3. Phân loại sóng âm www.hanghaikythuat.tk www.hanghaikythuat.edu.tf Sóng âm có thể phân theo hình dạng và tần số. Trong trường hợp riêng, người ta phân sóng theo ba dạng sóng dọc, sóng ngang, sóng phức tạp. Trong các chất lỏng, ñộ lệch không bị biến dạng, chỉ có thể truyền lan sóng dọc. Hình dạng của sóng âm ñược xác ñịnh bởi dạng của làn sóng. Làn sóng là vùng mặt mà các ñiểm trong ñó ñều có cùng một pha dao ñộng. ðường vuông góc với làn sóng trùng với hướng truyền lan sóng gọi là tia âm. Sóng siêu âm là sóng âm có tần số dao ñộng lớn hơn 16kHz). Trong hàng hải thường sử dụng sóng siêu âm có tần số dao ñộng lớn hơn 20kHz. Nếu nguồn âm là một ñiểm thì sóng âm có dạng hình cầu. Nếu nguồn âm là hình trụ thì sóng âm có dạng hình trụ Nếu nguồn âm là một mặt thì sóng âm có dạng mặt. 1.1.4. Những thông số cơ bản của trường âm ðể tiếp tục phân tích trường âm, ta ñưa vào những ñại lượng vật lý thông dụng mà ta sẽ gọi là thông số của trường âm. Những thông số ñó cần chọn sao cho chúng bao hàm hết mọi hiện tượng xảy ra trong trường âm, những dao ñộng của các phân tử và sự thay ñổi áp lực, nồng ñộ của chất lỏng và năng lượng. + Sự thay ñổi áp lực của môi trường khi có âm tác ñộng so với ban ñầu ñược ñánh giá bởi âm áp p. ðại lượng p ñược xác ñịnh bởi biểu thức: p = p 1 - p 0 (1) (ñơn vị: mbar) Trong ñó: p 0 trị số áp lực của môi trường khi không có sóng âm. P 1 trị số áp lực của môi trường khi có sóng âm. Sự thay ñổi nồng ñộ của chất lỏng thường ñược xác ñịnh bởi ñộ ñông ñặc của nó: æ = 0 01 ρ ρρ − + Cường ñộ của sóng âm là số năng lượng mà sóng âm chuyển qua một ñơn vị diện tích ñặt vuông góc với hướng truyền lan của nó trong một ñơn vị thời gian. Nó là ñặc trưng cơ bản của trường âm. Kí hiệu I và ñược ño bằng W/m 2 . + Sóng âm ñược ñặc trưng bởi các thông số sau: - Bước sóng λ của âm là khoảng cách giữa 2 miền dày ñặc và miền thưa thớt. - Biên ñộ A là ñộ lệch lớn nhất của phân tử so với vị trí cân bằng. - Chu kỳ T là khoảng thời gian hoàn thành một dao ñộng trong môi trường ñàn hồi. - Tần số f là số lượng sóng truyền qua môi trường trong một ñơn vị thời gian. - Tốc ñộ truyền lan của âm trong môi trường phụ thuộc vào tính chất của môi trường ñó. Do các phần tử của mỗi môi trường ñàn hồi có trọng, khối khác nhau cũng như lực ñàn hồi giữa chúng là khác nhau nên tốc ñộ truyền âm trong mỗi môi trường là khác nhau. Công thức tính tốc ñộ truyền âm: C = ρ E (m/s) E: mô ñ un ñ àn h ồ i ρ : t ỉ tr ọ ng c ủ a môi tr ườ ng www.hanghaikythuat.tk www.hanghaikythuat.edu.tf Trong môi tr ườ ng ch ấ t l ỏ ng: C = ρ K E (m/s) K: h ệ s ố nén, là ñạ i l ượ ng ngh ị ch ñả o c ủ a E trong ch ấ t l ỏ ng không gi ớ i h ạ n. 1. 2. Tính chất của sóng âm 1.2.1. Tính phản xạ và khúc xạ của sóng âm. Nếu trong quá trình truyền lan của sóng âm gặp một mặt phân chia giữa môi trường 1 và 2 (ví dụ như ñáy biển) có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài của sóng thì ta sẽ quan sát thấy hiện tượng một phần năng lượng của nó sẽ ñi trở lại môi trường 1 và một phần năng lượng sẽ ñi vào môi trường 2. Hiện tượng ñó ñược gọi là phản xạ và khúc xạ sóng âm. Khi tia âm truyền qua hai môi trường ñồng nhất ñược ñặc trưng bởi các âm kháng Z 1 =ρ 1 C 1 và Z 2 =ρ 2 C 2 . Trên hình vẽ 1, giả sử C2 > C1, theo lý thuyết về tia chiếu, áp dụng ñịnh luật quang học ta có : α’1 Hình vẽ 1.1 + Góc tới bằng góc phản xạ: α1 = α’1 + 2 1 2 1 sin sin C C = α α = η Trong ñó: η là hệ số khúc xạ α’ 1 và α 2 là góc phản xạ và góc khúc xạ tương ứng Nh ư v ậ y, ta có: t ỷ s ố sin góc t ớ i α t và góc khúc x ạ α 2 b ằ ng t ỷ s ố t ố c ñộ C 1 và C 2 c ủ a sóng âm. N ế u nh ư trên ñườ ng truy ề n lan sóng âm có nhi ề u l ớ p ch ấ t l ỏ ng song song có nh ữ ng tính ch ấ t thu ỷ âm h ọ c khác nhau thì ta s ẽ có ñẳ ng th ứ c sau: const C CC ttt ==== sinsinsin 3 3 2 2 1 1 ααα Các t ỷ s ố hình h ọ c tìm ñượ c xu ấ t phát t ừ gi ả thi ế t r ằ ng m ặ t ph ả n x ạ là m ộ t m ặ t ph ẳ ng. Chúng s ẽ ñ úng v ớ i b ấ t k ỳ tr ườ ng h ợ p nào n ế u nh ư kích th ướ c c ủ a v ậ t c ả n l ớ n h ơ n chi ề u dài c ủ a sóng nhi ề u l ầ n. S ự ph ả n x ạ nh ư v ậ y g ọ i là ph ả n x ạ g ươ ng. Trong th ự c t ế t ạ i b ề m ặ t phân cách x ẩ y ra hi ệ n t ượ ng phân k ỳ , ph ả n x ạ g ươ ng, ph ả n x ạ c ộ ng h ưở ng, khúc x ạ và tán x ạ vì m ặ t phân cách không nh ẵ n. Kết luận: α1 α2 www.hanghaikythuat.tk www.hanghaikythuat.edu.tf - Nếu tốc ñộ truyền âm ở môi trường như nhau có nghĩa là sin các góc bằng nhau thì không có khúc xạ. - Nếu sóng âm truyền từ môi trường 1 sang 2 trong ñó C1 > C2 thì tia khúc xạ lệch về phía gần mặt ngăn cách. - Nếu tăng góc tới α1 tới khi α2 = 90 thì sóng âm sẽ không vào môi trường 2, nếu tăng α1 hơn nữa sóng âm sẽ phản xạ hoàn toàn. Khi ñó α1 gọi lá góc giới hạn. α GH = arc η arcsinsin 2 1 = C C Quan hệ năng lượng: Quan hệ năng lượng giữa sóng tới, sóng phản xạ và sóng khúc xạ thường ñược xác ñịnh bởi hệ số phản xạ A và khúc xạ B. Trong tr ườ ng h ợ p sóng t ớ i vuông góc v ớ i m ặ t ng ă n những hệ số ñó ñược xác ñịnh như sau: A = 2 2 1122 1122 1 1         + − =         + − q q CC CC ρρ ρρ (2) B = ( ) ( ) 22 1122 2211 1 4.4 q q cc cc + = + ρρ ρ ρ (3) Trong ñó: q = 22 11 c c ρ ρ Z1 = ρ1C1: là âm kháng của môi trường 1. Z2 = ρ2C2: là âm kháng của môi trường 2. Trên cơ sở các biểu thức trên ta có thể rút ra kết luận: 1. Nếu như âm kháng của các môi trường bằng nhau, nghĩa là ρ1.C1= ρ2.C2 thì toàn bộ năng lượng sẽ chuyển từ môi trường một sang môi trường hai. 2. Khi có ñiều kiện ρ1C1>> ρ2C2 hoặc ρ1C1<< ρ2C2 thì tất cả năng lượng âm sẽ phản xạ trở lại môi trường ñầu. 3. Nếu như âm kháng của các môi trường khác nhau không nhiều thì phụ thuộc vào trị số q mà một phần âm năng phản xạ, một phần ñi vào môi trường thứ hai và một phần bị nhiễu xạ. Quan hệ pha: Nếu thực hiện ñiều kiện ρ1C1<< ρ2C2 thì sự phản xạ âm sẽ diễn ra không bị thay ñổi pha của tốc ñộ dao ñộng và của âm áp. Trong trường hợp ρ1C1>> ρ2C2 thì phản xạ xảy ra với sự thay ñổi pha 180 0 . Khi màng phát, phát sóng siêu âm thì sóng siêu âm chia làm hai hướng chính: - Hướng do công suất búp chính phát xuyên xuống ñáy biển ñể ño sâu. - Một phần sóng siêu âm do búp phụ gây ra truyền lan theo phương ngang. Sự phản xạ sóng âm từ ñáy biển: Lớp trên của ñáy biển trực tiếp tiếp xúc với nước có thể có cấu trúc khác nhau. Nơi này là ñá cứng, nơi kia là bùn nhão, nơi khác lại là những hạt nhỏ lẫn với nước Thực tế thì khi sóng âm ñi tới ñáy biển thì tuỳ thuộc vào loại ñáy biển, mà một phần năng lượng nhất ñịnh của nó truyền vào ñáy biển và bị ñáy biển hấp thụ. Phân tích năng lượng của sóng âm ñi tới ñáy biển thật là phức tạp vì rằng lúc ñó sẽ có hình thành sóng âm có d ạng phức tạp gồm những thành phần sóng dọc và sóng ngang. Lý thuyết cho ta hệ số tiêu hao β 1 của sóng dọc trong ñáy biển như sau: www.hanghaikythuat.tk www.hanghaikythuat.edu.tf β 1 = S 1 . 1 c ω Trong ñ ó: - ω : t ầ n s ố . - C 1 : t ố c ñộ truy ề n lan c ủ a sóng d ọ c trong ñ áy bi ể n. - S 1 : h ệ s ố m ấ t mát. Ta có th ể tính ñượ c h ệ s ố ñ ó b ằ ng ph ươ ng pháp gi ả i tích. Nh ư ng th ườ ng thì ng ườ i ta có ñượ c tr ị s ố c ủ a nó b ằ ng ph ươ ng pháp th ự c nghi ệ m. ð áy bi ể n không b ằ ng ph ẳ ng s ẽ gây nên s ự phân tán n ă ng l ượ ng c ủ a sóng ñ i r ấ t nhi ề u. Trong tr ườ ng h ợ p ñ ó khi mà kích th ướ c c ủ a ñộ g ồ gh ề c ủ a ñ áy bi ể n nh ỏ h ơ n chi ề u dài sóng thì s ự ph ả n x ạ c ũ ng gi ố ng nh ư trên m ặ t ph ẳ ng. N ế u nh ư ñộ g ồ gh ề ñủ l ớ n thì m ộ t ph ầ n n ă ng l ượ ng c ủ a sóng t ớ i s ẽ phân tán ñ i m ọ i h ướ ng. S ự ph ả n x ạ nh ư v ậ y g ọ i là khu ế ch tán. Như vậy tr ườ ng âm c ủ a sóng ph ả n x ạ ñượ c xác ñị nh b ở i 3 y ế u t ố c ơ b ả n: âm kháng c ủ a n ướ c bi ể n, c ấ u trúc c ủ a ñ áy bi ể n và hình thù c ủ a nó. Trong bảng dưới ñây cho ta thấy trị số của hệ số phản xạ của ñáy biển: ðáy Ảnh A% ðáy Ảnh A% ðá granit Nét 70 - 80 Cát bùn Kém 10 - 20 ðá hộc lớn Nét 60 - 70 Băng Kém 10 - 15 Cát Nét 50 - 60 Bùn nhão Kém 5 - 10 S ự ph ả n x ạ t ừ m ặ t bi ể n c ủ a sóng âm: Khi truy ề n lan âm trong bi ể n thì m ặ t bi ể n ñ óng vai trò quan tr ọ ng. Vì r ằ ng các ngu ồ n và máy thu âm không ph ả i là hoàn toàn ñị nh h ướ ng t ố t nên trong máy thu luôn có th ể có nh ữ ng sóng ph ả n x ạ t ừ m ặ t bi ể n ñ i t ớ i. C ườ ng ñộ c ủ a sóng ph ả n x ạ ñ ó ph ụ thu ộ c vào tr ạ ng thái c ủ a m ặ t bi ể n. Sóng bi ể n l ớ n, sóng g ợ n ñề u có ả nh h ưở ng ñế n s ự ph ả n x ạ ñ ó. Nói chung, sóng bi ể n l ớ n có nh ữ ng ñặ c tính t ự do, nh ữ ng tham s ố c ủ a sóng bi ể n luôn bi ế n ñổ i. Th ự c t ế ñ ó gây nên s ự khó kh ă n l ớ n trong vi ệ c phân tích b ằ ng toán h ọ c. Nh ư ng n ế u xét trong kho ả ng th ờ i gian ng ắ n thì s ự ph ả n x ạ t ừ m ặ t bi ể n c ũ ng t ươ ng t ự nh ư s ự ph ả n x ạ ñ áy bi ể n không b ằ ng ph ẳ ng. Vì r ằ ng m ặ t bi ể n có nhi ề u hình thù khác nhau nên n ă ng l ượ ng c ủ a sóng âm có th ể h ộ i t ụ l ạ i trong m ộ t tr ườ ng h ợ p ho ặ c phân tán trong tr ườ ng h ợ p khác. Kết luận: - Khi ño sâu người ta ứng dụng tia siêu âm do búp chính tạo ra. Muốn vậy phải phát ñịnh hướng với góc mở α nhỏ (thông thường chọn từ 35 0 ñến 45 0 ). - ðối với tia búp phụ gây nhiễu cho máy ño sâu, do vậy nhà chế tạo tìm cách hạn chế giảm thiểu công suất búp phụ (thường nhỏ hơn 3% của công suất của búp chính) 1.2.2. Sự giao thoa sóng âm Nh ư ta ñ ã bi ế t trong v ậ t lí ch ứ ng minh r ằ ng, khi có nhi ề u ngu ồ n sóng có biên ñộ nh ỏ , cùng t ầ n s ố (ho ặ c t ầ n s ố x ấ p x ỉ b ằ ng nhau) cùng truy ề n qua m ộ t môi tr ườ ng ñ àn h ồ i nào ñ ó, thì sóng âm c ủ a hai ngu ồ n s ẽ ñ an xen vào nhau, vùng ñ an xen c ủ a hai sóng g ọ i là vùng giao thoa sóng âm, vùng giao thoa sóng âm càng l ớ n thì nhi ễ u giao thoa càng nhi ề u. ( ðố i v ớ i sóng vô tuy ế n, sóng ánh sáng c ũ ng tuân theo quy lu ậ t này). Bây gi ờ ta xét m ộ t ngu ồ n phát sóng âm t ạ i ñ i ể m O 1 có ph ươ ng trình nh ư sau: t a x 011 cos ω = Ngu ồ n phát sóng th ứ hai t ạ i ñ i ể m O 2 : t a x 022 cos ω = www.hanghaikythuat.tk www.hanghaikythuat.edu.tf T ạ i m ộ t ñ i ể m M trong không gian ph ươ ng trình truy ề n sóng do ngu ồ n O 1 và O 2 sinh ra ) 1 0 11 .2 ( cos λ π ω r tax − = ; ) 2 0 22 .2 ( cos λ π ω r tax − = Trong ñ ó: - a 1 và a 2 là biên ñộ dao ñộ ng - ω 0 là t ầ n s ố góc - r 1 và r 2 là kho ả ng cách truy ề n sóng t ừ ñ i ể m O 1 và O 2 ñế n ñ i ể m M V ậ y t ạ i ñ i ể m này pha dao ñộ ng t ổ ng h ợ p c ủ a hai dao ñộ ng sóng là: φ 2 - φ 1 = )( 12 21 2 22 rr rr −=             − −− λ π λ π λ π Biên ñộ dao ñộ ng ñượ c xác ñị nh theo công th ứ c sau: )( 2 cos2 21 21 2 2 2 1 rr aaaa A −++= λ π Nh ậ n xét: - N ế u r 1 và r 2 b ằ ng không; ho ặ c r 1 - r 2 =k. λ (k là s ố nguyên) aa aa aaaa A 21 2 )( 2 21 21 2 2 2 1 max +== + ++= Biên ñộ c ự c ñạ i, n ă ng l ượ ng l ớ n nh ấ t phát v ề các máy thu có cùng t ầ n s ố t ạ o nên nhi ễ u giao thoa là l ớ n nh ấ t. - N ế u r 1 - r 2 = (2k +1) 2 λ thì aa aa aaaa A 21 2 )( 2 21 21 2 2 2 1 min −== − −+= Ta th ấ y biên ñộ c ự c ti ể u tín hi ệ u sóng âm ph ả n x ạ v ề các máy thu là bé nh ấ t không t ồ n t ạ i nhi ễ u trên máy thu. Tr ườ ng h ợ p ngu ồ n phát nào ñ ó có công su ấ t l ớ n a 1 >> a 2 ho ặ c a 1 << a 2 thì máy thu có ngu ồ n phát nh ỏ b ị nhi ễ u lo ạ n. Ng ườ i ta ñ ã ch ứ ng minh ñượ c r ằ ng qu ỹ tích c ủ a các ñườ ng giao thoa là các ñườ ng hypebôn. www.hanghaikythuat.tk www.hanghaikythuat.edu.tf 1.2.3. Nhiễu xạ của sóng âm Sóng âm có kh ả n ă ng u ố n cong khi nó g ặ p m ộ t v ậ t nào ñ ó trên ñườ ng truy ề n lan. Hi ệ n t ượ ng ñ ó g ọ i là nhi ễ u x ạ . Nhi ễ u x ạ càng m ạ nh khi kích th ướ c c ủ a v ậ t c ả n nh ỏ so v ớ i chi ề u dài sóng. Trong tr ườ ng h ợ p ñ ó, ta quan sát th ấ y n ă ng l ượ ng phân tán ra ñề u v ề các h ướ ng. N ế u kích th ướ c c ủ a v ậ t c ả n l ớ n h ơ n chi ề u dài b ướ c sóng thì x ả y ra hi ệ n t ượ ng nhi ễ u x ạ . Nh ư ng ñằ ng sau v ậ t c ả n s ẽ hình thành m ộ t vùng bóng râm, mà ở ñ ó không có sóng âm ñ i qua. ðồ ng th ờ i tr ườ ng âm ở ñằ ng tr ướ c v ậ t c ả n c ũ ng tr ở nên ph ứ c t ạ p h ơ n do có hi ệ n t ượ ng giao thoa gi ữ a sóng t ớ i, sóng ph ả n x ạ và sóng nhi ễ u x ạ . K ế t qu ả là ở máy thu ta nh ậ n ñượ c áp l ự c khác xa v ớ i áp l ự c c ủ a sóng t ớ i. Hi ệ n t ượ ng nhi ễ u x ạ ta có th ể gi ả i thích b ở i cái g ọ i là nhi ễ u lo ạ n s ố 0 c ủ a các máy ñ o sâu h ồ i âm mà ta th ấ y khi ở th ờ i ñ i ể m phát, do ki tàu hình cong s ẽ tác ñộ ng lên máy thu. 1.2.4. Sóng âm ñi qua màng ngăn mỏng Ta hãy kh ả o sát v ấ n ñề sóng âm ñ i qua màng ng ă n m ỏ ng. Tr ườ ng h ợ p này có ý ngh ĩ a th ự c t ế khi l ắ p ráp dao ñộ ng c ủ a máy h ồ i âm mà không c ầ n x ẻ ñ áy tàu. Nh ữ ng h ệ th ứ c v ề n ă ng l ượ ng c ầ n thi ế t có th ể có ñượ c b ằ ng cách phân tích sóng ph ả n x ạ và sóng khúc x ạ c ủ a sóng âm ñ i qua mép trong và mép ngoài c ủ a v ỏ tàu. S ự phân tích này không khác v ớ i s ự phân tích tr ườ ng h ợ p sóng âm ñ i qua m ộ t m ặ t ng ă n tr ướ c ñ ây. Nh ư ng nó c ũ ng t ươ ng ñố i khó nên ở ñ ây ta ch ỉ kh ả o sát m ặ t th ự c ch ấ t c ủ a hi ệ n t ượ ng. 1. T ừ công th ứ c (2) và (3) ta th ấ y c ườ ng ñộ sóng ñ i qua v ỏ càng l ớ n n ế u nh ư càng th ự c hi ệ n ñ úng ñẳ ng th ứ c: ρ 1 C 1 = ρ 2 C 2 = ρ 3 C 3 ðể th ự c hi ệ n ñượ c ñ i ề u ki ệ n ñ ó, th ườ ng ng ườ i ta ñặ t màng dao ñộ ng trong thùng ch ứ a dung d ị ch có âm kháng g ầ n b ằ ng âm kháng c ủ a n ướ c bi ể n (ví d ụ nh ư ch ấ t d ầ u KactopBae). Tình tr ạ ng s ẽ càng t ố t h ơ n n ế u nh ư v ỏ tàu ở ch ỗ ñặ t thùng ch ứ a màng dao ñộ ng ñượ c làm b ằ ng ch ấ t c ũ ng có âm kháng nh ư v ậ y. Nh ữ ng ch ấ t thông âm nh ư v ậ y là nh ữ ng ch ấ t nh ư m ộ t vài lo ạ i cao su và nh ự a êbôxit 2. N ă ng l ượ ng truy ề n vào các phân t ử n ướ c bi ể n ngoài ra còn ph ụ thu ộ c vào chi ề u dày c ủ a v ỏ tàu. Vì r ằ ng âm kháng c ủ a ch ấ t l ỏ ng n ằ m hai bên v ỏ tàu có khác nhi ề u v ớ i âm kháng c ủ a v ỏ tàu. N ế u nh ư theo chi ề u dày c ủ a v ỏ tàu có nguyên n ử a sóng, nó s ẽ hình thành c ộ ng h ưở ng và sóng âm truy ề n qua không b ị tiêu hao n ă ng l ượ ng. 3. Ta nên ch ọ n kho ả ng cách t ừ m ặ t màng dao ñộ ng ñế n m ặ t trong ñ áy tàu (s) theo ñ i ề u ki ệ n sau: s = (2n + 1). 4 1 λ trong ñ ó n = 1, 2, 3 O 2 M r 2 O 1 r 1 Giao thoa c ự c ñạ i Giao thoa c ự c ti ể u Hình vẽ 2.2 www.hanghaikythuat.tk www.hanghaikythuat.edu.tf 1.2.5. Truyền lan của sóng âm trong chất lỏng chuyển ñộng Kh ả o sát s ự truy ề n lan c ủ a sóng âm trong ch ấ t l ỏ ng chuy ể n ñộ ng có m ộ t ý ngh ĩ a không kém ph ầ n quan tr ọ ng ñố i v ớ i th ự c ti ễ n, b ở i vì trong n ướ c bi ể n (ch ư a k ể ñế n sông) th ườ ng có nh ữ ng dòng n ướ c có t ố c ñộ ñạ t t ớ i vài n ơ . Khi sóng âm lan truy ề n trong ch ấ t l ỏ ng chuy ể n ñộ ng, t ố c ñộ tuy ệ t ñố i c ủ a s ự chuy ể n d ị ch các thành ph ầ n làn sóng d ọ c theo tia sóng s ẽ b ằ ng t ổ ng hình h ọ c véct ơ c ủ a t ố c ñộ theo và véc t ơ c ủ a t ố c ñộ t ươ ng ñố i. Véct ơ c ủ a tia t ố c ñộ bây gi ờ s ẽ không trùng v ớ i pháp tuy ế n c ủ a làn sóng n ữ a. Khi ñ ó hình d ạ ng c ủ a tia âm s ẽ khác v ớ i ñườ ng th ẳ ng, ñồ ng th ờ i s ự d ị ch chuy ể n này c ũ ng làm thay ñổ i t ầ n s ố c ủ a sóng âm. Nh ư v ậ y, chuy ể n ñộ ng c ủ a môi tr ườ ng d ẫ n t ớ i s ự thay ñổ i quang c ả nh c ủ a tr ườ ng âm - thay ñổ i hai tham s ố quan tr ọ ng c ủ a sóng là: t ố c ñộ truy ề n lan và t ầ n s ố . 1.2.6. Sự truyền lan sóng âm trong nước biển Trong bi ể n sâu, l ớ p n ướ c bi ể n không th ể xem là m ộ t l ớ p n ướ c ñồ ng nh ấ t có ñộ dính ñượ c. Vì có nh ữ ng ph ầ n t ử c ủ a bùn, khoáng ch ấ t, có nh ữ ng b ọ t khí, có gradian nhi ệ t ñộ và ñộ m ặ n, t ỉ tr ọ ng t ă ng gi ả m th ấ t th ườ ng nên ta có th ể coi n ướ c bi ể n là môi tr ườ ng không ñồ ng nh ấ t. Môi tr ườ ng không ñồ ng nh ấ t ñ ó ñ òi h ỏ i ta ph ả i kh ả o sát ñặ c bi ệ t s ự truy ề n âm trong ñ ó, ví d ụ ph ả i xét hàm s ố t ố c ñộ c=f(x, y, z, t), s ự nhi ễ u x ạ sóng âm, s ự phân tán sóng âm ph ụ trong tr ườ ng âm T ấ t c ả nh ữ ng hi ệ n t ượ ng ñ ó ñề u có ý ngh ĩ a th ự c t ế l ớ n. T ố c ñộ truy ề n sóng âm trong n ướ c bi ể n - tính ch ấ t thu ỷ âm c ơ b ả n có t ầ m quy ế t ñị nh l ớ n th ự c ch ấ t c ủ a s ự truy ề n lan sóng âm và ñộ chính xác c ủ a các máy thu ỷ âm ho ạ t ñộ ng. T ố c ñộ truy ề n âm trong n ướ c bi ể n ñượ c tính theo công th ứ c: K C . 1 2 ρ = suy ra K C . 1 ρ = (4) Trong ñ ó: - C: t ố c ñộ âm - ρ : t ỉ tr ọ ng c ủ a môi tr ườ ng - K: h ệ s ố nén S ự kh ả o sát th ự c t ế cho ta th ấ y r ằ ng nh ữ ng ñạ i l ượ ng n ằ m trong công th ứ c tính t ố c ñộ truy ề n âm ñề u là hàm s ố c ủ a ñộ m ặ n S 0 / 00 , c ủ a nhi ệ t ñộ t 0 và áp l ự c P 0 , ngh ĩ a là: K = f 1 (t 0 , S 0 / 00 , H, P 0 ) và ρ = f 2 (t 0 , S 0 / 00 , H, P 0 ) + N ế u nhi ệ t ñộ t ă ng thì ρ gi ả m, K gi ả m do ñ ó C t ă ng (ch ủ y ế u) + N ế u ñộ m ặ n S 0 / 00 t ă ng thì ρ t ă ng (không ñ áng k ể so v ớ i K), K gi ả m do ñ ó C t ă ng + N ế u ñộ sâu t ă ng thì S 0 / 00 t ă ng, P 0 t ă ng, còn nhi ệ t ñộ t ă ng v ề mùa ð ông, gi ả m v ề mùa Hè. Theo chi ề u sâu ả nh h ưở ng c ủ a C ch ủ y ế u là P 0 . Theo b ề ngang ả nh h ưở ng c ủ a C ch ủ y ế u là nhi ệ t ñộ . T ỉ tr ọ ng c ủ a n ướ c bi ể n t ă ng lên khi áp l ự c P 0 t ă ng c ũ ng nh ư khi ñộ m ặ n S 0 / 00 t ă ng, còn khi nhi ệ t ñộ t 0 t ă ng khi nó gi ả m. Nh ư ng s ự thay ñổ i c ủ a ρ so v ớ i s ự thay ñổ i c ủ a h ệ s ố nén K s ẽ r ấ t nh ỏ và ta có th ể b ỏ qua. K s ẽ gi ả m khi t 0 , S 0 / 00 và P 0 t ă ng, trong ñ ó P 0 ít ả nh h ưở ng t ớ i s ự thay ñổ i nh ấ t. Trong th ự c t ế thì các ñạ i l ượ ng t 0 , S 0 / 00 và P 0 c ủ a n ướ c bi ể n là không c ố ñị nh theo th ờ i gian c ũ ng nh ư không gian và n ế u nh ư theo h ướ ng n ằ m ngang trong m ộ t kho ả ng cách ng ắ n ta có th ể xem gradian c ủ a nh ữ ng ñạ i l ượ ng trên là b ằ ng 0 thì theo h ướ ng th ẳ ng ñứ ng nhi ệ t ñộ , ñộ m ặ n và áp l ự c thu ỷ t ĩ nh ph ụ thu ộ c r ấ t nhi ề u vào ñộ sâu. Trong ñ ó có S 0 / 00 và P 0 s ẽ t ă ng lên cùng v ớ i ñộ sâu, còn t 0 có th ể là t ă ng, c ũ ng có th ể là gi ả m. V ề mùa hè khi mà l ớ p n ướ c trên c ủ a bi ể n b ị nung nóng nhi ề u thì nhi ệ t ñộ s ẽ gi ả m khi ñộ sâu t ă ng, mà nó có th ể thay ñổ i 0,1 0 khi ñộ sâu thay ñổ i 1m. V ề mùa ñ ông thì ng ượ c l ạ i, nhi ệ t ñộ s ẽ t ă ng lên khi ñộ sâu t ă ng. Nh ư ng gradian c ủ a nhi ệ t ñộ th ườ ng không qua 0,01 0 trên 1 mét. S ự thay ñổ i K và ρ do nhi ệ t ñộ không c ố ñị nh, ñộ m ặ n và áp l ự c thu ỷ t ĩ nh thay ñổ i là quan h ệ hàm s ố : www.hanghaikythuat.tk www.hanghaikythuat.edu.tf C = f (t 0 , S 0 / 00 , H, P 0 ). C = 1440 ñế n 1585 m/s b ả ng 34A-34B MT 63 T ố c ñộ lan truy ề n c ủ a âm trong n ướ c bi ể n ñượ c l ấ y g ầ n ñ úng là 1500 m/s 1.2.7. Ứng dụng của sóng âm. Sóng âm ñượ c ứ ng d ụ ng r ộ ng rãi trong các l ĩ nh v ự c kinh t ế qu ố c dân, qu ố c phòng, ñặ c bi ệ t là sóng siêu âm có tác d ụ ng r ấ t l ớ n. Trong ngành hàng h ả i, ng ườ i ta dùng sóng siêu âm ñể ñ o sâu, ñ o sâu k ế t h ợ p v ớ i dò cá, ch ế t ạ o ra máy ñ o ñộ dày tôn, dùng sang siêu âm ñể ki ể m tra ch ấ t l ượ ng m ố i hàn CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MÁY ðO SÂU 2.1. Khái quát chung về máy ño sâu 2.1.1. Khái niệm : Máy ñ o sâu là m ộ t thi ế t b ị ñ i ệ n dùng ñể xác ñị nh ñộ sâu c ủ a l ớ p n ướ c d ướ i ñ áy tàu. ðể làm ñượ c ñ i ề u này ng ườ i ta ứ ng d ụ ng tính ch ấ t ph ả n x ạ c ủ a sóng âm và thông qua vi ệ c ñ o th ờ i gian lan truy ề n c ủ a sóng âm t ừ khi phát t ớ i khi thu ñượ c ñể tính ra ñộ sâu c ủ a ñ áy bi ể n d ướ i ki tàu: 2.1.2 Cấu tạo và vị trí lắp ñặt trên tàu: nhìn chung máy ñ o sâu g ồ m 3 kh ố i chính là kh ố i ngu ồ n, kh ố i ñ i ề u khi ể n và ch ỉ báo và kh ố i thu phát. a . Kh ố i ngu ồ n: có nhi ệ m v ụ chuy ể n ñố i ngu ồ n ñ i ệ n c ủ a tàu thành các d ạ ng ñ i ệ n áp phù h ợ p ñể cung c ấ p cho s ự ho ạ t ñộ ng c ủ a máy ñ o sâu. Kh ố i này th ườ ng ñượ c l ắ p ñặ t trên bu ồ ng lái, trong phòng thi ế t b ị ñ i ệ n. b . Kh ố i ñ i ề u khi ể n và ch ỉ báo: có nhi ệ m v ụ ñ i ề u khi ể n s ự ho ạ t ñộ ng th ố ng nh ấ t toàn b ộ máy ñ o sâu và hi ể n th ị ñộ sâu ñ o ñượ c. S ự ho ạ t ñộ ng th ố ng nh ấ t th ể hi ệ n ở ch ỗ : - Trong th ờ i gian phát xung thì m ạ ch thu ng ừ ng ho ạ t ñộ ng và khi phát xong thì l ậ p t ứ c chuy ể n sang thu tín hi ệ u ph ả n x ạ tr ở v ề . - V ệ t ñ ánh d ấ u không ñộ sâu ph ả i t ươ ng ứ ng v ớ i v ị trí 0 trên thang ñ o. Vi ệ c ch ỉ báo ñộ sâu có th ể ñượ c th ự c hi ệ n b ằ ng nh ữ ng cách sau: - Ch ỉ báo b ằ ng s ố : giá tr ị ñộ sâu ñượ c hi ể n th ị b ằ ng s ố t ươ ng ứ ng v ớ i ñơ n v ị ñộ sâu ñ ã ch ọ n. - Ch ỉ báo b ằ ng ñ èn (ph ươ ng pháp ch ỉ th ị ): tín hi ệ u ph ả n x ạ tr ở v ề thu ñượ c s ẽ làm sáng ñ èn trên m ặ t ch ỉ báo và ta có ñộ sâu ñ o ñượ c t ươ ng ứ ng v ớ i v ị trí ñ èn sáng c ủ a thang ñ o. - Ch ỉ báo b ằ ng cách ghi l ạ i v ệ t ñộ sâu trên b ă ng gi ấ y (ph ươ ng pháp t ự ghi): tín hi ệ u ph ả n x ạ tr ở v ề thu ñượ c s ẽ làm cháy b ă ng gi ấ y t ự ghi và ñể l ạ i m ộ t v ệ t ñ en. ð ó là hình ả nh ñườ ng vi ề n ñ áy bi ể n. ðộ sâu c ủ a ñ áy bi ể n chính là ch ỉ s ố trên thang ñ o t ươ ng ứ ng v ớ i v ị trí b ă ng gi ấ y b ị ñố t cháy. - Ph ươ ng pháp ñ i ệ n t ử : tín hi ệ u ph ả n x ạ tr ở v ề thu ñượ c s ẽ làm xu ấ t hi ệ n v ệ t sáng ngang trên màn hình và ch ỉ s ố trên thang ñ o t ươ ng ứ ng v ớ i v ị trí v ệ t sáng là ñộ sâu ñ o ñượ c. Kh ố i này ñượ c l ắ p ñặ t trên bu ồ ng lái, trong phòng h ả i ñồ . c . Kh ố i thu phát: có nhi ệ m v ụ t ạ o xung siêu âm phát vuông góc v ớ i ñ áy tàu v ề phía ñ áy bi ể n và thu tín hi ệ u ph ả n x ạ tr ở v ề , bi ế n nó thành tín hi ệ u ñ i ệ n ñể chuy ể n t ớ i kh ố i ñ i ề u khi ể n và ch ỉ báo. Kh ố i này th ườ ng g ồ m b ộ t ạ o xung ñ i ệ n áp cao, màng dao ñộ ng thu, phát và b ộ khu ế ch ñạ i. Màng dao www.hanghaikythuat.tk www.hanghaikythuat.edu.tf ñộ ng th ườ ng dùng là màng dao ñộ ng gião t ừ . Kh ố i này th ườ ng ñượ c ñặ t trong m ộ t khoang nh ỏ d ướ i ñ áy tàu. Khoang này th ườ ng ñượ c ñặ t ở tr ướ c m ặ t ph ẳ ng s ườ n gi ữ a, c ạ nh ki tàu. Thông th ườ ng ng ườ i ta khoét m ộ t l ỗ nh ỏ ở ñ áy tàu và màng dao ñộ ng ñượ c ñặ t trong ñ ó v ớ i màng b ả o v ệ bên ngoài và c ơ c ấ u ñị nh v ị ch ắ c ch ắ n nó v ớ i v ỏ ñ áy tàu. 2.2. Nguyên lý hoạt ñộng của máy ño sâu hồi âm Hình vẽ 2.1 Ở d ướ i ñ áy tàu ng ườ i ta ñặ t m ộ t màng dao ñộ ng thu phát sóng siêu âm. T ạ i th ờ i ñ i ể m t1 ta phát sóng siêu âm xiên qua n ướ c. Sóng siêu âm truy ề n lan xu ố ng ñ áy bi ể n g ặ p ñ áy bi ể n không ñồ ng ch ấ t v ớ i n ướ c, m ộ t ph ầ n n ă ng l ượ ng b ị h ấ p th ụ , m ộ t ph ầ n sóng siêu âm ph ả n x ạ tr ở l ạ i môi tr ườ ng n ướ c v ề màng thu sóng siêu âm d ướ i ñ áy tàu. T ừ hình v ẽ (2) ta có công th ứ c tính ñộ sâu nh ư sau: h = 2 t C ∆ (5) Trong ñ ó: C là t ố c ñộ truy ề n âm trong n ướ c (C= 1.500 m/s) ∆ t là kho ả ng th ờ i gian phát, thu sóng siêu âm h [...]... vào ñ sâu và t n s l a ch n c a máy 2.4.6 Công su t phát c a máy phát: t 50 ñ n 300W (Tuỳ thu c vào m c ñích s d ng) 2.4.7 ð nh y c a máy thu: quy t ñ nh ño ñư c ñ sâu l n hay nh Lưu ý: v ñ sâu t i thi u cu máy o sâu Hmin B t kỳ m t máy ño sâu nào cũng có m t ñ sâu t i thi u, nh hơn ñ sâu này thì máy ño sâu không ño ñư c Màng dao ñ ng c a máy ño sâu có ch c năng v a phát v a thu, do ñó khi máy ño sâu. .. s cơ b n c a máy ño sâu hàng h i Máy ño sâu h i âm ñư c ñ c trưng b i nh ng thông s khai thác và k thu t nh t ñ nh ðó là nh ng thông s xung, kho ng ño sâu, t n s phát xung, phương hư ng tính c a màng dao ñ ng, kh năng ño ñ sâu, ñ chính xác ño ñ c Ý nghĩa và ñ c ñi m c u t o c a máy ño sâu h i âm ph thu c vào các thông s k thu t và khai thác Ta hãy kh o sát k hơn v các thông s c a máy ño sâu h i âm hàng... ng Sai s chung c a máy ño sâu h i âm b ng t ng các sai s ñã nêu trên ñây 2.6 Sơ ñ kh i máy ño sâu trên tàu 2.6.1 Kh i ch báo ñ sâu bao g m: băng gi y t ghi ho c ñèn hình, ñèn quang, b khu ch ñ i tín hi u ñ sâu, và máy phát ñ t chung vào m t h p g i là kh i ch báo, ngoài h p có công t c c p ngu n (power), công t c ñ t thang ñ sâu (range), núm khu ch ñ i (gain), núm ñi u ch nh ñ sáng máy ch báo (dimmer),... ch x y ra ñ i v i máy ño sâu ho t ñ ng t n s cao f = 120 - 200 kHz 2.7.4 Nhi u lo n s không (do búp ph gây ra) Khi s d ng máy ño sâu thang t m g n thì do công su t búp ph c a sóng âm ph n x ngay v máy ño sâu t o ra m t tín hi u gi trên máy Thông thư ng ñ sâu nh hơn 15 mét mu n lo i b nhi u lo n s không ta s d ng núm STC www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk 2.8 Nguyên lý ño sâu b ng bút ghi... ñ sâu tính b ng mét Theo nguyên lí ñ ng b ñ ño sâu thì tq = t nên C D 2h D = V hay h = 2.V C q q C Ta th y ñ i lư ng 2.V = k b ng m t h ng s khi thang ñ sâu c ñ nh q Nên ta có: h = k.D V y mu n ño ñ sâu ch c n ño ñư ng kính v t quét là xong Máy ño sâu b ng ch th ñèn hình dùng khá ph bi n trên tàu bi n hi n nay Hi n nay, ngư i ta ñã dùng máy ño sâu màu d a trên nguyên lí này 2.10 Khai thác s d ng máy. .. th y mu n ño sâu ta ch c n ño kho ng th i gian t khi phát ñ n khi thu ñư c tín hi u c a sóng siêu âm ph n x tr v là xong N u v n t c C tính b ng m/s thì ñ sâu h tính b ng m N u v n t c C tính b ng feet/s thì ñ sâu h tính b ng feet Trong ngư i ta dùng công th c (5) ñ kh c thư c ñ sâu do v y thư c kh c ñ sâu là ñ u nhau Sơ ñ nguyên lý ho t ñ ng c a máy ño sâu như sau: Trung tâm ñi u khi n Máy phát Kh... báo: ñi u khi n s ho t ñ ng th ng nh t gi a máy phát, máy thu và máy ch báo- ch báo ñ sâu ño ñư c dư i d ng s , băng gi y t ghi, www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk 2 Máy phát: t o ra xung ñi n áp cao ñ ñưa xu ng màng dao ñ ng thu phát N u máy phát có công su t l n s ñư c b trí ñ t trong m t h p riêng 3 Màng dao ñ ng thu phát: bi n tín hi u ñi n t máy phát thành dao ñ ng cơ h c t o ra xung... n x tr v cho ñ sâu h2, cũng tương t như v y ta có h3 Hi n tư ng này ch x y ra v i khu v c có chât ñáy r n, máy phát sóng siêu âm có công su t l n ð c ñi m nh n bi t ph n x nhi u l n khi ñ c ñ sâu là các ñ sâu ghi ñư c trên băng gi y có dáng d p ñ ng d ng và song v i nhau ð sâu th nh t là nét nh t chính là ñ sâu dư i ñáy tàu, sau ñó là các ñư ng m d n, kho ng cách c a các ñư ng ghi ñ sâu trên băng gi... c a ñ m n S0/00, c a nhi t ñ t0 và ñ sâu h t i t c ñ truy n âm, ñ có th ch ra s chính xác c a ñ sâu th c t 2.5.2 Sai s do tàu l c ngang: Ngư i ta ch ng minh ñư c r ng khi tàu l c ngang gây ra sai s ñáng k cho máy ño sâu T hình v (9) ta có ñ sâu th c t b ng ñ sâu ño ñư c Ht = Hñ Khi tàu nghiêng ngang như hình v (10) ta th y Hñ = Ht + ∆h, ∆h chính là sai s c a ñ sâu ño ñư c khi tàu l c ngang Tàu l c... ñó r t khó ño sâu ð lo i tr sai s do tàu l c ngang ngư i ta ñ c ñ sâu ghi trên băng gi y là bé nh t 2.5.3 Sai s do ñáy bi n b nghiêng Ph n l n các máy ño sâu h i âm ngày nay ho t ñ ng v i t n s siêu âm và do ñó có m t tính phương hư ng nh t ñ nh ñư c ñ c trưng b i y u t phương hư ng tính G Do có hình chóp khu ch tán nên khi ñáy bi n nghiêng, nhi u máy ño sâu h i âm s không ghi nh n ñ sâu AD dư i ki . ñộ sâu l ớ n hay nh ỏ . Lưu ý : v ề ñộ sâu t ố i thi ể u cu ả máy ñ o sâu Hmin B ấ t k ỳ m ộ t máy ñ o sâu nào c ũ ng có m ộ t ñộ sâu t ố i thi ể u, nh ỏ h ơ n ñộ sâu này thì máy. MÁY ðO SÂU Một trong những thiết bị không thể thiếu của mỗi con tàu ñó là máy ño sâu hàng hải – dụng cụ dùng ñể xác ñịnh ñộ sâu vùng nước tàu ñang hoạt ñộng. Không chỉ có vậy, máy ño sâu. máy phát b ắ t ñầ u ho ạ t ñộ ng. Sai s ố chung c ủ a máy ñ o sâu h ồ i âm b ằ ng t ổ ng các sai s ố ñ ã nêu trên ñ ây. 2.6. Sơ ñồ khối máy ño sâu trên tàu 2.6.1. Khối chỉ báo ñộ sâu