Nguyên lý máy đo sâu hồi âm

www.hanghaikythuat.tk MÁY ðO SÂU M t nh ng thi t b không th thi u c a m i tàu máy đo sâu hàng h i – d ng c dùng ñ xác ñ nh ñ sâu vùng nư c tàu ñang ho t ñ ng Khơng ch có v y, máy đo sâu có th ñư c s d ng h tr tàu ñi u ñ ng lu ng l ch h p, cơng tác neo thu neo, đ m b o an tồn cho hành trình.Ngồi ra, máy đo sâu nh ng thi t b th y âm khác ñư c ng d ng r ng rãi lĩnh v c nghiên c u khoa h c kh o sát ñ a ch t, th y văn Trư c tìm hi u sâu v máy đo sâu ph c v ngành hàng h i chương 2, ta s ti p c n v i ph n lý thuy t s v sóng âm vi c truy n sóng âm mơi trư ng nư c bi n , t! s có nhin toàn di n thao tác, v n hành, khai thác t"t nh t máy ño sâu ph c v cơng tác d#n tàu an tồn, hi u qu CHƯƠNG 1: LÝ THUY T SÓNG ÂM 1 Sóng âm 1.1.1 Khái ni m Âm hi n tư ng v t lí, trư ng h p riêng c a dao ñ ng h c c a chuy n đ ng mơi trư ng ñàn h i Ngu n âm có th h th"ng dao đ ng h c đ$t mơi trư ng ch t l%ng Trong q trình dao đ ng, h th"ng s truy n m t ph n lư ng t i nh ng phân t c a mơi trư ng bao quanh Nh ng phân t b&t đ u l ch kh%i v trí ban ñ u c a chúng Nh ng phân t c a môi trư ng n"i v i b i l c ñàn h i N u m t chúng l ch kh%i v trí cân b'ng l c tác d ng t! phân t bên c nh làm cho tr l i ví trí ban đ u c a Sau đó, theo qn tính s chuy n đ ng ti p v phía ngư c l i Như v y ph n t s dao ñ ng xung quanh v trí cân b'ng c a B i ñi u ki n th c t , môi trư ng khơng nh ng ch có l c đàn h i tác d ng mà có l c ma sát nên sau m t kích đ ng dao đ ng c a phân t t&t ñi r t nhanh S d ch chuy n c a m i phân t làm cho nh ng phân t bên c nh l ch kh%i v trí cân b'ng c a chúng T! ñây ta th y r'ng s kích đ ng x y m t nơi nh t đ nh c a mơi trư ng s d n d n truy n lan t i phân t xa ngu n kích đ ng Q trình g i truy n âm T"c đ truy n kích đ ng t! phân t đ n phân t khác g i t"c ñ c a âm N u l c kích đ ng tác d ng theo chu kỳ trình truy n âm s theo chu kỳ không nh ng theo th i gian mà c không gian, nghĩa mang tính ch t sóng B i m i phân t k ti p b&t ñ u chuy n ñ ng ch m phân t trư c nó, nên mơi trư ng s hình thành nh ng vùng dày ñ$c nh ng vùng thưa th t cách nhau.Khi hình thành vùng dày đ$c áp l c n ng đ c a mơi trư ng tăng lên vùng thưa th t gi m Khơng gian hình thành âm áp g i trư ng âm 1.1.2 Nh ng ñ c tính c a trư ng âm Nh ng đ$c tính b n c a trư ng âm: s truy n âm m t trình ph c t p, g m nh ng hi n tư ng v t lý khác Nh ng đ$c tính quan tr ng là: - Các phân t c a ch t l%ng khơng nh hư ng t i sóng âm, chúng ch dao đ ng quanh v trí cân b'ng c a chúng - T"c ñ c a âm t"c ñ c a dao ñ ng phân t mơi trư ng, t"c đ truy n kích đ ng t! phân t đ n phân t khác - Khi truy n kích đ ng trư ng âm s hình thành nh ng chu i dày phân t nh ng chu i thưa cách đ u Q trình d#n t i s thay ñ*i áp l c n ng ñ c a môi trư ng S nén kéo theo chu kỳ có th phá v+ s cân b'ng nhi t ñ ng c a môi trư ng v y s gây nên s thay ñ*i nhi u m c phân t 1.1.3 Phân lo i sóng âm www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Sóng âm có th phân theo hình d ng t n s" Trong trư ng h p riêng, ngư i ta phân sóng theo ba d ng sóng d c, sóng ngang, sóng ph c t p Trong ch t l%ng, đ l ch khơng b bi n d ng, ch có th truy n lan sóng d c Hình d ng c a sóng âm ñư c xác ñ nh b i d ng c a sóng Làn sóng vùng m$t mà m đ u có m t pha dao đ ng ðư ng vng góc v i sóng trùng v i hư ng truy n lan sóng g i tia âm Sóng siêu âm sóng âm có t n s" dao đ ng l n 16kHz) Trong hàng h i thư ng s d ng sóng siêu âm có t n s" dao ñ ng l n 20kHz N u ngu n âm m t m sóng âm có d ng hình c u N u ngu n âm hình tr sóng âm có d ng hình tr N u ngu n âm m t m$t sóng âm có d ng m$t 1.1.4 Nh ng thông s b n c a trư ng âm ð ti p t c phân tích trư ng âm, ta ñưa vào nh ng ñ i lư ng v t lý thông d ng mà ta s g i thông s c a trư ng âm Nh ng thơng s c n ch n cho chúng bao hàm h t m i hi n tư ng x y trư ng âm, nh ng dao ñ ng c a phân t s thay ñ i áp l c, n ng ñ c a ch t l ng lư ng + S thay đ*i áp l c c a mơi trư ng có âm tác đ ng so v i ban ñ u ñư c ñánh giá b i âm áp p ð i lư ng p ñư c xác ñ nh b i bi u th c: p = p1 - p0 Trong đó: (1) (đơn v : mbar) p0 tr s" áp l c c a môi trư ng khơng có sóng âm P1 tr s" áp l c c a mơi trư ng có sóng âm S thay ñ i n ng ñ c a ch t l ng thư ng ñư c xác ñ nh b i đ đơng đ c c a nó: æ= ρ1 − ρ ρ0 + Cư ng ñ c a sóng âm s" lư ng mà sóng âm chuy n qua m t đơn v di n tích đ$t vng góc v i hư ng truy n lan c a m t đơn v th i gian Nó đ$c trưng b n c a trư ng âm Kí hi u I ñư c ño b'ng W/m2 + Sóng âm ñư c ñ$c trưng b i thông s" sau: - Bư c sóng λ c a âm kho ng cách gi a mi n dày ñ$c mi n thưa th t - Biên ñ A ñ l ch l n nh t c a phân t so v i v trí cân b'ng - Chu kỳ T kho ng th i gian hoàn thành m t dao đ ng mơi trư ng đàn h i - T n s" f s" lư ng sóng truy n qua mơi trư ng m t đơn v th i gian - T"c ñ truy n lan c a âm môi trư ng ph thu c vào tính ch t c a mơi trư ng Do ph n t c a m i môi trư ng đàn h i có tr ng, kh"i khác l c ñàn h i gi a chúng khác nên t"c ñ truy n âm m i môi trư ng khác Công th c tính t c đ truy n âm: C= E ρ (m/s) E: mơ đun đàn h i ρ: t! tr ng c a môi trư ng www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Trong môi trư ng ch t l ng: C= E Kρ (m/s) K: h s nén, ñ i lư ng ngh ch ñ o c a E ch t l ng khơng gi"i h n Tính ch t c a sóng âm 1.2.1 Tính ph n x khúc x c a sóng âm N u q trình truy n lan c a sóng âm g$p m t m$t phân chia gi a môi trư ng (ví d đáy bi n) có kích thư c l n nhi u chi u dài c a sóng ta s quan sát th y hi n tư ng m t ph n lư ng c a s tr l i môi trư ng m t ph n lư ng s vào mơi trư ng Hi n tư ng đư c g i ph n x khúc x sóng âm Khi tia âm truy n qua hai mơi trư ng đ ng nh t ñư c ñ$c trưng b i âm kháng Z1=ρ1C1 Z2=ρ2C2 Trên hình v 1, gi s C2 > C1, theo lý thuy t v tia chi u, áp d ng ñ nh lu t quang h c ta có : α1 α’1 α2 Hình v 1.1 + Góc t i b'ng góc ph n x : α1 = α’1 sin α C1 + sin α = C = η 2 Trong đó: η h s" khúc x α’1 α2 góc ph n x góc khúc x tương ng Như v y, ta có: t# s sin góc t"i αt góc khúc x α2 b$ng t# s t c đ C1 C2 c a sóng âm N u đư ng truy n lan sóng âm có nhi u l"p ch t l ng song song có nh ng tính ch t thu# âm h c khác ta s có đ%ng th c sau: C3 C1 C2 = = = = const sin α t1 sin α t sin α t Các t# s hình h c tìm đư c xu t phát t& gi thi t r$ng m t ph n x m t m t ph%ng Chúng s ñúng v"i b t kỳ trư ng h p n u kích thư"c c a v t c n l"n chi u dài c a sóng nhi u l n S ph n x v y g i ph n x gương Trong th c t t i b m t phân cách x)y hi n tư ng phân kỳ, ph n x gương, ph n x c ng hư ng, khúc x tán x m t phân cách khơng nh*n K t lu n: www.hanghaikythuat.edu.tf - N u t"c ñ truy n âm khúc x www.hanghaikythuat.tk mơi trư ng có nghĩa sin góc b'ng khơng có - N u sóng âm truy n t! mơi trư ng sang C1 > C2 tia khúc x l ch v phía g n m$t ngăn cách - N u tăng góc t i α1 t i α2 = 90 sóng âm s không vào môi trư ng 2, n u tăng α1 n a sóng âm s ph n x hồn tồn Khi α1 g i góc gi i h n C1 α GH = arc sin C = arcsin η Quan h lư ng: Quan h lư ng gi a sóng t i, sóng ph n x sóng khúc x thư ng đư c xác ñ nh b i h s" ph n x A khúc x B Trong trư ng h p sóng t"i vng góc v"i m t ngăn nh ng h s" đư c xác đ nh sau:  ρ C − ρ1C1  1− q   =   A =  1+ q   ρ C + ρ1C1  ρ1c1.ρ 2c2 4q B = (ρ c + ρ c )2 = (1 + q )2 2 1 (2) (3) ρ1c1 Trong đó: q = ρ c 2 Z1 = ρ1C1: âm kháng c a môi trư ng Z2 = ρ2C2: âm kháng c a môi trư ng Trên s bi u th c ta có th rút k t lu n: N u âm kháng c a môi trư ng b'ng nhau, nghĩa ρ1.C1= ρ2.C2 tồn b lư ng s chuy n t! môi trư ng m t sang môi trư ng hai Khi có u ki n ρ1C1>> ρ2C2 ho$c ρ1C1> ρ2C2 ph n x x y v i s thay ñ*i pha 1800 Khi màng phát, phát sóng siêu âm sóng siêu âm chia làm hai hư ng chính: - Hư ng cơng su t búp phát xuyên xu"ng ñáy bi n ñ ño sâu - M t ph n sóng siêu âm búp ph gây truy n lan theo phương ngang S ph n x sóng âm t đáy bi n: L"p c a ñáy bi n tr c ti p ti p xúc v"i nư"c có th có c u trúc khác Nơi ñá c ng, nơi bùn nhão, nơi khác l i nh ng h t nh l+n v"i nư"c Th c t sóng âm t"i đáy bi n tuỳ thu c vào lo i ñáy bi n, mà m t ph n lư ng nh t ñ nh c a truy n vào đáy bi n b đáy bi n h p th Phân tích lư ng c a sóng âm t"i đáy bi n th t ph c t p r$ng lúc s có hình thành sóng âm có d ng ph c t p g m nh ng thành ph n sóng d c sóng ngang Lý thuy t cho ta h s tiêu hao β1 c a sóng d c đáy bi n sau: www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk ω β = S1 c Trong đó: - ω: t n s - C1: t c đ truy n lan c a sóng d c ñáy bi n - S1: h s m t mát Ta có th tính đư c h s b$ng phương pháp gi i tích Nhưng thư ng ngư i ta có đư c tr s c a b$ng phương pháp th c nghi m ðáy bi n không b$ng ph%ng s gây nên s phân tán lư ng c a sóng r t nhi u Trong trư ng h p mà kích thư"c c a đ g gh c a đáy bi n nh chi u dài sóng s ph n x gi ng m t ph%ng N u đ g gh đ l"n m t ph n lư ng c a sóng t"i s phân tán ñi m i hư"ng S ph n x v y g i khu ch tán Như v y trư ng âm c a sóng ph n x ñư c xác ñ nh b i y u t b n: âm kháng c a nư"c bi n, c u trúc c a ñáy bi n hình thù c a Trong b ng dư i ñây cho ta th y tr s" c a h s" ph n x c a ñáy bi n: ðáy 2nh A% ðáy 2nh A% ðá granit Nét 70 - 80 Cát bùn Kém 10 - 20 ðá h c l n Nét 60 - 70 Băng Kém 10 - 15 Cát Nét 50 - 60 Bùn nhão Kém - 10 S ph n x t& m t bi n c a sóng âm: Khi truy n lan âm bi n m t bi n đóng vai trò quan tr ng Vì r$ng ngu n máy thu âm không ph i hồn tồn đ nh hư"ng t t nên máy thu ln có th có nh ng sóng ph n x t& m t bi n ñi t"i Cư ng ñ c a sóng ph n x ñó ph thu c vào tr ng thái c a m t bi n Sóng bi n l"n, sóng g n đ u có nh hư ng đ n s ph n x Nói chung, sóng bi n l"n có nh ng đ c tính t do, nh ng tham s c a sóng bi n ln bi n đ i Th c t gây nên s khó khăn l"n vi c phân tích b$ng tốn h c Nhưng n u xét kho ng th i gian ng/n s ph n x t& m t bi n tương t s ph n x ñáy bi n khơng b$ng ph%ng Vì r$ng m t bi n có nhi u hình thù khác nên lư ng c a sóng âm có th h i t l i m t trư ng h p ho c phân tán trư ng h p khác K t lu n: - Khi ño sâu ngư i ta ng d ng tia siêu âm búp t o Mu"n v y ph i phát ñ nh hư ng v i góc m α nh% (thơng thư ng ch n t! 350 ñ n 450) - ð"i v i tia búp ph gây nhi1u cho máy ño sâu, v y nhà ch t o tìm cách h n ch gi m thi u công su t búp ph (thư ng nh% 3% c a công su t c a búp chính) 1.2.2 S giao thoa sóng âm Như ta bi t v t lí ch ng minh r$ng, có nhi u ngu n sóng có biên đ nh , t n s (ho c t n s x p x! b$ng nhau) truy n qua m t môi trư ng đàn h i đó, sóng âm c a hai ngu n s ñan xen vào nhau, vùng ñan xen c a hai sóng g i vùng giao thoa sóng âm, vùng giao thoa sóng âm l"n nhi0u giao thoa nhi u (ð i v"i sóng vơ n, sóng ánh sáng tn theo quy lu t này) Bây gi ta xét m t ngu n phát sóng âm t i m O1 có phương trình sau: x = a cosω t Ngu n phát sóng th hai t i ñi m O2: x = a cosω t 2 www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk T i m t m M khơng gian phương trình truy n sóng ngu n O1 O2 sinh x = a cos (ω t − 2π r ) 1 λ ; x = a cos (ω t − 2π r 2 λ ) Trong đó: - a1 a2 biên ñ dao ñ ng - ω0 t n s góc - r1 r2 kho ng cách truy n sóng t& m O1 O2 đ n ñi m M V y t i ñi m pha dao ñ ng t ng h p c a hai dao đ ng sóng là:  φ2 - φ1 =  2π r −  − 2π r1  = 2π ( − λ   λ − ) λ r r   Biên ñ dao đ ng đư c xác đ nh theo cơng th c sau: A= a12 + a 22 + 2a1a cos 2π λ (r1− r 2) Nh n xét: - N u r1 r2 b$ng không; ho c r1 - r2 =k.λ (k s nguyên) 2 Amax = a1 + a + 2a1a = (a1+ a2) = a +a Biên ñ c c ñ i, lư ng l"n nh t phát v máy thu có t n s t o nên nhi0u giao thoa l"n nh t - N u r1 - r2 = (2k +1) Amin = λ a12 + a22 − 2a1a = (a1− a 2) = a −a Ta th y biên đ c c ti u tín hi u sóng âm ph n x v máy thu bé nh t không t n t i nhi0u máy thu Trư ng h p ngu n phát có cơng su t l"n a1>> a2 ho c a1