Đánh giá tổn hao khi truyền sóng âm trong vùng nước nông

Bài báo trình bày về một số phương pháp mô hình truyền sóng âm trong vùng nước nông,đánh giá sự ảnh hưởng của cấu trúc lớp đáy, độ sâu, tần số nguồn phát đến hệ số suy hao trong quá trình truyền sóng âm và mô phỏng kết quả sử dụng Matlab.

Nghiên cứu khoa học công nghệ ĐÁNH GIÁ TỔN HAO KHI TRUYỀN SĨNG ÂM TRONG VÙNG NƯỚC NƠNG Trần Phú Ninh1*, Trịnh Đăng Khánh2, Bùi Ngọc Mỹ3 Tóm tắt: Âm học nghiên cứu rộng rãi việc phát tàu mặt nước, tàu ngầm, địa chấn biển, thơng tin y học Sóng âm có độ nhạy cao khoảng tần số thấp Đối tượng mơ hình âm học mơ truyền sóng âm cho số điều kiện mơi trường khác Một điều kiện môi trường phức tạp quan tâm vùng nước nông Do vùng nước nông bị giới hạn bề mặt lớp đáy, nên sóng âm vùng nước nơng truyền theo nhiều đường phức tạp Do đó, việc đánh giá ảnh hưởng mơi trường đến q trình truyền sóng âm mơ hình hóa q trình truyền âm vùng nước nông thử thách Bài báo trình bày số phương pháp mơ hình truyền sóng âm vùng nước nơng,đánh giá ảnh hưởng cấu trúc lớp đáy, độ sâu, tần số nguồn phát đến hệ số suy hao trình truyền sóng âm mơ kết sử dụng Matlab Từ khóa: Mơ hình truyền âm, Hệ số tổn hao, Vùng nước nơng GIỚI THIỆU Mơ hình sóng âm nghiên cứu, ứng dụng phát triển nhiều lĩnh vực dân quân thập kỷ qua Xây dựng mơ hình âm chuẩn sở cho việc xử lý tín hiệu mơ hình sonar, dựng mơ hình âm phải dựa vào yếu tố mơi trường hình Việc xây dựng mơ hình điều kiện mơi trường phức tạp vùng nước nông thử thách Để xây dựng mơ hình sóng âm chuẩn, phải biết chi tiết tham số cấu trúc lớp môi trường Do đặc điểm vùng biển khác nhau, liên quan đến vấn đề an ninh nên vấn đề chi phí thời gian đo đạc nên việc biết hết tham số môi trường thách thức Mơ hình Sonar Xử lý tín hiệu Mơ hình âm Nhiễu Tiếng dội Truyền sóng Mơ hình mơi trường Bề mặt Tham số mơi trường Đáy Hình Mối liên hệ mơi trường, mơ hình âm mơi hình sonar Khơng giống phát xạ sóng điện từ, truyền sóng âm phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường tham số như: Nhiệt độ, độ mặn, vận tốc âm, mật độ môi trường cấu trúc lớp [1] Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng mơi trường đến trình truyền âm [1], [2], [3] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 81 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trong báo này, trình bày số mơ hình tốn học q trình truyền sóng âm, khái niệm vùng nước nông Phần mô mỏng đánh giá ảnh hưởng cấu trúc lớp đáy đến số lượng hình dạng mode phương pháp mode chuẩn với mơi trường có cấu trúc lớp đáy khác nhau; đồng thời đánh giá mức tổn hao truyền âm vùng biển nông theo số thông số môi trường địa lý lớp đáy, số mơ hình biển điển hình đánh giá ảnh hưởng chi phối lớp đáy tới tổn hao trình truyền âm vùng biển nơng SỰ TRUYỀN SĨNG ÂM TRONG VÙNG NƯỚC NƠNG 2.1 Cơng thức sóng Phương trình truyền sóng:  2   2 c t Ở  toán tử Laplacian; gian (1)  hàm năng, c vận tốc âm t thời  it Với tín hiệu điều hòa tần số đơn    e Khi phương trình trở thành dạng đơn giản gọi phương trình Helmholtz  2  k 2  Với k   c  2  số sóng (2)  bước sóng Trong hệ tọa độ trụ cơng thức (2) trở thành:  2   2    k ( z )  r r r z (3) Giải phương trình 3, tính trường áp suất âm  Có nhiều phương pháp khác để giải (3), số phương pháp điển hình trình bày phần 2.2 Hệ số suy hao âm Thông thường người ta không vẽ trường áp suất âm mà quan tâm đến tổn hao trình truyền âm Sự tổn hao đánh giá hệ số suy hao âm (Tranmission Loss -TL)  I TL  10 log10 ref  10 log10  20 lg 0  20 lg  I  Với Iref cường độ tham chiếu 0 (4) áp suất tương ứng với Iref Nếu ta xem 0  1Pa tổn hao truyền là: TL  20lg  (5) Hệ số suy hao âm đặc trưng cho tiêu hao sóng âm q trình truyền âm mơi trường, tính theo đơn vị dB Dựa sở hệ số suy hao âm, đánh giá tương đối đầy đủ ảnh hưởng tham số mơi trường đến q trình truyền âm, đánh giá hiệu mơ hình âm 82 T.P Ninh, T.Đ Khánh, B.N Mỹ, “Đánh giá tổn hao truyền sóng âm… nước nơng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 2.3 Khái niệm vùng nước nông Vùng nước nông vùng mà giới hạn bề mặt lớp đáy Do sóng âm truyền có phản xạ hai lớp, nên sóng âm truyền khoảng cách xa Vùng nước nông giới hạn công thức sau [4]: r  H2  Trong đó: r khoảng cách, H độ sâu λ bước sóng Trong trường hợp chung, người ta coi lớp nước nơng lớp có độ sâu nhỏ 200m [2] 2.4 Truyền sóng âm vùng nước nông Do đặc điểm vùng nước nông nên việc truyền sóng âm phức tạp, trường âm thu trường tổng hợp tia phản xạ, khúc xạ… Ở vùng nước nông cấu trúc lớp đáy, truyền âm vùng nước nông, tia bị phản xạ nhiều lần từ lớp đáy Tại khoảng cách tương đối xa, trường âm thu kết chủ yếu phản xạ lớp đáy, đặc điểm truyền âm vùng nước nơng trình bày chi tiết [5], [6] CÁC MƠ HÌNH TRUYỀN ÂM Để mơ hình hóa q trình truyền âm, phải biết tham số mơi trường truyền Trên thực tế có nhiều phương pháp khác để mơ hình hóa q trình truyền âm, có phương pháp là: phương pháp tia (ray theory), phương pháp mode chuẩn (normal mode), phương pháp Parabolic 2    F ( x, y, z )eiG ( x, y , z ) Phương pháp tia 2 c t Công thức    eit Hàm điều hòa  2  k 2  Công thức Helmholt   F ( z )G (r ) Phương pháp Mode chuẩn   F (r , , z )G (r ) Phương phápParabolic Hình Tổng hợp mơ hình theo phương pháp Các phương pháp trình bày cụ thể (Etter, 2002) [2], phương pháp có ưu, nhược điểm riêng Trong báo này, tập trung vào trình bày phương pháp mode chuẩn Đây phương pháp tiêu biểu, có độ xác cao, sử dụng rộng rãi để xây dựng mơ hình sóng âm vùng nước nơng 3.1 Phương pháp tia Để tính tốn hệ số suy hao âm, xác định mức áp suất âm điểm thu, phải giải phương trình Helmholz Phương pháp tia sử dụng tính tốn tất tia thẳng đến máy thu Việc giải sử dụng công thức: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 83 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử   A( x, y, z )eiP ( x , y , z ) (6) Trong A hàm biên độ, P hàm pha A tính tốn phương pháp hình học, tính toán đến tiêu hao, suy giảm, phản xạ, khúc xạ Còn p tính khoảng cách tia độ dài bước sóng 3.2 Phương pháp mode chuẩn Giải phương trình Helmholz cách phân tầng (mơi trường thay đổi theo độ sâu) Trong trường hợp mức áp suất âm viết tọa độ cực: (7)   F ( z ) S (r ) Khi phương trình viết dạng tọa độ cực, sử dụng phương pháp phân tách biến với số phân tách  ta phương trình sau: d 2F  (k   ) F  dz d S dS    2S  dr r dr (8) (9) Công thức (8) hàm theo độ sâu, phương pháp giải liên quan đến vấn đề trị riêng Gải phương trình hàm Green Công thức (9) hàm theo khoảng cách, công thức hàm Bessel bậc 0, cách giải hàm Hankel bậc ( ) Khi công thức (7) dạng đầy đủ:    G( z, z ; ).H (1) (  r ). d  (10)  Trong G hàm Greeen, ( ) hàm Hankel bậc Để giải (10), khai triển hàm Green thành hàm mode chuẩn (un) Việc khai triển thực nhờ nghiệm số phân tách (các trị riêng)  n Khi tích phân (10) thay tích phân đường:     un ( z ).un ( z0 ) (1) H ( r ) d     2n (11) Ta thay hàm Hankel khai triển tiệm cận biến số lớn: H 0(1) ( r )  (Ở điều kiện   r ei ( r  /4) với  r   r  xấp xỉ trường xa), nghiệm đơn đơn giản cho hàm (12):   g ( r ,  ) 84 un ( z )un ( z0 ) n exp[i( n r- /4)].exp(- n r ) (12) T.P Ninh, T.Đ Khánh, B.N Mỹ, “Đánh giá tổn hao truyền sóng âm… nước nơng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trong đó: g (r ,  ) hàm sinh cự ly r mật độ  , Hệ số suy giảm  n 3.3 Phương pháp Parapolic Phương pháp parabolic sử dụng mẫu    (r , z )  S (r ) (13) So với phương pháp mode chuẩn, phương pháp mở rộng hàm theo tham số khoảng cách, độ sâu hướng (u) Phương pháp thể chi tiết [2] MÔ PHỎNG TỔN HAO ÂM TRONG Q TRÌNH TRUYỀN ÂM Như phân tích, ảnh hưởng tham số môi trường tác động lớn đến q trình truyền âm Trong phần mơ này, nghiên cứu sâu ảnh hưởng cấu trúc lớp đáy đến việc hình thành mode; ảnh hưởng tần số, độ sâu đến tổn hao âm q trình truyền kết mơ Matlab 4.1 Cấu trúc môi trường Xét cấu trúc mơi trường điển hình vùng nước nơng sau: * Cấu trúc lớp gồm có lớp nước lớp đáy với tham số sau: - Lớp nước: Vận tốc âm c1= 1520 m/s, mật độ 1= 1.024 g/ , độ sâu lớp 100m - Lớp đáy: c2 =1600 m/s, 2 = 1.8 g/ ; hệ số suy giảm 2 = 0.15 dB/ - Nguồn phát: Tần số 200 Hz, Độ sâu 40m - Hydrophone Thu: Độ sâu 60m * Cấu trúc lớp gồm có lớp nước, lớp cát lớp đáy với tham số sau: - Lớp nước: Vận tốc âm c1 = 1520 m/s, mật độ 1 = 1.024 g/ , độ sâu lớp 100m - Lớp cát: Vận tốc âm c2 = 1540÷1580 m/s m/s, 1 = 1.75 g/ , độ sâu lớp 10m - Lớp đáy: c3=1600 m/s, 3= 1.8 g/ - Nguồn phát: tần số 200 Hz, Độ sâu 40m - Hydrophsone Thu: Độ sâu 60m c1= 1520 m/s, 1= 1.024 g/ c1= 1520 m/s, 1= 1024g/ Nguồn phát Sâu 40m Hydrophone Sâu 60m c2 = 1540 m/s 2 = 1.75g/ 2 = 0.15 dB/ 2 = 1.8 g/ , c2 = 1600 m/s Hydrophone Sâu 60m Nguồn phát Sâu 40m 2=0.13 /dB 3= 1.8 g/ , 3 =0.15/dB c2 = 1560 m/s c3 = 1600 m/s Hình Cấu trúc lớp tham số mơi trường lớp lớp Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 85 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 0 20 20 Độsâu (m) Độsâu (m) 4.2 Kết mơ Matlab Từ công thức (5), (11),(12) ta thấy tổn hao lan truyền âm môi trường biển nông phụ thuộc vào tổng hợp nhân tố, xác định trạng thái mặt biển, môi trường nước đáy biển Kết tổn hao dạng mơi trường biển nơng dự đốn cách tương đối khơng có thơng tin xác thay đổi tham số môi trường, đặc biệt vận tốc âm thanh, tần số, độ sâu cấu trúc lớp đáy biển.Dưới kết mô Matlab để đánh giá yếu tố ảnh hưởng môi trường đến trình truyền âm Số mode hình dạng mode chuẩncho cấu trúc môi trường lớp lớp mơphỏng Matlab đượcbiểu diễn hình 4a 4b 40 60 80 100 -0.2 40 60 80 -0.15 -0.1 -0.05 0.05 0.1 0.15 100 -0.2 -0.15 Bieâ n độ Mode -0.1 -0.05 0.05 0.1 0.15 Biê n độ Mode Hình Hình dạng mode chuẩn biểu diễn vùng nước nông Kết mô thệ số suy hao âm cho mơ hình lớp mơ hình lớp sử dụng phương pháp Mode chuẩn thể hình Hệ sốsuy âao âm TL (dB) 90 80 70 60 50 Hai lzùp 40 Ba lzùp 30 20 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Kâoảná cácâ (m) Hình Hệ số suy hao âm TL với cấu trúc môi trường lớp lớp tính theo phương pháp mode chuẩn Kết mô thệ số suy hao âm cho phương pháp tia, phương pháp mode chuẩn, phương pháp Parabolic với mơ hình lớp sử dụng Matlab thể hình 86 T.P Ninh, T.Đ Khánh, B.N Mỹ, “Đánh giá tổn hao truyền sóng âm… nước nơng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 110 100 Hệ soásuy âao TL (dB) 90 80 70 60 50 PP Tia PP Mode câuaån 40 PP Parabolic 30 20 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Kâoảná cácâ (m) Hình Hệ số suy hao âm TL với phương pháp tia, Mode chuẩn, parabolic Hệ số suy hao âm TL tính với phương pháp mode chuẩn môi trường lớp, độ sâu khác thể hình 100 Hệsốsuy âao âm TL (dB) 90 80 70 60 50 Độ sâu 20 40 Độ sâu 60 Độ sâu 100 30 20 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Kâoảná cácâ (m) Hình 7: Hệ số suy hao âm TL với độ sâu khác Hệ số suy hao âm TL với tính với phương pháp mode chuẩn môi trường lớp, tần số khác thể hình 100 Hệ sốsuy âao TL (dB) 90 80 70 60 50 Tần số200 Hz Tần số4000 Hz 40 Tần số8000 Hz 30 20 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Kâoảná cácâ (m) Hình 8: Hệ số suy hao âm TL với tần số khác Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 87 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Kết mô hình 5, hình cho thấy cấu trúc môi trường khác nhau, kết sử dụng phương pháp mode cho số mode khác (Hình 4a, 4b) Điều làm cho kết trường tổng hợp điểm thu khác dẫn đến hệ số suy hao âm khác (Hình 5) Hình cho thấy hệ số suy hao âm TLcủa cấu trúc lớp nhỏ hệ số suy hao âm cấu trúc lớp Điều hoàn toàn với thực tế cấu trúc lớp có lớp cát hấp thụ sóng âm làm hệ số suy hao giảm Bên cạnh kết thể hệ số suy hao âm phương pháp có giá trị gần nhau, phương pháp mode chuẩn phương pháp Parapolic có hệ số suy hao gần giống (Hình 6).Tuy nhiên, việc lựa chọn phương pháp tùy thuộc vào điều kiện môi trường, tần số nguồn phát Trong thực tế vùng biển nông vùng tần số thấp, việc chọn phương pháp mode chuẩn thực hiệu Kết mô ảnh hưởng độ sâu, tần số đến hệ số suy hao; Tần số, độ sâu khác cho hệ số suy hao khác (Hình 7,8) Hình trình truyền âm tần số cao, hệ số suy hao lớn KẾT LUẬN Bài báo sử dụng phương pháp tính tốn mơ số mơ hình truyền sóng âm nước với mơi trường vùng nước nơng, tập trung vào trình bày việc tính tốn mơ hình truyền sóng âm với phương pháp Mode chuẩn Kết quảmô môi trường truyền sóng âm mơi trường nước nơng với cấu trúc lớp lớp Kết tính tốn mơ cho thấy yếu tố mơi trường có ảnh hưởng lớn đến trình truyền âm Hệ số suy hao âm cấu trúc lớp lớn cấu trúc lớp, phù hợp với thực tế lớp cát hấp thụ; Ở độ sâu khác nhau, tần số khác cho hệ số suy hao âm khác nhau; tần số cao, hệ số suy hao âm lớn Phương pháp mode chuẩn tương đối xác với vùng tần số thấp, phương pháp ứng dụng tương đối phổ biến với vùng nước nơng Tuynhiên việc lựa chọn mơ hình phụ thuộc vàođiều kiện môi trường cụ thể, ứng dụng cụ thể Do mơitrường có nhiều tham số ảnh hường đến trình truyền âm, báo đề cập đến cấu trúc lớp đáy, độ sâu, tần số nguồn phát Còn số tham số quan trọng khác thay đổi vận tốc âm, mật độ lớp, hệ số hấp thụ… ảnh hưởng lớn đến trình truyền âm Hướng phát triển tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng tham số khác đến trình truyền âm xây dựng mơ hình truyền sóng âm phức tạp hơnnhư mơ hình nhiều lớp, mơi trường khơng đồng số tham số chưa biết Có thể xây dựng số thuật toán nội suy để phán đoán số tham số môi trường Một số hướng tiếp nghiên cứu ứng dụng mơ hình để xây dựng thuật tốn xử lý tín hiệu việc phát xác định vị trí, nhận dạng mục tiêu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Urick, R.j “Principle of Underwater Sound, 3rd, Edn, McGraw – Hill”, New York, 1975 [2] Paul C Etter (2003), “Underwater Acoustic Modeling and Simulation”, Published in the Taylor & Francis e-Library, Taylor & Francis Group [3] L.M.Brekhovskikh and Y Lysanov, “Fundamentals of ocean acoustics”, either 2nd edition, Springer 1991 or 3rd edition, Springer 2003 [4] Katsnelson, B G., Petnikov, V G., “Shallow-water Acoustics” London, Springer & Praxis, 2002 88 T.P Ninh, T.Đ Khánh, B.N Mỹ, “Đánh giá tổn hao truyền sóng âm… nước nông.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [5] Xavier, B C., “Shallow Water Acoustic Propagation Models”, MSc Dissertation, Ocean Engineering, COPPE/UFRJ, Brazil, (2005) (in Portuguese) [6] J.A.F Santiago and L.C Wrobel, “A boundary element model for underwater acoustics in shallow waters”, Computer Modeling in Engineering & Science, 1, 7380, 2000 [7] “Underwater acoustic analysis, design and performance of sonar”, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, United Kingdom, Richard P Hodges, 2010 [8] F.B Jensen, W.A Kuperman, M.B Porter and H Schmidt, “Computational Ocean Acoustics”, American Institute of Physics, USA, 1994 ABSTRACT TRANMISSION LOSS EVALUATION OF ACOUSTIC PROPAGATON IN SHALLOW WATER The underwater Sound is researched widely in discovering surface ship, submarine, seism, communication and medicine Acoustic wave has high sensitivity in low range of frequencies The main objectives of acoustic model is to model acoustic transmission in different environments One of complex environment condition concerned is shallow water region Because shallow water region is limited by the surface and the bottom layer, acoustic waves in shallow water region will transmit through complex paths Therefore, the estimation of the effect of environment on acoustic transmission and the modeling of acoustic transmission in shallow water is a challege The purpose of this paper is an explaination for some modeling methods of acoustic transmission in shallow water region as well as estimating the effect of structure of bottom layer, the depth, transmit frequency on tranmission loss during acoustic transmission The results will be showed by mathlab simulation Keywords: Acoustic Propagation Model, Transmission Loss, Shallow Water Nhận ngày 28 tháng 01 năm 2016 Hoàn thiện ngày 19 tháng 02 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 23 tháng 02 năm 2016 Địa chỉ: Học viện Hải quân; Học viện Kỹ thuật quân sự; Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: daidaingoc@gmail.com; Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 89 ... trình truyền âm, đánh giá hiệu mơ hình âm 82 T.P Ninh, T.Đ Khánh, B.N Mỹ, Đánh giá tổn hao truyền sóng âm nước nông. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ 2.3 Khái niệm vùng nước nông Vùng nước nông vùng. .. lớp nước nơng lớp có độ sâu nhỏ 200m [2] 2.4 Truyền sóng âm vùng nước nông Do đặc điểm vùng nước nông nên việc truyền sóng âm phức tạp, trường âm thu trường tổng hợp tia phản xạ, khúc xạ… Ở vùng. .. thời đánh giá mức tổn hao truyền âm vùng biển nông theo số thông số môi trường địa lý lớp đáy, số mơ hình biển điển hình đánh giá ảnh hưởng chi phối lớp đáy tới tổn hao trình truyền âm vùng biển