luận án nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển vịnh bắc bộ việt nam phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN CƯƠNG NGHIÊNCỨUQUYLUẬTBIẾNĐỔIVẬNTỐCÂMVÀHỒN THIỆNQUYTRÌNHLẤYMẪUXÁCĐỊNHVẬNTỐCÂMTRONG MƠITRƯỜNGNƯỚCBIỂNKHUVỰCVỊNHBẮCBỘVIỆTNAM PHỤCVỤKHAITHÁCHIỆUQUẢCÁCTHIẾTBỊTHỦM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN CƯƠNG NGHIÊNCỨUQUYLUẬTBIẾNĐỔIVẬNTỐCÂMVÀHỒN THIỆNQUYTRÌNHLẤYMẪUXÁCĐỊNHVẬNTỐCÂMTRONG MƠITRƯỜNGNƯỚCBIỂNKHUVỰCVỊNHBẮCBỘVIỆTNAM PHỤCVỤKHAITHÁCHIỆUQUẢCÁCTHIẾTBỊTHỦYÂM Ngành: Kỹ thuật trắc địa - đồ Mã số: 9520503 Người hướng dẫn khoa học PGS.TS ĐẶNG NAM CHINH Hà Nội - Năm 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các kết nghiên cứu luận án có sở tìm hiểu tài liệu, phân tích cách trung thực, khách quan áp dụng điều kiện thực tiễn Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Cương ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH ẢNH viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Nội dung nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Các luận điểm bảo vệ Điểm luận án Cấu trúc luận án 10 Cơ sở tài liệu 11 Lời cảm ơn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬN TỐC ÂM VÀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ THỦY ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 1.1 Các cơng trình nghiên cứu giới vận tốc âm biến đổi vận tốc âm môi trường nước biển 1.1.1 Lịch sử phát triển ứng dụng công nghệ thủy âm 1.1.2 Các nghiên cứu nước vận tốc âm biến đổi vận tốc âm .10 1.2 Các cơng trình nghiên cứu Việt Nam vận tốc âm biến đổi vận tốc âm môi trường nước biển 13 1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng thiết bị thủy âm Việt Nam 15 iii 1.2.2 Các nghiên cứu vận tốc âm Việt Nam cơng bố tạp chí chun ngành 16 1.2.3 Các nghiên cứu biến đổi vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ 17 1.3 Kết luận chương 17 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM, PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 19 2.1 Khái quát thủy âm học 19 2.1.1 Nguồn âm, lượng âm đơn vị đo 19 2.1.2 Tần số âm độ rộng băng tần 23 2.1.3 Lan truyền sóng âm hiệu ứng vật lý sóng âm 24 2.1.4 Hấp thụ, tán xạ suy yếu sóng âm 26 2.2 Vận tốc sóng âm yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc sóng âm mơi trường nước biển 27 2.2.1 Vận tốc sóng âm mơi trường nước biển 27 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc sóng âm mơi trường nước biển 27 2.2.3 Các công thức thực nghiệm xác định vận tốc sóng âm mơi trường nước biển 28 2.3 Các phương pháp xác định vận tốc âm môi trường nước biển 35 2.3.1 Sử dụng trị đo hải văn (nhiệt độ, độ mặn, độ sâu) áp dụng công thức thực nghiệm xác định vận tốc âm, sai số xác định vận tốc âm môi trường nước biển 35 2.3.2 Máy đo vận tốc âm SVM (Sound Velocity Meter) 36 2.3.3 Xác đinh vận tốc âm bar check 39 2.4 Quy luật biến đổi vận tốc âm môi trường nước biển 39 2.4.1 Sự biến đổi vận tốc âm theo độ mặn 40 2.4.2 Sự biến đổi vận tốc âm theo nhiệt độ 40 iv 2.4.3 Sự biến đổi vận tốc âm theo độ sâu 41 2.5 Kết luận chương 42 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC ÂM ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐO THỦY ÂM, QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM TẠI VỊNH BẮC BỘ 44 3.1 Ảnh hưởng vận tốc âm tới thiết bị thủy âm 44 3.1.1 Đo sâu đơn tia 44 3.1.2 Đo sâu đa tia thủy âm quét sườn (side scan sonar) 47 3.1.3 Định vị thủy âm 51 3.2 Quy trình lấy mẫu vận tốc âm khảo sát thiết bị thủy âm 53 3.2.1 Quy trình đo sâu đơn tia 53 3.2.2 Quy trình đo sâu đa tia 55 3.2.3 Quy trình đo thủy âm quét sườn (Side Scan Sonar - SSS) 56 3.2.4 Quy trình định vị thủy âm 57 3.3 Các yêu cầu độ xác khảo sát thủy âm 59 3.3.1 Tiêu chuẩn độ xác Tổ chức Thủy đạc Quốc tế (IHO) cho công tác khảo sát đáy biển 59 3.3.2 Tiêu chuẩn độ xác đo sâu số quan thủy đạc quốc gia (Canada, New Zealand, Australia) 62 3.3.3 Các quy định kỹ thuật liên quan tới sử dụng máy đo sâu hồi âm Việt Nam 66 3.4 Quy luật biến đổi vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ .68 3.4.1 Khái quát chung đặc điểm địa lý, tự nhiên biển khu vực Vịnh Bắc Bộ 68 3.4.2 Số liệu vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ 72 3.4.3 Quy luật biển đổi vận tốc âm theo vị trí địa lý 85 3.4.4 Thay đổi vận tốc âm theo phương cột nước (Water colum) theo thời gian 98 v 3.5 Kết luận chương 100 CHƯƠNG XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VẬN TỐC ÂM VÀ HỒN THIỆN QUY TRÌNH LẤY MẪU VẬN TỐC ÂM KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ CHO CÁC THIẾT BỊ THỦY ÂM VÀ THỰC NGHIỆM CSDL 101 4.1 Cơ sở liệu vận tốc âm, đánh giá chất lượng số liệu 101 4.2 Xây dựng sở liệu vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ 108 4.2.1 Dữ liệu nguồn 108 4.2.2 Các đặc trưng kỹ thuật chuẩn hóa sở liệu .109 4.2.3 Khai thác sở liệu vận tốc âm 113 4.2.2 So sánh vận tốc âm sở liệu vận tốc âm thực tế 115 4.3 Đánh giá kết đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm 121 4.3.1 Quy trình lấy mẫu vận tốc âm theo văn pháp quy 121 4.3.2 Đề xuất hồn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm 125 4.4 Kết luận chương 129 KẾT LUẬN 130 KIẾN NGHỊ 132 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ 133 PHỤ LỤC Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng khu vực Vịnh Bắc Bộ 138 PHỤ LỤC Một phần số liệu sở liệu vận tốc âm sử dụng luận án 150 PHỤ LỤC Một phần số liệu vận tốc âm thực tế đo 153 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Hệ số công thức Del Grosso 29 Bảng 2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ, độ mặn, độ sâu tới xác định giá trị vận tốc âm 32 Bảng 2.3 Hệ số sử dụng công thức (2.21) 33 Bảng 2.4 Mẫu số liệu vận tốc âm xác định thiết bị SVP 15 38 Bảng 2.5 Nhiệt độ bề mặt trung bình 12 tháng năm 2006 2010 Bãi Cháy, Quảng Ninh 40 Bảng 3.1 Sai số xác định độ sâu mD với mt=10-5s 46 Bảng 3.2 Sai số xác định độ sâu mD với mt=10-4s 46 -3 Bảng 3.3 Sai số xác định độ sâu mD với mt=10 s 47 Bảng 3.4 Các chuẩn cho khảo sát thủy đạc (Theo S-44 IHO) .59 Bảng 3.5 Các chuẩn cho thủy đạc Cơ quan Thủy đạc Canada - CHS 62 Bảng 3.6 Độ xác đo sâu hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia SBES (Cơ quan Thủy đạc New Zealand) 64 Bảng 3.7 Khoảng cách tuyến đo đơn tia (Cơ quan Thủy đạc New Zealand) 64 Bảng 3.8 Tiêu chuẩn Hiệp hội nhà thầu Hàng hải quốc tế (IMCA) 65 Bảng 3.9 Sai số độ sâu cho phép đo sâu phục vụ thành lập đồ địa hình đáy biển 67 Bảng 3.10 Sai số trung phương đo sâu điểm ghi độ sâu so với độ cao điểm chuẩn độ cao (bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000) 67 Bảng 3.11 Sai số trung phương độ sâu đường đẳng sâu so với độ cao điểm chuẩn độ cao (bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1: 10.000) 67 Bảng 3.12 Số liệu đo nhiệt độ vị trí A 73 Bảng 3.13 Số liệu đo độ mặn vị trí A 74 Bảng 3.14 Số liệu đo nhiệt độ vị trí B 74 Bảng 3.15 Số liệu đo độ mặn vị trí B 75 vii Bảng 16 Số liệu đo nhiệt độ vị trí C 76 Bảng 3.17 Số liệu đo độ mặn vị trí C 76 Bảng 3.18 Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 12 tháng vị trí A 77 Bảng 3.19 Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 12 tháng vị trí B 79 Bảng 3.20 Xác định vận tốc âm V (m/s) theo mùa vị trí C 81 Bảng 4.1 So sánh số liệu WOD số liệu GDEMV 3.0 phục vụ việc chuẩn hóa liêu xây dựng sở liệu vận tốc âm 105 Bảng thành phần liệu tương ứng vào thực thể 111 Bảng khóa cho giá trị 112 Bảng 4.4 Chênh lệch vận tốc âm thực vận tốc âm sở liệu 116 Bảng 4.5 Chênh lệch độ sâu sử dụng vận tốc âm thực tế sở liệu 117 Bảng So sánh đánh giá độ tin cậy số liệu vận tốc âm CSLD số liệu vận tốc âm thực tế tỷ lệ đồ 1:10.000 118 Bảng 4.7 Độ xác tối thiểu thiết bị đo vẽ địa hình đáy biển 122 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mặt cắt theo độ sâu lưu vực nhiệt độ, độ mặn, mật độ oxy hòa tan biển Baltic, biển Địa Trung Hải, biển Đen [26] Hình 1.2 Phân bố bốc lượng mưa từ vĩ độ 40o N đến 50o S biển, [26] Hình 2.1 Độ rộng băng tần phát biến Hình 2.2 Độ phân giải chiều dài xung Hình 2.3 Nguyên lý khúc xạ tia âm Hình 2.4 Hệ số hấp thụ sóng âm theo nhiệt độ tần số Hình Sơ đồ nguyên lý máy đo vận tốc âm trực tiếp Hình 2.6 Số liệu vận tốc âm đo thiết bị xác định vận tốc âm SVP 15 Hình 2.7 Thơng số thiết bị xác định vận tốc âm svp - 15 Hình 2.8 Biểu đồ thay đổi vận tốc âm theo nhiệt độ độ mặn z=0m [18] 40 Hình 2.9 Biểu đồ biến đổi nhiệt độ trung bình năm 2006 2010 Bãi Cháy Hình 2.10 Sự biến đổi vận tốc âm theo độ sâu Hình 2.11 Mặt cắt nhiệt độ độ mặn theo độ sâu nước Hình 3.1 Nguyên lý đo sâu hồi âm đơn tia Hình 3.2 Ví dụ hệ thống đo đa tia ảnh hưởng vận tốc âm tới tia đo [38] 48 Hình 3.3 Hiện tượng khúc xạ âm qua lớp nước khác Hình 3.4 Sự thay đổi hướng tia vận tốc âm không biến đổi theo lớp nước Hình 3.5 Sự thay đổi hướng tia vận tốc âm biến đổi theo lớp nước 49 Hình 3.6 Thay đổi góc mở hệ thống đa tia 50 139 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng khu vực Vịnh Bắc Bộ 140 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng khu vực Vịnh Bắc Bộ 141 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng khu vực Vịnh Bắc Bộ 142 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng khu vực Vịnh Bắc Bộ 143 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng khu vực Vịnh Bắc Bộ 144 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng khu vực Vịnh Bắc Bộ 145 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng khu vực Vịnh Bắc Bộ 146 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng khu vực Vịnh Bắc Bộ 147 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng 10 khu vực Vịnh Bắc Bộ 148 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng 11 khu vực Vịnh Bắc Bộ 149 Bình độ sở liệu vận tốc âm trung bình tháng 12 khu vực Vịnh Bắc Bộ 150 PHỤ LỤC Một phần số liệu sở liệu vận tốc âm sử dụng luận án Lat:18.5Lon:105.75ValidDays:032-059 Pointsinprofile:3Mindepth:0Maxdepth: 019.93832.1061518.055 219.86332.11517.87 419.79132.1371517.745 Lat:18.75Lon:105.75ValidDays:032-059 Pointsinprofile:4Mindepth:0Maxdepth: 019.87232.041517.795 219.832.0711517.66 419.72932.1021517.53 619.67532.1761517.495 Lat:19Lon:105.75ValidDays:032-059 Pointsinprofile:6Mindepth:0Maxdepth: 019.70732.051517.345 219.63432.0721517.195 419.56132.0941517.045 619.50432.1561516.99 819.42932.3031516.975 1019.36832.4251516.97 Lat:19.25Lon:105.75ValidDays:032-059 Pointsinprofile:3Mindepth:0Maxdepth: 019.45532.1131516.705 219.37932.0881516.49 419.30432.1011516.325 Lat:19.5Lon:105.75ValidDays:032-059 Pointsinprofile:3Mindepth:0Maxdepth: 019.21432.1261516.03 219.13932.1011515.82 419.06432.1091515.65 151 Lat:18.25Lon:106ValidDays:032-059 Pointsinprofile:3Mindepth:0Maxdepth: 020.11332.2321518.685 220.04232.2451518.535 419.97432.2851518.42 Lat:18.5Lon:106ValidDays:032-059 Pointsinprofile:8Mindepth:0Maxdepth: 020.08832.1651518.54 220.02132.2031518.43 419.95432.2411518.315 619.90732.3161518.3 819.86132.4071518.305 1019.81932.4881518.31 1519.75832.4821518.215 2019.71432.7771518.505 Lat:18.75Lon:106ValidDays:032-059 Pointsinprofile:9Mindepth:0Maxdepth: 020.00632.1331518.275 219.93932.1711518.165 419.87332.2091518.055 619.82232.2831518.025 819.76332.41518.025 1019.71432.5021518.035 1519.64232.5021517.91 2019.5932.7891518.17 2519.56732.7821518.18 Lat:19Lon:106ValidDays:032-059 Pointsinprofile:9Mindepth:0Maxdepth: 019.78432.1261517.645 219.71632.1551517.52 419.64832.1841517.395 619.59132.2571517.345 152 819.51832.3891517.32 1019.45932.5061517.32 1519.37532.521517.18 2019.31432.7771517.375 2519.29432.771517.39 153 PHỤ LỤC Một phần số liệu vận tốc âm thực tế đo Previous File Location :1572864 No of Bytes Stored in Previous File :0 Model Name :MIDAS SVP 1000 File Name :UNKNOWN Site Information :CAILAN III Serial No :32236 No of Modules Connected :2 Fitted Address List :12;21; Parameters for each module :1;2; User Calibrations : 15;0.000000e+00;0.000000e+00;0.000000e+00;0.000000e+00;1.000000e+00;0.00 0000e+00 15;0.000000e+00;0.000000e+00;0.000000e+00;0.000000e+00;1.000000e+00;0.00 0000e+00 15;0.000000e+00;0.000000e+00;0.000000e+00;0.000000e+00;1.000000e+00;0.00 0000e+00 Secondary Cal Used :1;0;0;1;1;0; Gain :1000;0;0;10000;1000;0; Offset :0;0;0;0;-20000;0; Gain Control Settings :0;253; SD Selected Flag :1 Average Mode :NONE Moving Average Length :1 Sample Mode :TRIP Sample Interval :300 Sample Rate :8 Sample Period :1 Tare Setting :10.095 Tare Time Stamp :14/03/2011 16:03:55 Density :1025.973 ... pháp luận phân tích, xác định đặc điểm, quy luật biến đổi vận tốc âm môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam để hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm phục vụ khai thác hiệu thiết bị thủy. .. đổi vận tốc âm hồn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam phục vụ khai thác hiệu thiết bị thủy âm? ?? Mục tiêu nghiên cứu luận án Xác lập sở...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN CƯƠNG NGHIÊNCỨUQUYLUẬTBIẾNĐỔIVẬNTỐCÂMVÀHỒN THIỆNQUYTRÌNHLẤYMẪUXÁCĐỊNHVẬNTỐCÂMTRONG MƠITRƯỜNGNƯỚCBIỂNKHUVỰCVỊNHBẮCBỘVIỆTNAM PHỤCVỤKHAITHÁCHIỆUQUẢCÁCTHIẾTBỊTHỦM