LÝ THUYẾT VỀ MÁY ĐO SÂU

Ảnh hưởng bất thường của dòng hải lưu nóng, lạnh trong nước biển Khi máy ño sâu hoạt ñộng sóng siêu âm truyền ñi trong môi trường nước ñược coi là môi trường ñồng nhất như là ñồng nhất v[r]

www.hanghaikythuat.tk MÁY ðO SÂU Một thiết bị không thể thiếu tàu ñó là máy ño sâu hàng hải – dụng cụ dùng ñể xác ñịnh ñộ sâu vùng nước tàu ñang hoạt ñộng Không có vậy, máy ño sâu còn có thể ñược sử dụng hỗ trợ tàu ñiều ñộng luồng lạch hẹp, công tác neo và thu neo, ñảm bảo an toàn cho hành trình.Ngoài ra, máy ño sâu và thiết bị thủy âm khác còn ñược ứng dụng rộng rãi lĩnh vực nghiên cứu khoa học khảo sát ñịa chất, thủy văn Trước tìm hiểu sâu máy ño sâu phục vụ ngành hàng hải chương 2, ta tiếp cận với phần lý thuyết sở sóng âm và việc truyền sóng âm môi trường nước biển , từ ñó có cái nhin toàn diện thao tác, vận hành, khai thác tốt máy ño sâu phục vụ công tác dẫn tàu an toàn, hiệu CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT SÓNG ÂM 1 Sóng âm 1.1.1 Khái niệm Âm là tượng vật lí, là trường hợp riêng dao ñộng học chuyển ñộng môi trường ñàn hồi Nguồn âm có thể là hệ thống dao ñộng học ñặt môi trường chất lỏng Trong quá trình dao ñộng, hệ thống truyền phần lượng tới phân tử môi trường bao quanh nó Những phân tử này bắt ñầu lệch khỏi vị trí ban ñầu chúng Những phân tử môi trường nối với lực ñàn hồi Nếu chúng lệch khỏi vị trí cân thì các lực tác dụng từ các phân tử bên cạnh làm cho nó trở lại ví trí ban ñầu nó Sau ñó, theo quán tính nó chuyển ñộng tiếp phía ngược lại Như phần tử dao ñộng xung quanh vị trí cân nó Bởi vì ñiều kiện thực tế, môi trường không có lực ñàn hồi tác dụng mà còn có lực ma sát nên sau kích ñộng thì dao ñộng phân tử tắt ñi nhanh Sự dịch chuyển phân tử làm cho phân tử bên cạnh lệch ñi khỏi vị trí cân chúng Từ ñây ta thấy kích ñộng xảy nơi ñịnh môi trường truyền lan tới các phân tử 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 âm Nếu lực kích ñộng tác dụng theo chu kỳ thì quá trình truyền âm theo chu kỳ không theo thời gian mà không gian, nghĩa là nó mang tính chất sóng Bởi vì phân tử bắt ñầu chuyển ñộng chậm phân tử trước nó, nên môi trường hình thành vùng dày ñặc và vùng thưa thớt cách nhau.Khi hình thành vùng dày ñặc thì áp lực và nồng ñộ môi trường tăng lên và vùng thưa thớt thì giảm Không gian ñó hình thành âm áp gọi là trường âm 1.1.2 Những ñặc tính trường âm Những ñặc tính trường âm: truyền âm là quá trình phức tạp, gồm tượng vật lý khác Những ñặc tính quan trọng ñó là: - Các phân tử chất lỏng không ảnh hưởng tới sóng âm, chúng dao ñộng quanh vị trí cân chúng - Tốc ñộ âm là tốc ñộ 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 trường âm hình thành chuỗi dày phân tử và chuỗi thưa cách ñều Quá trình ñó dẫn tới thay ñổi áp lực và nồng ñộ môi trường Sự nén và kéo theo chu kỳ có thể phá vỡ cân nhiệt ñộng môi trường và gây nên thay ñổi nhiều mức phân tử 1.1.3 Phân loại sóng âm www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk 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, có thể truyền lan sóng dọc Hình dạng sóng âm ñược xác ñịnh dạng làn sóng Làn sóng là vùng mặt mà các ñiểm ñó ñều có cùng 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 16kHz) Trong hàng hải thường sử dụng sóng siêu âm có tần số dao ñộng lớn 20kHz Nếu nguồn âm là 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 mặt thì sóng âm có dạng mặt 1.1.4 Những thông số trường âm ðể tiếp tục phân tích trường âm, ta ñưa vào ñại lượng vật lý thông dụng mà ta gọi là thông số trường âm Những thông số ñó cần chọn cho chúng bao hàm hết tượng xảy trường âm, dao ñộng các phân tử và thay ñổi áp lực, nồng ñộ chất lỏng và lượng + Sự thay ñổi áp lực môi trường có âm tác ñộng so với ban ñầu ñược ñánh giá âm áp p ðại lượng p ñược xác ñịnh biểu thức: p = p1 - p0 Trong ñó: (1) (ñơn vị: mbar) p0 trị số áp lực môi trường không có sóng âm P1 trị số áp lực môi trường có sóng âm Sự thay ñổi nồng ñộ chất lỏng thường ñược xác ñịnh ñộ ñông ñặc nó: æ= ρ1 − ρ ρ0 + Cường ñộ sóng âm là số lượng mà sóng âm chuyển qua ñơn vị diện tích ñặt vuông góc với hướng truyền lan nó ñơn vị thời gian Nó là ñặc trưng trường âm Kí hiệu I và ñược ño W/m2 + Sóng âm ñược ñặc trưng các thông số sau: - Bước sóng λ âm là khoảng cách miền dày ñặc và miền thưa thớt - Biên ñộ A là ñộ lệch lớn phân tử so với vị trí cân - Chu kỳ T là khoảng thời gian hoàn thành dao ñộng môi trường ñàn hồi - Tần số f là số lượng sóng truyền qua môi trường ñơn vị thời gian - Tốc ñộ truyền lan âm môi trường phụ thuộc vào tính chất môi trường ñó Do các phần tử môi trường ñàn hồi có trọng, khối khác lực ñàn hồi chúng là khác nên tốc ñộ truyền âm môi trường là khác Công thức tính tốc ñộ truyền âm: C= E ρ (m/s) E: mô ñun ñàn hồi ρ: tỉ trọng môi trường www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Trong môi trường chất lỏng: C= E Kρ (m/s) K: hệ số nén, là ñại lượng nghịch ñảo E chất lỏng không giới hạn Tính chất sóng âm 1.2.1 Tính phản xạ và khúc xạ sóng âm Nếu quá trình truyền lan sóng âm gặp mặt phân chia môi trường và (ví dụ ñáy biển) có kích thước lớn nhiều chiều dài sóng thì ta quan sát thấy tượng phần lượng nó ñi trở lại môi trường và phần lượng ñi vào môi trường Hiện tượng ñó ñược gọi là phản xạ và khúc xạ sóng âm Khi tia âm truyền qua hai môi trường ñồng ñược ñặc trưng các âm kháng Z1=ρ1C1 và Z2=ρ2C2 Trên hình vẽ 1, giả sử C2 > C1, theo lý thuyết tia chiếu, áp dụng ñịnh luật quang học ta có : α1 α’1 α2 Hình vẽ 1.1 + Góc tới góc phản xạ: α1 = α’1 sin α C1 + sin α = C = η 2 Trong ñó: η là hệ số khúc xạ α’1 và α2 là góc phản xạ và góc khúc xạ tương ứng Như vậy, ta có: tỷ số sin góc tới αt và góc khúc xạ α2 tỷ số tốc ñộ C1 và C2 sóng âm Nếu trên ñường truyền lan sóng âm có nhiều lớp chất lỏng song song có tính chất thuỷ âm học khác thì ta có ñẳng thức sau: C3 C1 C2 = = = = const sin α t1 sin α t sin α t Các tỷ số hình học tìm ñược xuất phát từ giả thiết mặt phản xạ là mặt phẳng Chúng ñúng với trường hợp nào kích thước vật cản lớn chiều dài sóng nhiều lần Sự phản xạ gọi là phản xạ gương Trong thực tế bề mặt phân cách xẩy tượng phân kỳ, phản xạ gương, phản xạ cộng hưởng, khúc xạ và tán xạ vì mặt phân cách không nhẵn Kết luận: www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk - Nếu tốc ñộ truyền âm môi trường có nghĩa là sin các góc thì không có khúc xạ - Nếu sóng âm truyền từ môi trường sang ñó C1 > C2 thì tia khúc xạ lệch phía gần mặt ngăn cách - Nếu tăng góc tới α1 tới α2 = 90 thì sóng âm không vào môi trường 2, tăng α1 sóng âm phản xạ hoàn toàn Khi ñó α1 gọi lá góc giới hạn C1 α GH = arc sin C = arcsin η Quan hệ lượng: Quan hệ lượng sóng tới, sóng phản xạ và sóng khúc xạ thường ñược xác ñịnh hệ số phản xạ A và khúc xạ B Trong trường hợp sóng tới vuông góc với mặt ngăn hệ số ñó ñược xác ñịnh 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 ñó: q = ρ c 2 Z1 = ρ1C1: là âm kháng môi trường Z2 = ρ2C2: là âm kháng môi trường Trên sở các biểu thức trên ta có thể rút kết luận: Nếu âm kháng các môi trường nhau, nghĩa là ρ1.C1= ρ2.C2 thì toàn lượng chuyển từ môi trường sang môi trường hai Khi có ñiều kiện ρ1C1>> ρ2C2 ρ1C1<< ρ2C2 thì tất lượng âm phản xạ trở lại môi trường ñầu Nếu âm kháng các môi trường khác không nhiều thì phụ thuộc vào trị số q mà phần âm phản xạ, phần ñi vào môi trường thứ hai và phần bị nhiễu xạ Quan hệ pha: Nếu thực ñiều kiện ρ1C1<< ρ2C2 thì phản xạ âm diễn không bị thay ñổi pha tốc ñộ dao ñộng và âm áp Trong trường hợp ρ1C1>> ρ2C2 thì phản xạ xảy với thay ñổi pha 1800 Khi màng phát, phát sóng siêu âm thì sóng siêu âm chia làm hai hướng chính: - Hướng công suất búp chính phát xuyên xuống ñáy biển ñể ño sâu - Một phần sóng siêu âm búp phụ gây truyền lan theo phương ngang Sự phản xạ sóng âm từ ñáy biển: Lớp trên ñáy biển trực tiếp tiếp xúc với nước có thể có cấu trúc khác Nơi này là ñá cứng, nơi là bùn nhão, nơi khác lại là hạt nhỏ lẫn với nước Thực tế thì sóng âm ñi tới ñáy biển thì tuỳ thuộc vào loại ñáy biển, mà phần lượng ñịnh nó truyền vào ñáy biển và bị ñáy biển hấp thụ Phân tích lượng sóng âm ñi tới ñáy biển thật là phức tạp vì lúc ñó có hình thành sóng âm có dạng phức tạp gồm thành phần sóng dọc và sóng ngang Lý thuyết cho ta hệ số tiêu hao β1 sóng dọc ñáy biển sau: www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk ω β = S1 c Trong ñó: - ω : t ần s ố - C1: tốc ñộ truyền lan sóng dọc ñáy biển - S1: hệ số mát Ta có thể tính ñược hệ số ñó phương pháp giải tích Nhưng thường thì người ta có ñược trị số nó phương pháp thực nghiệm đáy biển không phẳng gây nên phân tán lượng sóng ựi nhiều Trong trường hợp ñó mà kích thước ñộ gồ ghề ñáy biển nhỏ chiều dài sóng thì phản xạ giống trên mặt phẳng Nếu ñộ gồ ghề ñủ lớn thì phần lượng sóng tới phân tán ñi hướng Sự phản xạ gọi là khuếch tán Như trường âm sóng phản xạ ñược xác ñịnh yếu tố bản: âm kháng nước biển, cấu trúc ñáy biển và hình thù nó Trong bảng ñây cho ta thấy trị số hệ số phản xạ ñáy biển: đáy Ảnh A% đáy Ảnh A% đá granit Nét 70 - 80 Cát bùn Kém 10 - 20 đá hộc lớn Nét 60 - 70 Băng Kém 10 - 15 Cát Nét 50 - 60 Bùn nhão Kém - 10 Sự phản xạ từ mặt biển sóng âm: Khi truyền lan âm biển thì mặt biển ñóng vai trò quan trọng Vì các nguồn và máy thu âm không phải là hoàn toàn ñịnh hướng tốt nên máy thu luôn có thể có sóng phản xạ từ mặt biển ñi tới Cường ñộ sóng phản xạ ñó phụ thuộc vào trạng thái mặt biển Sóng biển lớn, sóng gợn ñều có ảnh hưởng ñến phản xạ ñó Nói chung, sóng biển lớn có ñặc tính tự do, tham số sóng biển luôn biến ñổi Thực tế ñó gây nên khó khăn lớn việc phân tích toán học Nhưng xét khoảng thời gian ngắn thì phản xạ từ mặt biển tương tự phản xạ ñáy biển không phẳng Vì mặt biển có nhiều hình thù khác nên lượng sóng âm có thể hội tụ lại trường hợp phân tán trường hợp khác Kết luận: - Khi ño sâu người ta ứng dụng tia siêu âm búp chính tạo Muốn phải phát ñịnh hướng với góc mở α nhỏ (thông thường chọn từ 350 ñến 450) - ðối với tia búp phụ gây nhiễu cho máy ño sâu, nhà chế tạo tìm cách hạn chế giảm thiểu công suất búp phụ (thường nhỏ 3% công suất búp chính) 1.2.2 Sự giao thoa sóng âm Như ta ñã biết vật lí chứng minh rằng, có nhiều nguồn sóng có biên ñộ nhỏ, cùng tần số (hoặc tần số xấp xỉ nhau) cùng truyền qua môi trường ñàn hồi nào ñó, thì sóng âm hai nguồn ñan xen vào nhau, vùng ñan xen hai sóng gọi là vùng giao thoa sóng âm, vùng giao thoa sóng âm càng lớn thì nhiễu giao thoa càng nhiều (ðối với sóng vô tuyến, sóng ánh sáng tuân theo quy luật này) Bây ta xét nguồn phát sóng âm ñiểm O1 có phương trình sau: x = a cosω t Nguồn phát sóng thứ hai ñiểm O2: x = a cosω t 2 www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Tại ñiểm M không gian phương trình truyền sóng nguồn O1 và O2 sinh x = a cos (ω t − 2π r ) 1 λ ; x = a cos (ω t − 2π r 2 λ ) Trong ñó: - a1 và a2 là biên ñộ dao ñộng - ω0 là tần số góc - r1 và r2 là khoảng cách truyền sóng từ ñiểm O1 và O2 ñến ñiểm M Vậy ñiểm này pha dao ñộng tổng hợp hai dao ñộng sóng là:  φ2 - φ1 =  2π r −  − 2π r1  = 2π ( − λ   λ − ) λ r r   Biên ñộ dao ñộng ñược xác ñịnh theo công thức sau: A= a12 + a 22 + 2a1a cos 2π λ (r1− r 2) Nhận xét: - Nếu r1 và r2 không; r1 - r2 =k.λ (k là số nguyên) 2 Amax = a1 + a + 2a1a = (a1+ a2) = a +a Biên ñộ cực ñại, lượng lớn phát các máy thu có cùng tần số tạo nên nhiễu giao thoa là lớn - Nếu r1 - r2 = (2k +1) thì Amin = λ a12 + a22 − 2a1a = (a1− a 2) = a −a Ta thấy biên ñộ cực tiểu tín hiệu sóng âm phản xạ các máy thu là bé không tồn nhiễu trên máy thu Trường hợp nguồn phát nào ñó có công suất lớn a1>> a2 a1<< a2 thì máy thu có nguồn phát nhỏ bị nhiễu loạn Người ta ñã chứng minh ñược quỹ tích các ñường giao thoa là các ñường hypebôn www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Giao thoa cực ñại O2 O1 r1 r2 Giao thoa cực tiểu M Hình vẽ 2.2 1.2.3 Nhiễu xạ sóng âm Sóng âm có khả uốn cong nó gặp vật nào ñó trên ñường truyền lan Hiện tượng ñó gọi là nhiễu xạ Nhiễu xạ càng mạnh kích thước vật cản nhỏ so với chiều dài sóng Trong trường hợp ñó, ta quan sát thấy lượng phân tán ñều các hướng Nếu kích thước vật cản lớn chiều dài bước sóng thì xảy tượng nhiễu xạ Nhưng ñằng sau vật cản hình thành vùng bóng râm, mà ñó không có sóng âm ñi qua ðồng thời trường âm ñằng trước vật cản trở nên phức tạp có tượng giao thoa sóng tới, sóng phản xạ và sóng nhiễu xạ Kết là máy thu ta nhận ñược áp lực khác xa với áp lực sóng tới Hiện tượng nhiễu xạ ta có thể giải thích cái gọi là nhiễu loạn số các máy ño sâu hồi âm mà ta thấy thời ñiểm phát, ki tàu hình cong tác ñộng lên máy thu 1.2.4 Sóng âm ñi qua màng ngăn mỏng Ta hãy khảo sát vấn ñề sóng âm ñi qua màng ngăn mỏng Trường hợp này có ý nghĩa thực tế lắp ráp dao ñộng máy hồi âm mà không cần xẻ ñáy tàu Những hệ thức lượng cần thiết có thể có ñược cách phân tích sóng phản xạ và sóng khúc xạ sóng âm ñi qua mép và mép ngoài vỏ tàu Sự phân tích này không khác với phân tích trường hợp sóng âm ñi qua mặt ngăn trước ñây Nhưng nó tương ñối khó nên ñây ta khảo sát mặt thực chất tượng Từ công thức (2) và (3) ta thấy cường ñộ sóng ñi qua vỏ càng lớn càng thực ñúng ñẳng thức: ρ1C1 = ρ2C2 = ρ3C3 ðể thực ñược ñiều kiện ñó, thường người ta ñặt màng dao ñộng thùng chứa dung dịch có âm kháng gần âm kháng nước biển (ví dụ chất dầu KactopBae) Tình trạng càng tốt vỏ tàu chỗ ñặt thùng chứa màng dao ñộng ñược làm chất có âm kháng Những chất thông âm là chất vài loại cao su và nhựa êbôxit Năng lượng truyền vào các phân tử nước biển ngoài còn phụ thuộc vào chiều dày vỏ tàu Vì âm kháng chất lỏng nằm hai bên vỏ tàu có khác nhiều với âm kháng vỏ tàu Nếu theo chiều dày vỏ tàu có nguyên nửa sóng, nó hình thành cộng hưởng và sóng âm truyền qua không bị tiêu hao lượng Ta nên chọn khoảng cách từ mặt màng dao ñộng ñến mặt ñáy tàu (s) theo ñiều kiện sau: s = (2n + 1) λ1 ñó n = 1, 2, www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk 1.2.5 Truyền lan sóng âm chất lỏng chuyển ñộng Khảo sát truyền lan sóng âm chất lỏng chuyển ñộng có ý nghĩa không kém phần quan trọng ñối với thực tiễn, vì nước biển (chưa kể ñến sông) thường có dòng nước có tốc ñộ ñạt tới vài nơ Khi sóng âm lan truyền chất lỏng chuyển ñộng, tốc ñộ tuyệt ñối chuyển dịch các thành phần làn sóng dọc theo tia sóng tổng hình học véctơ tốc ñộ theo và véc tơ tốc ñộ tương ñối Véctơ tia tốc ñộ bây không trùng với pháp tuyến làn sóng Khi ñó hình dạng tia âm khác với ñường thẳng, ñồng thời dịch chuyển này làm thay ñổi tần số sóng âm Như vậy, chuyển ñộng môi trường dẫn tới thay ñổi quang cảnh trường âm - thay ñổi hai tham số quan trọng sóng là: tốc ñộ truyền lan và tần số 1.2.6 Sự truyền lan sóng âm nước biển Trong biển sâu, lớp nước biển không thể xem là lớp nước ñồng có ñộ dính ñược Vì có phần tử bùn, khoáng chất, có bọt khí, có gradian nhiệt ñộ và ñộ mặn, tỉ trọng tăng giảm thất thường nên ta có thể coi nước biển là môi trường không ñồng Môi trường không ñồng ñó ñòi hỏi ta phải khảo sát ñặc biệt truyền âm ñó, ví dụ phải xét hàm số tốc ñộ c=f(x, y, z, t), nhiễu xạ sóng âm, phân tán sóng âm phụ trường âm Tất tượng ñó ñều có ý nghĩa thực tế lớn Tốc ñộ truyền sóng âm nước biển - tính chất thuỷ âm có tầm ñịnh lớn thực chất truyền lan sóng âm và ñộ chính xác các máy thuỷ âm hoạt ñộng Tốc ñộ truyền âm nước biển ñược tính theo công thức: C2 = Trong ñó: C= ρ K suy ρ K (4) - C: tốc ñộ âm - ρ: tỉ trọng môi trường - K: hệ số nén Sự khảo sát thực tế cho ta thấy ñại lượng nằm công thức tính tốc ñộ truyền âm ñều là hàm số ñộ mặn S0/00, nhiệt ñộ t0 và áp lực P0, nghĩa là: K = f1(t0, S0/00, H, P0) và ρ = f2 (t0, S0/00, H, P0) + Nếu nhiệt ñộ tăng thì ρ giảm, K giảm ñó C tăng (chủ yếu) + Nếu ñộ mặn S0/00 tăng thì ρ tăng (không ñáng kể so với K), K giảm ñó C tăng + Nếu ựộ sâu tăng thì S0/00 tăng, P0 tăng, còn nhiệt ựộ tăng mùa đông, giảm mùa Hè Theo chiều sâu ảnh hưởng C chủ yếu là P0 Theo bề ngang ảnh hưởng C chủ yếu là nhiệt ñộ Tỉ trọng nước biển tăng lên áp lực P0 tăng ñộ mặn S0/00 tăng, còn nhiệt ñộ t0 tăng nó giảm Nhưng thay ñổi ρ so với thay ñổi hệ số nén K nhỏ và ta có thể bỏ qua K giảm t0, S0/00 và P0 tăng, ñó P0 ít ảnh hưởng tới thay ñổi Trong thực tế thì các ñại lượng t0, S0/00 và P0 nước biển là không cố ñịnh theo thời gian không gian và theo hướng nằm ngang khoảng cách ngắn ta có thể xem gradian ñại lượng trên là thì theo hướng thẳng ñứng nhiệt ñộ, ñộ mặn và áp lực thuỷ tĩnh phụ thuộc nhiều vào ñộ sâu Trong ñó có S0/00 và P0 tăng lên cùng với ñộ sâu, còn t0 có thể là tăng, có thể là giảm Về mùa hè mà lớp nước trên biển bị nung nóng nhiều thì nhiệt ñộ giảm ñộ sâu tăng, mà nó có thể thay ñổi 0,10 ñộ sâu thay ñổi 1m Về mùa ñông thì ngược lại, nhiệt ñộ tăng lên ñộ sâu tăng Nhưng gradian nhiệt ñộ thường không qua 0,010 trên mét Sự thay ñổi K và ρ nhiệt ñộ không cố ñịnh, ñộ mặn và áp lực thuỷ tĩnh thay ñổi là quan hệ hàm số: www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk C = f (t0, S0/00, H, P0) C = 1440 ñến 1585 m/s bảng 34A-34B MT 63 Tốc ñộ lan truyền âm nước biển ñược lấy gần ñúng là 1500 m/s 1.2.7 Ứng dụng sóng âm Sóng âm ñược ứng dụng rộng rãi các lĩnh vực kinh tế quốc dân, quốc phòng, ñặc biệt là sóng siêu âm có tác dụng lớn Trong ngành hàng hải, người ta dùng sóng siêu âm ñể ño sâu, ño sâu kết hợp với dò cá, chế tạo máy ño ñộ dày tôn, dùng sang siêu âm ñể kiểm tra chất lượng mối hàn CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MÁY ðO SÂU 2.1 Khái quát chung máy ño sâu 2.1.1 Khái niệm: Máy ño sâu là thiết bị ñiện dùng ñể xác ñịnh ñộ sâu lớp nước ñáy tàu ðể làm ñược ñiều này người ta ứng dụng tính chất phản xạ sóng âm và thông qua việc ño thời gian lan truyền sóng âm từ phát tới thu ñược ñể tính ñộ sâu ñáy biển ki tàu: 2.1.2 Cấu tạo và vị trí lắp ñặt trên tàu: nhìn chung máy ño sâu gồm khối chính là khối nguồn, khối ñiều khiển và báo và khối thu phát a Khối nguồn: có nhiệm vụ chuyển ñối nguồn ñiện tàu thành các dạng ñiện áp phù hợp ñể cung cấp cho hoạt ñộng máy ño sâu Khối này thường ñược lắp ñặt trên buồng lái, phòng thiết bị ñiện b Khối ñiều khiển và báo: có nhiệm vụ ñiều khiển hoạt ñộng thống toàn máy ño sâu và hiển thị ñộ sâu ño ñược Sự hoạt ñộng thống thể chỗ: - Trong thời gian phát xung thì mạch thu ngừng hoạt ñộng và phát chuyển sang thu tín hiệu phản xạ trở - xong thì Vệt ñánh dấu không ñộ sâu phải tương ứng với vị trí trên thang ño Việc báo ñộ sâu có thể ñược thực cách sau: - Chỉ báo số: giá trị ñộ sâu ñược hiển thị số tương ứng với ñơn vị ñộ sâu ñã chọn - Chỉ báo ñèn (phương pháp thị): tín hiệu phản xạ trở thu ñược làm sáng ñèn trên mặt báo và ta có ñộ sâu ño ñược tương ứng với vị trí ñèn sáng thang ño - Chỉ báo cách ghi lại vệt ñộ sâu trên băng giấy (phương pháp tự ghi): tín hiệu phản xạ trở thu ựược làm cháy băng giấy tự ghi và ựể lại vệt ựen đó là hình ảnh ựường viền ñáy biển ðộ sâu ñáy biển chính là số trên thang ño tương ứng với vị trí băng giấy bị ñốt cháy - Phương pháp ñiện tử: tín hiệu phản xạ trở thu ñược làm xuất vệt sáng ngang trên màn hình và số trên thang ño tương ứng với vị trí vệt sáng là ñộ sâu ño ñược Khối này ñược lắp ñặt trên buồng lái, phòng hải ñồ c Khối thu phát: có nhiệm vụ tạo xung siêu âm phát vuông góc với ñáy tàu phía ñáy biển và thu tín hiệu phản xạ trở về, biến nó thành tín hiệu ñiện ñể chuyển tới khối ñiều khiển và báo Khối này thường gồm tạo xung ñiện áp cao, màng dao ñộng thu, phát và khuếch ñại Màng dao www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk ñộng thường dùng là màng dao ñộng gião từ Khối này thường ñược ñặt khoang nhỏ ñáy tàu Khoang này thường ñược ñặt trước mặt phẳng sườn giữa, cạnh ki tàu Thông thường người ta khoét lỗ nhỏ ñáy tàu và màng dao ñộng ñược ñặt ñó với màng bảo vệ bên ngoài và cấu ñịnh vị chắn nó với vỏ ñáy tàu 2.2 Nguyên lý hoạt ñộng máy ño sâu hồi âm h Hình vẽ 2.1 Ở ñáy tàu người ta ñặt màng dao ñộng thu phát sóng siêu âm Tại thời ñiểm t1 ta phát sóng siêu âm xiên qua nước Sóng siêu âm truyền lan xuống ñáy biển gặp ñáy biển không ñồng chất với nước, phần lượng bị hấp thụ, phần sóng siêu âm phản xạ trở lại môi trường nước màng thu sóng siêu âm ñáy tàu Từ hình vẽ (2) ta có công thức tính ñộ sâu sau: h= C ∆t (5) Trong ñó: C là tốc ñộ truyền âm nước (C= 1.500 m/s) ∆t là khoảng thời gian phát, thu sóng siêu âm www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Nhìn vào công thức (5) ta thấy muốn ño sâu ta cần ño khoảng thời gian từ phát ñến thu ñược tín hiệu sóng siêu âm phản xạ trở là xong Nếu vận tốc C tính m/s thì ñộ sâu h tính m Nếu vận tốc C tính feet/s thì ñộ sâu h tính feet Trong người ta dùng công thức (5) ñể khắc thước ñộ sâu thước khắc ñộ sâu là ñều Sơ ñồ nguyên lý hoạt ñộng máy ño sâu sau: Trung tâm ñiều khiển Máy phát Khối báo Khối khuếch ñại Màng thu phát ( có chuyển mạch- ñối với màng thu phát kép) đáy biển Hình vẽ 2.3 Trung tâm ñiều khiển & Khối báo: ñiều khiển hoạt ñộng thống máy phát, máy thu và máy báo- báo ñộ sâu ño ñược dạng số, băng giấy tự ghi, www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Máy phát: tạo xung ñiện áp cao ñể ñưa xuống màng dao ñộng thu phát Nếu máy phát có công suất lớn ñược bố trí ñặt hộp riêng Màng dao ñộng thu phát: biến tín hiệu ñiện từ máy phát thành dao ñộng học tạo xung siêu âm phát vào môi trường và thu tín hiệu xung siêu âm phản xạ trở và biến ñổi thành tín hiệu ñiện ñể ñưa tới khuếch ñại Bộ khuếch ñại: khuếch ñại tín hiệu nhận ñược từ màng dao ñộng thu phát lên ñủ lớn ñể ñưa tới trung tâm ñiều khiển Nguyên lý cấu tạo màng dao ñộng thu, phát sóng siêu âm 2.3.1, Phương pháp1: Nguyên lý co, giãn từ thuận, nghịch A Nguyên lý co, giãn từ thuận: Người ta lấy Niken Cobalt kim loại khác nhiễm từ tính Sau ñó cho dòng ñiện xoay chiều chạy qua cuộn dây quấn xung quanh nó Người ta thấy Niken thay ñổi chiều dài ñoạn là l, ñoạn này phụ thuộc vào tần số nguồn ñiện xoay chiều chạy qua cuộn dây Niken Hình vẽ 2.4 s ∆l = Y(ωo) Y là quy luật thay ñổi chiều dài ωo là tần số góc nguồn xoay chiều Người ta áp dụng nguyên lý này ñể chế tạo màng phát sóng siêu âm Nhược ñiểm nguồn cung cấp cho màng phát lớn, kích thước màng phát cồng kềnh, tần số phát màng phát phạm vi f = 23 ñến 35kHz B Nguyên lý co, giãn từ nghịch: Người ta ñặt Niken Cobalt vào lòng cuộn dây Sau ñó dùng lực học tác ñộng kéo, nén Niken, thì thấy lòng cuộn dây xuất suất ñiện ñộng cảm ứng Suất ñiện ñộng này phụ thuộc vào tần số kéo, nén Người ta áp dụng nguyên lý này ñể chế tạo màng thu sóng siêu âm Trong thực tế ít áp dụng phương pháp trên F V Hình vẽ 2.5 F 2.3.2 Phương pháp 2: Nguyên lý hiệu ứng áp ñiện www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk A ðặt tinh thể thạch anh vào hai cực tụ ñiện và ñưa dòng ñiện xoay chiều chạy qua hai cực này, ta thấy tinh thể thạch anh dao ñộng, mặt ngoài tinh thể thạch anh sát hai cực tụ ñiện xuất ñiện tích trái dấu với hai cực tụ ñiện, chu kỳ xuất trái dấu phụ thuộc vào tần số nguồn ñiện xoay chiều Dưới tác dụng ñiện trường thạch anh và ñiện trường ngoài, làm cho tinh thể thạch anh bị co giãn liên tiếp phát sóng siêu âm + A A ++++++++ + ++++++++ B + B Hình vẽ 2.6 Người ta ứng dụng nguyên lý này ñể chế tạo màng dao ñộng phát sóng siêu âm Ưu ñiểm: Kích thước màng dao ñộng gọn nhẹ, tần số dao ñộng tương ñối cao, f = 120 ñến 312 kHz (Có thể ñạt tới 50MHz) Nguồn cung cấp thấp (năng lượng tiêu thụ thấp) B ðặt tinh thể thạch anh hai cực Dùng lực học ñể kéo nén tinh thể thạch anh, thì thấy mặt ngoài tinh thể thạch anh xuất ñiện áp trái dấu phụ thuộc vào tần số kéo nén Người ta ứng dụng nguyên lý này ñể chế tạo màng thu sóng siêu âm F F ++++++++ + ++++++++ F F Hình vẽ 2.7 2.4 Những thông số máy ño sâu hàng hải Máy ựo sâu hồi âm ựược ựặc trưng thông số khai thác và kỹ thuật ựịnh đó là thông số xung, khoảng ño sâu, tần số phát xung, phương hướng tính màng dao ñộng, khả ño ñộ sâu, ñộ chính xác ño ñạc Ý nghĩa và ñặc ñiểm cấu tạo máy ño sâu hồi âm phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật và khai thác Ta hãy khảo sát kỹ các thông số máy ño sâu hồi âm hàng hải ñể có thể lựa chọn chúng ñược Phần lớn các máy ño sâu hồi âm hoạt ñộng chế ñộ xung Người ta phân biệt xung theo dạng ñường viền nó, theo tần số xung, theo ñộ kéo dài xung và tần số lặp lại xung Thường người ta hay dùng loại xung vuông và xung nhọn cưa Xung vuông là xung dao www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk ñộng không tắt ðường viền chúng có dạng góc vuông và có chứa 30 - 40 dao ñộng Xung nhọn cưa ñường viền nó có dạng nhọn, chứa dao ñộng tắt dần 2.4.1 ðộ rộng xung phát τx: là khoảng thời gian phát xong xung phát, ñơn vị là giây 2.4.2 Chu kỳ lập xung Tx: là khoảng thời gian từ kết thúc phát xong xung phát thứ ñến kết thúc phát xung thứ hai, ñơn vị là giây τx PX t Tx 2.4.3 Tần số lập xung Fx: là số xung ñược phát thời gian giây, ñơn vị là xung/giây Fx = 1/Tx 2.4.4 Hệ số ñịnh hướng màng thu, phát sóng siêu âm: là khả phát tập trung lượng theo chùm búp vói các góc mở hẹp Với cùng công suất phát, phát ñịnh hướng thì tầm xa quan sát sóng siêu âm lên lớn Năng lượng màng phát phát ñược tập trung vào búp chính khoảng 95 % ñến 97 % 4.π S GA= k k λ.2 Ta có: (6) Trong ñó: k1, k2 là hệ số phụ thuộc vào hình dáng màng thu phát (Hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật) S là diện tích hiệu dụng màng phát Half power angle α Main beam direction Pmax 95% Pmax 95% Pmax Direction of minimum powwer Búp phát sóng siêu âm Hình vẽ 2.8 có tần số cao Búp phát sóng siêu âm có tần số thấp Từ công thức (6) ta có hai phương pháp ñể tăng hệ số ñịnh hướng Thứ là tăng diện tích S, phương pháp này làm cho màng phát cồng kềnh mà lợi ích không nhiều ñó ít ñược ứng dụng Thứ hai là giảm bước sóng λ Nếu xét tổn hao sóng âm môi trường truyền sóng thì tần số càng cao tổn hao càng lớn Người ta chứng minh ñược tổn hao lượng sóng âm luôn tỉ lệ mũ bậc ba với tần số www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Hiện nay, tuỳ thuộc vào mục ñích sử dụng mà người ta sử dụng các máy ño sâu có tần số làm việc khác Trong lĩnh vực hàng hải máy Nga thường chọn tần số từ 23 ñến 45 kHz, máy Nhật thường chọn tần số từ 50 ñến 60 kHz ðối với ngành ngư nghiệp ñể dò luồng cá người ta chọn tần số từ 100 ñến 120 kHz ðối với ngành khảo sát luồng lạch người ta thường sử dụng tần số ño sâu từ 200 ñến 220 kHz Kết luận: Tóm lại tần số càng cao thì thang ño sâu càng nhỏ 2.4.5 Góc mở ngang búp phát α = 250 ñến 450 ứng với 0,5 công suất P, tuỳ thuộc vào ñộ sâu và tần số lựa chọn máy 2.4.6 Công suất phát máy phát: từ 50 ñến 300W (Tuỳ thuộc vào mục ñích sử dụng) 2.4.7 ðộ nhạy máy thu: ñịnh ño ñược ñộ sâu lớn hay nhỏ Lưu ý: ñộ sâu tối thiểu cuả máyño sâu Hmin Bất kỳ máy ño sâu nào có ñộ sâu tối thiểu, nhỏ ñộ sâu này thì máy ño sâu không ño ñược Màng dao ñộng máy ño sâu có chức vừa phát vừa thu, ñó máy ño sâu phát hết xung thì chuyển sang thu tín hiệu trở về, vì hmin ≥ C.(τx + τq )/ Trong ñó τx là chiều rộng xung phát, τq là ñộ ì chuyển mạch thiết bị phát và thiết bị thu Giá trị ñộ sâu tối thiểu máy ño sâu ñặt trên tàu có giá trị khác nhau, thông thường hmin = 0,1 - 0,3 m 2.5 Các sai số máy ño sâu hồi âm 2.5.1 Sai số tốc ñộ truyền lan sóng âm môi trường nước biển Trong công thức tính toán ñộ sâu, tốc ñộ truyền âm nước biển C lấy trung bình là 1500 m/s, thực tế khảo sát ta thấy tốc ñộ truyền lan sóng âm nước biển ñều là hàm số ñộ mặn S0/00, nhiệt ñộ t0, ñộ sâu h, áp lực P0 và các yếu tố khác không mô tả ñược phương trình toán học, nghĩa là: C = f (t0, S0/00, H, P0 ) C  Công thức sai số ∆h = hño  − 1 , C vận tốc truyền âm thực tế, C0 = 1500 m/s  c0  Nếu xét riêng quan hệ tốc ñộ truyền âm và ñộ sâu, thì tốc ñộ truyền âm giảm ñộ sâu tăng Trong nghành hàng hải thương mại (tàu hàng) sai số tốc ñộ truyền âm gây không ñáng kể, ta có thể bỏ qua Còn ngành khảo sát, thì cần phải hiệu chỉnh ảnh hưởng ñộ mặn S0/00, nhiệt ñộ t0 và ñộ sâu h tới tốc ñộ truyền âm, ñể có thể số chính xác ñộ sâu thực tế 2.5.2 Sai số tàu lắc ngang: Người ta chứng minh ñược tàu lắc ngang gây sai số ñáng kể cho máy ño sâu Từ hình vẽ (9) ta có ñộ sâu thực tế ñộ sâu ño ñược Ht = Hñ Khi tàu nghiêng ngang hình vẽ (10) ta thấy Hñ = Ht + ∆h, ∆h chính là sai số ñộ sâu ño ñược tàu lắc ngang Tàu lắc ngang càng lớn thì sai số ∆h càng lớn α www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Hñ ∆h Hñ Ht Hình vẽ 2.9 Hình vẽ 2.10 Khi tàu lắc ngang lớn thì cường ñộ tín hiệu phản xạ trở yếu ñó khó ño sâu ðể loại trừ sai số tàu lắc ngang người ta ñọc ñộ sâu ghi trên băng giấy là bé 2.5.3 Sai số ñáy biển bị nghiêng Phần lớn các máy ño sâu hồi âm ngày hoạt ñộng với tần số siêu âm và ñó có tính phương hướng ñịnh ñược ñặc trưng yếu tố phương hướng tính G Do có hình chóp khuếch tán nên ñáy biển nghiêng, nhiều máy ño sâu hồi âm không ghi nhận ñộ sâu AD ki tàu mà ghi nhận khoảng ñộ sâu AC nào ñó (hình vẽ 11) Giả sử α > β ta hãy tìm trị số số hiệu chỉnh ño ñộ sâu ño ñược: ∆hβ = AD − AC = hth − hdo A hth Hình vẽ 2.11 hñ 2α ∆hβ ðưa vào phương trình trên trị số sau ñây: hth = Ta có: hdo cos β ∆hβ = hño (secβ - 1) (7) Phân tích công thức (8) ta thấy các máy ño sâu nay, sai số h không ảnh 0 hưởng tới ñộ sâu ño ñược β ≤ và α ≤ 30 2.5.4 Sai số tính thời gian Trong máy ño sâu người ta dùng ñộng ñiện ñể tính thời gian thu, phát, làm quay cam ñiều khiển phát tín hiệu, có thể là cam từ cam tuỳ loại, ñể có ñộ chính xác tốc ñộ ñộng phải số, tốc ñộ này không phụ thuộc vào ñiện áp cung cấp nguồn mà phụ thuộc vào thang ñặt ñộ sâu trên máy, thang ñặt ñộ sâu càng lớn thì tốc ñộ quay càng nhỏ và ngược lại phải là số thang ñó Nhưng thực tế nguồn cung cấp bên ngoài vào ñộng luôn thay ñổi tốc ñộ ñộng thay ñổi Ngày nay, người ta www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk dùng ổn áp ñiện ñể tự ñộng ñiều chỉnh ñiện áp vào ñộng luôn ổn ñịnh thì sai số này bị loại bỏ 2.5.5 Sai số vạch không Tại thời ñiểm phát sóng ño sâu mặt nguyên lý thì kim thị phải ñặt ñúng vị trí (m), ñối với máy ño sâu thị hình thì gốc vệt quét phải ứng với vị trí (m) Nhưng thực tế kim ghi gốc vệt quét nằm trên vị trí (m) (nếu máy phát phát sớm), nằm vạch (m) (nếu phát muộn), hai trường hợp trên ñều dẫn ñến sai số ðể giảm sai số này người ta hiệu chỉnh kim thị ñúng vào vị trí “0” thước ño lúc máy phát bắt ñầu hoạt ñộng Sai số chung máy ño sâu hồi âm tổng các sai số ñã nêu trên ñây 2.6 Sơ ñồ khối máy ño sâu trên tàu 2.6.1 Khối báo ñộ sâu bao gồm: băng giấy tự ghi ñèn hình, ñèn quang, khuếch ñại tín hiệu ñộ sâu, và máy phát ñặt chung vào hộp gọi là khối báo, ngoài hộp có công tắc cấp nguồn (power), công tắc ñặt thang ñộ sâu (range), núm khuếch ñại (gain), núm ñiều chỉnh ñộ sáng máy báo (dimmer), núm ñánh dấu (mark), núm White line, núm ñiều chỉnh tốc ñộ băng giấy (chart speed), núm hiệu chỉnh mớn nước tàu (draft) Khối báo thường ñược ñặt buồng hải ñồ buồng lái 2.6.2 Màng dao ñộng thu, phát sóng siêu âm Màng dao ñộng thu phát máy ño sâu thường có ñường kính = 0,1 ñến 0,2 m, kích thước gọn nhẹ, hoạt ñộng tiêu tốn lượng ít ðược ñặt gần ki tàu, thường nơi ít bọt nước tụ tập ñể tránh tổn hao lượng sóng siêu âm bị bọt nước hấp thụ, tránh ảnh hưởng tiếng ồn từ chân vịt và bọt nước tàu chạy gây HỘP ðẤU DÂY KHỐI CHỈ BÁO BUỒNG LÁI KI TÀU MÀNG THU PHÁT Hình vẽ 2.12 2.7 Những chú ý sử dụng máy ño sâu 2.7.1 Hiện tượng giao thoa sóng âm ño sâu Giả sử có hai tàu chạy gần nhau, ñang sử dụng máy ño sâu có tần số làm việc xấp xỉ Sóng siêu âm phát ñi nước hai tàu có vùng bị ñan chéo vào hình vẽ 12 www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Hình vẽ 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Theo tính chất sóng âm thì xảy tượng giao thoa sóng âm và trên băng giấy ghi xuất ñường song song ñứt quãng chéo không ảnh hưởng ñến kết ño sâu, trên hình vẽ (14, 15, 16) 2.7.2 Phản xạ nhiều lần sóng âm Khi ta phát sóng siêu âm xuyên xuống nước gặp ñáy biển thì phần lượng bị ñáy biển hấp thụ, phần lượng phản xạ trở (chất ñáy càng rắn thì lượng phản xạ trở càng lớn và ngược lại) Sóng phản xạ, phần lọt vào màng dao ñộng thu sóng siêu âm và cho ta ñộ sâu ñáy biển mà tàu ñi qua, phần khác ñập vào ñáy tàu lại phản xạ xuống ñáy biển và từ ñáy biển phản xạ trở cho ñộ sâu h2, tương tự ta có h3 Hiện tượng này xảy với khu vực có chât ñáy rắn, máy phát sóng siêu âm có công suất lớn ðặc ñiểm nhận biết phản xạ nhiều lần ñọc ñộ sâu là các ñộ sâu ghi ñược trên băng giấy có dáng dấp ñồng dạng và song với ðộ sâu thứ là nét chính là ñộ sâu ñáy tàu, sau ñó là các ñường mờ dần, khoảng cách các ñường ghi ñộ sâu trên băng giấy luôn (Xem hình vẽ 17) Hình vẽ 2.17 www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk Muốn loại bỏ phản xạ nhiều lần có hai cách: + Giảm khuếch ñại + Khi chế tạo máy nhà sản xuất thiết kế hai nấc công suất phát khác nhau, ñộ sâu nhỏ thì ta sử dụng công suất phát nhỏ và ñộ sâu lớn thì ta sử dụng công suất phát lớn 2.7.3 Ảnh hưởng bất thường dòng hải lưu nóng, lạnh nước biển Khi máy ño sâu hoạt ñộng sóng siêu âm truyền ñi môi trường nước ñược coi là môi trường ñồng là ñồng nhiệt ñộ, ñộ mặn Trường hợp bất thường có dòng hải lưu nóng, lạnh chảy ngầm lòng ñại dương tạo thành hai môi trường không ñồng nhất, ñó sóng siêu âm ñập vào mặt ngăn cách hai môi trường này, phần xuyên qua mặt ngăn cách ñi vào môi trường thứ hai, phần khác phản xạ trở màng thu sóng siêu âm và tạo trên băng giấy ghi ñộ sâu hình ảnh hình vẽ (18) Nhiễu dòng hải lưu ðường viền ñáy biển Hình vẽ 2.18 Ta có thể loại trừ ñược tượng này cách giảm khuếch ñại 2.7.3 Nhiễu ñàn cá vật trôi mặt nước Khi sóng siêu âm truyền nước gặp vật gì băng trôi ñàn cá ñi ngầm nước ñều coi là môi trường không ñồng với môi trường nước, phần sóng âm phản xạ trở hiển thị trên băng giấy hình ảnh lơ lửng ñáy biển và mặt nước Hiện tượng này xảy ñối với máy ño sâu hoạt ñộng tần số cao f = 120 - 200 kHz 2.7.4 Nhiễu loạn số không (do búp phụ gây ra) Khi sử dụng máy ño sâu thang tầm gần thì công suất búp phụ sóng âm phản xạ máy ño sâu tạo tín hiệu giả trên máy Thông thường ñộ sâu nhỏ 15 mét muốn loại bỏ nhiễu loạn số không ta sử dụng núm STC www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk 2.8 Nguyên lý ño sâu bút ghi di ñộng Thước thang ño sâu Bộ tạo xung khởi ñộng Mấu cam phát MÁY PHÁT GIẢM TỐC MÔ TƠ MÔ TƠ KHUẾCH ðẠI MÀNG PHÁT, THU ðÁY BIỂN www.hanghaikythuat.edu.tf Hình vẽ 2.19 www.hanghaikythuat.tk 2.8.1 Các khối - Băng giấy và bút tự ghi: băng giấy máy ño sâu có hai loại là giấy hoá ñiện và nhiệt ñiện ( Loại thứ là băng giấy có tráng iốt Kali, nó phải luôn ñược giữ trạng thái ẩm Khi dòng ñiện chạy qua trên mặt băng giấy ñể lại vết ñen iốt nguyên chất Loại thứ hai gồm hai lớp, lớp là lớp giấy có rắc bột gra-phít dẫn ñiện có trộn keo, lớp trên có láng lớp ô xít lưu huỳnh - chì Khi có dòng ñiện chạy qua lớp trên bị phân hoá làm xuất vệt ñen) Có loại kẻ ô không kẻ ô Một kim dẫn ñiện chạy trên băng giấy có dòng ñiện phóng qua kim xuyên qua băng giấy nguồn kín mạch thì băng giấy này cháy ñể lại vệt ñen - Mô tơ quay với vận tốc cực ñều nhờ tự ñộng ñiều chỉnh tốc ñộ làm quay dây cuaroa lai bút ghi và các mấu cam phát - Mô tơ làm quay cuộn giấy dịch chuyển từ trái qua phải - Bộ tạo xung khởi ñộng làm nhiệm vụ ñiều khiển máy phát, gồm số loại sau: cam phát từ, cam phát - Máy phát kết hợp với màng dao ñộng phát sóng siêu âm xuống ñáy biển - Màng dao ñộng thu phát phát làm nhiệm vụ phát xung siêu âm xuống ñáy biển và thu sóng siêu âm phản xạ trở - Bộ khuếch ñại khuếch ñại tín hiệu thu ñược từ màng dao ñộng 2.8.2 Nguyên lý hoạt ñộng Khi cho máy ño sâu hoạt ñộng, thì ñộng ñược cấp ñiện sau qua hộp giảm tốc thì ñộng này làm quay các mấu cam phát và bút tự ghi ñược gắn trên dây cuaroa và băng giấy ñược dịch chuyển theo hướng vuông góc với dịch chuyển kim ghi Tại thời ñiểm phát mấu cam phát ñi qua tạo xung khởi ñộng làm ñóng mạch, ñồng thời kim ghi nằm vị trí (m) thang ño ñộ sâu Máy phát ñược ñóng mạch, nguồn ñiện cao áp phóng qua màng dao ñộng phát, xung ñiện này làm cho màng dao ñộng phát phát sóng siêu âm xuyên thẳng vào nước, gặp ñáy biển phản xạ trở qua màng dao ñộng thu sóng siêu âm, sóng siêu âm ñược biến thành dao ñộng ñiện áp, qua khuếch ñại ñiện áp này ñược ñưa ñến kim ghi phóng qua băng giấy ñể lại vệt ñen Khoảng thời gian phát, thu sóng siêu âm ñúng khoảng thời gian kim chạy trên băng giấy ñược ñoạn nào ñó chính là ñộ sâu Thật gọi thời gian phát, thu sóng siêu âm là t1 ta có t1 = 2h Nếu gọi t2 là khoảng C thời gian kim hành trình trên băng giấy thì ta có: L t2 = V k Trong ñó: L quãng ñường kim ghi di chuyển trên băng giấy Vk vận tốc di chuyển kim L 2h Theo nguyên lý ño sâu thì t1 = t2 hay V = C k Suy C L h = 2.V k (8) Với thang ñộ sâu không ñổi vận tốc kim Vk là số, C hiển nhiên không thay C ñổi Ta ñặt K = 2.V thì K là số thang ñộ sâu ñó, gọi là hệ số tỉ lệ ñộ sâu Khi ta k www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk thay ñổi thang ñộ sâu thì Vk thay ñổi dẫn tới K thay ñổi theo Về nguyên tắc ta ñặt thang ñộ sâu nhỏ thì Vk tăng, ñó K giảm và ngược lại Nhìn vào công thức h =K.L ta thấy muốn ño ñộ sâu ñáy biển ta cần ño hành trình kim ghi trên băng giấy Ưu ñiểm: Ghi ñược ñộ sâu liên tục tàu hành trình ñó ta có thể biết ñược biến thiên đáy biển khu vực mà tàu qua, đồng thời phán đốn độ dốc khu vực tàu ñang hành trình Nhược ñiểm: Bảo quản băng giấy tránh ñể ẩm ướt 2.9 Nguyên lý ño sâu thị ñèn hình 2.9.1 Sơ ñồ khối: A Màn hình B B D Thang ñặt ñộ sâu Bộ tạo xung khởi ñộng Bộ tạo quét và khuếch ñại quét A ðiều chế xung Máy phát cao áp Màng dao ñộng phát, thu Hình vẽ 2.20 đáy biển 2.9.2 Nguyên lý hoạt ñộng: www.hanghaikythuat.edu.tf Khuếch ñại www.hanghaikythuat.tk Khi ñặt thang ñộ sâu toàn máy cấp ñiện Bộ tạo xung khởi ñộng hoạt ñộng ñưa ñiện áp ñến mạch tạo quét và khuếch ñại quét tạo thành xung cưa ñưa vào cặp gây lệch A-A quét từ mép trên màn ảnh xuống phía màn ảnh dọc theo ñường kính D ðồng thời xung khởi ñộng ñưa ñến ñiều chế xung biến thành xung vuông, xung này phóng qua máy phát với ñiện áp cao Máy phát phóng xung cao áp qua màng dao ñộng phát sóng siêu âm Sóng siêu âm phát xuyên thẳng xuống ñáy biển, gặp ñáy biển phản xạ trở màng thu ñưa qua khuếch ñại ñiện áp Sau ựó, ựưa ựến cặp gây lệch ngang B-B tạo vết sáng đó chắnh là ựộ sâu Nếu ta gọi thời gian tia quét chạy dọc theo ñường kính màn ảnh là tq: D tq = V q Trong ñó: Vq là vận tốc quét tia ñiện tử, D là ñường kính quét Tương ứng thời gian phát sóng siêu âm cho ñến thu là: t = 2h C Trong ñó: C là vận tốc truyền âm môi trường nước biển h là ñộ sâu tính mét Theo nguyên lí ñồng ñể ño sâu thì tq = t nên C D 2h D = V hay h = 2.V C q q C Ta thấy ñại lượng 2.V = k số thang ñộ sâu cố ñịnh q Nên ta có: h = k.D Vậy muốn ño ñộ sâu cần ño ñường kính vệt quét là xong Máy ño sâu thị ñèn hình dùng khá phổ biến trên tàu biển Hiện nay, người ta ñã dùng máy ño sâu màu dựa trên nguyên lí này 2.10 Khai thác sử dụng máy ño sâu 2.10.1 Chuẩn bị: Kiểm tra tình trạng chung máy ñể ñảm bảo máy ñã trạng thái sẵn sàng hoạt ñộng - Kiểm tra nguồn cấp cho máy ñã ñúng hay chưa Kiểm tra các núm nút ñã ñể ñúng vị trí hay chưa: núm khuyếch ñại, ñộ sáng, White line hết trái; công tắc nguồn vị trí OFF; tốc ñộ băng giấy ñặt mức nhỏ nhất, Chọn thang ño sâu cách phù hợp: vào ñộ sâu vùng chạy tàu ghi trên hải ñồ, hiệu chỉnh thuỷ triều và mớn nước tàu ñể chọn thang ño sâu ðể nâng cao ñộ chính xác ta chọn thang ño nhỏ mà có thể ñảm bảo ño ñược ñộ sâu - Kiểm tra tình trạng băng giấy, cần thiết phải thay 2.10.2 ðưa máy vào hoạt ñộng - Bật công tắc nguồn từ OFF sang ON - Bật công tắc thang ñộ sâu thang ño ñã chọn - Vặn Gain theo chiều kim ñồng hồ tới bắt ñầu xuất nhiễu trên giấy ghi, sau ñó vặn ngược chiều kim ñồng hồ chút - Nếu vạch số ñộ sâu bị lệch khỏi vị trí trên thang ño thì phải ñiều chỉnh lại www.hanghaikythuat.edu.tf www.hanghaikythuat.tk - Nếu cần phân biệt ảnh ñáy biển với ảnh các mục tiêu nhỏ, lơ lửng và không liên tục thì tăng dần núm White line theo chiều kim ñồng hồ cho ñến xuất ñường trắng dọc theo ñường viền ảnh ñáy biển Nếu không cần thiết thì ñể núm này hết trái - ðiều chỉnh tốc ñộ băng giấy cho phù hợp với yêu cầu sử dụng - Ấn núm ñánh dấu cần - Giảm công suất cần - Nếu thấy cần thiết thì ñiều chỉnh các núm TVG cách phù hợp 2.10.3 Tắt máy: - Giảm núm Gain, White line, Paper speed hết trái - Công tắc nguồn vị trí OFF - Công tắc thang ño sâu vị trí nhỏ 2.10.4 Bảo quản bảo dưỡng: - Thay giấy ghi: quá trình khai thác phải thường xuyên kiểm tra giấy ghi, thấy gần hết không ñảm bảo thì phải thay - Thay kim ghi: Khi kim ghi bị mòn và trở nên bị ngắn làm giảm chất lượng ghi Khi ñó ta phải thay kim ghi Trong trường hợp thay kim ghi thì ñể giấy giáp mịn lên trên giấy ghi và quay cua roa ghi - vòng ñể ñầu bút ghi tròn lại - ðể kéo dài tuổi thọ máy thì cần thiết phải bảo dưỡng và kiểm tra máy thường xuyên, các chỗ nối các ñầu giắc cắm phải ñược giữ và chặt - Giấy khô nhạy cảm ñiện ñược sử dụng máy này nên bột cacbon có thể vương lên các phận bên xung quanh cua roa ghi Quét bụi than chổi ñể tránh hư hỏng có thể xảy Khi lau chùi mở nắp trước phía mình sau mở chốt giữ và giây treo quét bột than Lau chùi thường xuyên vải nhúng nước ñối với mặt trước Không sử dụng các loại hoá chất vì có thể gây thay ñổi mang tính chất hoá học ñối với mặt máy - Khi giấy không chuyển ñộng trơn tru hay có tiếng ñộng lạ thì tháo móc dây treo và kiểm tra ăn khớp các bánh răng, cần thiết thì bôi trơn - Kiểm tra bảo dưỡng mặt ngoài màng dao ñộng tàu lên ñà www.hanghaikythuat.edu.tf