Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị liên lạc thủy âm

Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị liên lạc thủy âm

"Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không

và thiết bị truyền tin dưới nước

phục vụ kinh tế - x∙ hội, an ninh - quốc phòng."

MỞ ĐẦU 3

Chương 1 - Lí THUYẾT THUỶ ÂM 5

1.1 Phương trỡnh lan truyền súng õm trong nước 5

1.2 Vận tốc lan truyền súng õm trong nước biển 8

1.3 Phản xạ và khỳc xạ súng õm 10

1.4 Hấp thụ năng lượng õm trong nước 12

1.5 Hấp thụ năng lượng khi súng õm phản xạ trờn bề mặt vật rắn 14

1.6 Đặc trưng lan truyền súng õm trong nước biển 15

1.6.1 Đặc trưng lan truyền sóng âm trong điều kiện đẳng nhiệt 15

1.6.2 Đặc trưng lan truyền súng õm trong vựng nước nụng 16

1.6.3 Đặc trưng lan truyền sóng âm trong vùng nước sâu 18

1.7 Vài nột về thuỷ õm biển Việt Nam 23

Chương 2 - ĂNG TEN THỦY ÂM 26

2.1 Khỏi niệm 26

2.2 Mụ hỡnh biến đổi điện-õm 26

2.3 Nguyờn lý biến đổi Điện-Âm 28

2.3.1 Nguyờn lý biến đổi điện tĩnh 28

2.3.2 Nguyờn lý biến đổi ỏp điện 28

2.3.3 Nguyờn lý biến đổi điện động 30

2.3.4 Nguyờn lý biến đổi điện từ 30

2.4 Sơ đồ điện tương đương của cỏc kiểu biến đổi 31

2.5 Vật liệu thụng dụng để chế tạo cỏc bộ biến đổi 32

Chương 3- ỨNG DỤNG THUỶ ÂM TRONG QUÂN SỰ 35

3.1 Một số khỏc biệt giữa súng siờu õm và súng điện từ 35

3.2 Phõn loại thiết bị thuỷ õm 36

3.3 Cỏc hướng ưu tiờn trong nghiờn cứu phỏt triển thiết bị thuỷ õm 37

3.3.1 Phỏt triển thuỷ õm trờn tàu ngầm 37

3.3.2 Phỏt triển thuỷ õm trờn tàu chiến 37

3.4 Một số thiết bị thuỷ õm của Mỹ và Nga 39

3.4.1 Thiết bị thuỷ õm trờn tàu chiến (Mỹ) 39

3.4.2 Thiết bị thuỷ õm trờn tàu ngầm (Mỹ) 40

3.4.3 Cỏc thiết bị thuỷ õm khụng quõn kiểu thả, kộo (Mỹ) 41

3.4.4 Cỏc thiết bị thuỷ õm khụng quõn kiểu phao (Mỹ) 42

3.4.5 Cỏc trạm thuỷ õm cố định (Mỹ) 42

3.4.6 Thiết bị thuỷ õm dựng cho ngư lụi (Nga) 43

Chương 4 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ THIẾT BỊ

LIÊN LẠC THỦY ÂM 45

4.1 Lựa chọn tần số liên lạc 45

4.2 Phân tích lựa chọn bộ cảm biến siêu âm 48

4.2.1 Hiệu suất biến đổi 48

4.2.2 Độ bền của bộ biến đổi 49

4.2.3 Kết cấu của bộ biến đổi 49

4.3 Kết cấu vỏ chịu áp lực và chống nước 50

4.4 Phân tích thiết kế mạch xử lý tín hiệu 51

Chương 5 - HỒ SƠ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM 53

5.1 Đặc trưng kỹ thuật máy thông tin thủy âm 54

5.1.1 Tính năng kỹ thuật máy mặt nước 54

5.1.2 Tính năng kỹ thuật máy mặt người lặn 55

5.2 Sơ đồ mạch điện 56

5.3 Mạch điều khiển vi xử lý cho máy người lặn 65

5.3 Mạch điều khiển vi xử lý cho máy người lặn 66

Chương 6 - KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 76

6.1 Xác định các tham số kỹ thuật cơ bản của máy thông tin thủy âm 76

MỞ ĐẦU

Trong thế kỷ 21 thụng tin bằng súng õm rất được coi trọng Đối với Hải Quõn súng õm quan trọng, đến nỗi nếu thiếu nú khụng một tàu chiến nào cú thể ra khơi [10]

Ngoài quan sỏt bằng mắt hoặc nhờ trợ giỳp của mỏy bay, vệ tinh, thỡ việc sử dụng súng õm vào mục đớch truyền thụng tin là vấn đề sống cũn của Hải Quõn và phương tiện quõn sự trờn biển

Như ta đó biết, õm thanh và khả năng nghe được của tai người liờn quan đến 2 thuộc tớnh quan trọng nhất, đú là tần số và cường độ của súng õm Về tần số, thường từ 20Hz đến 20kHz Âm thanh cú tần số dưới 20Hz thuộc dải hồng ngoại, từ 20kHz đến 10kHz thuộc dải súng siờu õm Về cường độ, tai người cú thể phõn biệt được õm thanh trong dải từ 30dB đến 100dB; Cỏ biệt, cú thể xuống đến 20dB hoặc lờn tới 120 dB Tuy ngoài dải tần số và cường độ nói trên tai người cú thể nhận biết được, nhưng trong những điều kiện nhất định, nú cú thể cú những tỏc động khủng khiếp tới con người và thiết bị Đú cũng là một hướng phỏt triển của cỏc loại vũ khớ õm trong chiến tranh hiện đại

Súng õm cú thể lan truyền trong mọi mụi trường, trong đú nước là mụi trường truyền õm rất tốt Mụi trường càng đàn hồi thỡ vận tốc lan truyền õm càng lớn (vớ dụ, vận tốc truyền õm trong cao su là 50m/giõy, trong khụng khớ là 330m/giõy, trong nước là 1450m/giõy, trong thộp là 5000m/giõy) Tuy nhiên, cũn nhiều yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc lan truyền õm như: nhiệt độ, ỏp suất, độ mặn, địa hỡnh, vị trí nguồn õm v v

Trong môi trường khụng đồng nhất súng õm bị biến dạng, đổi hướng, năng lượng của nú bị hấp thụ đáng kể

Nội dung đề tài này đề cập đến lan truyền súng õm trong nước, nơi súng õm lan truyền với những đặc tớnh riờng, cú ảnh hưởng đỏng kể đến thiết kế chế tạo cỏc thiết bị thủy õm Thụng thường người ta gọi thuỷ õm là

hiện t−ợng lan truyền sóng âm trong nước Song, trong cỏc tài liệu khoa học khỏi niệm thuỷ õm được hiểu rộng hơn Đú là khoa học về cỏc hiện tượng xẩy ra trong nước, liờn quan đến phỏt, lan truyền và thu súng õm Khỏi niệm thuỷ õm cũn bao hàm cả việc thiết kế, chế tạo cỏc thiết bị thuỷ õm [1]

Ngay sau chiến tranh thế giới thứ II cỏc nhà khoa học Nga và Phương Tõy đó bắt đầu nghiờn cứu sâu về lý thuyết, đã làm sỏng tỏ nhiều hiện tượng đặc biệt của thủy õm Trờn cơ sở đú, cỏc tập đoàn sản xuất thiết bị quõn sự cũng đầu t− nghiờn cứu chế tạo những thiết bị thụng tin thuỷ õm

Sau đõy chỳng tụi tập trung chú ý 2 khớa cạnh quan trọng nhất của vấn đề thụng tin dưới nước Đú là lý thuyết lan truyền súng õm và cỏc thiết bị thông tin thuỷ õm

Chương 1 - LÝ THUYẾT THUỶ ÂM

1.1 Phương trình lan truyÒn sóng âm trong nước

Khi các phần tử chất lỏng chịu nén dao động với biên độ nhỏ sẽ xuÊt hiÖn sóng ©m

Do dao động nhỏ, nên vận tốc truyền âm v, sự thay đổi tương đối của

tỷ trọng và áp suất chất lỏng cũng nhỏ Vì thế, thừa số ( )v∇ trong phương v

trình Ơ-ler có thể bỏ qua Cho áp suất và tỷ trọng có thể viết '

0 pp

ρ=+ ( 1.1.1) trong đó: ρ0, p0 - tỷ trọng và áp suất cân bằng của chất lỏng, còn ρ’, p’ - lượng thay đổi của chúng trong sóng âm (ρ’<<ρ0 ; p’<< p0)

Khi đó phương trình liên tục có dạng:

( )=0+

Thay các giá trị (1.1.1) vào phương trình trên và bỏ qua các giá trị nhỏ bậc 2, ta có:

, + 0 ( )=0∂

t ρ ρ (1.1.2 ) Phương trình Ơ-ler trong trường hợp gần đúng này cã d¹ng:

− 1∇ ' =0∂

t ρ (1.1.3 ) Điều kiện sử dụng các phương trình tuyến tính hoá chuyển động (1.1.2) và (1.1.3) cho lan truyền sóng âm là v << c, tho¶ m·n khi ρ’<< ρ0

V× sóng âm trong chất lỏng lý tưởng là đẳng nhiệt, nên sự thay đổi nhỏ của áp suất (p’) và tỷ trọng (ρ’) liên hệ với nhau bằng biểu thức:

= (1.1.4 ) Thay (1.1.4) vào (1.1.2) ta có:

( ) 00

t ρ ρ ρ S (1.1.5 )

Hai phương trình (1.1.3) và (1.1.5) với các hàm ẩn v và p’ đủ để mô

tả sóng âm Biểu diễn các giá trị ẩn thông qua một trong hai hàm ẩn đó sẽ rất thuận tiện, nếu sử dụng thế vận tốc v = grad( )ϕ Từ phương trình (1.1.3) ta có đẳng thức:

ρ ϕ

' ( 1.1.6 ) (ë ®©y cũng như về sau, để đơn giản, ta bỏ chỉ số ở p0 và ρ0)

Kết hợp (1.1.6) và (1.1.5), ta có:

2 02

= (1.1.8 ) Phương trình (1.1.7) gọi là phương trình sóng và c là vận tốc truyền sóng Nếu thực hiện thao tác grad dễ dàng nhận thấy c¶ 3 thành phần của vec t¬ vận tốc v thoả mãn phương trình (1.1.7), còn nếu lấy đạo hàm theo thời gian thì lại thấy p’ (và do đó cả ρ’) cũng thoả mãn (1.1.7)

Để làm thí dụ ta xét trường hợp sóng phẳng lan truyÒn theo trôc x, đồng nhất trong mặt phẳng (y, z)

Phương trình sóng có dạng:

1 2 0222

x ( 1.1.9 )

NÕu đặt:

ξ ; η=x+c.t , thì (1.1.9) có dạng:

0.

Tớch phõn phương trỡnh trờn theo ξ và η, ta được:

ϕ= f1(x−c.t)+ f2(x+c.t) (1.1.10 ) Dễ dàng chứng minh rằng sự phõn bố của p’, ρ’ và v trong súng phẳng cũng cú dạng (1.1.10)

Rõ ràng, f1(x - c.t) là súng phẳng, lan truyền theo chiều dương trục x, còn f2(x + c.t) - lan truyền theo chiều ngược lại Dễ nhận thấy rằng vận tốc lan truyền sóng âm đ−ợc xác định theo biểu thức:

v= (1.1.11 ) Sự lan truyền của súng õm trong nước cũng làm thay đổi nhiệt độ của nước Thật vậy, ỏp dụng kiến thức nhiệt động học cho chất lỏng ta cú:

∂∂= ''

∂= 1

β là hệ số nở nhiệt của chất lỏng

1.2 Vận tốc lan truyền súng õm trong nước biển

Để xỏc định chớnh xỏc vị trớ của mục tiêu ngầm bằng phương phỏp tớch cực vấn đề cú ý nghĩa quyết định là xỏc định chớnh xỏc vận tốc lan truyền súng õm

Như ta đó biết vận tốc lan truyền súng õm trong nước biển phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn, ỏp suất (độ sâu) và một loạt cỏc yếu tố khỏc như đặc tr−ng đỏy biển, sinh vật biển, giú, Vỡ thế, sự hiểu biết về biển là vụ cựng quan trọng

Trờn hỡnh 1.2.1 trỡnh bày sự thay đổi vận tốc õm theo độ sâu của biển

Hình 1.2.1 - Sự thay đổi vận tốc truyền âm theo độ sâu

Trờn cơ sở nghiờn cứu thực nghiệm, một số tài liệu đó đưa ra biểu thức tớnh vận tốc lan truyền súng õm trong nước biển dưới dạng hàm nhiệt độ T [oC], độ mặn S [phần nghỡn] và độ sõu D [cm hoặc m]

Thí dụ, theo [2] thì:

c=141000 + 412.T - 3,7.T2 + 110.S + 0,18.D (cm/s) Hay

c = 1445,5 + 4,62.T - 0,452.T2 + (1,32 - 0,007T)(S + 0,35) (m/s) Hoặc theo [3] thì:

cTSD = c0,35,0 + ∆cT + ∆cS + ∆cD + ∆cϕ + ∆cTSD

trong đú:

cTSD - vận tốc [m/s] ở nhiệt độ T, độ mặn S, độ sâu D; c0,35,0 - vận tốc ở 0oC, độ mặn 3,5 %, ỏp suất khớ quyển; ∆cT = 4,6374T-5,383.10-2T2+2,543.10-4T3;

∆cS = 1,307(S-35) - 1,5.10-4(S-35)2 ;

∆cD = 1,815.10-2D - 5,291.10-12D3 ; [D] = m

∆cϕ = 1,50.10-6D(ϕ-35) + 0,94.10-12D2(ϕ-35)2 - 2,94.10-18D3(ϕ-35)3

∆cTSD = ∆cTS + ∆cSD + ∆cTD , trong đú:

∆cTS = (S -35)[-1,07.10-2T+(5.10-5 - 4,1.10-8D)T2] ; ∆cSD = (S -35)(3,36.10-5D - 4,55.10-9) ;

∆cTD = D(-1,19.10-6T2 + 6,35.10-8T3 + 4,1.10-10T4) + + T(6,95.10-6D - 5,27.10-9 D2 + 2,7.10-14D3) Theo Del Grosso [4] thỡ c0,35,0 = 1.448,6 m/s

1.3 Phản xạ và khỳc xạ súng õm

Khi súng õm gặp bề mặt phõn cỏch giữa 2 môi trường hay 2 lớp nước khỏc nhau thì bị phản xạ và khỳc xạ Khi đó, chuyển động súng trong mụi trường thứ nhất là kết hợp của súng tới và súng phản xạ, trong mụi trường thứ hai - chỉ cú súng khúc xạ lan truyền

Quan hệ giữa 3 súng phụ thuộc vào cỏc điều kiện biờn (bảo toàn ỏp suất và cỏc thành phần phỏp tuyến của vận tốc) trờn mặt phõn cỏch

Ta xem xột hiện tượng phản xạ và khỳc xạ của súng dọc, đơn sắc trờn mặt phõn cỏch phẳng (y,z) Dễ dàng thấy rằng trong mụi trường đồng

nhất và đủ lớn súng đơn sắc với vec-tơ súng k và tần số ω khụng đổi là nghiệm của phương trỡnh chuyển động Khi cú bề mặt phõn cỏch thỡ chỉ thờm điều kiện biờn trờn mặt phõn cỏch Trong trường hợp đang xem xột là điều kiện khi x = 0, tức là khụng phụ thuộc vào thời gian, cũng khụng phụ thuộc y, z Vỡ thế, sự phụ thuộc của nghiệm vào t và (y, z) vẫn được giữ nguyờn trong toàn bộ khụng gian và thời gian, tức là ω, ky, kz của sóng phản xạ và súng khỳc xạ vẫn giữ nguyờn như trong súng tới (kx theo hướng vuụng gúc với mặt phõn cỏch khụng giống nhau) Điều đú cú nghĩa là hướng lan truyền của cả 3 súng đều nằm trong cựng một mặt phẳng

Giả sử θ là gúc giữa hướng súng và trục x

Từ đẳng thức ky=ω.c-1sinθ cho súng tới và súng phản xạ suy ra: θ1 = θ’1 (1.3 1) tức là gúc tới θ1 bằng gúc phản xạ θ’1

Từ cỏc đẳng thức tương tự cho súng tới và súng khỳc xạ ta cú tương quan giữa gúc tới θ1 và gúc khỳc xạ θ2:

sin θ1/ sin θ2 = c1/ c2 , (1.3.2) trong đú : c1 và c2 là vận tốc õm trong 2 lớp nước tương ứng

Để định lượng cường độ giữa cỏc súng và qua đó xác định hệ số phản xạ, ta biểu diễn cỏc thế năng vận tốc trong cỏc súng này dưới dạng:

ϕ1 = A1.exp {iω[x/c1 cosθ1+ y/ c1 sin(θ1- t)]} ; ϕ’1 = A’1.exp{iω[-x/c1 cosθ1+ y/ c1 sin(θ1- t)]} ; ϕ2 = A2.exp{iω[x/c2 cosθ2+ y/ c2 sin(θ2- t)]}

Trên bề mặt phân cách (x=0) các áp suất (p=-ρ.∂ϕ/∂t) và các vận tốc pháp tuyến (vx=∂ϕ/∂x) trong 2 môi trường phải bằng nhau Các điều kiện này dẫn đến các đẳng thức:

ρ1(A1 + A’1) = ρ2A2 ; () 1

R (1.3.3 ) Do θ1và θ2 liên hệ với nhau bằng biểu thức (1.3.2), nên có thể viết (1.3.3 ) dưới dạng:

(1.3.5 ) Nếu góc tới thoả mãn điều kiện

2( 22)

θ (1.3.6 )

thì R=0, tức sóng âm bị khúc xạ hoàn toàn Trường hợp này có thể xảy ra, nếu c1> c2, nhưng ρ2c2>ρ1c1 (hay ngược lại)

1.4 HÊp thụ năng lượng âm trong nước

Do nước có tính nhớt và tính dẫn nhiệt nên năng lượng của sóng âm bị hấp thụ, cường độ của nó bị suy giảm dần Để tính được vận tốc suy giảm đó ta sử dụng các hiểu biết phổ quát sau đây Năng lượng cơ học chính là công cực đại mà ta có thể thu được khi hệ thống chuyển từ trạng thái không cân bằng sang trạng thái cân bằng nhiệt động học Nhiệt động học cho thấy công cực đại được thực hiện nếu chuyển biến diễn ra một cách thuận nghịch (tức là không thay đổi entrôpie) và bằng:

Ecôhoc =E0 −E( )S (1.4.1) trong đó: E0 là giá trị năng lượng ban đầu của sãng ©m, còn E(S) là năng lượng ở trạng thái cân bằng với entrôpie S, mà sãng ©m có từ đầu

Vi phân (1.4.1) theo thời gian ta được:

tcohoc =− 0.∂

Kết quả tính toán [1] cho thấy năng lượng tản mát trong chất lỏng chịu nén và có tính dẫn nhiệt lµ:

Ecohoc =−χ −η −ζ (1.4.2) trong đó: χ - độ dẫn nhiệt độ của chất lỏng, η - hệ số độ nhớt của chất lỏng,

ζ - hệ số thứ 2 của độ nhớt, I1, I2, I3 là các tích phân (phức tạp nên không dẫn ra) Về độ lớn, η và ζ cùng bậc

Giả sử hướng lan truyền của sóng âm trùng với trục x, th× giá trị trung bình của 2 hạng tử sau cùng trong (1.4.2) là:

2 002

− η ζ (1.4 3) (V0 - thể tớch chất lỏng)

Giỏ trị trung bỡnh của hạng tử thứ nhất trong (1.4.2) là: 2 0

− χ (1.4.4 ) Kết hợp (1.4.3) và (1.4.4) ta cú giỏ trị trung bỡnh của tổn hao năng lượng súng õm trong chất lỏng chịu nộn như sau:

2 η ζ χ (1.4 5) Năng lượng toàn phần của súng õm là:

0 02

E = ρ (1.4.6 ) Đối với súng phẳng, cường độ suy giảm theo quy luật exp(-2γx), cũn biờn độ suy giảm theo quy luật exp(-γx), trong đú γ là hệ số hấp thụ, được định nghĩa như sau:

γ (1.4.7 ) Thay (1.4.5) và (1.4.6) vào (1.4.7) ta cú biểu thức cuối cựng cho hệ số hấp thụ năng lượng súng õm:

Biểu thức (1.4.8) chỉ rừ độ tổn hao của năng lượng súng õm khi lan truyền trong nước tỷ lệ thuận với ω2 Nhưng: ω = 2π.f (f - tần số của súng õm), nờn:

γ ∼ ω2 ∼ f 2 (1.4.9) Biểu thức (1.4.9) chỉ rõ, tần số làm việc càng cao thì độ suy hao

Ngoài ra, cỏc đặc trưng lan truyền của súng õm trong đại dương phụ thuộc vào một loạt thụng số khác, đ−ợc khái quát hoá thành độ ồn Nhỡn chung, sự tổn hao năng lượng súng õm trong nước biển lớn hơn trong nước ngọt hàng chục lần, vỡ trong nước biển cú muối hoà tan

1.5 Hấp thụ năng lượng khi súng õm phản xạ trờn bề mặt vật rắn

Ta xem xột hiện tượng hấp thụ năng lượng khi súng õm phản xạ trờn bề mặt vật rắn với cỏc điều kiện sau đõy [1]:

- Tỷ trọng của vật rắn lớn, đến nỗi súng õm hầu như khụng thõm nhập vào bờn trong;

- Độ dẫn nhiệt của vật rắn lớn, đủ để coi nhiệt độ bề mặt vật rắn khụng thay đổi, khi cú súng õm phản xạ trờn đú

Ta chọn hệ toạ độ sao cho bề mặt phản xạ trựng với bề mặt x=0, cũn bề mặt tới của súng õm là (x, y) Ký hiệu gúc tới và gúc phản xạ là θ

Mức độ thay đổi tỷ trọng trong súng tới ở một điểm nào đú (thớ dụ, tại điểm x=y=0) trờn bề mặt sẽ là:

eA '

Sự thay đổi thực tế của tỷ trọng chất lỏng, nơi lan truyền súng tới và súng phản xạ, sẽ là:

' Aei t

ρ=+=− ρ

Vận tốc chất lỏng trong súng tới là:

=và trong súng phản xạ là:

Vỡ vận tốc toàn phần trờn bề mặt vật rắn là: v =v1+v2,

Ehấp thụ= (2 2ω/c.cosθ)[sin2θ v + χ(cp/cv −1) ] (1.5.2) Nh− vậy:

Ehấp thụ∼ f 1/2 (1.5.3)

Ta thu đ−ợc biểu thức (1.5.3) với giả thiết biờn độ súng tới và súng phản xạ như nhau, tức khi θ khác xa π/2 Trong [6] có dẫn biểu thức tớnh hấp thụ õm khi phản xạ ở gúc bất kỳ, theo đú hấp thụ súng õm trờn bề mặt rắn là rất lớn

1.6 Đặc trưng lan truyền súng õm trong nước biển

1.6.1 Đặc tr−ng lan truyền sóng âm trong điều kiện đẳng nhiệt

- Trong lớp nước đẳng nhiệt vận tốc õm tăng theo độ sõu, bởi vỡ ỏp

thay đổi luụn cú xu hướng lệch về phớa cú vận tốc nhỏ hơn, tuõn theo định luật tia súng của Snellius, cú dạng như sau:

c1/cosθ1=c2/cosθ2 = =cn/cosθn

trong đú cn là vận tốc õm trờn biờn của lớp n, mà qua đú tia õm đi vào lớp; θn - gúc trượt của tia tới trờn mặt đú

Định luật Snellius cho phộp giải thớch cỏc hiệu ứng khỏc nhau (vựng tối, cỏc kờnh õm) thường gặp khi súng õm lan truyền trong nước biển trờn cự ly lớn [5]

- Chựm tia do nguồn õm phỏt ra lan truyền trong lớp nước đẳng nhiệt luụn cú xu hướng đi lệch lờn trờn, nơi cú ỏp suất nhỏ hơn Nếu như nguồn õm được bố trớ ở độ sõu, nơi õm cú vận tốc c0 thỡ tia õm phỏt ra từ đú dưới gúc θ0 sẽ trở thành tia súng truyền ngang, ở độ sõu tương ứng vận tốc õm là c1= c0/cosθ0 Cự ly lan truyền õm (từ nguồn được bố trớ sao cho trục õm nằm ngang và cú đặc trưng hướng hẹp trong mặt phẳng đứng) phụ thuộc vào độ sõu nguồn phỏt, độ rộng đặc trưng hướng trong mặt phẳng đứng và độ sõu đầu thu Chỉ cú những tia phản xạ từ bề mặt mới đến được nơi xa hơn cự ly đú trong nước sõu Vựng được chiếu rọi bởi cỏc tia phản xạ từ bề mặt gọi là vựng tối

1.6.2 Đặc trưng lan truyền súng õm trong vựng nước nụng

Khụng thể sử dụng lý thuyết tia õm, mà phải sử dụng lý thuyết súng õm thụng thường để nghiờn cứu quỏ trỡnh truyền õm trong vựng nước nụng, bởi vỡ ở đú lớp nước tương tự ống dẫn súng Trạng thỏi mặt nước, tớnh chất bựn đất và địa hỡnh đỏy biển cú vai trũ quan trọng, bởi vỡ chỳng ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao khi súng õm phản xạ từ đó Tuy nhiờn, trong nhiều trường hợp, để đỏnh giỏ hiệu năng của sonar, phải sử dụng cỏc quy luật lý thuyết tia õm

Giả sử nguồn õm đặt tại điểm (0, 0) trong lớp nước cú bề dày z = H Khi ấy, tại điểm (r,z) sẽ xếp chồng cỏc súng tới và súng phản xạ từ bề mặt

và đáy lớp nước Sóng phản xạ từ các bề mặt phân cách có thể xem là sóng phản xạ từ nguồn “ảo” và là nguồn gương của nguồn âm thực trong mặt phẳng tương ứng với z = H và z = 0

Trong lớp nước đồng nhất năng lượng tổng hợp của trường âm được xác định theo quy luật “3/2”:

43/2 σ σπ

trong đó:

σ = Rm1,2 2 12,1−

m1 = ρ2/ρ1 - tỉ số mật độ đáy và nước;

m2 = ρ3/ρ1 - tỉ số mật độ không khí và nước; n1 = c1/c2 - hệ số khúc xạ;

n2 = c1/c3 - hệ số khúc xạ giữa nước và không khí; ở cự ly R ≈ r;

Khi môi trường không đồng nhất và cự ly lớn thì sử dụng biểu thức: J = [ ( ) ]12( )0

Trong đó:

D(αdmin) - độ dài chu kỳ tia; f( )α0 =−D−1(αd)lnV(αd); f( )0=−D−1(αdmin)lnV(αdmin) ;

1.6.3 §Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m trong vïng n−íc s©u

Trong đại dương bao la thường gặp hiện tượng tồn tại lớp bề mặt đồng nhất (đẳng nhiệt) hay gradient nhiệt độ dương không lớn, mà dưới đó có lớp nước với gradient nhiệt độ âm Trong những điều kiện ấy, tia âm phát ra dưới góc θ trong lớp bề mặt sẽ bị bẻ cong và trở thành tia ngang trên biên của 2 lớp nước Tất cả các tia phát ra dưới góc nhỏ hơn θ đều bị uốn cong về phía trên và không chạm được biên phân cách 2 lớp nước Tất cả các tia phát ra dưới góc lớn hơn θ sẽ bị uốn cong về phía dưới, xuyên qua biên phân cách, sau đó uốn cong mạnh xuống dưới Hiện trạng vừa nêu dẫn đến sự hình thành vùng tối, nơi mà các tia âm tới không thể thâm nhập

được, do bị khúc xạ Tuy nhiên, các tia âm phản xạ từ bề mặt lại có thể thâm nhập vào vùng tối Dĩ nhiên, mức tín hiệu mà đầu thu có thể nhận

được sẽ phụ thuộc vào khoảng cách giữa máy thu và máy phát, độ sâu cña chúng và đặc trưng phân bố vận tốc âm theo độ sâu

Bởi vì tia âm luôn luôn bị uốn cong về phía lớp nước có vận tốc âm nhỏ hơn, nên một phần năng lượng âm phát ra trong lớp đó sẽ được giữ lại trong kênh, có trục ở độ sâu ứng với vận tốc âm nhỏ nhất Kênh âm này được gọi là kênh âm nước sâu Cũng có thể tồn tại kênh âm gần bề mặt, nếu gradient nhiệt độ trong lớp nước đó làm xuất hiện cực tiểu vận tốc âm

Khi nghiên cứu lan truyền âm trong đại dương cần phân biệt 2 trường hợp điển hình, đó là lan truyền theo kênh và lan truyền không theo kênh Khi truyền âm không theo kênh, năng lượng âm tập trung chủ yếu ở các lớp nước phía dưới Ngược lại, khi âm lan truyền theo kênh thì phần lớn năng lượng âm nằm trong kênh, tổn hao năng lượng không lớn lắm, nên cự ly lan truyền xa, có trường hợp tới hàng nghìn km Tuỳ thuộc vào vị trí tồn tại mà người ta chia kênh âm thành kênh bề mặt và kênh ngầm

a) Kênh âm bề mặt

Kênh âm bề mặt có thể nằm ở độ sâu 60-90m tính từ mặt biển và trải trên diện tích lớn Vị trí kênh âm không cố định, mà thay đổi tuỳ theo “kênh” nhiệt độ Có trường hợp kênh âm “nóng” nằm xen giữa 2 lớp nước lạnh hơn

Kênh âm bề mặt có đặc điểm cơ bản là truyền lan theo nhiều tia vµ lý thuyết tia sóng có thể áp dụng được khi λ<<Zgh (Zgh là giới hạn của kênh âm bề mặt)

Quan hệ giữa vận tốc âm và độ sâu được mô tả như sau:

c( )Z =c0.(1+a.Z) (1.6.1) trong đó: c0- vận tốc âm trên đường ngang qua nguồn âm (Z = 0);

a - gradient vận tốc tương đối

Hình ảnh sóng trong điều kiện kênh âm bề mặt tương ứng với sự phân bố vận tốc âm được nêu trªn hình 1.6.3.1

Hình 1.6.3.1- Hình ảnh sóng âm trong kênh bề mặt

Từ hình vẽ ta thấy đặc tính của bức tranh tia phụ thuộc vào vị trí của nguån ©m so với trục kênh âm ngầm Khi dịch chuyển nguån ©m gần trục

kênh âm ngầm sẽ xuất hiện nhóm tia truyền lan trên cự ly lớn, mà không suy giảm trong phạm vi kênh

Trên hình 1.6.3.3 biểu diễn sự phụ thuộc của vận tốc âm vào độ sâu và bức tranh tia, khi đặt nguồn âm gần bề mặt Các tia sóng giới hạn bởi các giá trị α01m và α02m tạo ra kênh, trong đó năng lượng âm truyền tải không bị mất mát khi phản xạ từ các biên của kênh Trường âm trong trường hợp này có cấu trúc miền: vùng nguồn âm và hướng nằm trên trục kênh âm ngầm, sau đó là vùng lặng âm, đến vùng hội tụ thứ nhất, rồi lại tiếp tục vùng lặng âm, vùng hội tụ thứ hai,

Hình 1.6.3.3- Hình ảnh sóng âm trong kênh ngầm (Nguồn âm bố trí gần mặt biển)

Khi nguồn âm định hướng phát xạ liên tục, trường âm được đặc trưng bằng kênh năng lượng xác định kích thước góc cắt bề mặt Ở mức quan sát cố định thì khoảng cách tới miền hội tụ, độ rộng và độ dày là các thông số của miền hội tụ Các thông số này phụ thuộc vào vị trí trục kênh, vận tốc âm ở đáy và trên bề mặt Ở điều kiện tiêu chuẩn, khoảng cách đến miền hội tụ thứ nhất khoảng 55÷70km, đến miền hội tụ thứ hai là 110÷140km, Độ rộng của miền thứ nhất khoảng 10÷15km, của miền thứ hai - 20km Độ dày của miền thứ nhất có thể đạt tới vài trăm mét Kích thước vùng truyền âm tăng theo số miền, còn kích thước vùng lặng âm thì

ngược lại, giảm khi số miền tăng Trong điều kiện thuận lợi có thể đạt tới 11 miền hội tụ

Sự gia tăng độ sâu của nguồn âm làm vùng hội tụ mở rộng và vùng lặng âm co lại Nếu đặt bộ phát xạ trên trục kênh âm ngầm thì sóng âm lan truyền trong toàn bộ kênh âm

Trong nhiều trường hợp, miền hội tụ tồn tại ở các độ sâu khác nhau Thí dụ, ở các vùng biển với vận tốc âm bề mặt lớn hơn vận tốc âm ở đáy (cbm> cd), và nguồn âm được bố trí sao cho mức vận tốc âm nhỏ hơn vận tốc âm ở đáy biển

Thông qua cấu trúc miền của trường âm cũng có thể đánh giá một số tham số như: thời gian lan truyền, độ dài miền hội tụ,

Cần lưu ý là các đặc trưng miền vừa trình bày trên cho kênh âm bề mặt và kênh âm ngầm thể hiện rõ nét ở miền tần số đủ cao Khi tần số giảm, hiệu suất khúc xạ tăng, vùng lặng âm giảm, cấu trúc miền của trường âm cã thÓ bị phá vỡ

1.7 Vài nét về thuỷ âm biển Việt Nam

Về mặt thuỷ âm, có thể chia biển Việt Nam thành 3 khu vực chính: - Khu vực 1: bao gồm thềm lục địa, vùng Tây Bắc và Tây Nam biển Đông;

- Khu vực 2: vùng biển sâu phía Bắc; - Khu vực 3: vùng biển sâu phía Nam

Trong nước biển Việt Nam hiện tượng kênh âm bề mặt (xem h×nh 1.7.1) xuất hiện quanh năm, nhưng thường xuyên nhất là từ tháng 10 đến tháng 3, với xác suất là 70% Độ dày kênh âm bề mặt khoảng 30÷50m Trong giai đoạn từ tháng 4 đến hết tháng 9 xác suất xuất hiện là 60%, độ dày kênh âm khoảng 20÷30m Hiện tượng khúc xạ ở lớp nước bề mặt xẩy ra phổ biến từ tháng 4 đến tháng 10 (42%) và từ tháng 11 đến tháng 3 (27%)

Vùng truyền âm xa xuất hiện chủ yếu ở độ sâu trên 100m, cách vùng truyền âm thứ nhất chừng 48÷53m và trải dài 1÷5km Độ dài vùng truyền âm gần trong thời gian từ tháng 11 đến tháng 3 khoảng 1,6÷6,9km, còn trong giai đoạn từ tháng 4 đến tháng 10 là 1,4÷4km

Trong khu vực 2 vµ khu vùc 3 quan sát thấy phân bố vận tốc âm theo độ sâu có dạng nh− trªn hình 1.7.2

Đặc trưng khu vực 3 là không tồn tại vùng truyền âm xuất phát từ bề mặt và vùng phân bố với tính chất phản xạ đáy Hiện tượng kênh âm bề mặt xuất hiện quanh năm, với độ dày 30 ÷ 50m

Hiện tượng khúc xạ ở lớp bề mặt xẩy ra trong khoảng thời gian từ tháng 11 đến tháng 3, với xác suất trên 20% Vùng truyền âm xa cũng như vùng thuỷ âm thứ hai thường thấy ở độ sâu trên 100m Độ dài vùng truyền âm thứ nhất 42÷52 km, chiều rộng từ 2 đến 6 km Chiều rộng vùng truyền âm gần từ tháng 12 đến tháng 2 thay đổi trong khoảng từ 2 đến 4 km; còn

từ tháng 3 đến tháng 11 là 1,6 ÷ 4,0 km §Æc ®iÓm ph©n bè vËn tèc ©m ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1.7.1 vµ 1.7.2

Hình 1.7.1- Đặc điểm phân bố vận tốc âm trong vùng thuỷ âm thứ nhất ở Biển Đông

Hình 1.7.2 - Đặc điểm phân bố vận tốc âm trong vùng thuỷ âm thứ hai và thứ ba ở Biển Đông

Trong bảng 1.7.1 trình bày chu kỳ phân bố vận tốc âm và khúc xạ âm ở lớp nước bề mặt và trong kênh âm bề mặt

Bảng 1.7.1 – Tần suất xuất hiện khúc xạ ở lớp nước bề mặt và kênh âm bề mặt trong các vùng thủy âm biển Việt Nam (%)

Tháng 11 ÷ 3 Tháng 4 ÷ 10

4 48

96 52

9 28

23 21

43 3

11 0 II Tháng 11 ÷ 3

Tháng 4 ÷ 10

27 42

73 58

20 52

31 6

23 0

0 0 III Tháng 12 ÷ 2

Tháng 3 ÷ 11

0 17

100 83

27 43

70 37

3 3

0 0 IN Tháng 12 ÷ 2

Tháng 3 ÷ 11

5 22

95 78

22 42

31 18

0 0

42 18

Chương 2 - ĂNG TEN THỦY ÂM

2.1 Khỏi niệm

Albers [2] cho rằng bộ biến đổi õm là thiết bị cú khả năng phỏt súng từ một hoặc nhiều hệ thống hay mụi trường và cú khả năng truyền súng đú vào một (hay nhiều hơn) hệ thống hay mụi trường khỏc Cũn theo Cremer [7] thỡ chỉ cú cỏc thiết bị cú khả năng biến đổi năng lượng điện thành năng lượng õm và ngược lại mới được gọi là cỏc bộ biến đổi Các định nghĩa cú thể ớt nhiều khỏc nhau, song một điều ai cũng thống nhất khi đỏnh giỏ vai trũ của bộ biến đổi trong thiết bị thuỷ õm: bộ biến đổi là phần quan trọng nhất của mọi thiết bị thuỷ õm

Hiện nay, con người đó chế tạo nhiều kiểu thiết bị để biến đổi năng lượng cơ học, điện, nhiệt và hoỏ học thành năng lượng õm Cỏc bộ biến đổi thuỷ õm là thuận nghịch và hoạt động trong điều kiện ỏp suất tĩnh lớn, cú khi đến 1000kG/cm2 Tồn tại một thực tế là trở khỏng của bộ biến đổi thuỷ õm thay đổi theo ỏp suất mụi trường (độ sâu) Hậu quả tất yếu là gõy mất tương thớch với mỏy phỏt, làm giảm cụng suất õm ở đầu ra, ngay cả khi hiệu suất khụng thay đổi Do đú, cỏc bộ biến đổi thuỷ õm khụng những phải cú độ bền cao, mà cũn phải thoả món yờu cầu ớt thay đổi của độ nhạy (hay hệ số hữu ớch) trong dải ỏp suất rộng

2.2 Mụ hỡnh biến đổi điện-õm

Trong biến đổi điện âm cũng cú sự tham gia của 4 tham số liờn hệ chặt chẽ với nhau, trong đú 2 tham số mụ tả năng lượng điện, 2 tham số mụ tả năng lượng õm Vỡ thế, khi nghiờn cứu cỏc bộ biến đổi ta ỏp dụng khỏi niệm bộ 4 cực thường dựng trong kỹ thuật thụng tin liờn lạc Sơ đồ bộ biến đổi điện-õm được trỡnh bày trờn hỡnh 2.2.1

Hình 2.2.1- Sơ đồ biến đổi điện-âm

Sơ đồ trên tương ứng với phương trình biến đổi dưới dạng ma trận như sau:

⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢

⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢

F

V

U

2.3 Nguyên lý biến đổi Điện-Âm

Trong biến đổi điện âm thường sử dụng 2 hiện tượng vật lý cơ bản Hiện tượng thứ nhất là tác động lực lên các điện tích trong điện trường Hiện tượng thứ 2 là tác động lực lên dòng điện trong từ trường Từ đó xuất hiện 4 nguyên lý chính trong việc chế tạo các bộ biến đổi sau đây

2.3.1 Nguyên lý biến đổi điện tĩnh

Nguyên lý này đựa trên việc áp dụng định luật Cu-lông về sự tương tác lẫn nhau nhau giữa 2 điện tích Sơ đồ nguyên lý được trình bày trên hình 2.3.1

Hình 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của biến đổi điện tĩnh

1 Màng kim loại;

2 Vật cách;

3 §iện cực cố định.

2.3.2 Nguyên lý biến đổi áp điện

Các bộ biến đổi theo nguyên lý này dựa trên việc áp dụng hiệu ứng áp điện Bản chất của hiệu ứng áp điện được hiểu như sau Nếu trên bề mặt

U ̃

Ra 3

1

a

U-tinh thể có hai loại nguyên tử khác nhau thì sẽ xuất hiện các điện tích Khi ta đặt vào đó một lực cơ học và ngược lại nếu tác động lên đó những điện tích thì sẽ xuất hiện các lực

Cơ chế xuất hiện điện tích trên bề mặt do biến dạng tinh thể được trình bày trên hình 2.3.2

+ + + + + + + +

Fy

Fx - - - - -

Hình 2.3.2 - Sơ đồ nguyên lý biến đổi áp điện

2.3.3 Nguyên lý biến đổi điện động

Nguyên lý biển đổi kiểu điện động dựa trên việc sử dụng định luật cảm ứng Từ trường biến đổi không những cảm ứng sinh ra trong dây dẫn một điện áp mà còn có tác động sinh ra các lực điện động Trên hình 2.3.3 trình bày sơ đồ nguyên lý biến đổi điện động điển hình

1 Nam châm điện hình trụ; 2 Cuộn dây và màng rung

Hình 2.3.3 - Sơ đồ nguyên lý biến đổi điện động

2.3.4 Nguyên lý biến đổi điện từ

Trong biến đổi điện từ sử dụng hiện tượng thay đổi từ thông của nam châm khi thay đổi trở từ hay hiện tượng thay đổi lực hút của phần ứng khi thay đổi từ thông Sơ đồ nguyên lý của nó được thể hiện trên hình 2.3.4

Hình 2.3.4 Sơ đồ nguyên lý biến đổi điện từ

U N

2.4 Sơ đồ điện tương đương của các kiểu biến đổi

Trên thực tế các bộ biến đổi vừa trình bày trên đây luôn nằm trong mạch kết nối với các phần khác c a thiÕt bÞ thuû ©m Do đó, đối với các chuyên gia nghiên cứu tính toán các bộ khuếch đại thì sơ đồ điện tương đương của các kiểu biến đổi có ý nghĩa quan trọng Vì thÕ trên hình 2.4.1 trình bày sơ đồ điện tương đương của các kiểu biến đổi [8]

C

ω sU2C22

b) kiểu áp điện

Hỡnh 2.4 - Sơ đồ điện tương đương của cỏc kiểu biến đổi :

Các ký hiệu trên hình 2.4:

ρ - tỷ trọng vật liệu; a - một nửa bán kính màng rung; S - điện tích hiệu dụng của tấm chắn; s - độ cứng của hệ thống; c - vận tốc âm trong môi trường; r - trở kháng tổn hao cơ học; K - hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào tính chất và đặc điểm kết cấu của vật liệu; B - cảm ứng từ; l - độ dài hiệu dụng của dây dẫn; d - khe hở giữa màng và cực nam châm; m - khối lượng của bộ biến đổi; n - số vòng dây; Φ - từ thông; C - điện dung

2.5 Vật liệu thụng dụng để chế tạo cỏc bộ biến đổi

Trong thế chiến thứ hai và một phần trong những năm sau đú phần lớn cỏc mỏy biến đổi điện-õm đó sử dụng cỏc linh kiện làm từ vật liệu từ cứng Cỏc linh kiện đú làm việc ở cỏc mức cụng suất cao, đặc biệt trong chế độ xung Chỳng rất bền và ớt thay đổi tớnh chất trong thời gian dài Nhược điểm của chỳng là hệ số hữu ớch thấp (thường chỉ đạt 30-35%), do tổn hao dũng xoỏy trong vật liệu quỏ lớn Cỏc ferit từ cứng khụng phải là vật dẫn, nờn khụng bị tổn hao vỡ dũng xoỏy, nhưng độ bền cơ học lại khụng đỏp ứng được yờu cầu làm việc ở cụng suất lớn Bờn cạnh đú cỏc đặc trưng từ cứng của ferit lại phụ thuộc đỏng kể vào ỏp suất, nờn ferit khụng được chọn làm vật liệu thụng dụng trong kỹ thuật thuỷ õm

Vật liệu từ cứng được dựng để chế tạo nam chõm vĩnh cửu Trờn thị trường hiện nay cú cỏc loại vật liệu từ cứng nờu trong bảng 2.5.1

( )

Ri

( )

φ 1

d) kiểu điện từ

Bảng 2.5.1- Các loại vật liệu từ cứng dùng trong kỹ thuật thuỷ âm Vật liệu Phương

pháp chế tạo Từ dư, T

Lực kháng từ, kA/m

Năng lượng từ cực đại, kJ/m3

ЮН13ДК24 ЮН14ДК24 ЮН15ДК24 ЮН13ДК25БА ЮН14ДК25БА ЮН15ДК25БА

2,8БА 3 БА1 3,1БА 3,5БА 2 БА

Đúc Đúc Đúc Đúc Đúc Đúc Ép Ép Ép Ép Ép

1,25 1,2 1,15

1,4 1,35 1,25 0,36 0,37 0,38 0,39 0,30

40,0 48,0 52,0 44,0 52,0 62,0 215 207 167 285 184

18,0 18,0 18,0 28,0 28,0 28,0 11,0 12,0 12,3 14,0 8,0

Với mục đích giảm đến mức thấp nhất tổn hao do dòng xoáy, người ta đã thiết kế các bộ biến đổi ghép từ các lá mỏng thành bó Nhưng độ sâu sử dụng các bộ biến đổi như thế cũng bị hạn chế bởi độ bền cơ của các bó

Trước đây các tinh thể áp điện, thạch anh và đihiđrôphốtphát được sử dụng thường xuyên hơn Nhưng từ khi xuất hiện titanat ba-ri và các loại gốm tương tự khác, các tinh thể áp điện trong các bộ biến đổi đã bị thay thế dần Các đầu phát làm từ vật liệu gốm có hiệu suất khoảng 50÷70%, có thể phát ở mức công suất lớn và chịu được áp suất lớn dưới đại dương

Hiện nay, vật liệu áp điện được sử dụng chủ yếu là gốm áp điện trên cơ sở ba-ri, can-xi, ziriconi và chì, ít khi sử dụng thạch anh, muối xenit và đêhiđrôphốtphát amôni Các tính chất cơ bản của gốm áp điện được trình bày trong bảng 2.5.2

Bảng 2.5.2 - Các tính chất cơ bản của gốm áp điện

Thành phần Ba2+, Ca2+, TiO32- Pb2+, Zr2+, TiO3

2-Tỷ trọng ρ, kg/m3

Nhiệt độ Quy-ri, OC QM

5500 120 425

7600 300 500 Các hằng số điện môi

ε33 , T/ε0

ε33 , S/ε0

1250 950

1300 675 Các hằng số áp điện

d31 (10-12 m/V) d33 (10-12 m/V) g31 (10-3 Vm/N) g31 (10-3 Vm/N)

-58 150 -5,5 15

-125 270

-11 25,5 Độ dẻo

s11 E (10-12 m2/N) s33 E (10-12 m2/N)

8,6 9,1

12 15,5 Hệ số liên hệ

-0,19 0,46

-0,31 0,65

Chương3- ỨNG DỤNG THUỶ ÂM TRONG QUÂN SỰ

3.1 Mét sè khác biệt giữa sóng siêu âm và sóng điện từ

Như ta đã biết, bước sóng của tất cả các loại sóng đều xác định theo biểu thức: λ=c/f , trong đó c là vận tốc lan truyền sóng, f là tần số Vì thế, khi cùng tần số thì vận tốc càng nhỏ, bước sóng càng ngắn [9]

Sóng điện từ lan truyền với vận tốc 300.000km/giây, nên dải tần rất rộng và được chia thành nhiều băng tần Trong khi đó vận tốc lan truyền của sóng âm nhỏ hơn vận tốc sóng điện từ đến 105-106 lần Vì thế, khi so sánh giữa sóng điện từ và sóng âm không nên so sánh các dải tần, mà nên so sánh các vùng bước sóng của chúng Trên quan điểm đó ta thấy các điều kiện lan truyền của sóng siêu âm và sóng điện từ trong dải nằm giữa sóng đêximet và sóng ánh sáng là tương tự nhau Tuy nhiên, sóng âm là sóng dọc của áp suất; đây chính là một trong những điểm khác biệt với sóng điện từ

Mặt khác, sóng siêu âm lan truyền rất tốt trong chất khí cũng như trong chất lỏng, trong khi đó sóng điện từ không thể lan truyền trong môi trường chất lỏng, bởi nước (đặc biệt là nước biển) có tính dẫn điện cao

Do bước sóng của siêu âm ngắn nên siêu âm được sử dụng cho các mục đích, vốn vẫn sử dụng các loại sóng khác Một trong số các ứng dụng của siêu âm là các hệ thống tín hiệu và dẫn đường

Ưu điểm nữa của siêu âm là các thiết bị sử dụng sóng siêu âm có kích thước nhỏ

3.2 Phân loại thiết bị thuỷ âm

Thông tin có vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo các hoạt động tác chiến trên biển Nhưng vì nước là môi trường dẫn nên sóng vô tuyến lan truyền trong nước rất kém; dù có tăng công suất lớn đến đâu nó cũng không thể th©m nhËp sâu được Để giải quyết mâu thuẫn đó người ta thay thế liên lạc vô tuyến điện bằng liên lạc thuỷ âm chuyên dụng, có khả năng chuyển tín hiệu thoại theo thời gian thực

Các phương tiện kỹ thuật ứng dụng hiện tượng lan truyền sóng âm trong nước gọi là thiết bị thuỷ âm, hay còn gọi là sonar Hiện nay, các thiết bị thuỷ âm trở thành trang bị không thể thiếu trên các tàu hải quân và có vai trò trọng yếu trong cuộc chiến giữa tàu chiến với tàu ngầm cũng như giữa các tàu ngầm với nhau Có thể nói không quá rằng, trong cuộc chiến trên biển phần thắng sẽ thuộc về ng−êi có phương tiện thuỷ âm vượt trội

Theo tính năng kỹ-chiến thuật người ta phân các thiết bị thuỷ âm thành các nhóm sau đây:

- Sonar chủ động: vừa phát, vừa thu tín hiệu;

- Sonar thụ động: chỉ thu tín hiệu (tiếng ồn) từ mục tiêu Theo vị trí bố trí thì thiết bị thuỷ âm được phân loại như sau: - Sonar trên tàu chiến;

- Sonar trên tàu ngầm;

- Sonar không quân kiểu thả, kéo; - Sonar không quân kiểu phao; - Sonar cố định;

- Sonar dò thuỷ lôi;

- Sonar dùng trong ngư lôi

- Sonar chuẩn để kiểm tra các thiết bị thuỷ âm khác

3.3 Các hướng ưu tiên trong nghiên cứu phát triÓn thiÕt bị thuỷ âm

Mỹ và Nga là hai quốc gia có Hải Quân phát triển bậc nhất thế giới Các thiết bị thuỷ âm của họ luôn được nghiên cứu cải tiến và hiện đại hoá theo hướng nhất thể hoá về tổ chức, chuẩn hoá về chức năng và tối ưu hoá về kết cấu, để phù hợp với mục đÝch sử dụng

3.3.1 Phát triển thuỷ âm trên tàu ngầm

Phát triển thuỷ âm trên tàu ngầm theo các hướng sau:

- Tăng tầm (độ nhạy) của các đài thuỷ âm ở chế độ định vị thu; - Hoàn thiện hệ thống định vị và dẫn đường cho thuỷ lôi trong điều kiện nhiễu cao;

- Hoàn thiện các thiết bị tự động phân giải mục tiêu và khí tài dưới nước;

- Nâng cao khả năng chống nhiễu của thiết bị cũng như khả năng tàng hình của tàu mang

3.3.2 Phát triển thuỷ âm trên tàu chiến

- Khi nghiên cứu chế tạo các ra-đa thuỷ cho tàu chiến hiện nay hướng chủ yếu nhắm vào vùng tần số thấp hơn, nhằm giảm thiểu tổn hao năng lượng khi sóng âm lan truyền trong nước biển Hầu hết các đài thuỷ âm của Mỹ hiện nay đều không sử dụng dải tần siêu âm, mà sử dụng dải tần tần từ 3,5 đến 15kHz Còn đa phần các trạm thuỷ âm của NATO đều sử dụng sóng mang với tần số chuẩn là 80875Hz Tín hiệu thuỷ âm được điều chế theo phương pháp một vế Lợi thế của việc sử dụng tín hiệu một vế cã kh¶ năng chống nhiễu cao vµ dÔ t¸ch

- Tăng kích thước của an-ten nhằm thu được tính định hướng cao ở tần số thấp;

- Ở chế độ thụ động nờn tỏch riờng an-ten phỏt và an-ten thu, trong đú phần thu được sử dụng cả khi dũ tỡm theo nguyờn lý tiếng vọng từ mục tiờu, cả khi dũ tỡm theo nguyờn lý tiếng ồn mục tiờu

- Tập trung chỳ ý vào việc hoàn thiện cỏc phương phỏp tỏch tớn vọng và tiếng ồn từ tàu ngầm trờn nền nhiễu tự nhiờn trong nước và cải thiện cỏc đặc trưng của cỏc bộ biến đổi

- Để tăng tầm của ra-đa thuỷ cú thể ỏp dụng cỏc giải phỏp:

* Sử dụng cỏc nguồn thuỷ õm cụng suất lớn với giản đồ hướng hẹp;

* Giảm tần số cụng tỏc

Để tăng tầm liên lạc giải phỏp chọn tần số thấp được cỏc chuyờn gia quõn sự Mỹ khai thỏc một cỏch triệt để Hiện nay, thay vỡ sử dụng dải tần siờu õm họ sử dụng dải õm tần trong khoảng 3,5ữ15kHz Theo quan điểm của nhiều chuyờn gia nước ngoài thỡ hướng phỏt triển trong giai đoạn hiện nay của cỏc trạm thuỷ õm chuyển dịch từ tần số thấp xuống tần số rất thấp và siờu thấp Việc sử dụng tần siờu thấp cho phép nâng cao cự ly phỏt hiện tàu ngầm

Thiết bị thuỷ âm cho người nhái, thì phải tăng tần số để giảm trọng lượng

- Hoàn thiện kết cấu an-ten thuỷ õm cũng là một hướng rất quan trọng Kết cấu của an-ten cú vai trũ rất lớn trong việc nõng tầm phỏt hiện tàu ngầm và độ chớnh xỏc xỏc định toạ độ của nú Biện phỏp là sử dụng cỏc an-ten thẳng, độ dài lớn Cú ý tưởng là sử dụng luụn phần thành tàu ngập trong nước hay thiết bị dạng sống chuyờn dụng làm an-ten (gọi là an-ten sống) Dựng an-ten kộo dài sẽ dễ dàng hạ tần cụng tỏc An-ten dạng này được gọi là an-ten lưới phẳng Gai đoạn tiếp theo của phỏt triển an-ten tần thấp là cỏc an-ten bảo giỏc cú cấu hỡnh trựng với đường bao vỏ tàu (trừ cỏc chỗ lồi ra)

- Nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới trong công nghệ chế tạo các bộ biến đổi, đặc biệt là kênh chất lỏng để truyền năng lượng âm từ phần tử phát sang chất lỏng xung quanh Vai trò của chất lỏng đó trước đây là dầu thầu dầu, nay được thay bằng polyalkylenglycol (ĐC-510) Vật liệu mới này ở trạng thái nguội có độ nhớt cao, nên trước khi đổ vào bộ biến đổi cần phải sấy nóng Tuy giá của nó đắt gấp mười lần dầu thầu dầu, nhưng bù lại nó được các chuyên gia đánh giá là chất lỏng hiệu quả nhất và giá cả chấp nhận được cho mục đích truyền dẫn năng lượng

- Thiết kế chế tạo các bộ biến đổi làm việc ở độ sâu lớn Mỹ đã có bộ biến đổi như vậy, được gọi là APPRES Bộ biến đổi này có cấu tạo phù hợp với độ sâu và làm việc ở các tần số dưới 50Hz với công suất phát gần 5 kW Khâu chủ yếu của thiết kế này là van phân cách chất lỏng thuỷ lực công tác và không khí nén của hệ thống bù trừ áp suất bên ngoài

3.4 Một số thiết bị thuỷ âm của Mỹ và Nga

3.4.1 Thiết bị thuỷ âm trên tàu chiến (Mỹ)

Các trạm thuỷ âm trên tàu chiến của Mỹ có mức độ nhất thể hoá rất cao Hiện nay Mỹ có 2 kiểu thiết bị thuỷ âm chính trang bị trên tàu chiến là AN/SQS-23 và AN/SQS-26 [10] Kiểu AN/SQS-23 được bố trí trên phần lớn các tàu rải mìn và các tàu chống ngầm Kiểu AN/SQS-26 được bố trí trên các tàu nguyên tử, tàu thả mìn, tàu tuần tiểu thế hệ mới Mỗi một trạm thuỷ âm các kiểu nói trên là thành phần của tổ hợp tên lửa chống tàu “Asroc” Tuy nhiên sử dụng phổ biến nhất vẫn là kiểu AN/SQS-23 Hệ thống này được trang bị trên các tàu Hải Quân của Mỹ và nhiều nước khác

trong thế giới tư bản