Hình 1.2.1 mục 1.2 cho thấy trong lớp nước gần bề mặt vận tốc õm giảm theo độ sõu, t−ơng tự thay đổi nhiệt độ. ở độ sõu ∼1000m (nơi nhiệt độ gần như khụng đổi) vận tốc õm cú giỏ trị nhỏ nhất. Cùng với sự gia tăng độ sâu, vận tốc õm lại bắt đầu tăng, do tăng ỏp suất tĩnh. Tốc độ truyền súng õm trong nước biển phụ thuộc vào độ sõu và thay đổi trong khoảng 1400m/giõy đến 1570m/giõy.
Kết quả nhận được từ 1.4 và 1.5 cho thấy, tổn hao năng lượng do hấp thụ trong lũng chất lỏng và trờn bề mặt vật rắn tỷ lệ với căn bậc 2 của tần số liờn lạc.
Biểu thức (1.5.2) đỳng chừng nào nú cũn nhỏ, bởi vỡ khi dẫn giải chỳng ta giả thiết rằng biờn độ súng tới và súng phản xạ như nhau. Điều kiện này cú nghĩa là gúc tới θ khụng được quỏ gần với π/2 . Biểu thức tớnh hấp thụ õm khi phản xạ ở gúc bất kỳ cho thấy hấp thụ súng õm trờn bề mặt rắn là rất lớn. Nguyờn nhõn của hiện tượng này được giải thớch như sau:
Trong súng õm khụng những tỷ trọng và ỏp suất mà nhiệt độ cũng thực hiện dao động quanh giỏ trị trung bỡnh của mỡnh. Vỡ thế, trong vựng sỏt bề mặt rắn tồn tại hiệu nhiệt độ giữa chất lỏng và bề mặt rắn, ngay cả khi nhiệt độ trung bỡnh của chất lỏng bằng nhiệt độ bề mặt. Độ lớn của hiệu nhiệt độ này thay đổi một cỏch tuần hoàn. Trong khi đú ngay trờn bề mặt
bằng nhau. Kết quả là trong lớp chất lỏng sỏt bề mặt rắn xuất hiện gradient nhiệt độ lớn; nhiệt độ thay đổi nhanh từ giỏ trị của mỡnh trong súng õm đến giỏ trị nhiệt độ bề mặt. Sự tồn tại gradient nhiệt độ lớn cũng là nguyờn nhõn tản mỏt năng lượng cao do quỏ trỡnh dẫn nhiệt. Chớnh độ nhớt của chất lỏng dẫn đến hấp thụ lớn khi súng tới nghiờng (khụng vuụng gúc với mặt rắn) cũng được giải thớch một cỏch tương tự: Khi súng tới nghiờng vận tốc chất lỏng trong súng (hướng theo hướng lan truyền súng) cú thành phần tiếp tuyến với bề mặt rắn khỏc khụng. Trong khi đú, ngay trờn bề mặt vật rắn chất lỏng bị “dớnh” hoàn toàn. Vỡ thế, trong lớp bề mặt của chất lỏng xuất hiện gradient lớn của thành phần tiếp tuyến của vận tốc, dẫn đến tổn hao năng lượng do nhớt sẽ lớn, như đó trỡnh bày trờn đõy. Thành phần phỏp tuyến của vận tốc trờn bề mặt bằng khụng, do điều kiện biờn của chất lỏng lý tưởng.
Mụi trường nước biển thuận lợi nhất đối với năng lượng õm, cú nghĩa là súng õm lan truyền trong nước biển thuận lợi hơn cỏc súng khỏc. Như đó chứng minh ở cỏc phần trờn mức độ tổn hao của súng õm khi lan truyền trong nước tăng theo bỡnh phương tần số. Ngoài ra, cỏc đặc trưng lan truyền của súng õm trong đại dương phụ thuộc vào một loạt thụng số như phõn bố nhiệt độ theo độ sõu, trạng thỏi bề mặt, độ sõu nơi bố trớ thiết bị, đặc trưng của đỏy biển, vị trớ và cấu trỳc của cỏc tầng tỏn xạ sõu.
Khả năng thu phỏt tớn hiệu của thiết bị thụng tin thủy õm được xỏc định bởi mức tớn hiệu và độ ồn mụi trường xung quanh. Mức tớn hiệu lại phụ thuộc vào cụng suất phỏt, điều kiện lan truyền súng õm. Mức ồn phụ thuộc vào trạng thỏi của biển, vận tốc giú, độ dày lớp nước và cỏc yếu tố cú nguồn gốc sinh học trong vựng bố trớ thiết bị liờn lạc.
Thụng tin về trạng thỏi nước biển và đỏy biển là vụ cựng quan trọng. Chỳng cho phộp dự bỏo chớnh xỏc đặc trưng lan truyền súng õm trong nước và xỏc định cỏc khả năng của thiết bị thuỷ õm cần thiết cho việc bố trớ và tổ chức thụng tin.
Độ sõu của đại dương thay đổi trong dải rất rộng, cú nơi chỉ mấy một, cú nơi đến hàng chục km. Độ chờnh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và cỏc lớp nước sõu cú thể tới hàng chục độ. Lớp nước bề mặt cũn bị ảnh hưởng bởi súng. Độ mặn của nước biển ở cỏc khu vực khỏc nhau khụng chờnh nhau đỏng kể và dao động quanh 3,5%. ỏp suất trong nước biển tăng theo độ sõu, khoảng 1kG/cm2 trờn 10m sõu, vỡ thế càng xuống sõu ỏp lực nước càng lớn. Một đặc điểm nữa là nhiệt độ càng cao, ỏp lực càng lớn, độ mặn càng tăng thỡ vận tốc õm trong nước biển càng lớn. Mặc dầu sự thay đổi giỏ trị tuyệt đối của vận tốc õm khụng đỏng kể, nhưng nú lại cú vai trũ đỏng kể khi lan truyền súng õm diễn ra do khỳc xạ tia õm. Khi lan truyền trong nước biển một phần năng lượng súng õm tỏn xạ trờn cỏc bất đồng nhất của nước, một phần bị hấp thụ và chuyển thành nhiệt năng. Nhỡn chung, sự hấp thụ năng lượng súng õm của nước biển mạnh hơn của nước ngọt vỡ trong nước biển cú muối hoà tan. Trờn hỡnh 4.1.1 thể hiện sự phụ thuộc của hấp thụ õm vào tần số ở điều kiện nhiệt
độ khụng đổi.
Độ suy hao (α) của súng õm trong nước được tớnh theo cụng thức:
(
dB m)
f. / 0173 . 0 σ α = Trong đú: f là tần số (Hz); σ là độ dẫn (mhos/met)Hỡnh 4.1.1 cho thấy độ suy hao là một hàm của tần số và độ dẫn của nước. Nước ở dạng nguyờn chất là một chất cỏch điện, nhưng trong
nước biển nú hũa tan rất nhiều muối và những tạp chất khỏc, do vậy nú trở Hỡnh 4.1.1 Sự phụ thuộc của suy hao
độ muối và nhiệt độ. Nước biển cú lượng muối cao nờn cú độ dẫn cao, thụng thường cú giỏ trị từ 2 mhos/met ở vựng cực lạnh đến 8 mhos/met ở vựng ấm và mặn (như Biển Đỏ). Độ dẫn trung bỡnh ở nước biển thường là 4 mhos/met (cú nghĩa là 1 m3 của nước biển cú độ dẫn là 4 mhos/met hay là cú trở khỏng ẳ ụm).
Độ suy hao trong nước biển rất lớn do vậy để cú thể liờn lạc ở cỏc độ sõu khỏc nhau cú hiệu quả, người ta thường dựng tần số rất thấp (từ 10 dến 30 Khz), ở đõy độ suy hao chỉ ở mức khoảng 3,5 đến 5 dB/met. Cũn liờn lạc ở băng tần số 1,8Mhz thỡ độ suy hao tăng lờn ở mức khoảng 46 dB/met.
Đối với nước khụng mặn thỡ độ suy giảm tại tần số 10Khz chỉ khoảng 0,4dB/met, cũn ở tần số 1,8Mhz độ suy hao cũng chỉ ở mức khoảng 5,4 dB/met.
Như vậy tần số càng thấp thỡ sự suy giảm trong nước biển càng thấp cú nghĩa là việc liờn lạc càng tốt hơn.
Tuy nhiờn tần số thấp kộo theo kớch thước cảm biến siờu õm cũng như cỏc linh kiện sử dụng trong bộ xử lý tớn hiệu đều tăng.
Đề tài đó chọn cỏc đầu thu phỏt siờu õm là gốm ỏp điện, ưu tiờn cho mục tiờu kớch thước nhỏ, khối lượng nhẹ, tiờu thụ ớt điện năng nhằm kộo dài thời gian hoạt động an toàn dưới nước cho người lặn.
