Đặc trưng lan truyền trong vùng nước sâu

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 hai 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 hai 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. 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.

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 hai 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. [14]

* Kênh âm bề mặt

Kênh âm bề mặt có thể nằm ở độ sâu 60-90 m 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 hai 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

( )

(

)

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 vẽ ở hình 1.4

Hình 1.4: Hình ảnh sóng âm trong kênh bề mặt

* Kênh âm ngầm

Hình 1.5: Hình ảnh sóng âm trong kênh ngầm (Nguồn âm được bố trí trên trục kênh)

Tuy có sự thay đổi lớn ở phần trên của đường cong C(z) (phụ thuộc vào thời gian trong năm), nhưng trên đặc tuyến phân bố vận tốc âm có thể tách đoạn có gradien âm (đến trục kênh âm ngầm) và đoạn có gradien dương sau đó.

Từ hình vẽ ta thấy đặc tính của bức tranh tia phụ thuộc vào vị trí của nguồn âm so với trục kênh âm ngầm. Khi dịch chuyển nguồn âm 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 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: 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÷70 km, đến miền hội tụ thứ hai là 110÷140 km, ... Độ rộng của miền thứ nhất khoảng 10÷15 km, của miền thứ hai 20 km. 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.

Độ sâu của nguồn âm tăng 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), 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 truyền, độ dài miền hội tụ,...

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 có thể bị phá vỡ.

1.2.6 Vài nét về thuỷ âm biển Việt Nam [1]

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 phụ lục 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÷50 m. Trong giai đoạn từ tháng 4 đến hết tháng 9 xác suất xuất hiện là 60 %, độ dày kênh âm khoảng 20÷30 m. Hiện tượng khúc xạ ở lớp nước bề mặt xảy 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÷53 m và trải dài 1÷5 km. Độ dài vùng truyền âm gần trong thời gian từ tháng 11 đến tháng 3 khoảng 1,6÷6,9 km, còn trong giai đoạn từ tháng 4 đến tháng 10 là 1,4÷4 km.

Trong khu vực 2 và khu vực 3 quan sát thấy phân bố vận tốc âm theo độ sâu có dạng như ở phụ lục 1.

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 ÷ 50 m.

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 100 m. 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. Đặc điểm phan bố vận tốc âm được thể hiện ở phụ lục 1 và phụ lục 2.

1.3 KẾT LUẬN

Trên đây đã đề cập tới quá trình truyền sóng âm trong môi trường nước, với những đặc tính riêng. Nội dung chương đã giới thiệu được các vấn đề:

+ Sóng âm và các tham số cơ bản

+ Đặc trưng lan truyền của sóng âm, ảnh hưởng của môi trường đến qua trình truyền sóng.