CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT SENSOR THỦY ÂM VÀ NGUYÊN LÝ TẠO TRƯỜNG ÂM THANH
2.3 PHƯƠNG PHÁP TẠO TRƯỜNG ÂM THANH TỪ SENSOR 1 Nguyên lý âm thanh
2.3.1 Nguyên lý âm thanh
Tạo ra trường âm thanh trong môi trường nước bao gồm đầu vào điện vốn được các sensor biến thành chuyển động của bề mặt tiếp xúc với môi trường. Chuyển động khởi phát bởi bề mặt động của sensor được truyền cho các hạt nước lân cận và sóng âm truyền đi từ bề mặt của nó.
Áp suất âm thanh trường xa tạo ra bởi các sensor chủ động có thể được mô tả theo công suất âm thanh bức xạ Pa bởi
2 2
a i
p (r, , )φ θ = ρcP D R( , ) / 4 rφ θ π (2.4)
Trong đó p (r, , )2 φ θ - áp suất âm thanh bình phương trung bình (Pa); r,φ,θ) - tọa độ cầu, r theo mét; c - tích của mật dộ tốc độ sóng âm của môi trường, tức là trở kháng âm thanh riêng của môi trường (N.s/m3); R(φθ) - hàm giản đồ chuẩn hóa; và Di - hệ số định hướng của sensor chủ động.
Hệ số định hướng được định nghĩa như sau:
o 2 2 2 i o 1 1 p (r, , ) dS D 4 r p φ θ = π ∫∫ (2.5)
Trong đó p0 = áp suất ở khoảng cách r0 theo hướng đáp tuyến cực đại và dS = phần tử điện tích mặt trên mặt cầu có bán kính ro.
Ví dụ về giản đồ chùm chuẩn hóa như ở hình 2.6. Hình này cho thấy đồ thị 10lgp2 (θ,φ,r) phụ thuộc θ đối với giá trị đặc biệt φ = φk. Chia phương trình 2.4 cho bình phương dòng vào Sensor I2và sắp xếp lại theo tham số ta được: 2 i e a 2 2 e p (r, , ) cD R( , )R P I 4 r P φ θ =ρ φ θ π (2.6)
Trong đó Pe - công suất điện vào sensor (W), Re - điện trở vào của sensor (Ω) và Pa – công suất bức xạ âm thanh
Hình 2.6 Giản đồ chùm điển hình của sensor âm thanh dưới nước
Đáp tuyến truyền dòng (20logS0) được cho bởi 20lgS0 = 10log Re + 10logDi + 10logηea
+ 170,8 (dBre ) 1µPa/A ở 1m (2.7) Số hạng 10log Di được gọi là chỉ số định hướng NDI, hoặc độ khuếch đại của Sensor; ηea = Pa/Pe, hiệu suất điện.
Đáp ứng thu mạch hở trường tự do M0 tính theo vôn trên micropascan liên hệ với đáp ứng truyền dòng đối với sensor bởi biểu thức:
20logM0 = 20logS0 - 20logf - 294 dBre 1V/µPa (2.8) Trong đó f - tần số (Hz) và các điều kiện danh định trong nước được giả định.
Khi xác định phản ứng của môi trường đối với bề mặt động của Sensor, ta giả định mặt rung của nguồn có tốc độ u, và mặt tác dụng lực Fr
lên nước, và áp lực do nước tác dụng lên bề mặt động của sensor chủ động là - Fr. Trở kháng bức xạ Zr được biểu bởi công thức.
Zr = - Fr/u = Rr + jXr (2.9) trong đó R = điện trở bức xạ và X = trở kháng bức xạ.
Trong hệ tuyến tính bao gồm các Sensor chủ động, giá trị của Zr phụ thuộc vào tần số, nhưng là hằng số ở tần số không đổi. Nếu đã biết trở kháng bức xạ ,việc tính công suất âm thanh của nguồn Pa sẽ rât đơn giản ,vì
Pa = 2 2
peak r rms r
1
u R u R