Chính thức, sự truyền sóng âm biên độ tƣơng đối nhỏ trong môi trƣờng đẳng hƣớng, hoàn toàn đàn hồi, đồng nhất, vô hạn, và không tổn hao có thể đƣợc biểu diễn
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh56
bởi các phƣơng trình sóng âm tuyến tính. Hai cách tiếp cận đến một giải pháp của phƣơng trình sóng là "thuyết chuẩn hóa " và " thuyết tia".
Lý thuyết chuẩn hóa có hiệu lực khi bƣớc sóng của âm thanh cùng bậc độ lớn nhƣ độ sâu của nƣớc. Nó đặc biệt hữu ích trong việc mô tả lan truyền âm thanh trong vùng nƣớc nông hoặc ở tần số rất thấp trong vùng nƣớc sâu. Điều này giống nhƣ việc truyền lan của sóng điện từ thông qua ống dẫn sóng. Cụ thể, thuyết chuẩn hóa đối với đại dƣơng giống nhƣ truyền âm tổng thể và đặc trƣng trong điều kiện dao động tự nhiên hoặc dạng dao động riêng của đại dƣơng, tƣơng tự nhƣ chuỗi dao động. Các thuật toán liên quan đƣợc dễ dàng thực hiện trên một máy tính số. Tuy nhiên, lý thuyết này không thuân tiện để hiểu hoặc hiện thực hóa quá trình truyền lan nhƣng thuyết tia thì có thể.
Lý thuyết tia âm tƣơng tự nhƣ là việc sử dụng quang học tia. Tƣơng tự nhƣ vậy, nó mặc nhiên công nhận sự tồn tại của mặt sóng dọc theo đó pha hoặc hàm thời gian của phƣơng pháp cho phƣơng trình sóng là không đổi. Nó cũng mặc nhiên công nhận rằng đối với một tập hợp các điều kiện, khoảng truyền âm giữa hai điểm bất kỳ trong đại dƣơng là cố định, độc lập với hƣớng truyền sóng. Khoảng truyền này đƣợc gọi là "tia âm " hoặc "khoảng truyền tia", và mô tả của toàn bộ quá trình lan truyền đƣợc gọi là một "sơ đồ tia." Điều này có sức hấp dẫn trực quan đáng kể. Tuy nhiên, có một số hạn chế. Nó không cung cấp giải pháp tốt khi độ cong tia hoặc biên độ áp lực thay đổi đáng kể trên khoảng cách một bƣớc sóng. Vì vậy, lý thuyết tia đƣợc giới hạn tần số cao hoặc bƣớc sóng ngắn.
Hƣớng của một khoảng truyền tia bị chi phối bởi luật Snell. Vận tốc của âm thanh là một hàm gia tăng của nhiệt độ nƣớc, áp suất và độ mặn.Những biến đổi trong các biến này tạo ra sự thay đổi vận tốc từ đó gây ra một sóng âm để làm khúc xạ hoặc thay đổi hƣớng của nó khi truyền. Vì vậy, một chế độ truyền lan đƣợc xác định bởi độ trắc địa hoặc độ dốc của môi trƣờng. Một gradient mô tả sự thay đổi vận tốc với độ sâu. Nếu vận tốc tăng theo độ sâu, độ dốc đƣợc gọi là dƣơng, tạo ra độ cong tia lõm lên
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh57
trên. Nếu vận tốc giảm dần theo độ sâu, độ dốc đƣợc gọi là âm, tạo ra một độ cong tia lõm xuống.
Các trắc đồ đại dƣơng sâu bao gồm hai lớp chính, tức là, I) phần phụ thuộc theo mùa, bao gồm một lớp cách nhiệt, mặt và dị biệt nhiệt theo mùa, kéo dài từ bề mặt cho tới một vài trăm feet.2) thƣờng xuyên, phần không phụ thuộc theo mùa, bao gồm các dị biệt nhiệt chính và lớp cách nhiệt sâu, kéo dài xuống phía dƣới. Trong suốt mùa đông và mùa xuân và ở Bắc Cực, các dị biệt nhiệt theo mùa có xu hƣớng kết hợp với các lớp cách nhiệt. Trong suốt mùa hè và mùa thu, lớp cách nhiệt là sâu chỉ khoảng 50 feet, và dị biến nhiệt theo mùa cũng đƣợc xác định. Các dị biến nhiết chính là một gradient âm do nhiệt độ giảm và do đó, làm giảm vận tốc. Trong lớp đẳng nhiệt sâu nhiệt độ gần nhƣ không đổi ở khoảng 39 ° F. và vận tốc của âm thanh tăng theo chiều sâu do tăng áp lực. Gradient tích cực là khoảng 0,016 feet mỗi giây cho mỗi chân. do đó tối thiểu tốc độ đƣợc hình thành vào khoảng 1000 mét mà là trục của kênh âm thanh sâu hay cái gọi là kênh SOFAR.
Vận tốc và lý thuyết tia hoàn toàn đặc trƣng cho truyền lan trong nƣớc sâu. Đây là một hình thức truyền lan ngầm hoá mà âm thanh đƣợc chặn truyền lan trong mọi hƣớng và đƣợc bao bọc trong một ống hoặc kênh âm. Những ranh giới có thể là mặt biển và đáy biển, đa lớp trong môi trƣờng, hoặc sự kết hợp của cả hai. Nƣớc sâu (> 1.000 sải) truyền lan có thể đƣợc tách thành hai lớp, tùy thuộc vào độ sâu của nguồn.Đối với một nguồn gần bề mặt (trên 1500 bộ của đại dƣơng), có ba chế độ-chế độ ống dẫn bề mặt, các chế độ dội lên từ dƣới, và các chế độ vùng hội tụ.Tất cả đƣợc thể hiện trong sơ đồ tia trong hình 1.7 và biểu diễn cho tất cả các ứng dụng hiện tại của sonar cho tàu nổi, tàu ngầm, và chân không.
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh58 Hình 1.7: Sơ đồ tia cho truyền lan nước sâu: nguồn gần bề mặt
Các ống bề mặt hoặc kênh âm hỗn hợp lớp tƣơng tự âm của ống truyền lan mặt đất trong radar. Hầu nhƣ tất cả các hệ thống tàu sonar phát triển trƣớc 1960 sử dụng các đƣờng dẫn riêng. Các tốc độ cần thiết cho chế độ này có một gradient dƣơng gốc và sau đó một gradient âm. Ở tầm ngắn, đƣờng truyền gần nhƣ là một đƣờng thẳng. Ở phạm vi xa hơn, truyền lan đƣợc đặc trƣng bởi sự phản xạ bề mặt lặp đi lặp lại. Một "vùng tối" là vật đƣợc tạo ra bên dƣới lớp, có chút insonification trừ rò âm từ ống bề mặt. Việc rò rỉ đã đƣợc phát hiện để tăng với tỷ lệ chiều cao sóng đến độ sâu lớp. Tầm quan trọng của một vùng tối đƣợc xác định vì thực tế là nó có thể làm giảm một sonar mặt -với một vùng chứa 20 kiloyard có ít hơn một vùng chứa 5 kiloyard.
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh59 Hình 1.8: Sơ đồ tia cho truyền lan nước sâu: nguồn sâu
Trong những năm gần đây, hệ thống sonar đã sử dụng các phƣơng thức dội ngƣợc từ đáy và vùng hội tụ trong phạm vi lớn để thăm dò hơn so với những thứ có thể tìm đƣợc trong ống bề mặt. Hƣớng dội âm ngƣợc từ dƣới lên đòi hỏi một gradient âm mạnh và trở nên quan trọng trong phạm vi vùng từ khoảng 10-30 kiloyards. Ở khoảng ngắn, góc tới cao gây ra một lƣợng lớn năng lƣợng âm phát xuống phía dƣới gây ra sự hấp thụ và do đó bị suy hao. Ngoài 30 kiloyards, việc dội âm từ đáy lên liên quan đến phản xạ nhiều nơi mà tổn hảo mỗi lần "dội âm" ở phía dƣới và bề mặt làm giảm mạnh năng lƣợng nhận đƣợc. Ngoài ra, dội âm từ dƣới gây ra suy thoái độ phân giải nhiều do thời gian tác sắc và một lỗi định hƣớng chuẩn do đáy nghiêng. Các chế độ vùng hội tụ đòi hỏi một gradient âm và sau đó một gradient dƣơng mà kết quả trong "hội tụ" của tia âm. Nhiều hội tụ có thể xảy ra, tƣơng tự nhƣ nhiều phản xạ đáy. Các vùng trong khoảng từ 30 đến 35 hải lý có độ rộng khoảng 5 đến 10 phần trăm của khu vực này. Với các chế độ này có hiệu quả, nó cần thiết để các tia âm truyền đƣợc nghiêng đúng trong mặt phẳng thẳng đứng (tức là, về độ cao) cho hiệu quả nhất hƣớng truyền tia.
Đối với một nguồn biển sâu, có hai chế độ riêng biệt các kênh SOFAR và chế độ khúc xạ mặt phản xạ (RSR). sơ đồ quang của chúng đƣợc thể hiện trong hình 8.Các
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh60
kênh SOFAR đƣợc hình thành bằng cách đặt nguồn khoảng ở độ sâu có vận tốc tối thiểu. Các sóng âm ở trên và dƣới độ sâu này sẽ bị khúc xạ xuống và đi lên, tƣơng ứng. truyền lan SOFAR thực sự là một chế độ dao động mà âm có thể đi hàng ngàn dặm hải lý với năng lƣợng ít tổn thất vì không có phản xạ ranh giới.
Các chế độ RSR khá thú vị bởi vì nó bao gồm cái gọi là hƣớng âm tin cậy (RAP). Các tia sau di chuyển từ nguồn sâu đến bên nhận nông trừ phản xạ bề mặt. tia RAP " tin cậy", vì nó là không nhạy với tác dụng gần bề mặt và tổn hao do phản xạ. Điều này bỏ qua những vấn đề khó khăn của việc phát hiện một mục tiêu nông sâu ở khoảng trung bình từ một nguồn sâu nông.
Việc lựa chọn một chế độ truyền lan hơn nữa phụ thuộc vào sự tổn hao truyền lan kết hợp với mỗi chế độ. Tổn hao truyền lan đƣợc định nghĩa là tổng số giảm cƣờng độ âm kết hợp với một chút quãng đƣờng của hƣớng tia tại một số tần số quy định. Những tổn hao của năng lƣợng âm có thể là do các nguyên nhân hình học truyền lan, hấp thụ, phản xạ, hoặc tán xạ và đa đƣờng. Hai cơ chế tổn hao cuối rất phức tạp và thƣờng đƣợc coi là hiệu ứng ranh giới.
Sự tổn hao truyền lan độc lập tần số và chủ yếu là do diện tích tăng qua đó năng lƣợng đƣợc phân bố trong quá trình truyền. Nếu các đại dƣơng có thể đƣợc coi nhƣ là vô hạn trong phạm vi và đồng nhất về thành phần, sau đó phát ra âm truyền lan hình cầu ba chiều và cƣờng độ giảm ở mức 6 dB tăng gấp đôi chiều dài đƣờng đi. Truyền lan hình cầu đƣợc tiếp cận theo độ sâu của nƣớc (trừ SOFAR) và cho các phạm vi ngắn trong ống dẫn bề mặt và nƣớc nông. Nếu âm thanh bức xạ đƣợc giới hạn trong một ống dẫn và chỉ có thể truyền lan theo hai chiều, sau đó cƣờng độ giảm theo tỷ lệ 3 dB mỗi khi tăng gấp đôi chiều dài đƣờng. Điều này đƣợc hiểu là truyền lan hình trụ và có giá trị cho các kênh SOFAR và dãy dài trong ống bề mặt và nƣớc nông. Tại khoảng trung gian có một quá trình chuyển đổi từ hình cầu để truyền lan hình trụ đƣợc xác định bằng cách ngoại suy giữa hai vùng hoặc bằng cách tính toán sự tổn hao truyền lan sử dụng thuyết tia. Về sau có thể chính xác hơn nhƣng luôn nhớ rằng nó chỉ tốt nhƣ các cấu
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh61
hình tốc độ giả định. Cơ chế hấp thụ rất đƣợc quan tâm. Chính thức đó là việc chuyển đổi năng lƣợng âm thành nhiệt do nén lặp đi lặp lại và sự mở rộng của đại dƣơng kết hợp với truyền lan của sóng âm và phụ thuộc nhiều vào phạm vi và tần số. Dƣới 100 kHz, sự hấp thụ chủ yếu là do sụt giảm ion magnesium sulfate trong nƣớc biển. Đây là nơi các ion MgS04 phân tách ra và sau đó kết hợp lại dƣới áp lực của sóng âm, liên quan đến một khoảng thời gian hữu hạn gọi là thời gian sụt giảm. Vào khoảng 100 kHz, có hấp thụ bổ sung do biến dạng và khối nhớt. Trên 1 MHz, Sự mất phân ly biến mất và hấp thu là hoàn toàn do độ nhớt. Tại các tần số dƣới khoảng 5 kHz, sự mất hấp thụ cao hơn nhiều so do sự sụt giảm ion của MgS04.
Khi một tín hiệu phức tạp đƣợc truyền đi, các dạng sóng nhận đƣợc sẽ có những đặc tính biên độ pha giống nhƣ các tín hiệu ban đầu chỉ khi tất cả các thành phần Fourier của nó đang suy yếu nhƣ nhau và nếu tất cả họ đều truyền lan ở vận tốc cùng pha. Do đó, truyền không méo yêu cầu hệ số suy giảm độc lập với tần số và hệ số pha có tỷ lệ tuyến tính với tần số. Tuy nhiên, những điều kiện này không thỏa mãn. Nhƣ đã nêu ở trên, hệ số suy giảm (hệ số một phần của sự suy hao truyền lan tỷ lệ thuận với phạm vi) là một hàm của nhiệt độ, áp suất và độ mặn cũng nhƣ tần số.Trong thực tế, tổng số suy giảm là do bề mặt, đáy, và suy hao lƣợng tán xạ, cũng nhƣ chuyển đổi âm sang nhiệt bằng cách hấp thụ. Hệ số pha trễ mỗi đơn vị chiều dài từ độ lệch pha tƣơng ứng với tần số bằng 0. Những ảnh hƣởng của méo pha cho đến nay chƣa đƣợc xác nhận bằng thực nghiệm. Các hiệu ứng này sẽ phụ thuộc vào cấu trúc thời gian nhỏ của các dạng sóng tín hiệu. Điều này có thể dẫn đến biến dạng đáng kể trong các tín hiệu băng rộng.Ảnh hƣởng của truyền lan khác gây méo tín hiệu là đa đƣờng, doppler, biên độ hữu hạn, sự đan xen môi trƣờng, và thời gian tán sắc.
Các hiệu ứng doppler và tần số thay đổi là do độ dài đƣờng đi thay đổi với thời gian có thể đƣợc gây ra bởi sự phản ánh và tán xạ bởi các đối tƣợng chuyển động tƣơng đối so với nguồn và / hoặc bên nhận. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng doppler
GVHD:PGS.TS Nguyễn Thúy Anh SVTH:Đoàn Khánh Linh62
truyền lan trong ống bề mặt (độ sâu 55 mét, tốc độ gió 6 mét / giây) có thể vƣợt quá 5 Hz.
Một hiệu ứng truyền lan thú vị là sự bất thƣờng đƣợc tạo bởi một sóng di chuyển với một biên độ hữu hạn. sóng biên độ hữu hạn là các nơi mà áp lực đỉnh có thể so sánh về độ lớn với áp lực tĩnh. Truyền lan đƣợc đặc trƣng bởi độ dốc của sóng để tăng tần số cao thỏa mãn đối với các tần số thấp, và bị cản bởi giới hạn mở rộng do sự hấp thụ tần số cao. Do đó biên độ hữu hạn biểu diễn với điểm bắt đầu là một phƣơng trình sóng âm tuyến tính, tức là, nguyên lý xếp chồng không còn giá trị. Tốc độ của sóng có biên độ hữu hạn là tần số phụ thuộc vào kết quả dạng sóng biến dạng ngay cả đối với trƣờng hợp truyền qua một môi trƣờng lý tƣởng.Nếu hiệu ứng đa đƣờng có sự phân phối rời rạc trong vùng (hoặc doppler), nó có thể đƣợc giải quyết và do đó sự giao thoa sẽ đƣợc loại bỏ. Trong thực tế, khái niệm về tín hiệu kết hợp chỉ có ý nghĩa sau khi sự giao thoa do đa đƣờng đã bị loại bỏ.
Thời gian tán sắc là một hạn chế về tính chính xác trong hệ thống định vị sonar. Nó chủ yếu là do sự tán sắc ở các góc thẳng đứng đến mà rất rõ rệt khi truyền lan nƣớc nông. Trong tầm ngắn sẽ có một chuỗi tín hiệu đến rời rạc, có một chút ít tán sắc tần số. Đối với phạm vi xa hơn, sẽ có tín hiệu đến riêng biệt với tán sắc tần số đáng kể trong mỗi lần đến, và họ thƣờng sẽ chồng chéo lên nhau. Tán sắc không chỉ phụ thuộc vào phạm vi, nó cũng phụ thuộc vào số lƣợng của các tia âm (hay chế độ chuẩn hóa) nhận đƣợc, và băng thông hiệu quả đối với từng tia (hoặc chế độ). Tán sắc dọc ở góc đến cũng sẽ hạn chế chính xác các góc phƣơng vị.