CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM & THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
2.3.2 Nguyên lý hoạt động
Thiết bị đo vận tốc sóng âm trực tiếp sử dụng công nghệ “sing – around”, và được thiết kế tương tự như kiểm nghiệm đầu biến âm. Sự khác biệt là khoảng cách giữa đầu biến âm và đĩa. Trong kiểm nghiệm đầu biến âm thì khoảng cách thông thường là 1m, trong khi đó thì trong các thiết bị đo vận tốc sóng âm thì khoảng cách này chỉ vài cm. Đầu biến âm truyền xung sau khi nhận được xung trước đó. Bằng cách đo đạc liên tục tần số của xung tạo ra, vận tốc sóng âm sẽ được xác định.
Ngoài ra, còn dùng các cảm biến đo nhiệt độ, độ mặn, áp suất (độ sâu) gắn kèm để tính toán giá trị vận tốc sóng âm. Thông thường các thiết bị đo vận tốc sóng âm trực tiếp theo công nghệ phản xạ sóng siêu âm sẽ hoạt động theo lưu đồ sau:
Hình 2.5: Sơ đồ làm việc của thiết bị đo sóng âm trực tiếp
Thiết bị đo vận tốc sóng âm đo thời gian ánh sáng của một xung 4 MHz theo danh nghĩa qua một khoảng đường truyền 20cm xuyên qua một thể tích nước biển nhỏ. Một bộ dao động điều khiển điện thế (VCO – Voltage Controlled Oscillator), phát ra một tần số 3.94 – 4.01 MHz vận hành đảm bảo được đặt gần sự cộng hưởng của đầu dò điện áp (PZT 850). Sử dụng 128 chu kỳ sóng hình sin liên tục xuất ra của VCO tới đầu dò để tạo ra một bộ chuyển đổi xung sóng âm xấp xỉ 32s. Xung lan truyền xuyên qua trong môi trường nước, được phản xạ ở một tấm vuông góc,
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 19 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Lâu
và nhận được tín hiệu phản hồi tại đầu dò với một chu kỳ thời gian di chuyển xấp xỉ 140s. Độ dài xung đảm bảo rằng tín hiệu đạt đến một biên độ không đổi.
Hình 2.6: Chi tiết đầu đo vận tốc sóng âm theo [18]
Thời gian ánh sáng của xung (t) được đo từ kết quả của chu kỳ VCO là (P) và số chu kỳ VCO (còn được gọi là làn n hay số chu kỳ) giữa xung phát và xung nhận:
t nP n
f (2.11)
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 20 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Lâu
Trong đó: f là tần số VCO. Thiết bị đo vận tốc sóng âm sử dụng một bộ cân bằng nhiệt độ với bộ đếm 10 MHz để xác định tần số VCO với độ phân giải 3Hz.
Tần số VCO được hiệu chỉnh để số làn (số chu kỳ) là một số nguyên. Khi điều kiện này thỏa, xung phát và xung phản hồi nhận được là cùng pha. Số chu kỳ tuyệt đối là không biết bởi vì nó phụ thuộc vào đường truyền không biết trước. Thêm nữa, có thể có độ trễ điện hiện hữu trong thiết bị. Vận tốc sóng âm SVV được tính toán từ làn (số chu kỳ) n, tần số f, chiều dài đường truyền (L0) và nhiệt độ (T) sử dụng công thức:
0 1
V
L T
SV n
f
(2.12)
Trong đó: là hệ số ảnh hưởng của sự giản nỡ nhiệt của đường truyền sóng âm, thường là 5.5x10-9/ 0C, đặc trưng bởi nhà sản xuất.
Hình 2.7: Mô hình thiết bị đo vận tốc sóng âm theo [18]
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 21 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Lâu
Công thức hiệu chỉnh độ sâu khi vận tốc sóng âm được đo bằng thiết bị sound velocimeter:
' &Millero
. _
Chen SBES SBES
d d SV
SV echosounder
(2.13)
Với: d và d’ là độ sâu hiệu chỉnh và độ sâu đo được. SV_echosounder là vận tốc sóng âm đã nhập vào máy đo sâu và SVChen&Millero là vận tốc sóng âm được tính toán bằng công thức Chen&Millero khi thực hiện đo các giá trị nhiệt độ, độ mặn, áp suất nước bằng các cảm biến chuyên dụng.
Nếu sử dụng thiết bị đo vận tốc sóng âm thì hệ số SVChen&Millero được thay thế bằng SV tính được của chính thiết bị đo vận tốc sóng âm.
2.3.3 Độ chính xác một số thiết bị đo vận tốc sóng âm thương mại:
Thiết bị đo vận tốc sóng âm SV. Xchange (Applied Microsystem):
Hình 2.8: Thiết bị đo vận tốc sóng âm SV.Xchange theo [18]
Bảng 2.1: Độ chính xác thiết bị SV. Xchange (hãng Applied Microsystems – Anh)
SV.Xchange Ngưỡng đo Độ chính xác Độ phân giải Vận tốc sóng âm 1400–1550 (m/s) ±0.03 (m/s) 0.015 (m/s)
Nhiệt độ –20C –450C ±0.0030C 0.0010C
Áp suất 6000m ±0.03%FS 0.005%FS
Độ mặn 0–40 psu ±0.035 psu
Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro:
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 22 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình 2.9: Thiết bị đo vận tốc sóng âm Digibar Pro Bảng 2.2: Độ chính xác thiết bị Digibar Pro
Digibar Pro Ngưỡng đo Độ chính xác Độ phân giải Vận tốc sóng âm 1400–1600 (m/s) ±0.3 (m/s) 0.03 (m/s)
Để thấy rõ ảnh hưởng của độ chính xác xác định vận tốc sóng âm lên giá trị độ sâu đo được, học viên tiến hành tính toán sai số vận tốc sóng âm tương ứng với các giá trị chạy từ 0.1m/s đến 20m/s và cho độ sâu đo thực thay đổi từ 1m đến 25m (giả sử giá trị vận tốc sóng âm đúng là 1515m/s). Kết quả khảo sát sai số độ sâu ảnh hưởng do sai số đo vận tốc sóng âm gây ra như sau:
Hình 2.10: Thống kê sai số độ sâu tương ứng với sai số vận tốc sóng âm đo được
Khảo sát sai số tương ứng của thiết bị SV.Xchange và Digibar Pro như sau:
Tên thiết bị Độ chính xác Độ sâu nước Sai số độ sâu sinh ra (m)
SV. Xchange ±0.03 (m/s) 25m 0.000 (m)
Digibar Pro ±0.3 (m/s) 25m 0.005 (m)
CHƯƠNG 2: SÓNG ÂM VÀ THIẾT BỊ HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ SÓNG ÂM
HVTH: Dương Minh Âu - 23 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Lâu
2.4 – CÁC KỸ THUẬT ĐO SÂU CƠ BẢN:
Hình 2.11: Phóng to vị trí bị bỏ xót trong đo sâu hồi âm theo [18]