Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin dưới nước phục vụ kinh tế - xã hội, an ninh - quốc phòng

87 trang yendo 6520

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin dưới nước phục vụ kinh tế - xã hội, an ninh - quốc phòng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bao_cao_nghien_cuu_ung_dung_mot_so_cam_bien_sieu_am_de_thiet.pdf

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin dưới nước phục vụ kinh tế - xã hội, an ninh - quốc phòng

Bé quèc phßng trung t©m khoa häc kü thuËt & c«ng nghÖ qu©n sù b¸o c¸o TæNG KÕT KHOA HäC Vµ Kü THUËT §Ò tµi: "Nghiªn cøu øng dông mét sè c¶m biÕn siªu ©m ®Ó thiÕt kÕ chÕ t¹o hÖ thèng ph¸t hiÖn, ®o ®¹c c¸c tham sè vËt bay trªn kh«ng vµ thiÕt bÞ truyÒn tin d−íi n−íc phôc vô kinh tÕ - x∙ héi, an ninh - quèc phßng." M∙ sè: KC.01.24 QuyÓn III Nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o ThiÕt bÞ liªn l¹c thuû ©m Chñ nhiÖm ®Ò tµi: §¹i t¸-PGS.TS. B¹ch NhËt Hång 6213-2 25/11/2006 Hµ néi, 5-2006 0
MỞ ĐẦU 3 Chương 1 - LÝ THUYẾT THUỶ ÂM 5 1.1. Phương trình lan truyÒn sóng âm trong nước 5 1.2. Vận tốc lan truyền sóng âm trong nước biÓn 8 1.3. Phản xạ và khúc xạ sóng âm 10 1.4. HÊp thụ năng lượng âm trong nước 12 1.5. HÊp thụ năng lượng khi sóng âm phản xạ trên bề mặt vËt r¾n 14 1.6. §Æc trưng lan truyền sóng âm trong nước biÓn 15 1.6.1. §Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m trong ®iÒu kiÖn ®¼ng nhiÖt 15 1.6.2. §Æc tr−ng lan truyền sóng âm trong vùng nước nông 16 1.6.3. §Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m trong vïng n−íc s©u 18 1.7. Vài nét về thuỷ âm biển Việt Nam 23 Chương 2 - ĂNG TEN THỦY ÂM 26 2.1. Khái niệm 26 2.2. Mô hình biến đổi điện-âm 26 2.3. Nguyên lý biến đổi Điện-Âm 28 2.3.1. Nguyên lý biến đổi điện tĩnh 28 2.3.2. Nguyên lý biến đổi áp điện 28 2.3.3. Nguyên lý biến đổi điện động 30 2.3.4. Nguyên lý biến đổi điện từ 30 2.4 Sơ đồ điện tương đương của các kiểu biến đổi 31 2.5. Vật liệu thông dụng để chế tạo các bộ biến đổi 32 Chương 3- ỨNG DỤNG THUỶ ÂM TRONG QUÂN SỰ 35 3.1. Mét sè khác biệt giữa sóng siêu âm và sóng điện từ 35 3.2. Phân loại thiết bị thuỷ âm 36 3.3. Các hướng ưu tiên trong nghiên cứu phát triÓn thiÕt bị thuỷ âm 37 3.3.1. Phát triển thuỷ âm trên tàu ngầm 37 3.3.2. Phát triển thuỷ âm trên tàu chiến 37 3.4. Một số thiết bị thuỷ âm của Mỹ và Nga 39 3.4.1. Thiết bị thuỷ âm trên tàu chiến (Mỹ) 39 3.4.2. Thiết bị thuỷ âm trên tàu ngầm (Mỹ) 40 3.4.3. Các thiết bị thuỷ âm không quân kiểu thả, kéo (Mỹ) 41 3.4.4. Các thiết bị thuỷ âm không quân kiểu phao (Mỹ) 42 3.4.5. Các trạm thuỷ âm cố định (Mỹ) 42 3.4.6. Thiết bị thuỷ âm dùng cho ngư lôi (Nga) 43 1
Chương 4 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM 45 4.1 Lựa chọn tần số liên lạc 45 4.2. Phân tích lựa chọn bộ cảm biến siêu âm 48 4.2.1. Hiệu suất biến đổi 48 4.2.2. Độ bền của bộ biến đổi 49 4.2.3. Kết cấu của bộ biến đổi 49 4.3. Kết cấu vỏ chịu áp lực và chống nước 50 4.4 Phân tích thiết kế mạch xử lý tín hiệu 51 Chương 5 - HỒ SƠ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM 53 5.1 Đặc trưng kỹ thuật máy thông tin thủy âm 54 5.1.1 Tính năng kỹ thuật máy mặt nước 54 5.1.2 Tính năng kỹ thuật máy mặt người lặn 55 5.2 Sơ đồ mạch điện 56 5.3 Mạch điều khiển vi xử lý cho máy người lặn 65 5.3 Mạch điều khiển vi xử lý cho máy người lặn 66 Chương 6 - KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 76 6.1 Xác định các tham số kỹ thuật cơ bản của máy thông tin thủy âm 76 6.1.1 Các tham số điện 76 6.1.2 Các tham số cơ học 77 6.1.3 Các tham số liên quan đến môi trường 77 6.2 Thử nghiệm 77 6.2.1 Thử nghiệm kín nước trong điều kiện áp lực cao 77 6.2.2 Thử nghiệm cự ly liên lạc 77 2
MỞ ĐẦU Trong thế kỷ 21 thông tin bằng sóng âm rất được coi trọng. Đối với Hải Quân sóng âm quan träng, đến nỗi nếu thiếu nó không một tàu chiến nào có thể ra khơi [10]. Ngoài quan sát bằng mắt hoặc nhờ trợ giúp của máy bay, vệ tinh, thì việc sử dụng sóng âm vào mục đích truyền thông tin là vấn đề sống còn của Hải Quân và phương tiện quân sự trên biển. Như ta đã biết, âm thanh và khả năng nghe được của tai người liên quan đến 2 thuộc tính quan trọng nhất, đó là tần số và cường độ của sóng âm. Về tần số, thường từ 20Hz đến 20kHz. Âm thanh có tần số dưới 20Hz thuéc dải hồng ngoại, từ 20kHz đến 10kHz thuéc dải sóng siêu âm. Về cường độ, tai người có thể phân biệt được âm thanh trong dải từ 30dB đến 100dB; Cá biệt, có thể xuống đến 20dB hoặc lên tới 120 dB. Tuy ngoài dải tần số và cường độ nãi trªn tai người có thể nhận biết được, nhưng trong những điều kiện nhất định, nó có thể có những tác động khủng khiếp tới con người và thiÕt bÞ. Đó cũng là một hướng phát triển của các loại vũ khí âm trong chiến tranh hiện đại. Sóng âm có thể lan truyền trong mọi môi trường, trong đó nước là môi trường truyền âm rất tốt. Môi trường càng đàn hồi thì vận tốc lan truyền âm càng lớn (ví dụ, vận tốc truyền âm trong cao su là 50m/giây, trong không khí là 330m/giây, trong nước là 1450m/giây, trong thép là 5000m/giây). Tuy nhiªn, còn nhiều yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc lan truyền âm như: nhiệt độ, áp suất, độ mặn, địa hình, vÞ trÝ nguồn âm v v Trong m«i trường không đồng nhất sóng âm bị biến dạng, đổi hướng, năng lượng của nó bị hấp thụ ®¸ng kÓ. Néi dung đề tài nµy ®Ò cËp đến lan truyÒn sóng âm trong nước, n¬i sóng âm lan truyền víi những đặc tính riêng, có ảnh hưởng đáng kể đến thiết kế chế tạo các thiết bị thủy âm. Thông thường người ta gọi thuỷ âm lµ 3
hiÖn t−îng lan truyền sãng ©m trong nước. Song, trong các tài liệu khoa học khái niệm thuû âm được hiểu rộng hơn. Đó là khoa học về các hiện tượng xẩy ra trong nước, liên quan ®Õn phát, lan truyền và thu sóng âm. Khái niệm thuỷ âm còn bao hàm cả việc thiết kế, chế tạo các thiết bị thuû âm [1]. Ngay sau chiến tranh thế giới thứ II các nhà khoa học Nga và Phương Tây đã b¾t ®Çu nghiên cứu s©u vÒ lý thuyết, ®· làm sáng tỏ nhiều hiện tượng đặc biệt của thủy âm. Trên cơ sở đó, các tập đoàn sản xuất thiết bị quân sự cũng ®Çu t− nghiên cứu chế tạo những thiết bị thông tin thuỷ âm. Sau đây chúng tôi tËp trung chó ý 2 khía cạnh quan trọng nhất của vấn đề thông tin dưới nước. Đó là lý thuyết lan truyền sóng âm và các thiết bị th«ng tin thuỷ âm. 4
Chương 1 - LÝ THUYẾT THUỶ ÂM 1.1. Phương trình lan truyÒn sóng âm trong nước Khi các phần tử chất lỏng chịu nén dao động với biên độ nhỏ sẽ xuÊt hiÖn sóng ©m. Do dao động nhỏ, nên vận tốc truyền âm v, sự thay đổi tương đối của tỷ trọng và áp suất chất lỏng cũng nhỏ. Vì thế, thừa số (v∇)v trong phương trình Ơ-ler có thể bỏ qua. Cho áp suất và tỷ trọng có thể viết ' ' p = p0 + p , ρ = ρ0 + ρ ( 1.1.1) trong đó: ρ0, p0 - tỷ trọng và áp suất cân bằng của chất lỏng, còn ρ’, p’ - lượng thay đổi của chúng trong sóng âm (ρ’<<ρ0 ; p’<< p0). Khi đó phương trình liên tục có dạng: ∂ ρ + div()ρv = 0 ∂t Thay các giá trị (1.1.1) vào phương trình trên và bỏ qua các giá trị nhỏ bậc 2, ta có: ∂ ρ , + ρ div(v) = 0 (1.1.2 ) ∂t 0 Phương trình Ơ-ler trong trường hợp gần đúng này cã d¹ng: ∂ 1 ρ − ∇p ' = 0 (1.1.3 ) ∂t p Điều kiện sử dụng các phương trình tuyến tính hoá chuyển động (1.1.2) và (1.1.3) cho lan truyền sóng âm là v << c, tho¶ m·n khi ρ’<< ρ0. V× sóng âm trong chất lỏng lý tưởng là đẳng nhiệt, nên sự thay đổi nhỏ của áp suất (p’) và tỷ trọng (ρ’) liên hệ với nhau bằng biểu thức: 5
∂ p' = ρ ' p (1.1.4 ) ∂ρ0 S Thay (1.1.4) vào (1.1.2) ta có: ∂ ' ∂ ρ + ρ0 p div()v = 0 (1.1.5 ) ∂t ∂ρ0 S Hai phương trình (1.1.3) và (1.1.5) với các hàm ẩn v và p’ đủ để mô tả sóng âm. Biểu diễn các giá trị ẩn thông qua một trong hai hàm ẩn đó sẽ rất thuận tiện, nếu sử dụng thế vận tốc v = grad(ϕ). Từ phương trình (1.1.3) ta có đẳng thức: ∂ p ' = −ρ ϕ ( 1.1.6 ) ∂t (ë ®©y cũng như về sau, để đơn giản, ta bỏ chỉ số ở p0 và ρ0). Kết hợp (1.1.6) và (1.1.5), ta có: ∂ 2 ϕ − c2∆ϕ = 0 (1.1.7 ) ∂t 2 trong đó: ∂ c = p (1.1.8 ) ∂p0 S Phương trình (1.1.7) gọi là phương trình sóng và c là vận tốc truyền sóng. Nếu thực hiện thao tác grad dễ dàng nhận thấy c¶ 3 thành phần của vec t¬ vận tốc v thoả mãn phương trình (1.1.7), còn nếu lấy đạo hàm theo thời gian thì lại thấy p’ (và do đó cả ρ’) cũng thoả mãn (1.1.7). Để làm thí dụ ta xét trường hợp sóng phẳng lan truyÒn theo trôc x, đồng nhất trong mặt phẳng (y, z). Phương trình sóng có dạng: ∂ 2 1 ∂ 2 ϕ − ϕ = 0 ( 1.1.9 ) ∂x2 c 2 ∂t 2 NÕu đặt: 6
ξ = x − c.t ; η = x + c.t , th× (1.1.9) cã d¹ng: ∂ 2 ϕ = 0 ∂ξ.∂η Tích phân phương trình trên theo ξ vµ η, ta được: ϕ = f1 (x − c.t)+ f 2 (x + c.t) (1.1.10 ) DÔ dµng chøng minh r»ng sự phân bố của p’, ρ’ vµ v trong sóng phẳng cũng có dạng (1.1.10). Râ rµng, f1(x - c.t) là sóng phẳng, lan truyền theo chiều dương trục x, cßn f2(x + c.t) - lan truyền theo chiều ngược lại. DÔ nhËn thÊy r»ng vËn tèc lan truyÒn sãng ©m ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: ρ ' v = c. (1.1.11 ) ρ Sự lan truyền của sóng âm trong nước cũng làm thay đổi nhiệt độ của nước. Thật vậy, áp dụng kiến thức nhiệt động học cho chất lỏng ta có: ∂ T ' = p' T ∂p S ∂ 1 ∂ T = T V ∂p S c p ∂T P Thay vào (1.1.11) ta được biÓu thøc x¸c ®Þnh nhiÖt ®é chÊt láng khi cã sãng ©m “ch¹y” qua: 1 T ' = c β T v ( 1.1.12 ) c p 1 ∂ trong đó: β = V là hệ số nở nhiệt cña chÊt láng. V ∂T P 7
1.2. Vận tốc lan truyền sóng âm trong nước biÓn Để xác định chính xác vị trí của môc tiªu ngầm bằng phương pháp tích cực vấn đề có ý nghĩa quyết định là xác định chính xác vận tốc lan truyền sóng âm. Như ta đã biết vận tốc lan truyền sóng âm trong nước biển phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn, áp suất (®é s©u) vµ một loạt các yếu tố khác như ®Æc tr−ng đáy biển, sinh vật biển, gió, Vì thế, sự hiểu biết về biển là vô cùng quan trọng. Trên hình 1.2.1 trình bày sù thay ®æi vận tốc âm theo độ s©u cña biÓn. H×nh 1.2.1 - Sù thay ®æi vËn tèc truyÒn ©m theo ®é s©u. 8
Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm, một số tài liệu đã đưa ra biểu thức tính vận tốc lan truyền sóng âm trong nước biển dưới dạng hàm nhiệt độ T [oC], độ mặn S [phần nghìn] và độ sâu D [cm hoÆc m]. ThÝ dô, theo [2] th×: c=141000 + 412.T - 3,7.T2 + 110.S + 0,18.D (cm/s) Hay c = 1445,5 + 4,62.T - 0,452.T2 + (1,32 - 0,007T)(S + 0,35) (m/s). Hoặc theo [3] th×: cTSD = c0,35,0 + ∆cT + ∆cS + ∆cD + ∆cϕ + ∆cTSD trong đó: cTSD - vận tốc [m/s] ë nhiÖt ®é T, ®é mÆn S, ®é s©u D; o c0,35,0 - vận tốc ở 0 C, độ mặn 3,5 %, áp suất khí quyển; -2 2 -4 3 ∆cT = 4,6374T-5,383.10 T +2,543.10 T ; -4 2 ∆cS = 1,307(S-35) - 1,5.10 (S-35) ; -2 -12 3 ∆cD = 1,815.10 D - 5,291.10 D ; [D] = m -6 -12 2 2 -18 3 3 ∆cϕ = 1,50.10 D(ϕ-35) + 0,94.10 D (ϕ-35) - 2,94.10 D (ϕ-35) ∆cTSD = ∆cTS + ∆cSD + ∆cTD , trong đó: -2 -5 -8 2 ∆cTS = (S -35)[-1,07.10 T+(5.10 - 4,1.10 D)T ] ; -5 -9 ∆cSD = (S -35)(3,36.10 D - 4,55.10 ) ; -6 2 -8 3 -10 4 ∆cTD = D(-1,19.10 T + 6,35.10 T + 4,1.10 T ) + + T(6,95.10-6D - 5,27.10-9 D2 + 2,7.10-14D3). Theo Del Grosso [4] thì c0,35,0 = 1.448,6 m/s. 9
1.3. Phản xạ và khúc xạ sóng âm Khi sóng âm gặp bề mặt phân cách giữa 2 m«i tr−êng hay 2 líp n−íc khác nhau th× bÞ phản xạ và khúc xạ. Khi ®ã, chuyển động sóng trong môi trường thứ nhất là kết hợp của sóng tới và sóng phản xạ, trong môi trường thứ hai - chỉ có sóng khóc x¹ lan truyền. Quan hệ giữa 3 sóng phô thuéc vµo các điều kiện biên (bảo toàn áp suất và các thành phần pháp tuyến của vận tốc) trên mặt phân cách. Ta xem xét hiện tượng phản xạ và khúc xạ của sóng dọc, đơn sắc trên mặt phân cách phẳng (y,z). Dễ dàng thấy rằng trong môi trường đồng nhất và đủ lớn sóng đơn sắc với vec-tơ sóng k và tần số ω không đổi là nghiệm của phương trình chuyển động. Khi có bề mặt phân cách thì chỉ thêm điều kiện biên trên mặt phân cách. Trong trường hợp đang xem xét là điều kiện khi x = 0, tức là không phụ thuộc vào thời gian, cũng không phụ thuộc y, z. Vì thế, sự phụ thuộc của nghiệm vào t và (y, z) vẫn được giữ nguyên trong toàn bộ không gian và thời gian, tức là ω, ky, kz của sãng phản xạ và sóng khúc xạ vẫn giữ nguyên như trong sóng tới (kx theo hướng vuông góc với mặt phân cách không giống nhau). Điều đó có nghĩa là hướng lan truyền của cả 3 sóng đều nằm trong cùng một mặt phẳng. Giả sử θ là góc giữa hướng sóng và trục x. -1 Từ đẳng thức ky=ω.c sinθ cho sóng tới và sóng phản xạ suy ra: θ1 = θ’1 (1.3 .1) tức là góc tới θ1 bằng góc phản xạ θ’1. Từ các đẳng thức tương tự cho sóng tới và sóng khúc xạ ta có tương quan giữa góc tới θ1 và góc khúc xạ θ2: sin θ1/ sin θ2 = c1/ c2 , (1.3.2) trong đó : c1 và c2 là vận tốc âm trong 2 líp n−íc tương ứng. Để định lượng cường độ giữa các sóng vµ qua ®ã x¸c ®Þnh hÖ sè ph¶n x¹, ta biểu diễn các thế năng vận tốc trong các sóng này dưới dạng: 10
ϕ1 = A1.exp {iω[x/c1 .cosθ1+ y/ c1 .sin(θ1- t)]} ; ϕ’1 = A’1.exp{iω[-x/c1 .cosθ1+ y/ c1 .sin(θ1- t)]} ; ϕ2 = A2.exp{iω[x/c2 .cosθ2+ y/ c2 .sin(θ2- t)]} . Trên bề mặt phân cách (x=0) các áp suất (p=-ρ.∂ϕ/∂t) và các vận tốc pháp tuyến (vx=∂ϕ/∂x) trong 2 môi trường phải bằng nhau. Các điều kiện này dẫn đến các đẳng thức: ρ1(A1 + A’1) = ρ2A2 ; cosθ1 ' cosθ2 (A1 − A1 )= A1 . c1 c2 Bởi lẽ, mật độ dòng năng lượng trong sóng tới bằng c.ρ.v2, nên ta có biÓu thøc x¸c ®Þnh hÖ sè ph¶n x¹ nh− sau: 2 2 c ρ (v' ) A' R = 1 1 1 = 1 2 A cρ()v1 1 Sau vài phép biến đổi đơn giản ta cã biÓu thøc x¸c ®Þnh hÖ sè ph¶n x¹: 2 ⎡ ρ2tgθ 2 − ρ1tgθ1 ⎤ R = ⎢ ⎥ (1.3.3 ) ⎣ρ2tgθ2 + ρ1tgθ1 ⎦ Do θ1và θ2 liên hệ với nhau bằng biểu thức (1.3.2), nên có thể viết (1.3.3 ) dưới dạng: 2 ⎡ ρ c cosθ − ρ c 2 − c 2 sin 2 θ ⎤ R = ⎢ 2 2 1 1 2 1 ⎥ (1.3.4 ) 2 2 2 ⎣⎢ρ2c2 cosθ1 + ρ c1 − c2 sin θ1 ⎦⎥ Nếu sóng tới vuông góc với mặt phân cách, thì θ1= 0, nên: 2 ⎡ ρ2c2 − ρ1c1 ⎤ R = ⎢ ⎥ (1.3.5 ) ⎣ρ2c2 + ρ1c1 ⎦ Nếu góc tới thoả mãn điều kiện 2 ρ2c2 − ρ1c1 tg θ1 = 2 2 2 (1.3.6 ) ρ1 ()c1 − c2 11
thì R=0, tức sóng âm bị khúc xạ hoàn toàn. Trường hợp này có thể xảy ra, nếu c1> c2, nhưng ρ2c2>ρ1c1 (hay ngược lại). 1.4. HÊp thụ năng lượng âm trong nước Do nước có tính nhớt và tính dẫn nhiệt nên năng lượng của sóng âm bị hấp thụ, cường độ của nó bị suy giảm dần. Để tính được vận tốc suy giảm đó ta sử dụng các hiểu biết phổ quát sau đây. Năng lượng cơ học chính là công cực đại mà ta có thể thu được khi hệ thống chuyển từ trạng thái không cân bằng sang trạng thái cân bằng nhiệt động học. Nhiệt động học cho thấy công cực đại được thực hiện nếu chuyển biến diễn ra một cách thuận nghịch (tức là không thay đổi entrôpie) và bằng: Ecôhoc = E0 − E(S) (1.4.1) trong đó: E0 là giá trị năng lượng ban đầu của sãng ©m, còn E(S) là năng lượng ở trạng thái cân bằng với entrôpie S, mà sãng ©m có từ đầu. Vi phân (1.4.1) theo thời gian ta được: ∂ ∂ ∂ E = − E()S = −S.E()S ∂t côhoc ∂t ∂S ∂ Hay: E = −T .S ∂t cohoc 0 Kết quả tính toán [1] cho thấy năng lượng tản mát trong chất lỏng chịu nén và có tính dẫn nhiệt lµ: χ η E = − I − I − ζ I (1.4.2) cohoc T 1 2 2 3 trong đó: χ - độ dẫn nhiệt độ của chất lỏng, η - hệ số độ nhớt của chất lỏng, ζ - hệ số thứ 2 của độ nhớt, I1, I2, I3 là các tích phân (phức tạp nên không dẫn ra). Về độ lớn, η và ζ cùng bậc. Giả sử hướng lan truyền của sóng âm trùng với trục x, th× giá trị trung bình của 2 hạng tử sau cùng trong (1.4.2) là: 12
1 2 ⎛ 4 ⎞ 2 − k ⎜ η + ζ ⎟v0V0 (1.4 .3) 2 ⎝ 3 ⎠ (V0 - thể tích chất lỏng). Giá trị trung bình của hạng tử thứ nhất trong (1.4.2) là: 1 ⎛ 1 1 ⎞ − χ⎜ − ⎟k 2v 2V (1.4.4 ) ⎜ ⎟ 0 0 2 ⎝ cv c p ⎠ Kết hợp (1.4.3) và (1.4.4) ta có giá trị trung bình của tổn hao năng lượng sóng âm trong chất lỏng chịu nén như sau: 1 ⎡4 ⎛ 1 1 ⎞⎤ E = − k 2v 2V ⎢ η + ζ + χ⎜ − ⎟⎥ (1.4 .5) cohoc 2 0 0 3 ⎜ c c ⎟ ⎣⎢ ⎝ v p ⎠⎦⎥ Năng lượng toàn phần của sóng âm là: 1 2 E = ρ.v 0 .V (1.4.6 ) 2 0 Đối với sóng phẳng, cường độ suy giảm theo quy luật exp(-2γx), còn biên độ suy giảm theo quy luật exp(-γx), trong đó γ là hệ số hấp thụ, được định nghĩa như sau: E γ = cohoc (1.4.7 ) 2.c.E Thay (1.4.5) và (1.4.6) vào (1.4.7) ta có biểu thức cuối cùng cho hệ số hấp thụ năng lượng sóng âm: ω 2 ⎡4 ⎛ 1 1 ⎞⎤ γ = ⎢ η + ζ + χ⎜ − ⎟⎥ (1.4.8 ) 2.ρ.c3 3 ⎜ c c ⎟ ⎣⎢ ⎝ v p ⎠⎦⎥ Biểu thức (1.4.8) chỉ rõ độ tổn hao của năng lượng sóng âm khi lan truyền trong nước tỷ lệ thuận với ω2. Nhưng: ω = 2π.f (f - tần số của sóng âm), nên: γ ∼ ω2 ∼ f 2 . (1.4.9) BiÓu thøc (1.4.9) chØ râ, tÇn sè lµm viÖc cµng cao th× ®é suy hao cµng lín. 13
Ngoài ra, các đặc trưng lan truyền của sóng âm trong đại dương phụ thuộc vào một loạt thông số kh¸c, ®−îc kh¸i qu¸t ho¸ thµnh ®é ån. Nhìn chung, sự tæn hao năng lượng sóng âm trong nước biển lín hơn trong nước ngọt hµng chôc lÇn, vì trong nước biển có muối hoà tan. 1.5. HÊp thụ năng lượng khi sóng âm phản xạ trên bề mặt vËt r¾n Ta xem xét hiện tượng hấp thụ năng lượng khi sóng âm phản xạ trên bề mặt vật rắn với các điều kiện sau đây [1]: - Tỷ trọng của vật rắn lớn, đến nỗi sóng âm hầu như không thâm nhập vào bên trong; - Độ dẫn nhiệt của vật rắn lớn, đủ để coi nhiệt độ bề mặt vật rắn không thay đổi, khi có sóng âm phản xạ trên đó. Ta chọn hệ toạ độ sao cho bề mặt phản xạ trùng với bề mặt x=0, còn bề mặt tới của sóng âm là (x, y). Ký hiệu góc tới và góc phản xạ là θ. Mức độ thay đổi tỷ trọng trong sóng tới ở một điểm nào đó (thí dụ, tại điểm x=y=0) trên bề mặt sẽ là: ' −i.ω.t ρ1 = A.e Gi¶ thiÕt r»ng sóng phản xạ vµ sãng tíi cã biªn ®é nh− nhau. Khi ®ã trên bề mặt phân cách: ' ' ρ1 = ρ 2 Sự thay đổi thực tế của tỷ trọng chất lỏng, nơi lan truyền sóng tới và sóng phản xạ, sẽ là: ' ' ' −i.ω.t ρ = ρ1 + ρ 2 = 2Ae ρ Vận tốc chất lỏng trong sóng tới là: ρ ' v = c 1 n 1 ρ 1 và trong sóng phản xạ là: 14
ρ ' v = c 2 n 2 ρ 2 Vì vận tốc toàn phần trên bề mặt vật rắn là: v = v1 + v2 , nên: −i.ω.t v = v y = 2Asinθ.(c p ρ)e (1.5.1) Sai lệch nhiệt độ T’ so với giá trị trung bình T (nhiệt độ bề mặt phân cách), khi chưa tính đến các điều kiện biên trên mặt phân cách, là: ' 2 −i.ω.t T = 2A(c T.β / c p ρ)e MËt ®é n¨ng lượng tản mát toàn phần trên bề mặt là: 2 2 2 Ecohoc = −(A c 2ω / ρ)[ χ .(cp / cv −1)+ sin θ v] Vì mật độ trung bình của dòng năng lượng trên một đơn vị diện tích bề mặt là 2 3 2 c.ρ.v 1cosθ = (c A /2ρ). cosθ nên phần năng lượng sóng âm bị bề mặt hấp thụ là: 2 E hÊp thô = (2 2ω / c.cosθ )[sin θ v + χ (cp / cv −1)] (1.5.2) Nh− vËy: 1/2 EhÊp thô ∼ f . (1.5.3) Ta thu ®−îc biểu thức (1.5.3) víi gi¶ thiÕt biên độ sóng tới và sóng phản xạ như nhau, tøc khi θ kh¸c xa π/2 . Trong [6] cã dÉn biểu thức tính hấp thụ âm khi phản xạ ở góc bất kỳ, theo đó hấp thụ sóng âm trên bề mặt rắn là rất lớn. 1.6. §Æc trưng lan truyền sóng âm trong nước biÓn 1.6.1. §Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m trong ®iÒu kiÖn ®¼ng nhiÖt - Trong lớp nước đẳng nhiệt vận tốc âm tăng theo độ sâu, bởi vì áp suất chất lỏng tăng theo độ sâu. Sóng âm lan truyền trong n−íc với vận tốc 15
thay đổi luôn có xu hướng lệch về phía có vận tốc nhỏ hơn, tuân theo định luật tia sóng của Snellius, có dạng như sau: c1 / cosθ1 = c2 / cosθ 2 = = cn / cosθ n trong đó cn là vận tốc âm trên biên của lớp n, mà qua đó tia âm đi vào lớp; θn - góc trượt của tia tới trên mặt đó. Định luật Snellius cho phép giải thích các hiệu ứng khác nhau (vùng tối, các kênh âm) thường gặp khi sóng âm lan truyền trong nước biển trên cự ly lớn [5]. - Chùm tia do nguồn âm phát ra lan truyền trong lớp nước đẳng nhiệt luôn có xu hướng đi lệch lên trên, nơi có áp suất nhỏ hơn. Nếu như nguồn âm được bố trí ở độ sâu, nơi âm có vận tốc c0 thì tia âm phát ra từ đó dưới góc θ0 sẽ trở thành tia sóng truyền ngang, ở độ sâu t−¬ng øng vận tốc âm là c1= c0/cosθ0. Cù ly lan truyÒn âm (từ nguồn được bố trí sao cho trục âm nằm ngang và có đặc trưng hướng hẹp trong mặt phẳng đứng) phụ thuộc vào độ sâu nguồn phát, độ rộng đặc trưng hướng trong mặt phẳng đứng và độ sâu đầu thu. Chỉ có những tia phản xạ từ bề mặt mới đến được nơi xa hơn cù ly đó trong nước sâu. Vùng được chiếu rọi bëi các tia phản xạ từ bề mặt gọi là vùng tối. 1.6.2. §Æc tr−ng lan truyền sóng âm trong vùng nước nông Không thể sử dụng lý thuyết tia âm, mµ phải sử dụng lý thuyết sóng âm thông thường để nghiên cứu quá trình truyền âm trong vùng nước nông, bởi vì ở đó lớp nước tương tự ống dẫn sóng. Trạng thái mặt nước, tính chất bùn đất và địa hình đáy biển có vai trò quan trọng, bởi vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao khi sóng âm phản xạ từ ®ã. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, để đánh giá hiệu năng của sonar, phải sử dụng các quy luật lý thuyết tia âm. Giả sử nguồn âm đặt tại điểm (0, 0) trong lớp nước có bề dày z = H. Khi ấy, tại điểm (r,z) sẽ xếp chồng các sóng tới và sóng phản xạ từ bề mặt 16
và đáy lớp nước. Sóng phản xạ từ các bề mặt phân cách có thể xem là sóng phản xạ từ nguồn “ảo” và là nguồn gương của nguồn âm thực trong mặt phẳng tương ứng với z = H và z = 0. Trong lớp nước đồng nhất năng lượng tổng hợp của trường âm được xác định theo quy luật “3/2”: P π J = a 4πr 3 / 2 24(σ1+ σ 2) Theo đánh giá của Brekhovski, biểu thức trên đúng khi thoả mãn điều kiện: 2 1 << σ 1 / H << (kH /π ) ; σ = σ 1 + σ 2 trong đó: σ Rm 2 1,2 = 1,2 n1,2 −1 ; m1 = ρ2/ρ1 - tỉ số mật độ đáy và nước; m2 = ρ3/ρ1 - tỉ số mật độ không khí và nước; n1 = c1/c2 - hệ số khúc xạ; n2 = c1/c3 - hệ số khúc xạ giữa nước và không khí; ở cự ly R ≈ r; Khi môi trường không đồng nhất và cự ly lớn thì sử dụng biểu thức: 2 2 π −1 −2rf ()0 J = p []D()αd min tgα d min e r 3/ 2 f '' Trong đó: D()α d min - độ dài chu kỳ tia; −1 f ()α 0 = −D (α d )lnV (α d ) ; −1 f (0) = −D (α d min )lnV (α d min ) ; 17
∂ ⎡lnV (α d ) ⎤ Cd sinα 0 f '(α 0 ) = ⎢ ⎥ ; ∂α d ⎣ D(α d ) ⎦ C0 sinα d ⎪⎧ ∂ ⎡lnV (α d ) ⎤ ⎪⎫ f ''(0) = ⎨ ⎢ ⎥Ctgα d ⎬α d min . ⎩⎪∂α d ⎣ D(α d ) ⎦ ⎭⎪ ở đây: α0, αd, C0 , Cd - là giá trị các góc tới và vận tốc âm trên møc ngang nguồn âm, đáy và máy thu; V(αd) - hệ số phản xạ. Tuy nhiên, để tính toán độ suy giảm trong không gian cần phải bổ sung thêm các hệ số tương ứng cho các biểu thức trên. 1.6.3. §Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m trong vïng n−íc s©u 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 2 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 2 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. Dĩ nhiên, 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. Bởi 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. 18
Khi nghiên cứu lan truyền âm trong đại dương cần phân biệt 2 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. a) Kênh âm bề mặt Kênh âm bề mặt có thể nằm ở độ sâu 60-90m 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 2 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 ) = c0 .(1+ a.Z ) (1.6.1) trong đó: c0- vận tốc âm trên đường ngang qua nguồn âm (Z = 0); 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 nêu trªn hình 1.6.3.1. 19
Hình 1.6.3.1- Hình ảnh sóng âm trong kênh bề mặt b) Kênh âm ngầm Ta xét dạng điển hình của kênh âm ngầm có bức tranh tia như trên hình 1.6.3.2. Hình 1.6.3.2- 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) (điều này 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 nguån ©m so với trục kênh âm ngầm. Khi dịch chuyển nguån ©m gần trục 20
kênh âm ngầm sẽ xuất hiện nhóm tia truyền lan trên cự ly lớn, mà không suy giảm trong phạm vi kênh. Trên hình 1.6.3.3 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 1.6.3.3- 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÷70km, đến miền hội tụ thứ hai là 110÷140km, Độ rộng của miền thứ nhất khoảng 10÷15km, của miền thứ hai - 20km. 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 21
ngược lại, giảm khi số miền tăng. Trong điều kiện thuận lợi có thể đạt tới 11 miền hội tụ. Sự gia tăng độ sâu của nguồn âm 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), và 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 lan truyền, độ dài miền hội tụ, Cần lưu ý là 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 cã thÓ bị phá vỡ. 22
1.7. Vài nét về thuỷ âm biển Việt Nam 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 h×nh 1.7.1) 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÷50m. Trong giai đoạn từ tháng 4 đến hết tháng 9 xác suất xuất hiện là 60%, độ dày kênh âm khoảng 20÷30m. Hiện tượng khúc xạ ở lớp nước bề mặt xẩy 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÷53m và trải dài 1÷5km. Độ dài vùng truyền âm gần trong thời gian từ tháng 11 đến tháng 3 khoảng 1,6÷6,9km, còn trong giai đoạn từ tháng 4 đến tháng 10 là 1,4÷4km. Trong khu vực 2 vµ khu vùc 3 quan sát thấy phân bố vận tốc âm theo độ sâu có dạng nh− trªn hình 1.7.2. 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 ÷ 50m. 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 100m. 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 23
từ tháng 3 đến tháng 11 là 1,6 ÷ 4,0 km. §Æc ®iÓm ph©n bè vËn tèc ©m ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1.7.1 vµ 1.7.2 Hình 1.7.1- Đặc điểm phân bố vận tốc âm trong vùng thuỷ âm thứ nhất ở Biển Đông Hình 1.7.2 - Đặc điểm phân bố vận tốc âm trong vùng thuỷ âm thứ hai và thứ ba ở Biển Đông. Trong bảng 1.7.1 trình bày chu kỳ phân bố vận tốc âm và khúc xạ âm ở lớp nước bề mặt và trong kênh âm bề mặt. 24
Bảng 1.7.1 – Tần suất xuất hiện khúc xạ ở lớp nước bề mặt và kênh âm bề mặt trong các vùng thủy âm biển Việt Nam (%). Kênh âm bề mặt Vùng Khúc Thời gian Tổng Trong đó độ sâu tới hạn [m] thủy âm xạ âm số 50 Tới đáy Tháng 11 ÷ 3 4 96 9 23 43 11 IB Tháng 4 ÷ 10 48 52 28 21 3 0 Tháng 11 ÷ 3 27 73 20 31 23 0 II Tháng 4 ÷ 10 42 58 52 6 0 0 Tháng 12 ÷ 2 0 100 27 70 3 0 III Tháng 3 ÷ 11 17 83 43 37 3 0 Tháng 12 ÷ 2 5 95 22 31 0 42 IN Tháng 3 ÷ 11 22 78 42 18 0 18 25
Chương 2 - ĂNG TEN THỦY ÂM 2.1. Khái niệm Albers [2] cho rằng bộ biến đổi âm là thiết bị có khả năng phát sóng từ một hoặc nhiều hệ thống hay môi trường và có khả năng truyền sóng đó vào một (hay nhiều hơn) hệ thống hay môi trường khác. Còn theo Cremer [7] thì chỉ có các thiết bị có khả năng biến đổi năng lượng điện thành năng lượng âm và ngược lại mới được gọi là các bộ biến đổi. C¸c ®Þnh nghĩa có thể ít nhiều khác nhau, song một điều ai cũng thống nhất khi đánh giá vai trò của bộ biến đổi trong thiết bị thuỷ âm: bộ biến đổi là phần quan trọng nhất của mọi thiết bị thuỷ âm. Hiện nay, con người đã chế tạo nhiều kiểu thiết bị để biến đổi năng lượng cơ học, điện, nhiệt và hoá học thành năng lượng âm. Các bộ biến đổi thuỷ âm là thuận nghịch và hoạt động trong điều kiện áp suất tĩnh lớn, có khi đến 1000kG/cm2. Tồn tại một thực tế là trở kháng của bộ biến đổi thuỷ âm thay đổi theo áp suất môi trường (®é s©u). Hậu quả tất yếu là gây mất tương thích với máy phát, làm giảm công suất âm ở đầu ra, ngay cả khi hiệu suất không thay đổi. Do đó, các bộ biến đổi thuỷ âm không những phải có độ bền cao, mà còn phải thoả mãn yêu cầu ít thay đổi của độ nhạy (hay hệ số hữu ích) trong dải áp suất réng. 2.2. Mô hình biến đổi điện-âm Trong biến đổi ®iÖn ©m còng có sự tham gia của 4 tham số liên hệ chặt chẽ với nhau, trong đó 2 tham số mô tả năng lượng điện, 2 tham số mô tả năng lượng âm. Vì thế, khi nghiên cứu các bộ biến đổi ta áp dụng khái niệm bộ 4 cực thường dùng trong kỹ thuật thông tin liên lạc. Sơ đồ bộ biến đổi điện-âm được trình bày trên hình 2.2.1. 26
I F U V Hình 2.2.1- Sơ đồ biến đổi điện-âm Sơ đồ trên tương ứng với phương trình biến đổi dưới dạng ma trận như sau: * ⎡U ⎤ ⎡Ze − M ⎤⎡I ⎤ ⎢ ⎥ = ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣F ⎦ ⎣M Z M ⎦⎣ν ⎦ ⎡ 1 * ⎤ ⎡ I ⎤ − N ⎡U ⎤ = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ Ze ⎢ ⎥ ⎣F⎦ ⎢ ⎥⎣ν ⎦ ⎣ N Z K ⎦ 27
2.3. Nguyên lý biến đổi Điện-Âm Trong biến đổi điện âm thường sử dụng 2 hiện tượng vật lý cơ bản. Hiện tượng thứ nhất là tác động lực lên các điện tích trong điện trường. Hiện tượng thứ 2 là tác động lực lên dòng điện trong từ trường. Từ đó xuất hiện 4 nguyên lý chính trong việc chế tạo các bộ biến đổi sau đây. 2.3.1. Nguyên lý biến đổi điện tĩnh Nguyên lý này đựa trên việc áp dụng định luật Cu-lông về sự tương tác lẫn nhau nhau giữa 2 điện tích. Sơ đồ nguyên lý được trình bày trên hình 2.3.1. 2 3 a 1 U Ra ̃ U- Hình 2.3.1. Sơ đồ nguyên lý của biến đổi điện tĩnh 1. Màng kim loại; 2. Vật cách; 3. §iện cực cố định. 2.3.2. Nguyên lý biến đổi áp điện Các bộ biến đổi theo nguyên lý này dựa trên việc áp dụng hiệu ứng áp điện. Bản chất của hiệu ứng áp điện được hiểu như sau. Nếu trên bề mặt 28
tinh thể có hai loại nguyên tử khác nhau thì sẽ xuất hiện các điện tích. Khi ta đặt vào đó một lực cơ học và ngược lại nếu tác động lên đó những điện tích thì sẽ xuất hiện các lực. Cơ chế xuất hiện điện tích trên bề mặt do biến dạng tinh thể được trình bày trên hình 2.3.2. + + + + + + + + Fy - - - - - - - - - Fx - - - - - ++ +++ Hình 2.3.2 - Sơ đồ nguyên lý biến đổi áp điện 29
2.3.3. Nguyên lý biến đổi điện động Nguyên lý biển đổi kiểu điện động dựa trên việc sử dụng định luật cảm ứng. Từ trường biến đổi không những cảm ứng sinh ra trong dây dẫn một điện áp mà còn có tác động sinh ra các lực điện động. Trên hình 2.3.3 trình bày sơ đồ nguyên lý biến đổi điện động điển hình. 1 S 2 N U S 1. Nam châm điện hình trụ; 2. Cuộn dây và màng rung. Hình 2.3.3 - Sơ đồ nguyên lý biến đổi điện động. 2.3.4. Nguyên lý biến đổi điện từ Trong biến đổi điện từ sử DL dụng hiện tượng thay đổi từ thông của nam châm khi thay đổi trở từ N hay hiện tượng thay đổi lực hút của phần ứng khi thay đổi từ thông. Sơ đồ nguyên lý của nó S được thể hiện trên hình 2.3.4. Hình 2.3.4 Sơ đồ nguyên lý biến đổi điện từ 30
2.4 Sơ đồ điện tương đương của các kiểu biến đổi Trên thực tế các bộ biến đổi vừa trình bày trên đây luôn nằm trong mạch kết nối với các phần khác ca thiÕt bÞ thuû ©m. Do đó, đối với các chuyên gia nghiên cứu tính toán các bộ khuếch đại thì sơ đồ điện tương đương của các kiểu biến đổi có ý nghĩa quan trọng. Vì thÕ trên hình 2.4.1 trình bày sơ đồ điện tương đương của các kiểu biến đổi [8]. C ω 2 d 2 1 U 2 ρaS 2 2 2 2 U U 2 2 mω d 2 2 2 rω d sω d U ω 2 d 2 1 U 2 ρaS a) kiểu điện tĩnh; C 2 2 1 2 2 2 2 ω d 1 2 ω C K U 2 2 ρaS m 2 2 2 2 2 U K rω C sω C ωC ω 2 d 2 1 U 2 ρaS b) kiểu áp điện Ri L ()Bl 2 m 2 2 pcS 2 (Bl) ()Bl (Bl) R S ()Bl 2 paS c. kiểu điện động; 31
Ri L 2 ()nφ 1 2 d 2 (nφ)2 (nφ)2 d ρaS m 2 -L ()nφ rd 2 sd 2 2 ()nφ 1 d 2 ρaS d) kiểu điện từ Hình 2.4 - Sơ đồ điện tương đương của các kiểu biến đổi : C¸c ký hiÖu trªn h×nh 2.4: ρ - tû träng vËt liÖu; a - mét nöa b¸n kÝnh mµng rung; S - ®iÖn tÝch hiÖu dông cña tÊm ch¾n; s - ®é cøng cña hÖ thèng; c - vËn tèc ©m trong m«i tr−êng; r - trë kh¸ng tæn hao c¬ häc; K - hÖ sè tû lÖ, phô thuéc vµo tÝnh chÊt vµ ®Æc ®iÓm kÕt cÊu cña vËt liÖu; B - c¶m øng tõ; l - ®é dµi hiÖu dông cña d©y dÉn; d - khe hë gi÷a mµng vµ cùc nam ch©m; m - khèi l−îng cña bé biÕn ®æi; n - sè vßng d©y; Φ - tõ th«ng; C - ®iÖn dung. 2.5. Vật liệu thông dụng để chế tạo các bộ biến đổi Trong thế chiến thứ hai và một phần trong những năm sau đó phần lớn các máy biến đổi điện-âm đã sử dụng các linh kiện làm từ vật liệu từ cứng. Các linh kiện đó làm việc ở các mức công suất cao, đặc biệt trong chế độ xung. Chúng rất bền và ít thay đổi tính chất trong thời gian dài. Nhược điểm của chúng là hệ số hữu ích thấp (thường chỉ đạt 30-35%), do tổn hao dòng xoáy trong vật liệu quá lớn. Các ferit từ cứng không phải là vật dẫn, nên không bị tổn hao vì dòng xoáy, nhưng độ bền cơ học lại không đáp ứng được yêu cầu làm việc ở công suất lớn. Bên cạnh đó các đặc trưng từ cứng của ferit lại phụ thuộc đáng kể vào áp suất, nên ferit không được chọn làm vật liệu thông dụng trong kỹ thuật thuỷ âm. Vật liệu từ cứng được dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Trên thị trường hiện nay có các loại vật liệu từ cứng nêu trong bảng 2.5.1 32
Bảng 2.5.1- Các loại vật liệu từ cứng dùng trong kỹ thuật thuỷ âm Phương Lực kháng Năng lượng từ Vật liệu Từ dư, T pháp chế tạo từ, kA/m cực đại, kJ/m3 Đúc 1,25 40,0 18,0 ЮН13ДК24 Đúc 1,2 48,0 18,0 ЮН14ДК24 ЮН15ДК24 Đúc 1,15 52,0 18,0 ЮН13ДК25БА Đúc 1,4 44,0 28,0 ЮН14ДК25БА Đúc 1,35 52,0 28,0 ЮН15ДК25БА Đúc 1,25 62,0 28,0 2,8БА Ép 0,36 215 11,0 3 БА1 Ép 0,37 207 12,0 3,1БА Ép 0,38 167 12,3 3,5БА Ép 0,39 285 14,0 2 БА Ép 0,30 184 8,0 Với mục đích giảm đến mức thấp nhất tổn hao do dòng xoáy, người ta đã thiết kế các bộ biến đổi ghép từ các lá mỏng thành bó. Nhưng độ sâu sử dụng các bộ biến đổi như thế cũng bị hạn chế bởi độ bền cơ của các bó. Trước đây các tinh thể áp điện, thạch anh và đihiđrôphốtphát được sử dụng thường xuyên hơn. Nhưng từ khi xuất hiện titanat ba-ri và các loại gốm tương tự khác, các tinh thể áp điện trong các bộ biến đổi đã bị thay thế dần. Các đầu phát làm từ vật liệu gốm có hiệu suất khoảng 50÷70%, có thể phát ở mức công suất lớn và chịu được áp suất lớn dưới đại dương. Hiện nay, vật liệu áp điện được sử dụng chủ yếu là gốm áp điện trên cơ sở ba-ri, can-xi, ziriconi và chì, ít khi sử dụng thạch anh, muối xenit và đêhiđrôphốtphát amôni. Các tính chất cơ bản của gốm áp điện được trình bày trong bảng 2.5.2. 33
Bảng 2.5.2 - Các tính chất cơ bản của gốm áp điện 2+ 2+ 2- 2+ 2+ 2- Thành phần Ba , Ca , TiO3 Pb , Zr , TiO3 Tỷ trọng ρ, kg/m3 5500 7600 Nhiệt độ Quy-ri, OC 120 300 QM 425 500 Các hằng số điện môi ε33 , T/ε0 1250 1300 ε33 , S/ε0 950 675 Các hằng số áp điện -12 d31 (10 m/V) -58 -125 -12 d33 (10 m/V) 150 270 -3 g31 (10 Vm/N) -5,5 -11 -3 g31 (10 Vm/N) 15 25,5 Độ dẻo -12 2 s11 E (10 m /N) 8,6 12 -12 2 s33 E (10 m /N) 9,1 15,5 Hệ số liên hệ k31 -0,19 -0,31 k33 0,46 0,65 34
Chương 3- ỨNG DỤNG THUỶ ÂM TRONG QUÂN SỰ 3.1. Mét sè khác biệt giữa sóng siêu âm và sóng điện từ Như ta đã biết, bước sóng của tất cả các loại sóng đều xác định theo biểu thức: λ=c/f , trong đó c là vận tốc lan truyền sóng, f là tần số. Vì thế, khi cùng tần số thì vận tốc càng nhỏ, bước sóng càng ngắn [9]. Sóng điện từ lan truyền với vận tốc 300.000km/giây, nên dải tần rất rộng và được chia thành nhiều băng tần. Trong khi đó vận tốc lan truyền của sóng âm nhỏ hơn vận tốc sóng điện từ đến 105-106 lần. Vì thế, khi so sánh giữa sóng điện từ và sóng âm không nên so sánh các dải tần, mà nên so sánh các vùng bước sóng của chúng. Trên quan điểm đó ta thấy các điều kiện lan truyền của sóng siêu âm và sóng điện từ trong dải nằm giữa sóng đêximet và sóng ánh sáng là tương tự nhau. Tuy nhiên, sóng âm là sóng dọc của áp suất; đây chính là một trong những điểm khác biệt với sóng điện từ. Mặt khác, sóng siêu âm lan truyền rất tốt trong chất khí cũng như trong chất lỏng, trong khi đó sóng điện từ không thể lan truyền trong môi trường chất lỏng, bởi nước (đặc biệt là nước biển) có tính dẫn điện cao. Do bước sóng của siêu âm ngắn nên siêu âm được sử dụng cho các mục đích, vốn vẫn sử dụng các loại sóng khác. Một trong số các ứng dụng của siêu âm là các hệ thống tín hiệu và dẫn đường. Ưu điểm nữa của siêu âm là các thiết bị sử dụng sóng siêu âm có kích thước nhỏ. 35
3.2. Phân loại thiết bị thuỷ âm Thông tin có vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo các hoạt động tác chiến trên biển. Nhưng vì nước là môi trường dẫn nên sóng vô tuyến lan truyền trong nước rất kém; dù có tăng công suất lớn đến đâu nó cũng không thể th©m nhËp sâu được. Để giải quyết mâu thuẫn đó người ta thay thế liên lạc vô tuyến điện bằng liên lạc thuỷ âm chuyên dụng, có khả năng chuyển tín hiệu thoại theo thời gian thực. Các phương tiện kỹ thuật ứng dụng hiện tượng lan truyền sóng âm trong nước gọi là thiết bị thuỷ âm, hay còn gọi là sonar. Hiện nay, các thiết bị thuỷ âm trở thành trang bị không thể thiếu trên các tàu hải quân và có vai trò trọng yếu trong cuộc chiến giữa tàu chiến với tàu ngầm cũng như giữa các tàu ngầm với nhau. Có thể nói không quá rằng, trong cuộc chiến trên biển phần thắng sẽ thuộc về ng−êi có phương tiện thuỷ âm vượt trội. Theo tính năng kỹ-chiến thuật người ta phân các thiết bị thuỷ âm thành các nhóm sau đây: - Sonar chủ động: vừa phát, vừa thu tín hiệu; - Sonar thụ động: chỉ thu tín hiệu (tiếng ồn) từ mục tiêu. Theo vị trí bố trí thì thiết bị thuỷ âm được phân loại như sau: - Sonar trên tàu chiến; - Sonar trên tàu ngầm; - Sonar không quân kiểu thả, kéo; - Sonar không quân kiểu phao; - Sonar cố định; - Sonar dò thuỷ lôi; - Sonar dùng trong ngư lôi - Sonar chuẩn để kiểm tra các thiết bị thuỷ âm khác. 36
3.3. Các hướng ưu tiên trong nghiên cứu phát triÓn thiÕt bị thuỷ âm Mỹ và Nga là hai quốc gia có Hải Quân phát triển bậc nhất thế giới. Các thiết bị thuỷ âm của họ luôn được nghiên cứu cải tiến và hiện đại hoá theo hướng nhất thể hoá về tổ chức, chuẩn hoá về chức năng và tối ưu hoá về kết cấu, để phù hợp với mục đÝch sử dụng. 3.3.1. Phát triển thuỷ âm trên tàu ngầm Phát triển thuỷ âm trên tàu ngầm theo các hướng sau: - Tăng tầm (độ nhạy) của các đài thuỷ âm ở chế độ định vị thu; - Hoàn thiện hệ thống định vị và dẫn đường cho thuỷ lôi trong điều kiện nhiễu cao; - Hoàn thiện các thiết bị tự động phân giải mục tiêu và khí tài dưới nước; - Nâng cao khả năng chống nhiễu của thiết bị cũng như khả năng tàng hình của tàu mang. 3.3.2. Phát triển thuỷ âm trên tàu chiến - Khi nghiên cứu chế tạo các ra-đa thuỷ cho tàu chiến hiện nay hướng chủ yếu nhắm vào vùng tần số thấp hơn, nhằm giảm thiểu tổn hao năng lượng khi sóng âm lan truyền trong nước biển. Hầu hết các đài thuỷ âm của Mỹ hiện nay đều không sử dụng dải tần siêu âm, mà sử dụng dải tần tần từ 3,5 đến 15kHz. Còn đa phần các trạm thuỷ âm của NATO đều sử dụng sóng mang với tần số chuẩn là 80875Hz. Tín hiệu thuỷ âm được điều chế theo phương pháp một vế. Lợi thế của việc sử dụng tín hiệu một vế cã kh¶ năng chống nhiễu cao vµ dÔ t¸ch. - Tăng kích thước của an-ten nhằm thu được tính định hướng cao ở tần số thấp; 37
- Ở chế độ thụ động nên tách riêng an-ten phát và an-ten thu, trong đó phần thu được sử dụng cả khi dò tìm theo nguyên lý tiếng vọng từ mục tiêu, cả khi dò tìm theo nguyên lý tiếng ồn mục tiêu. - Tập trung chú ý vào việc hoàn thiện các phương pháp tách tín vọng và tiếng ồn từ tàu ngầm trên nền nhiễu tự nhiên trong nước và cải thiện các đặc trưng của các bộ biến đổi. - Để tăng tầm của ra-đa thuỷ có thể áp dụng các giải pháp: * Sử dụng các nguồn thuỷ âm công suất lớn với giản đồ hướng hẹp; * Giảm tần số công tác. §Ó t¨ng tÇm liªn l¹c giải pháp chọn tần số thấp được các chuyên gia quân sự Mỹ khai thác một cách triệt để. Hiện nay, thay vì sử dụng dải tần siêu âm họ sử dụng dải âm tần trong khoảng 3,5÷15kHz. Theo quan điểm của nhiều chuyên gia nước ngoài thì hướng phát triển trong giai đoạn hiện nay của các trạm thuỷ âm chuyển dịch từ tần số thấp xuống tần số rất thấp và siêu thấp. Việc sử dụng tần siêu thấp cho phÐp n©ng cao cự ly phát hiện tàu ngầm. ThiÕt bÞ thuû ©m cho ng−êi nh¸i, th× ph¶i t¨ng tÇn sè ®Ó gi¶m träng l−îng. - Hoàn thiện kết cấu an-ten thuỷ âm cũng là một hướng rất quan trọng. Kết cấu của an-ten có vai trò rất lớn trong việc nâng tầm phát hiện tàu ngầm và độ chính xác xác định toạ độ của nó. Biện pháp là sử dụng các an-ten thẳng, độ dài lớn. Có ý tưởng là sử dụng luôn phần thành tàu ngập trong nước hay thiết bị dạng sống chuyên dụng làm an-ten (gọi là an-ten sống). Dùng an-ten kéo dài sẽ dễ dàng hạ tần công tác. An-ten dạng này được gọi là an-ten lưới phẳng. Gai đoạn tiếp theo của phát triển an-ten tần thấp là các an-ten bảo giác có cấu hình trùng với đường bao vỏ tàu (trừ các chỗ lồi ra). 38
- Nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới trong công nghệ chế tạo các bộ biến đổi, đặc biệt là kênh chất lỏng để truyền năng lượng âm từ phần tử phát sang chất lỏng xung quanh. Vai trò của chất lỏng đó trước đây là dầu thầu dầu, nay được thay bằng polyalkylenglycol (ĐC-510). Vật liệu mới này ở trạng thái nguội có độ nhớt cao, nên trước khi đổ vào bộ biến đổi cần phải sấy nóng. Tuy giá của nó đắt gấp mười lần dầu thầu dầu, nhưng bù lại nó được các chuyên gia đánh giá là chất lỏng hiệu quả nhất và giá cả chấp nhận được cho mục đích truyền dẫn năng lượng. - Thiết kế chế tạo các bộ biến đổi làm việc ở độ sâu lớn. Mỹ đã có bộ biến đổi như vậy, được gọi là APPRES. Bộ biến đổi này có cấu tạo phù hợp với độ sâu và làm việc ở các tần số dưới 50Hz với công suất phát gần 5 kW. Khâu chủ yếu của thiết kế này là van phân cách chất lỏng thuỷ lực công tác và không khí nén của hệ thống bù trừ áp suất bên ngoài. 3.4. Một số thiết bị thuỷ âm của Mỹ và Nga 3.4.1. Thiết bị thuỷ âm trên tàu chiến (Mỹ) Các trạm thuỷ âm trên tàu chiến của Mỹ có mức độ nhất thể hoá rất cao. Hiện nay Mỹ có 2 kiểu thiết bị thuỷ âm chính trang bị trên tàu chiến là AN/SQS-23 và AN/SQS-26 [10]. Kiểu AN/SQS-23 được bố trí trên phần lớn các tàu rải mìn và các tàu chống ngầm. Kiểu AN/SQS-26 được bố trí trên các tàu nguyên tử, tàu thả mìn, tàu tuần tiểu thế hệ mới. Mỗi một trạm thuỷ âm các kiểu nói trên là thành phần của tổ hợp tên lửa chống tàu “Asroc”. Tuy nhiên sử dụng phổ biến nhất vẫn là kiểu AN/SQS-23. Hệ thống này được trang bị trên các tàu Hải Quân của Mỹ và nhiều nước khác trong thế giới tư bản. 39
Tầm hoạt động của trạm nµy là 10 hải lý. Nếu không bị cản che thì tầm hoạt động có thể lên đến 48÷54km. Hạn chế chủ yếu của trạm là tồn tại vùng tối âm, trong ®ã không thể “nhìn thấy” mục tiêu. 3.4.2. Thiết bị thuỷ âm trên tàu ngầm (Mỹ) Tàu ngầm được trang bị thiết bị thuỷ âm công dụng khác nhau: nghe ngóng và định vị nguồn tiếng ồn, phát hiện tiếng dội của các đối tượng dưới nước, liên lạc thuỷ âm, định vị dưới nước và dưới băng, chỉ mục tiêu cho vũ khí, chống lại trinh sát bằng thuỷ âm của đối phương. Thiết bị thuỷ âm cho phép tàu ngầm định hướng một cách tự do trong nước, phát hiện và chọn mục tiêu, và khi cần thì tránh sự theo dõi của đối phương. Tàu ngầm nguyên tử phóng ngư lôi của Mỹ được trang bị tổ hợp thuỷ âm AN/BQQ-2. Thành phần của tổ hợp bao gồm: * Trạm thuỷ âm AN/BQS-6 là thành phần cơ bản của tổ hợp, có nhiệm vụ dò tìm và phát hiện mục tiêu, cung cấp các dữ liệu cho việc dẫn vũ khí. Trạm làm việc ở chế độ tích cực và thụ động, tần số thấp. An-ten của trạm dạng cầu, đường kính 3÷4,5m, tạo bởi 1245 bộ biến đổi áp điện ziriconat chì. * Trạm định vị nhiễu AN/BQR-7 cũng là một trong những thành phần chủ yếu của tổ hợp. Công dụng chủ yếu là phát hiện mục tiêu gây ồn ở cự ly lớn. Nó có an-ten hình móng ngựa ôm vào hai bên vỏ phần mũi tàu ngầm. An-ten có 156 đầu thu, được bố trí thành 3 dãy ngang, dọc theo thân tàu, cách mỗi mạn tàu 15m. * Trong tổ hợp còn có trạm thuỷ âm phân loại mục tiêu AN/BQQ-3. Trạm này được sử dụng để thu và phân tích, sau đó phân loại tiếng ồn và ghi lên băng từ. Thành phần của trạm còn bao gồm thiết bị kiểm tra và phân tích ồn nội. 40
Sơ đồ bố trí các an-ten của tổ hợp thuỷ âm AN/BQQ-2 trên tàu ngầm của Mỹ có thể tham khảo tại [10]. 3.4.3. Các thiết bị thuỷ âm không quân kiểu thả, kéo (Mỹ) Để phát hiện tàu ngầm dưới lớp nhảy bước nhiệt độ trên các tàu chiến của Mỹ và Phương Tây còn được sử dụng các trạm thuỷ âm neo ở các độ sâu khác nhau. Các thiết bị thuỷ âm thả là phương tiện chống ngầm hữu hiệu. Chúng được máy bay thả xuống biển hoặc máy bay trực thăng kéo lê. Các trạm thuỷ âm do trực thăng kéo lê về bản chất không khác gì các trạm thủy âm bố trí trên chiến hạm. Khác biệt duy nhất ở đây là an-ten thuỷ âm được thả xuống nước bằng cáp treo, các phần còn lại của thiết bị được bố trí trên trực thăng. Thế mạnh của phương pháp này là ở chỗ loại trừ được tiếng ồn của phương tiện mang và quan trọng nhất là có tính cơ động cao, tạo điều kiện mở rộng vùng rà tìm tàu ngầm-mục tiêu. Về kết cấu, an-ten thuỷ âm kiểu thả hay kiểu kéo đều giống nhau. Chúng có cấu tạo từ 2 khối: khối an-ten thả xuống biển và khối thiết bị chỉ thị bố trí trên vật mang. Mỹ có một số thiết bị thuỷ âm kéo thả hiện đại ký hiệu là AN/AQS- 10, -13, -13A. AN/AQS-10 sử dụng chế độ xung với độ dài 35ms, 3 tần số công tác (9,25; 10; 10,75kHz), công suất xung 5kW, cự ly phát hiện tàu ngầm 5- 6km. Trạm này sử dụng bộ chỉ thị quan sát vòng quanh. AN/AQS-13 là biến thể của AN/AQS-10, hiện đại hơn, đa mục tiêu. Nó được thả đến độ sâu 137m, trọng lượng 227kg và còn có thể được giảm xuống còn 160kg. Kết quả của việc hoàn thiện tiếp theo là sự ra đời của trạm phát hiện tầm xa AN/AQS-13B. Nó có khả năng phân loại, xác định hướng và vận tốc của mục tiêu. 41
3.4.4. Các thiết bị thuỷ âm không quân kiểu phao (Mỹ) Để phát hiện tàu ngầm người ta còn sử dụng các phao thuỷ âm, được thả từ máy bay hoặc máy bay trực thăng xuống các vùng nghi là có tàu ngầm hoạt động. Các phao thuỷ âm được tạo bởi các đầu thu âm, bộ khuếch đại, máy phát vô tuyến, nguồn nuôi và thiết bị thu. Các phao thuỷ âm thường được sử dụng một cách tổ hợp, có khi đến hàng chục phao trong mỗi tổ hợp. Hàng rào phao thuỷ âm thường được bố trí tại các lối vào căn cứ và hải cảng, trong các vùng neo đậu của các hạm đội và trên các tuyến tình nghi có sự lưu thông của các tàu ngầm. Các phao thuỷ âm có thể hoạt động theo chế độ liên tục hay chế độ luân phiên (chế độ trực). Khi nguồn năng lượng dự trữ cạn thì phao tự đánh chìm. Có 2 loại phao thuỷ âm: tích cực và thụ động. Loại tích cực không chỉ phát hiện tiếng ồn, mà còn xác định được cự ly đến mục tiêu, thậm chí phân biệt được cả mục tiêu giả. Các phao loại này được thả xuống độ sâu nhất định. Loại phao thụ động cũng có thể được sử dụng như phao tích cực, nếu nó đi kèm với thủ thuật kích nổ dưới nước, để tạo sóng âm phát đi và thu sóng âm phản xạ ngược lại từ mục tiêu. Không quân Mỹ được trang bị các phao thuỷ âm kiểu AN/SSQ-23, - 41, -53 với hệ thống chỉ thị bố trí trên vật mang là AN/AQA-7. Hạn chế đáng kể của phao thuỷ âm là chỉ sử dụng được một lần, tuổi thọ thấp. Để khắc phục các hạn chế đó các chuyên gia đã sử dụng tần số thấp, thậm chí đến tần số hạ âm để tăng tầm tác động, kéo dài tuổi thọ, giảm kích thước và trọng lượng, mà không ảnh hưởng đến các tính năng chiến-kỹ thuật. 3.4.5. Các trạm thuỷ âm cố định (Mỹ) Các trạm thuỷ âm cố định thường được bố trí ở các lối vào căn cứ, bến cảng, tại những nơi neo đậu phương tiện hay dọc theo bờ biển. Chúng là thành phần không thể thiếu của Phòng thủ chống hạm. 42
Khác với các kiểu bố trí trên hạm, trên tàu ngầm, kiểu thả kéo hay kiểu phao, các trạm thuỷ âm tĩnh được bố trí một phần trên bờ, một phần dưới đáy biển. An-ten được bố trí dưới đáy biển, các thiết bị còn lại được bố trí cố định trên bờ. Hai phần này được kết nối với nhau bởi đường cáp đặc biệt. Các trạm thuỷ âm cố định làm việc ở chế độ dò âm (thụ động) và chế độ dò vang (tích cực). Khi đã phát hiện được mục tiêu nhờ phương pháp dò âm thì hệ thống chuyển ngay sang chế độ dò vang để định vị mục tiêu. Mỹ đã có từ lâu hệ thống thuỷ âm cố định tầm xa phát hiện tàu ngầm “Ceasar”, hoạt động ở chế độ thụ động và hệ thống “Artemis”, hoạt động ở chế độ tích cực. 3.4.6. Thiết bị thuỷ âm dùng cho ngư lôi (Nga) Chúng ta không có nhiều thông tin về thiết bị thuỷ âm của Liên Xô (cũ). Chỉ biết rằng Liên Xô (cũ) có đầu tự dẫn ngư lôi СЭТ -53M và trạm liên lạc thuỷ âm МГ-16. Hai thiết bị thuỷ âm này hiện có trong trang bị của các tàu hải quân Việt nam. Sau nhiều năm đưa vào vận hành chúng đã xuống cấp nghiêm trọng và đã nhiều lÇn sửa chữa. 1. Theo thuyết minh kỹ thuật đi kèm thiết bị thì trạm liên lạc thuỷ âm МГ-16 được dùng để trang bị cho các tàu chiến, bảo đảm cho chúng liên lạc ngầm hai chiều đẳng hướng với nhau và cả với các tàu ngầm, đo cự ly giữa hai tàu chiến, giữa tàu chiến với tàu ngầm. Việc liên lạc đẳng hướng được đảm bảo bằng hệ thống âm bố trí trong thiết bị nâng-hạ HK. Trạm làm việc ở chế độ tín và thoại và tự động truyền tín hiệu ở chế độ đo xa. Liên lạc tín và thoại thực hiện khi trạm làm việc ở một tần số. Đo xa được tiến hành ở 2 tần số. 43
Trạm sử dụng nguồn nuôi xoay chiều một pha 220V/50Hz, dao động điện lưới không lớn hơn ±5%, dao động tần số không quá ±3% giá trị định mức. Công suất tiêu thụ ở chế độ thu không quá 150W, ở chế độ phát không quá 1500W. Thời gian đưa trạm vào trạng thái sẵn sàng chiến đấu không quá 2 phút. Trạm chỉ cần một nhân viên phục vụ. Thành phần của trạm gồm có: - Hệ thống âm học đẳng hướng; - 2 máy phát, - Bàn điều khiển; - Thiết bị chuyển mạch; - Vị trí liên lạc; - Loa; - Hộp cáp. 2. Đầu tự dẫn ngư lôi СЭТ-53M được sử dụng để phát hiện tàu ngầm theo trường âm thanh do tàu ngầm phát ra và dựa vào đó để hiệu chỉnh ngư lôi trong 2 mặt phẳng vuông góc, đảm bảo cho ngư lôi đánh trúng tàu ngầm. Đầu tự dẫn ngư lôi СЭТ -53M có các chức năng sau đây: - Thực hiện tìm kiếm, phát hiện và bám sát tàu ngầm; - §ịnh vị tàu ngầm-mục tiêu trong mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng; - Ngắt lệnh điều khiển chuyển động của ngư lôi trong mặt phẳng ngang khỏi hệ thống con quay và ngắt lệnh điều khiển theo mặt phẳng đứng khỏi phần thuỷ lực của hệ thống xi-fông con lắc sau khi đã bắt được tín hiệu mục tiêu để tự mình tìm đến mục tiêu; - Liên tục kiểm tra sự tồn tại của mục tiêu trong suốt hành trình của ngư lôi và điều chỉnh hành trình khi cần thiết. - Thực hiện tìm lại mục tiêu trong mặt phẳng ngang, nếu bị mất mục tiêu. 44
Chương 4 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM Mục tiêu cơ bản cũng là yêu cầu cho các máy liên lạc thủy âm đề tài đã đặt ra là tổ chức liên lạc giữa người lặn với người lặn, giữa người lặn với máy đặt trên các phương tiện nổi (tàu, thuyền, ). Vì vậy hai loại máy cần làm việc trên cùng dải tần và cùng nguyên lý. 4.1 Lựa chọn tần số liên lạc H×nh 1.2.1 mục 1.2 cho thÊy trong lớp nước gần bề mặt vận tốc âm giảm theo độ sâu, t−¬ng tù thay đổi nhiệt độ. ë ®é sâu ∼1000m (nơi nhiệt độ gần như không đổi) vận tốc âm có giá trị nhỏ nhất. Cïng víi sù gia t¨ng ®é s©u, vận tốc âm lại bắt đầu tăng, do tăng áp suất tĩnh. Tốc độ truyền sóng âm trong nước biển phụ thuộc vào độ sâu và thay đổi trong khoảng 1400m/giây đến 1570m/giây. Kết quả nhận được từ 1.4 và 1.5 cho thấy, tổn hao năng lượng do hấp thụ trong lòng chất lỏng và trên bề mặt vật rắn tỷ lệ với căn bậc 2 của tần số liên lạc. Biểu thức (1.5.2) đúng chừng nào nó còn nhỏ, bởi vì khi dẫn giải chúng ta giả thiết rằng biên độ sóng tới và sóng phản xạ như nhau. Điều kiện này có nghĩa là góc tới θ không được quá gần với π/2 . Biểu thức tính hấp thụ âm khi phản xạ ở góc bất kỳ cho thấy hấp thụ sóng âm trên bề mặt rắn là rất lớn. Nguyên nhân của hiện tượng này được giải thích như sau: Trong sóng âm không những tỷ trọng và áp suất mà nhiệt độ cũng thực hiện dao động quanh giá trị trung bình của mình. Vì thế, trong vùng sát bề mặt rắn tồn tại hiệu nhiệt độ giữa chất lỏng và bề mặt rắn, ngay cả khi nhiệt độ trung bình của chất lỏng bằng nhiệt độ bề mặt. Độ lớn của hiệu nhiệt độ này thay đổi một cách tuần hoàn. Trong khi đó ngay trên bề mặt nhiệt độ của chất lỏng tiếp xúc bề mặt và nhiệt độ của chính bề mặt phải 45
bằng nhau. Kết quả là trong lớp chất lỏng sát bề mặt rắn xuất hiện gradient nhiệt độ lớn; nhiệt độ thay đổi nhanh từ giá trị của mình trong sóng âm đến giá trị nhiệt độ bề mặt. Sự tồn tại gradient nhiệt độ lớn cũng là nguyên nhân tản mát năng lượng cao do quá trình dẫn nhiệt. Chính độ nhớt của chất lỏng dẫn đến hấp thụ lớn khi sóng tới nghiêng (không vuông góc với mặt rắn) cũng được giải thích một cách tương tự: Khi sóng tới nghiêng vận tốc chất lỏng trong sóng (hướng theo hướng lan truyền sóng) có thành phần tiếp tuyến với bề mặt rắn khác không. Trong khi đó, ngay trên bề mặt vật rắn chất lỏng bị “dính” hoàn toàn. Vì 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 đã trình bày trên đây. Thành phần pháp tuyến của vận tốc trên bề mặt bằng không, do điều kiện biên của chất lỏng lý tưởng. Môi trường nước biển thuận lợi nhất đối với năng lượng âm, có nghĩa là sóng âm lan truyền trong nước biển thuận lợi hơn các sóng khác. Như đã chứng minh ở các phần trên mức độ tổn hao của sóng âm khi lan truyền trong nước tăng theo bình phương tần số. Ngoài ra, các đặc trưng lan truyền của sóng âm trong đại dương phụ thuộc vào một loạt thông số như phân bố nhiệt độ theo độ sâu, trạng thái bề mặt, độ sâu nơi bố trí thiết bị, đặc trưng của đáy biển, vị trí và cấu trúc của các tầng tán xạ sâu. Khả năng thu phát tín hiệu của thiết bị thông tin thủy âm được xác định bởi mức tín hiệu và độ ồn môi trường xung quanh. Mức tín hiệu lại phụ thuộc vào công suất phát, điều kiện lan truyền sóng âm. Mức ồn phụ thuộc vào trạng thái của biển, vận tốc gió, độ dày lớp nước và các yếu tố có nguồn gốc sinh học trong vùng bố trí thiết bị liên lạc. Thông tin về trạng thái nước biển và đáy biển là vô cùng quan trọng. Chúng cho phép dự báo chính xác đặc trưng lan truyền sóng âm trong nước và xác định các khả năng của thiết bị thuỷ âm cần thiết cho việc bố trí và tổ chức thông tin. 46
Độ sâu của đại dương thay đổi trong dải rất rộng, có nơi chỉ mấy mét, có nơi đến hàng chục km. Độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và các lớp nước sâu có thể tới hàng chục độ. Lớp nước bề mặt còn bị ảnh hưởng bởi sóng. Độ mặn của nước biển ở các khu vực khác nhau không chênh nhau đáng kể và dao động quanh 3,5%. áp suất trong nước biển tăng theo độ sâu, khoảng 1kG/cm2 trên 10m sâu, vì thế càng xuống sâu áp lực nước càng lớn. Một đặc điểm nữa là nhiệt độ càng cao, áp lực càng lớn, độ mặn càng tăng thì vận tốc âm trong nước biển càng lớn. Mặc dầu sự thay đổi giá trị tuyệt đối của vận tốc âm không đáng kể, nhưng nó lại có vai trò đáng kể khi lan truyền sóng âm diễn ra do khúc xạ tia âm. Khi lan truyền trong nước biển một phần năng lượng sóng âm tán xạ trên các bất đồng nhất của nước, một phần bị hấp thụ và chuyển thành nhiệt năng. Nhìn chung, sự hấp thụ năng lượng sóng âm của nước biển mạnh hơn của nước ngọt vì trong nước biển có muối hoà tan. Trên hình 4.1.1 thể hiện sự phụ thuộc của hấp thụ âm vào tần số ở điều kiện nhiệt độ không đổi. Độ suy hao (α) của sóng âm trong nước được tính theo công thức: α = 0.0173 f .σ ()dB / m Trong đó: f là tần số (Hz); σ là độ dẫn (mhos/met) Hình 4.1.1 cho thấy độ suy hao là một hàm của tần số và độ dẫn của nước. Nước ở dạng nguyên chất Hình 4.1.1 Sự phụ thuộc của suy hao đường truyền vào tần số là một chất cách điện, nhưng trong nước biển nó hòa tan rất nhiều muối và những tạp chất khác, do vậy nó trở thành một chất có độ dẫn cao. Độ dẫn (σ) của nước lại phụ thuộc vào nồng 47
độ muối và nhiệt độ. Nước biển có lượng muối cao nên có độ dẫn cao, thông thường có giá trị từ 2 mhos/met ở vùng cực lạnh đến 8 mhos/met ở vùng ấm và mặn (như Biển Đỏ). Độ dẫn trung bình ở nước biển thường là 4 mhos/met (có nghĩa là 1 m3 của nước biển có độ dẫn là 4 mhos/met hay là có trở kháng ¼ ôm). Độ suy hao trong nước biển rất lớn do vậy để có thể liên lạc ở các độ sâu khác nhau có hiệu quả, người ta thường dùng tần số rất thấp (từ 10 dến 30 Khz), ở đây độ suy hao chỉ ở mức khoảng 3,5 đến 5 dB/met. Còn liên lạc ở băng tần số 1,8Mhz thì độ suy hao tăng lên ở mức khoảng 46 dB/met. Đối với nước không mặn thì độ suy giảm tại tần số 10Khz chỉ khoảng 0,4dB/met, còn ở tần số 1,8Mhz độ suy hao cũng chỉ ở mức khoảng 5,4 dB/met. Như vậy tần số càng thấp thì sự suy giảm trong nước biển càng thấp có nghĩa là việc liên lạc càng tốt hơn. Tuy nhiên tần số thấp kéo theo kích thước cảm biến siêu âm cũng như các linh kiện sử dụng trong bộ xử lý tín hiệu đều tăng. Đề tài đã chọn các đầu thu phát siêu âm là gốm áp điện, ưu tiên cho mục tiêu kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ, tiêu thụ ít điện năng nhằm kéo dài thời gian hoạt động an toàn dưới nước cho người lặn. 4.2. Phân tích lựa chọn bộ cảm biến siêu âm 4.2.1. Hiệu suất biến đổi Đối với đầu thu phát thì hiệu suất có vai trò quyết định. Nếu hiệu suất nhỏ thì phải tăng kích thước nguồn nuôi và bộ khuếch đại công suất. Tuy nhiên, khi tăng công suất đưa đến đầu phát thì lại xuất hiện vấn đề có ý nghĩa quan trọng là làm nguội. 48
Để đạt được hiệu suất chuyển đổi cao các bộ biến đổi thuỷ âm phải làm việc ở chế độ cộng hưởng. Quá trình chuyển đổi từ năng lượng điện sang năng lượng sóng âm phải tuần tự qua 2 bước: Năng lượng điện → Năng lượng cơ học → Năng lượng sóng âm. Do đó, hiệu suất toàn phần của quá trình chuyển đổi điện - âm sẽ là: η = ηđ-c.ηc-â , trong đó: η - hiệu suất toàn phần; ηđ-c- hiệu suất biến đổi điện-cơ; ηc-â - hiệu suất biến đổi cơ-âm. Hiệu suất biến đổi cơ-âm được tính theo biểu thức: ηc-â = 2ρc / δρ1c1 , ở đây: ρ, c (ρ1,c1) là tỷ trọng và vận tốc truyên âm của nước (vật liệu biến tử); δ = π∆f0/f0 là giá trị lệch cộng hưởng làm cho biên độ dao động A giảm đến giá trị max . 2 4.2.2. Độ bền của bộ biến đổi Độ bền khối máy là nguyên nhân hạn chế sử dụng đầu thu phát ở độ sâu lớn. Để khắc phục yếu tố này người ta chế tạo các an-ten ngâm trong chất lỏng, nhằm tạo cân bằng áp suất bên trong và bên ngoài. 4.2.3. Kết cấu của bộ biến đổi Về kết cấu, các đầu thu phát thường được chế tạo dưới dạng lưới nhiều phần tử. Kích thước của mỗi phần tử được xác định bằng tần cộng hưởng. Số lượng và cách bố trí của các phần tử được xác định bằng tính định hướng cần thiết. Tính định hướng của bộ biến đổi dạng này ở tần số xác định tăng theo kích thước thẳng. Tính định hướng của an-ten tròn 49
phẳng không che chắn gièng tính định hướng của pit-tông, tức là 4π S2/λ2, trong đó S là diện tích pit-tông. Nếu với mục đích giảm mức của các búp sườn mà ta che chắn bộ biến đổi thì hệ số định hướng sẽ bị giảm. Nếu cần có bộ biến đổi không định hướng thì phải thiết kế sao cho kích thước của nó nhỏ hơn bước sóng. Do đó, muốn phát tín hiệu không định hướng từ an- ten cần máy phát có khả năng phát huy mật độ công suất cao ở an-ten. 4.3. Kết cấu vỏ chịu áp lực và chống nước Về khả năng chống nước và chịu áp lực cho các máy người lặn. Đây cũng là bài toán khó khi cần có một mẫu máy nhỏ, nhẹ. Trước mắt các sản phẩm thử nghiệm đang dùng vỏ đúc bằng composite, gồm hai phần lồng nhau: phần chống nước được thiết kế riêng biệt cho các khối chức năng (cảm biến và liên kết cảm biến - máy thu phát, khối nguồn) nằm trong và phần chịu va đập, áp lực bao ngoài. (Hình 4.3.1) Hình 4.3.1. Cấu trúc vỏ 2 lớp của máy thông tin dùng cho người lặn 50
4.4 Phân tích thiết kế mạch xử lý tín hiệu Sơ đồ khối của thiết bị thông tin được trình bày trên hình vẽ sau đây: Hình 4.2.1 Sơ đồ khối máy liên lạc thủy âm Nguồn nuôi đơn cực (pin hoặc acquy) 12-14v qua bộ biến đổi điện áp tạo ra điện áp có độ ổn định cao +3,3v và ±9v nuôi các khối chức năng, trừ hai khối công suất phát và công suất âm tần trong máy mặt nước. Hai khối này do tiêu thụ công suất lớn nên được nuôi trực tiếp từ nguồn vào không ổn định 12-14v. Ở chế độ thu, siêu âm qua cảm biến (transducer) được chuyển thành tín hiệu điện, qua bộ tiền khuếch đại để đạt được mức biên độ cần thiết cho các khối lọc thông dải, tách sóng, khôi phục biên và lọc tạp âm. Do tín hiệu thu được là tín hiệu đã bị nén dải khi phát nên tại đây, ngoài việc lọc các tạp âm không cần thiết còn có quá trình làm giầu hài để tăng độ trung thực của tiếng nói. Sau đó tín hiệu được khuyếch đại tới mức cần thiết để đưa ra tai nghe cho máy người lặn hoặc loa cho máy mặt nước. 51
Ở chế độ phát, tín hiệu từ microphone được xử lý sơ bộ qua tiền khuếch đại và lọc thông dải âm tần. Sau đó được đưa sang điều chế đơn biên và nén dải (SSB). Đây là khối xử lý quan trọng nhằm đưa độ rộng dải tín hiệu xuống dưới 750Hz, một biên. Sau SSB tín hiệu được khuyếch đại tới mức công suất cần thiết để nuôi cho Transducer. Toàn bộ hoạt động của máy được điều khiển qua bộ điều khiển số. Máy người lặn có 4 chức năng điều khiển sau đây: + Chuyển mạch Thu – Phát; + Thay đổi âm lượng; + Chuyển kênh; + Lọc nhiễu. Do đặc thù làm việc trong môi trường nước, người lặn cần thao tác dễ dàng, tin cậy, các thao tác vận hành điều khiển máy thông tin phải đơn giản. Do vậy các chức năng điều khiển đều thông qua một nút nhấn duy nhất. Hơn nữa, khi buông tay khỏi nút điều khiển, máy tự động chuyển về chế độ thường trực thu sau một thời gian đủ ngắn. Về phân phối kênh. Để tổ chức thành mạng thông tin giữa máy mặt nước với các nhóm người lặn khác nhau, giữa các máy mặt nước với nhau, máy thủy âm được thiết kế làm việc trên các kênh khác nhau, có dải tần làm việc phù hợp với dải tần các máy thông dụng trên thế giới. Vì vậy khoảng cách giữa các kênh rất hẹp (dưới 1 kHz). Để thực hiện cả hai mục tiêu: điều khiển đơn giản và phân kênh dải hẹp, máy được thiết kế theo nguyên lý điều chế đơn biên, sử dụng cả hai biên làm hai kênh (trên cơ sở chấp nhận mức nhiễu xuyên kênh đủ nhỏ). 52
Chương 5 - HỒ SƠ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM Nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu thiết kế chế tạo hai loại thiết bị liên lạc thủy âm: + máy dùng cho người lặn, có ký hiệu là TA-00DN, + máy đặt trên các phương tiện nổi, có ký hiệu là TA-00MN với mục đích tổ chức thông tin giữa máy mặt nước (thông thường là máy chỉ huy) với các máy người lặn và giữa các máy người lặn với nhau. Hai loại thiết bị trên có cùng thiết kế nguyên lý trong các khối: tổng hợp tần số, các bộ khuyếch đại tín hiệu, khuyếch đại đệm, tiền khuyếch đại công suất, các bộ lọc, điều chế và giải điều chế SSB Do điều kiện khai thác khác nhau ở hai loại máy, máy mặt nước có các nút điều khiển chọn kênh, chế độ thu phát, điều chỉnh âm lượng và lọc nhiễu độc lập nhau, còn với máy người lặn, tất cả đều qua một nút nhấn. Với khối công suất phát, máy mặt nước có công suất ra đạt 8 watt trên tải 250 Ohm, máy người lặn công suất ra được giới hạn ở mức 3 watt trên tải 250 Ohm. Trên cơ sở các phân tích ở chương 4, đề tài xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật của hai loại máy, chi tiết được trình bày trong mục 5.1. Mục 5.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của các khối xử lý tín hiệu dùng chung cho cả hai loại thiết bị. Mục 5.3 giới thiệu mạch điều khiển chức năng một nút nhấn cho máy người lặn sử dụng vi xử lý 89C51. 53
5.1 Đặc trưng kỹ thuật máy thông tin thủy âm 5.1.1 Tính năng kỹ thuật máy mặt nước Model TA-00MN (SN: 0512361, 0512362) Cự ly liên lạc (m) Sông hồ hoặc biển lặng: không nhỏ hơn 2500 Sóng biển cấp 6: không nhỏ hơn 250 Công suất âm phần phát (Oát) 8 Dải thông kênh âm tần (Hz) 300-4000 Độ nhạy phần thu (dBm) -110 Tự động điều chỉnh hệ số KĐ (dB) 120 Dải tần công tác (kHz) 31-33 Thăng giáng tần số phát (fmax- fmin), (Hz), không lớn hơn 10 Nguồn nuôi (vôn) 12 Công suất tiêu thụ (Oát) không lớn hơn: Chế độ chờ, nghe: 2 Chế độ phát: 20 Cảnh báo nguồn yếu: Chuông Cảm biến Thu-Phát Trở kháng (Om) 250 Vật liệu: Gốm Độ sâu tối đa (m): 50 Vỏ máy Kích thước (D x R x C) mm: 350 x 235 Vật liệu: x160 Composite Khối lượng (kg): Pin: 5,5 Acquy: 6,25 Điều kiện công tác Nhiệt độ (0C): 0-60 Độ ẩm tương đối (trong khoang linh kiện) (%): 40-98 54
5.1.2 Tính năng kỹ thuật máy mặt người lặn Model TA-00DN (SN: 0512363, 0512364) Cự ly liên lạc (m) Sông hồ hoặc biển lặng: 2000 Sóng biển cấp 6: 200 Công suất âm âm phần phát (Oát) 3 Dải thông kênh âm tần (Hz) 300-4000 Độ nhạy phần thu (dBm) -110 Tự động điều chỉnh hệ số KĐ (dB) 120 Dải tần công tác (kHz) 31-33 Thăng giáng tần số phát (fmax- fmin), (Hz), không lớn hơn 10 Nguồn nuôi (vôn) 12 Công suất tiêu thụ (Oát) không lớn hơn: Chế độ chờ, nghe: 1,5 Chế độ phát: 15 Cảnh báo nguồn yếu: Chuông Cảm biến Thu-Phát Trở kháng (Om) 250 Vật liệu: Gốm Độ sâu tối đa (m): 50 Vỏ máy Kích thước (D x R x C) mm: 165 x 130 x 70 Vật liệu: Composite Khối lượng (kg): Pin: 1,75 Acquy: 1,8 Điều kiện công tác Nhiệt độ (0C): 0-60 Độ ẩm tương đối (trong khoang linh kiện) (%): 40-98 55
5.2 Sơ đồ mạch điện S¬ ®å tiÒn khuyÕch ®¹i siªu ©m d¶i 25-35 KHz (bé tiÒn khuyÕch ®¹i d¶i réng) V1 9V +V R7 R11 1k 1k R1 R2 NO DATA V2 390k R5 R6 R9 R10 10k 10k 330k 10k 330k DC V -1m/1mV 25kHz Q1 Q2 Q3 BC109BP BC109BP BC109BP + C1 R3 R4 R8 C2 R12 C3 BZ1 330k 330k 0.22uF 6.8k 0.22uF 22k 0.22uF - +V V3 0V Bé läc tÇn sè thu - ®iÒu khiÓn sè T1 C1 Tien KDai 10TO1 T2 C5 1uF 1TO1 480pF Tachsong 25.0KHz C2 1uF U1 27.0KHz Switch T3 4066 1TO1 Io0 Vdd C3 Io0 E0 1uF Io1 E3 29.0KHz Io1 Io3 E1 Io3 T4 E2 Io2 1TO1 Vss Io2 C4 1uF 31.0KHz T5 1TO1 C9 T10 1uF 1TO1 33.0KHz C8 1uF U1 37.0KHz Switch T9 4066 1TO1 Io0 Vdd C7 Io0 E0 1uF Io1 E3 39.0KHz Io1 Io3 E1 Io3 T8 E2 Io2 1TO1 Vss Io2 C6 1uF 41.0KHz T6 1TO1 56
Thu siªu ©m- K§ t¸ch sãng mang, t¸i t¹o ©m thanh Thu, KD Sieu Am 20 35 KHz,khoang cach 1 mile, chuyen sang am tan nguoi nghe dwoc R6 R24 22k 220 C15 V3 9V R9 100uF L2 R10 C10 R21 C16 1mH 2.2k C8 R12 + 5.1k R27 22k 4.7k R20 75 C1 0.22uF 30k 0.22uF .0047uF .022uF L1 Q1 R14 R15 1mH BC109BP 1k 1k R4 Q3 Q5 Q6 Q7 56k BC109BP BC109BP BC109BPR25 BC109BP C3 Q4 C14 NO DATA C2 BC109BP C12 5.1K R1 R2 Q2 C11 R19 C17 DC~V BC109BP C13 5.1k C19 11k 5.1 R16 10uF R22 50uF C4 0.22uF C7 C18 R8 .022uF .0022uF 1k 110 50uF 0.22uF R5 1k C9 10uF 11k C5 72uF R11 R13 0.22uF 0.22uF R3 1k R18 2.4k 22k 30uF R17 R23 Q8 R7 1k BC109BP 240 R26 820pF C6 11k 10k 40% V1 240 R28 0/2V 5.1K 25kHz 470pF 57
thu siªu ©m – k® t¸ch sãng mang, t¸i t¹o ©m thanh (tiÕp theo trang 57) R24 220 C15 V3 9V 100uF R21 C16 + 5.1k R27 R20 75 30k .022uF R14 R15 1k 1k Q5 Q6 Q7 BC109BP BC109BPR25 BC109BP C12 C14 5.1K NO DATA C11 R19 C17 DC~V C13 5.1k 50uF R16 10uF R22 C18 .0022uF 1k 110 .022uF 10uF 50uF R17 R18 Q8 1k R23 BC109BP 240 R26 10k 40% 240 R28 5.1K 58
S¬ ®å ®iÒu chØnh ©m l−îng sè (m¸y mÆt n−íc) V1 R9 9V C1 10k R10 R11 +V 0.1uF 10k 100k o R1 Aud IN R14 1k R12 100k 100k U4 R2 V3 Switch 1k 4011 +V-9V 4066 U2A Io0 Vdd R3 4049 Io0 E0 1k U1A Io1 E3 Io1 Io3 E1 Io3 U1B E2 Io2 U2B Vss Io2 R4 1k U1C C2 0.1uF S2 U1D Audio U3 U4 4516 R8 Aud Out P3 Q3 Switch 1k P2 Q2 4066 P1 Q1 P0 Q0 Io0 Vdd R7 Up PL TC Io0 E0 1k S1 CP Io1 E3 CE Io1 Io3 U/D E1 Io3 MR E2 Io2 Vss Io2 R6 Dow 1k R13 100k R5 1k 59
S¬ ®å m¹ch khuyÕch ®¹i d¶i th«ng 10 KHz, t¸i t¹o ©m thanh Vcc +9V LT LT1 LT2 200mH 150mH 100mH CT CT1 CT2 R1 2uF R4 10uF R5 18k 18k 10uF Rs Rs1 18k Rs2 6.3 6.3 6.3 A B V1 Ci Co Co2 -1/1V .22uF RE2 RE5 RE4 1k 0.2uF 1k 2uF 1k NPN NPN NPN 2kHz Co1 10uF Ci2 R2 RE CE R3 Ci3 RE1 CE1 R6 Ci1 RE3 CE2 .002uF 1k 100pF 1k .22uF 33k 1uF 33k 0.2uF 33k 1k 10uF 60
TiÒn khuyÕch ®¹i ©m thanh, läc th«ng thÊp tÇn sè 300hz ®Õn 3KHz. R2 56n 10k C3 V5 +V C1 V1U1A -1/1V R1 9V 2.2uF 10k LM833 R4 R5 R6 + 10k 100k 40% 10k R7 10kHz C4 10k V3 4.7n +V-9V C2 R3 R8 R9 R10 1n 50k 3.6k 100k 40% 3.6k C5 22n R13 R12 R11 1.8k 100k 40% 1.8k A C6 +V U1B 4.7n V29V LM833 + 61
S¬ ®å bé ®iÒu chÕ sãng siªu ©M d¶i sãng mang 25 – 39 KHz +9V AM Modulator 1k 1k .1uF 3.9k 3.9k 1k 51 MC1496 A -100m/100mV .1uF G G Vc Out Vc Out KDsieuam Vs Bias 25kHz Vs Vee -100m/100mV 6.8k 750 750 51 51 50k 1.5kHz 62
Tæng hîp tÇn sè 10 KHz ®Õn 999 KHz 63
5.3 Mạch điều khiển vi xử lý cho máy người lặn • Đầu vào: Một Nút nhấn ( Kiểu nút nhấn nhả ) • Kiểu điều khiển: Số lần nhấn ;Thời gian nhả. • Đầu ra: 1. Chuyển trạng thái logic (TTL) của 8 dây tín hiệu: + 1 dây cho đ/k Thu / Phát: Mức ‘0’ = Thu, Mức ‘1’ = Fat; + 3 dây cho đ/k Âm lượng: Điều khiển được 8 mức âm lượng; + 3 dây cho đ/k Chuyển kênh; Chọn được 8 kênh + 1 dây cho đ/k Lọc nhiễu. 2. Thông báo bằng âm thanh về trạng thái trước và sau khi điều khiển của các tín hiệu . • Sai số: Có thông báo lỗi bằng âm thanh (Khi vào số liệu không đúng cách, hoặc nhấn quá nhiều, sẽ thông báo băng 5 tuýt liên tục) • Các trạng thái: 1: Nhấn ; 0: Nhả ; 000 Nhả lâu (khoảng 1s, sau đó nghe thông báo về trạng thái của Âm lượng, hoặc Kênh trước khi thay đổi chúng ) 66
Bảng trạng thái các chức năng điều khiển máy người lặn ĐIỀU KHIỂN GIẢN ĐỒ THỜI GIAN TRẠNG THÁI CHỨC NĂNG Thu / Phát Mặc định ở chế độ Thu; hoặc sau khi Nhấn và giữ để Phát xong , Nhả nút trả về Thu chế độ Thu Phát 0000 x.xxx.xxx.0 Thu 1111 x.xxx.xxx.1 Phát Âm lượng 1-0-1- 000 Nghe thông Vdụ Âm lượng ở Vào Mode điều báo: 6 tuýt,( Âm lượng ở mức 6 0.101.xxx.x chỉnh âm lượng mức 6) Thiết lập Âm Vào số liệu 1-0-1-0-1-0-1-000 Nghe 0.011.xxx.x lượng ở mức 3 mới thông báo: 3 tuýt, âm lượng ở mức 3 Chuyển kênh 1-0-1-0-1-000 Nghe thông Vào Mode báo: 2 tuýt,(Máy đang ở 0.xxx.001.x Chuyển kênh Kênh 2) . Vào số liệu mới 1-0-1-0-1-0-1-000 Nghe 0.xxx.011.x Chuyển kênh 2 thông báo: 4 tuýt, Kênh 4 đã sang kênh 4 được chọn. Lọc nhiễu Tắt/Bật bộ lọc 0.xxx.xxx.0 Bộ lọc Tắt Tắt→Bật Bật→Tắt 1-000 0.xxx.xxx.1 Bật bộ lọc 1-000 0.xxx.xxx.0 Tắt bộ lọc 67
phÇn mÒm ®iÒu khiÓn chøc n¨ng cho m¸y ng−êi lÆn ;Chuong trinh Dieu khien cho MNL ; ;OutData EQU 60H ;2 Bytes for data + ID ;PreData equ 61h Time equ 62h Wide equ 64h Wide2 equ 5fh Wide1 equ 5eh Wide0 equ 5dh Time2 equ 5ch Time1 equ 5bh Time0 equ 5ah Tempo2 equ 59h Tempo1 equ 58h Tempo0 equ 57h Vollum equ 56h Chane equ 55h Mode equ 54h PulCnt equ 53h ; BybitCmd equ 22h SPTR equ 08h ;Stack=8-$1f ; Use 4 bit low IdCmdLow Flg_Int0 Bit 0 ;Co bao yeu cau Flg_Talk bit 1 ;Co bao gui TT Flg_T0 bit 2 ;Co bao nhan Msg Flg_T1 bit 3 ;Co bao nhan Mic Flg_Mode bit 4 Flg_Res bit 5 Flg_TiOv bit 6 Flg_OvWi bit 7 ;FlagSi bit 8 ;Co bao nhan lenh tu CC ; Data constant cWide EQU 7 ;7*65ms=455ms cTime EQU 15 ; ; Use Ports pPuToTalk equ p1.7 pStateSQ equ p1.6 pChaneB2 equ p1.5 pChaneB1 equ p1.4 pChaneB0 equ p1.3 pVollB2 equ p1.2 pVollB1 equ p1.1 pVollB0 equ p1.0 pDkData equ p1 pDkBeep equ p3.0 68
pKeyDk equ p3.2 pIndLed equ p3.5 ; ORG 0000h LJMP Start ; External IE0 INTR ORG 0003h Ljmp Intr0 ; Timer0 OverFlow Intr ORG 000bh Ljmp Timer0 ; Timer1 OverFlow Intr ORG 001bh Ljmp Timer1 ; ORG 0100h Start: mov SP,#SPTR ;08h-$1f mov IE,#00 ;%10010001:ea,es,ex0=1 clr RS0 ;bank0 clr RS1 ; Init Timer0 & Timer1 mov TMOD,#11h ;Chon Timer 16bit & Active Timer by TRx=1 mov TH0,#3ch ;T0 for Puls_Wide mov TL0,#0b0h mov TH1,#3ch ;T1 for Puls_Time mov TL1,#0b0h mov IE,#8ah ;Intr Enable: EA=1, ET1=1, ET0=1, EX0=1 ; Init RS-232 Internal clk ; Crystal 24Mz-9600baud ; MOV SCON,#50h ; MOV TMOD,#20h ;20h ; MOV TH1,#243 ;0F3h ; ORL PCON,#80h ; SETB TR1 ;Start timer1 ; ;Set cac gia tri khoi dau( StartUp) mov p1,#0h ;Voll=5, Chane=0, SQ=Off, Talk=0 mov Vollum,#5 mov a,Vollum lcall SetVoll mov Chane,#1 lcall SetChane Reset: setb pIndLed setb pDkBeep lcall Dl250ms clr pDkBeep clr Flg_Int0 69
clr Flg_Talk clr Flg_T0 clr Flg_T1 clr Flg_Mode clr Flg_TiOv clr TR1 mov Time0,#0 mov Time1,#0 mov Wide0,#0 mov Mode,#0 mov PulCnt,#0 setb Flg_T1 WaitKeyA: jb Flg_TiOv,Reset ;Sau 5 phut khong an tro ve Reset jb Flg_Mode,ReadKey mov a,Time0 ;Xet Time > 200ms anl a,#0f0h ; jnz TestMode ReadKey: mov c,pKeyDk jc WaitKeyA jnb Flg_T1,WaitKeyA ;When Key An clr pIndLed setb pDkBeep mov TH0,#3ch mov TL0,#0b0h mov Wide0,#0 mov Wide1,#0 clr Flg_T0 setb TR0 ;Start T0 tinh Wide clr TR1 ;Stop T1 mov a,TH1 clr c subb a,#1eh jnc TestKeyN inc Time0 mov a,Time0 jz OverTime TestKeyN: mov R7,#25 lcall Dll ;TestKeyN: jb Flg_Mode,WaitKeyN mov a,PulCnt jnz WaitKeyN ; jnz TestMode ;TestToTalk: jb Flg_Talk,WaitKeyN mov a,Wide0 ;Test a>1s anl a,#0f8h ; xrl a,#0 jz WaitKeyN ;Time=32ms-> set Flag_T0 setb pPuToTalk setb Flg_Talk clr pDkbeep ajmp WaitKeyN 70
OverTime: mov Time0,#17 ajmp TestKeyN TestMode: mov a,PulCnt cjne a,#2,TestM1 mov Mode,PulCnt setb Flg_Mode ajmp ReadKey TestM1: cjne a,#3,ReadKey mov Mode,PulCnt setb Flg_Mode mov a,Chane jz ReadKey mov R0,Chane OutBeep: setb pDkBeep lcall Dl251ms clr pDkBeep lcall Dl251ms djnz R0,OutBeep ljmp ReadKey WaitKeyN: mov c,pKeyDk jnc TestKeyN jnb Flg_T0,TestKeyN ;Ket thuc 1 lan An Fim inc PulCnt setb pIndLed ; Chi dung trong khi thu nghiem clr pDkBeep ; Start T1 mov TL1,#0b0h mov TH1,#03ch mov Time0,#0 mov Time1,#0 clr Flg_T1 setb TR1 ;Stop T0 -> clr TR0 mov a,TH0 clr c subb a,#9eh jnc Xettiep inc Wide0 mov a,Wide0 jz OverWide Xettiep: jb Flg_Talk,Reset0 mov a,Wide0 ;Test a>1s anl a,#0f8h jnz Reset1 ljmp WaitKeyA ;An lau: Ket thuc viec thiet lap mode OverWide: mov Wide0,#0f0h ljmp Xettiep Reset0: clr pPuToTalk clr Flg_Talk 71
ljmp Reset Reset1: mov a,PulCnt cjne a,#2,TestM2 ;Vao SQ: Bam 1+ 1dai cpl pStateSQ ljmp Reset TestM2: mov a,Mode cjne a,#2,TestM3 ;Mode=2:Thay doi Vollume dec PulCnt ; PulCnt-3=Voll dec PulCnt ; Voll= bit 0-2 dec PulCnt mov a,Wide0 anl a,#0f0h jnz GiamVoll mov a,Vollum add a,PulCnt mov Vollum,a anl a,#0f8h jnz MaxVollum OutVoll: lcall SetVoll jmp Reset MaxVollum: mov Vollum,#7 ajmp OutVoll GiamVoll: clr c mov a,Vollum subb a,PulCnt jc ErrVll mov Vollum,a ajmp OutVoll ErrVll: mov Vollum,#0 lcall Nhay ajmp OutVoll TestM3: cjne a,#3,BaoLoi ; Mode=3:Chon Channel dec PulCnt ; PulCnt-4 = Chane dec PulCnt dec PulCnt dec PulCnt mov a,Wide0 anl a,#0f0h jnz GiamChane mov a,Chane add a,PulCnt mov Chane,a anl a,#0f8h jnz MaxChane OutChane: lcall SetChane ljmp Reset MaxChane: 72
mov Chane,#7 ajmp OutChane GiamChane: clr c mov a,Chane subb a,PulCnt jc ErrChane mov Chane,a ajmp OutChane ErrChane: mov Chane,#1 lcall Nhay ajmp OutChane Baoloi: lcall Nhay lJmp Reset ; ; Interrupt Routine of Int0 ; Intr0: clr EX0 ;Cam all Intrr setb Flg_Int0 mov TH0,#0ffh mov TL0,#0ffh setb TR0 clr TR1 mov Time,TH1 mov Time+1,TL1 setb EX0 reti ; ; Interrupt Routine of Timer0 ; Timer0: clr ET0 push Acc setb Flg_T0 mov TH0,#0 ;3ch mov TL0,#0 ;b0h inc Wide0 mov a,Wide0 jnz ToEsc0 mov Wide0,#17 ToEsc0: pop acc setb ET0 reti ; ; Interrupt Routine of Timer1 ; Timer1: clr ET1 push Acc setb Flg_T1 mov TH1,#0 ;3ch mov TL1,#0 ;b0h inc Time0 mov a,Time0 73
jnz ToEsc1 mov Time0,#17 inc Time1 mov a,Time1 xrl a,#25 jnz ToEsc1 setb Flg_TiOv mov Time1,#0 ToEsc1: pop acc setb ET1 reti ; ; Sub tao delay 100 ms ; Dlay1s: mov R5,#4 Dlay: call Dl250ms djnz R5,Dlay ret Dl251ms: mov R7,#250 ajmp Dll Dl250ms: mov R7,#135 Dll: call Dl1ms djnz R7,Dll ret Dl1ms: mov R6,#250 Dl4us: nop nop djnz r6,dl4us ret ; Nhay: mov R3,#3 Nhay1: setb pIndLed setb pDkBeep lcall Dl250ms clr pIndLed clr pDkBeep lcall Dl250ms djnz R3,Nhay1 ret ; SetVoll: mov a,Vollum mov c,acc.0 mov pVollB0,c mov c,acc.1 mov pVollB1,c mov c,acc.2 mov pVollB2,c ret ; SetChannel: mov a,Chane mov c,acc.0 mov pChaneB0,c mov c,acc.1 74
mov pChaneB1,c mov c,acc.2 mov pChaneB2,c ret ; END 75
Chương 6 - KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 6.1 Xác định các tham số kỹ thuật cơ bản của máy thông tin thủy âm 6.1.1 Các tham số điện + Độ ổn định tần số công tác. Do thiết bị làm việc ở chế độ đơn biên, dải thông hẹp nên để đảm bảo độ trung thực tốt nhất cho âm thanh tái tạo sau tách sóng và giải điều chế, độ ổn định tần số càng cao càng tốt. Với điều kiện sử dụng ổn tần thạch anh có độ ổn định 10-6 - 10-7 và varicap với các tham số: RS=0.25, CJO=30.186E-12 độ ổn định tần số phát (đo tại chân Transducer) không vượt quá 10Hz trong cả phiên bật máy 60 phút. Tần số được đo bằng máy + Công suất tiêu thụ. Tham số này đặc biệt có ý nghĩa cho máy người lặn. Để đảm bảo cự ly liên lạc 2000m (ở điều kiện lặng sóng) và máy thu có độ nhạy cỡ -110dBm, ở điện áp nguồn nuôi 12v, công suất tiêu thụ ở chế độ chờ đo được 1,5W và 15W ở chế độ phát. Ở mức tiêu thụ này và tỷ lệ thời gian thoại trên thời gian trực canh không quá 1/5, thời gian làm việc liên tục khi dùng 8 pin cỡ AA (Energizer) có thể kéo dài tối thiểu 60 phút. Công suất tiêu thụ được xác định thông qua dòng tiêu thụ ở các chế độ công tác khác nhau khi điện áp nuôi bằng 12v. + Độ nhạy phần thu. Độ nhạy phần thu được xác định bằng mức công suất tín hiệu tác động lên đầu thu của bộ tiền khuyếch đại khi công suất tín hiệu thu được ở đầu ra (S) bằng công suất tạp âm (N). Khi đó (SNR) = dB 10log (S/N) dB = 0. 10 Với sơ đồ tiền khuyếch đại như mô tả trên hình 5.2.1, độ nhạy phần thu đạt xấp xỉ -110 dBm. 76
6.1.2 Các tham số cơ học Đối với máy người lặn, yêu cầu máy phải gọn, nhẹ. Tuy nhiên, với mô hình hiện tại các tham số này chưa đạt được so với nhiều mẫu tương đương của nước ngoài. Tuy nhiên, khối lượng của thiết bị tập trung chủ yếu ở phần vỏ hộp. Với vật liệu vỏ composite, có kích thước 165x130x70 (mm), khối lượng của máy người lặn đo được là 1750g khi nạp pin AAA và 1800g khi dùng acquy. 6.1.3 Các tham số liên quan đến môi trường Nhiệt độ công tác 0-600C. (Điều kiện này được xác định đối với bảng mạch khi các tham số điện không dao động quá 5%) Độ ẩm tương đối 40-98%. Tương tự phần thử nhiệt độ, độ ẩm tương đối được xác định với bảng mạch khi chưa nạp vào vỏ. Tuy nhiên, có thể nói điều kiện đọng nước khi máy làm việc sẽ không xảy ra do nhiệt độ trong máy cao hơn nhiệt độ môi trường. 6.2 Thử nghiệm 6.2.1 Thử nghiệm kín nước trong điều kiện áp lực cao Thử nghiệm kín nước được thực hiện trên thiết bị Áp lực: 2,5Kg/cm2 (tương đương độ sâu khoảng 25m) Thời gian chịu áp lực: 60 phút Kết quả: máy hoạt động bình thường. 6.2.2 Thử nghiệm cự ly liên lạc Các mẫu đã được đo đạc thử nghiệm trong các điều kiện sau: i. Tổ chức thông tin người lặn – người lặn; người lặn – mặt nước; mặt nước – mặt nước ii. Thông tin nước ngọt (sông, hồ) iii. Biển sâu, biển nông; biển lặng, biển động (sóng tới cấp 6). Ngoài các thử nghiệm phục vụ điều chỉnh tham số cho thiết bị, đề đã tài thực hiện 2 đợt thử nghiệm chính thức có giám sát của các cơ quan khác. 77
Đợt 1 thực hiện tại biển Nha Trang vào ngày 26 tháng 12 năm 2006 có kết hợp cùng Phòng Đào tạo, Trường SQ CHKT Thông tin Nha Trang. Đợt 2 thực hiện ngày 1 tháng 3 năm 2006 tại Hồ Tây, Hà Nội với sự giám sát của Ban kế hoạch Viện Điện tử Viễn thông, Phòng Kế hoạch Trung tâm KHKT CNQS và Trung tâm Thử nghiệm Chất lượng, Cục TCĐLCL. (Kết quả thử nghiệm ghi trong Biên bản có kèm theo Tài liệu này và trong Quyển 1, Báo cáo kết quả thực hiện đề tài) Kết quả thử nghiệm cho thấy: a. Các thiết bị chịu được nước biển, áp lực, va đập và kín nước; b. Thời gian làm việc phụ thuộc nguồn nuôi. Khi dùng pin size AA (Energizer) máy người lặn đáp ứng được yêu cầu cho các ca lặn trung bình 60 phút. Thời gian làm việc kéo dài gấp đôi nếu dùng acquy dung lượng 1.65Ah. c. Cự ly liên lạc tin cậy khi tổ chức thông tin giữa người lặn với nhau và với máy chỉ huy (mặt nước) không nhỏ hơn 200m ở điều kiện biển động (sóng cấp 6) và trên 1500m ở điều kiện biển lặng hoặc sông hồ. d. Các chỉ tiêu cơ bản khác đạt được như dự kiến (xem Bảng đặc trưng kỹ thuật trang 54-55 và các biên bản đo lường thử nghiệm thực địa). 78
TRƯỜNG SQ CH-KT THÔNG TIN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA NHA TRANG VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BIÊN BẢN THỬ NGHIỆM Hôm nay, tại Biển Nha Trang, hồi 9 giờ, ngày 26 tháng 12 năm 2005, theo yêu cầu của của chủ trì đề tài cấp Nhà nước KC0124, các thành viên của nhánh “máy liên lạc thủy âm” đã kết hợp với một số cán bộ đang công tác tại Ban Công nghệ thông tin, Phòng Đào tạo, Trường Sĩ quan Chỉ huy – Kỹ thuật Thông tin tiến hành thử nghiệm một số thiết bị liên lạc thủy âm, là sản phẩm do đề tài nghiên cứu thiết kế, lắp ráp với các nội dung cụ thể sau đây: Tham gia thử nghiệm gồm: A. Các cán bộ và thành viên của đề tài: 1. Vũ Ba Đình, chủ trì đề tài nhánh 2. Nguyễn Văn Quân, Thành viên của đề tài 3. Vũ Văn Biều, Thành viên của đề tài B. Các cán bộ tham gia thử nghiệm 1. Nguyễn Ánh Việt, Ban CNTT, Phòng Đào tạo, trường SQ-CHKT Thông tin Nha Trang. 2. Lưu Tôn Ngọc, Ban CNTT, Phòng Đào tạo, trường SQ-CHKT Thông tin Nha Trang. Mẫu thử nghiệm: 1. Máy liên lạc thủy âm dùng trên mặt nước: 02 chiếc. 2. Máy cho người lặn: 02 chiếc. Nội dung và kết quả thử nghiệm 83
Điều kiện thử nghiệm: Trời nắng nhẹ, sóng nhỏ STT NỘI DUNG MÔ TẢ THỬ NGHIỆM KẾT QUẢ 1 Thử độ kín nước cho Toàn bộ máy được nhúng Máy làm việc bình thường 02 máy người lặn thẳng xuống nước biển sau thời gian 30 phút và kiểm tra lại 2 Thử độ kín nước cho Đổ nước biển lên mặt máy, Máy làm việc bình thường 02 máy mặt nước sau đó kiểm tra lại Cự ly 1000m Tốt Cự ly 1500m Tốt Cự ly 2500m Tiếng nhỏ, phân biệt được giọng nói Liên lạc giữa hai 3 Cự ly 3000m Nghe nói bình thường, bắt máy mặt nước đầu chịu ảnh hưởng khi có tầu đi gần Cự ly 3500m Nghe được nhưng khó phân biệt giọng người nói, chịu ảnh hưởng nhiều khi có tầu đi gần Cự ly 500m Tốt Cự ly 1000m Tốt, không phát hiện sự phụ thuộc chất lượng liên lạc vào độ sâu Cự ly 1500m Tiếng nhỏ, phân biệt được Liên lạc giữa máy giọng nói 4 người lặn với máy Cự ly 2500m Nghe nói bình thường, bắt mặt nước đầu chịu ảnh hưởng khi có tầu đi gần Cự ly 2500m Nghe kém, chịu ảnh hưởng nhiều khi có tầu đi gần Cự ly 3000m Khó liên lạc 4 Liên lạc giữa hai Cự ly 500m Tốt máy người lặn Cự ly 1000m Tốt Cự ly 1500m Tiếng nhỏ, phân biệt được giọng nói Cự ly 2000m Nghe nói bình thường, bắt đầu chịu ảnh hưởng khi có 84
tầu đi gần và có phụ thuộc độ sâu (không thấy quy luật) Cự ly 2500m Khó liên lạc Xác nhận của các thành viên tham gia thử nghiệm STT HỌ VÀ TÊN NƠI CÔNG TÁC CHỮ KÝ 1 Nguyễn Ánh Việt Ban CNTT, Phòng Đào tạo, trường SQ-CHKT Thông tin Nha Trang 2 Lưu Tôn Ngọc Ban CNTT, Phòng Đào tạo, trường SQ-CHKT Thông tin Nha Trang 3 Vũ Ba Đình Trung tâm KHKT-CNQS 4 Nguyễn Văn Quân Trung tâm KHKT-CNQS 5 Vũ Văn Biều Trung tâm KHKT-CNQS Xác nhận của cơ quan quản lý Tr−êng sq chkt th«ng tin nha trang ViÖn ®iÖn tö viÔn th«ng 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц, Механика сплошных сред, Москва, 1953. 2. Albers V. M., Underwater Acoustics Instrumentation, 1969. 3. Mackenzie K. V., J. Acoust. Soc. Amer., 32, 100-104,1960. 4. Del Grosso V. A., Naval Res. Lab. Rep. No.6123, Part II, 1965. 5. Tolstoy I., Clay C. S. Ocean acoustics. 6. Б. П. Константинов, ЖТФ 9, 226, 1939. 7. Cremer L. Vorlesungen uber Technische Akustik. Berlin, Springer, 1971. 8. Б. Д. Виноградова и Н. М. Колоярцева, Л. Судостроение, Справочник по технической акустике, Перевод с немецкого, 1980. 9. Finn B. Jensen, William A. Kuperman, Michael B. Portor, Henrik Schmidt, Computational Ocean Acoustics, New York, McGraw-Hill, 2005. 10. Хорбенко, Ультразвук в военном деле 11. Thuyết minh kỹ thuật của đầu tự dẫn ngư lôi СЭТ-53M và Thuyết minh kỹ thuật của trạm liên lạc thuỷ âm МГ-16. 86