Khóa luận Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm

Nội dung text: Khóa luận Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN CƯƠNG NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM VÀ HOÀN THIỆN QUY TRÌNH LẤY MẪU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ VIỆT NAM PHỤC VỤ KHAI THÁC HIỆU QUẢ CÁC THIẾT BỊ THỦY ÂM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VĂN CƯƠNG NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM VÀ HOÀN THIỆN QUY TRÌNH LẤY MẪU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ VIỆT NAM PHỤC VỤ KHAI THÁC HIỆU QUẢ CÁC THIẾT BỊ THỦY ÂM Ngành: Kỹ thuật trắc địa - bản đồ Mã số: 9520503 Người hướng dẫn khoa học PGS.TS ĐẶNG NAM CHINH Hà Nội - Năm 2021
3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án có được trên cơ sở tìm hiểu tài liệu, phân tích một cách trung thực, khách quan và áp dụng trong điều kiện thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Cương
4. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH ẢNH viii MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án 2 3. Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài 2 4. Nội dung nghiên cứu của luận án 3 5. Phương pháp nghiên cứu 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4 7. Các luận điểm bảo vệ 4 8. Điểm mới của luận án 5 9. Cấu trúc của luận án 5 10. Cơ sở tài liệu 6 11. Lời cảm ơn 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬN TỐC ÂM VÀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ THỦY ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 7 1.1. Các công trình nghiên cứu trên thế giới về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển. 7 1.1.1. Lịch sử phát triển ứng dụng công nghệ thủy âm 7 1.1.2. Các nghiên cứu ngoài nước về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm 10 1.2. Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển. 13 1.2.1. Nghiên cứu ứng dụng thiết bị thủy âm tại Việt Nam 15
5. iii 1.2.2. Các nghiên cứu về vận tốc âm tại Việt Nam được công bố trên các tạp chí chuyên ngành 16 1.2.3. Các nghiên cứu về biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ 17 1.3. Kết luận chương 1 17 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM, PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 19 2.1. Khái quát về thủy âm học 19 2.1.1. Nguồn âm, năng lượng âm và đơn vị đo 19 2.1.2. Tần số âm và độ rộng băng tần 23 2.1.3. Lan truyền sóng âm và các hiệu ứng vật lý của sóng âm 24 2.1.4. Hấp thụ, tán xạ và sự suy yếu sóng âm 26 2.2. Vận tốc sóng âm và các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển 27 2.2.1. Vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển 27 2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển 27 2.2.3. Các công thức thực nghiệm xác định vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển 28 2.3. Các phương pháp xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển 35 2.3.1. Sử dụng các trị đo hải văn (nhiệt độ, độ mặn, độ sâu) và áp dụng công thức thực nghiệm xác định vận tốc âm, sai số xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển 35 2.3.2. Máy đo vận tốc âm SVM (Sound Velocity Meter) 36 2.3.3 Xác đinh vận tốc âm bằng bar check 39 2.4. Quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển 39 2.4.1. Sự biến đổi của vận tốc âm theo độ mặn 40 2.4.2 Sự biến đổi của vận tốc âm theo nhiệt độ 40
6. iv 2.4.3. Sự biến đổi của vận tốc âm theo độ sâu 41 2.5. Kết luận chương 2 42 CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC ÂM ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐO THỦY ÂM, QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM TẠI VỊNH BẮC BỘ 44 3.1. Ảnh hưởng của vận tốc âm tới các thiết bị thủy âm 44 3.1.1. Đo sâu đơn tia 44 3.1.2. Đo sâu đa tia và thủy âm quét sườn (side scan sonar) 47 3.1.3. Định vị thủy âm 51 3.2. Quy trình lấy mẫu vận tốc âm trong khảo sát bằng thiết bị thủy âm 53 3.2.1. Quy trình đo sâu đơn tia 53 3.2.2. Quy trình đo sâu đa tia 55 3.2.3. Quy trình đo thủy âm quét sườn (Side Scan Sonar - SSS) 56 3.2.4. Quy trình định vị thủy âm 57 3.3. Các yêu cầu về độ chính xác khảo sát thủy âm 59 3.3.1. Tiêu chuẩn về độ chính xác của Tổ chức Thủy đạc Quốc tế (IHO) cho công tác khảo sát đáy biển 59 3.3.2. Tiêu chuẩn về độ chính xác đo sâu của một số cơ quan thủy đạc quốc gia (Canada, New Zealand, Australia) 62 3.3.3. Các quy định kỹ thuật liên quan tới sử dụng máy đo sâu hồi âm tại Việt Nam 66 3.4 Quy luật biến đổi vận tốc âm trong khu vực Vịnh Bắc Bộ 68 3.4.1. Khái quát chung về đặc điểm địa lý, tự nhiên biển khu vực Vịnh Bắc Bộ 68 3.4.2 Số liệu vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ 72 3.4.3. Quy luật biển đổi vận tốc âm theo vị trí địa lý 85 3.4.4. Thay đổi vận tốc âm theo phương cột nước (Water colum) và theo thời gian 98
7. v 3.5. Kết luận chương 3 100 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VẬN TỐC ÂM VÀ HOÀN THIỆN QUY TRÌNH LẤY MẪU VẬN TỐC ÂM KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ CHO CÁC THIẾT BỊ THỦY ÂM VÀ THỰC NGHIỆM CSDL 101 4.1. Cơ sở dữ liệu vận tốc âm, đánh giá chất lượng số liệu 101 4.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ 108 4.2.1. Dữ liệu nguồn 108 4.2.2. Các đặc trưng kỹ thuật và chuẩn hóa cơ sở dữ liệu 109 4.2.3. Khai thác cơ sở dữ liệu vận tốc âm 113 4.2.2. So sánh vận tốc âm trên cơ sở dữ liệu và vận tốc âm thực tế 115 4.3. Đánh giá kết quả và đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm 121 4.3.1. Quy trình lấy mẫu vận tốc âm theo văn bản pháp quy 121 4.3.2. Đề xuất hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm 125 4.4 Kết luận chương 4 129 KẾT LUẬN 130 KIẾN NGHỊ 132 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ 133 PHỤ LỤC 1 Bình độ cơ sở dữ liệu vận tốc âm trung bình các tháng tại khu vực Vịnh Bắc Bộ 138 PHỤ LỤC 2 Một phần số liệu cơ sở dữ liệu vận tốc âm sử dụng trong luận án 150 PHỤ LỤC 3 Một phần số liệu vận tốc âm thực tế đo được 153
8. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Hệ số của công thức Del Grosso 29 Bảng 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ mặn, độ sâu tới xác định giá trị vận tốc âm 32 Bảng 2.3 Hệ số sử dụng trong công thức (2.21) 33 Bảng 2.4 Mẫu số liệu vận tốc âm xác định bằng thiết bị SVP 15 38 Bảng 2.5 Nhiệt độ bề mặt trung bình 12 tháng của năm 2006 và 2010 tại Bãi Cháy, Quảng Ninh 40 -5 Bảng 3.1 Sai số xác định độ sâu mD với mt=10 s 46 -4 Bảng 3.2. Sai số xác định độ sâu mD với mt=10 s 46 -3 Bảng 3.3 Sai số xác định độ sâu mD với mt=10 s 47 Bảng 3.4. Các chuẩn cho khảo sát thủy đạc (Theo S-44 của IHO) 59 Bảng 3.5. Các chuẩn cho thủy đạc của Cơ quan Thủy đạc Canada - CHS 62 Bảng 3.6. Độ chính xác đo sâu bằng hệ thống đo sâu hồi âm đơn tia SBES (Cơ quan Thủy đạc New Zealand) 64 Bảng 3.7. Khoảng cách giữa các tuyến đo đơn tia (Cơ quan Thủy đạc New Zealand) 64 Bảng 3.8. Tiêu chuẩn của Hiệp hội nhà thầu Hàng hải quốc tế (IMCA) 65 Bảng 3.9. Sai số độ sâu cho phép trong đo sâu phục vụ thành lập bản đồ địa hình đáy biển 67 Bảng 3.10 Sai số trung phương đo sâu của điểm ghi chú độ sâu so với độ cao của điểm chuẩn độ cao (bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000) 67 Bảng 3.11 Sai số trung phương độ sâu đường đẳng sâu so với độ cao của điểm chuẩn độ cao (bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1: 10.000) 67 Bảng 3.12. Số liệu đo nhiệt độ tại vị trí A 73 Bảng 3.13. Số liệu đo độ mặn tại vị trí A 74 Bảng 3.14. Số liệu đo nhiệt độ tại vị trí B 74 Bảng 3.15. Số liệu đo độ mặn tại vị trí B 75
9. vii Bảng 3. 16 Số liệu đo nhiệt độ tại vị trí C 76 Bảng 3.17. Số liệu đo độ mặn tại vị trí C 76 Bảng 3.18. Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 12 tháng tại vị trí A 77 Bảng 3.19 Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 12 tháng tại vị trí B 79 Bảng 3.20. Xác định vận tốc âm V (m/s) theo 4 mùa tại vị trí C 81 Bảng 4.1 So sánh số liệu WOD và số liệu GDEMV 3.0 phục vụ việc chuẩn hóa dữ liêu xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm 105 Bảng 4. 2 các thành phần dữ liệu tương ứng vào các thực thể 111 Bảng 4. 3 khóa chính cho các giá trị 112 Bảng 4.4 Chênh lệch giữa vận tốc âm thực và vận tốc âm trên cơ sở dữ liệu. 116 Bảng 4.5 Chênh lệch giữa độ sâu sử dụng vận tốc âm thực tế và cơ sở dữ liệu 117 Bảng 4. 6 So sánh và đánh giá độ tin cậy của số liệu vận tốc âm trên CSLD và số liệu vận tốc âm thực tế đối với tỷ lệ bản đồ 1:10.000. 118 Bảng 4.7. Độ chính xác tối thiểu của các thiết bị đo vẽ địa hình đáy biển 122
10. viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mặt cắt theo độ sâu tại các lưu vực của nhiệt độ, độ mặn, mật độ và oxy hòa tan tại biển Baltic, biển Địa Trung Hải, biển Đen [26]. 10 Hình 1.2. Phân bố sự bốc hơi và lượng mưa từ vĩ độ 40o N đến 50o S trên biển, [26]. 11 Hình 2.1. Độ rộng băng tần của bộ phát biến 23 Hình 2.2. Độ phân giải của chiều dài xung 24 Hình 2.3. Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh 25 Hình 2.4. Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ và tần số 26 Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý của máy đo vận tốc âm trực tiếp 37 Hình 2.6 Số liệu vận tốc âm đo được bằng thiết bị xác định vận tốc âm SVP 15 38 Hình 2.7 Thông số thiết bị xác định vận tốc âm svp - 15 39 Hình 2.8. Biểu đồ thay đổi vận tốc âm theo nhiệt độ và độ mặn tại z=0m [18] 40 Hình 2.9 Biểu đồ biến đổi nhiệt độ trung bình năm 2006 và 2010 tại Bãi Cháy 41 Hình 2.10. Sự biến đổi vận tốc âm theo độ sâu. 41 Hình 2.11. Mặt cắt nhiệt độ và độ mặn theo độ sâu của nước 42 Hình 3.1. Nguyên lý đo sâu hồi âm đơn tia 44 Hình 3.2. Ví dụ về hệ thống đo đa tia và ảnh hưởng của vận tốc âm tới tia đo [38] 48 Hình 3.3. Hiện tượng khúc xạ của âm thanh khi qua các lớp nước khác nhau 48 Hình 3.4. Sự thay đổi hướng tia khi vận tốc âm không biến đổi theo các lớp nước 49 Hình 3.5. Sự thay đổi hướng tia khi vận tốc âm biến đổi theo các lớp nước . 49 Hình 3.6. Thay đổi góc mở của hệ thống đa tia 50
11. ix Hình 3.7. Hình trên là dữ liệu đo sâu đa tia khi không hiệu chỉnh, hình dưới là dữ liệu đo sâu đã hiệu chỉnh vận tốc âm 50 Hình 3.8. Đo góc tác động cơ học 51 Hình 3.9. Mối quan hệ hình học của nguồn âm và bộ phát biến 52 Hình 3.10. Sơ đồ quy trình khảo sát đo sâu đơn tia [14]. 54 Hình 3.11. Ảnh hưởng của vận tốc âm bề mặt và qua các lớp nước có vận tốc âm khác nhau [28] 56 Hình 3.12. Quy trình khảo sát quét SSS [6] 57 Hình 3.13. Ảnh hưởng của vận tốc âm tới các tia ngoài của quét bề mặt. 57 Hình 3.14 Sơ đồ quy trình định vị thủy âm 58 Hình 3.15. Sơ đồ kết nối thiết bị trong định vị thủy âm 58 Hình 3. 16 Sơ đồ các dòng hải lưu tháng 2 và tháng 8 hàng năm 72 Hình 3.17. Vị trí các điểm quan trắc trên Vịnh Bắc bộ 73 Hình 3.18 Biểu đồ vận tốc âm trung bình tại vị trí A theo tháng 78 Hình 3.19. Mặt cắt vận tốc âm tháng 2 và tháng 8 (vị trí A) 79 Hình 3.20. Biểu đồ vận tốc âm trung bình theo tháng tại vị trí B 80 Hình 3.21. Mặt cắt vận tốc âm tháng 2 và tháng 8 (vị trí B) 81 Hình 3.22. Biểu đồ vận tốc âm trung bình theo tháng tại vị trí C 82 Hình 3.23.Mặt cắt vận tốc âm tháng 3 và tháng 10 (vị trí C.) 83 Hình 3.24. Sơ đồ vị trí điểm quan trắc độ mặn tham khảo tại khu vực Biển Đông 84 Hình 3.25. Sơ đồ vị trí điểm quan trắc nhiệt độ tham khảo tại khu vực Biển Đông 85 Hình 3.26. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 17o45’ 86 Hình 3.27. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 18 86 Hình 3.28. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 18o15 87 Hình 3.29. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 18o30 87
12. x Hình 3.30. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 18o45 88 Hình 3.31. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 19 88 Hình 3.32. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 19o15 89 Hình 3.33 Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 19o30 89 Hình 3.34. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 19o45 89 Hình 3.35. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 20 90 Hình 3.36. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 20o15 90 Hình 3.37. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 20o30 90 Hình 3.38. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 20o45 91 Hình 3.39. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 21 91 Hình 3.40. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 21o15 91 Hình 3.41. Mặt cắt vận tốc âm theo vỹ tuyến 21o30 92 Hình 3.42. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 105o45 92 Hình 3.43. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 106 93 Hình 3.44. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 106o15 93 Hình 3.45. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 106o30 94 Hình 3.46. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 106o45 94 Hình 3.47. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 107 95 Hình 3.48. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 107o15 95 Hình 3.49. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 107o30 96 Hình 3.50. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 107o45 96 Hình 3.51. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 108 97 Hình 3.52. Mặt cắt vận tốc âm theo kinh tuyến 108o15 97 Hình 3.53. Sự thay đổi vận tốc âm theo độ sâu và theo thời gian 100 Hình 4.1. Sơ đồ vị trí trạm quan trắc độ mặn và nhiệt độ cung cấp bởi WOD 102
13. xi Hình 4.2. Trang chủ của trang Cơ sở dữ liệu về hải dương vùng Viễn Đông Nga 102 Hình 4.3. Sơ đồ các trạm đo độ mặn của cơ sở dữ liệu về hải dương vùng . 103 Hình 4.4. Sơ đồ các trạm đo nhiệt độ của cơ sở dữ liệu về hải dương vùng 104 Hình 4.5. Lựa chọn tham khảo các giá trị độ mặn, nhiệt độ của cơ sở dữ liệu về hải dương học vùng Viễn Đông Nga 104 Hình 4.6. Ví dụ về tham khảo giá trị nhiệt độ tại độ sâu = 0 của cơ sở dữ liệu về hải dương học vùng Viễn Đông Nga tại khu vực Biển Đông tại Việt Nam 105 Hình 4.7. Chương trình khai thác dữ liệu vận tốc âm 109 Hình 4. 8 mối quan hệ giữa các thành phần trong dữ liệu. 112 Hình 4. 9 Lựa chọn vị trí trích xuất vận tốc âm 113 Hình 4. 10 Giao diện cài đặt thông số trích xuất giá trị vận tốc âm 115 Hình 4. 12 Quy trình lấy mẫu vận tốc âm trong công tác khảo sát thủy âm 126 Hình 4. 13 Quy trình lấy mẫu trực tiếp tại khu vực khảo sát 127
14. xii GIẢI THÍCH TỪ VÀ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt International Hydrographic 1 IHO Organization Tổ chức thủy đạc quốc tế National Oceanic and Cơ quan quản lý đại dương và 2 NOAA Atmospheric Administration khí quyển quốc gia Hoa Kỳ. Mapping European Seabed Bản đồ đáy biển vi sinh vật 3 MESH Habitats châu Âu 4 EEZ Exclusive economic zone Vùng đặc quyền kinh tế 5 UXO Unexploded ordnance Vật chưa nổ Global Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường 6 GNSS System toàn cầu Differential Global 7 DGNSS Navigation Satellite System Định vị GNSS vi phân Conductivity, Temperature 8 CTD and Depth Điện dẫn, nhiệt độ, độ sâu 9 SVP Sound Velocity Profiler Mặt cắt vận tốc âm 10 2D 2 (Two)-Dimensional 2 chiều 11 3D 3 (Three)-Dimensional 3 chiều Bộ Tài Nguyên và Môi 12 BTNMT Trường. 13 XTF Extended Triton Format Định dạng file XTF Đồng bộ tín hiệu một xung 14 1PPS One Pulse Per Second trên một giây 15 1 PPT One Part Per Thousand Đơn vị một phần nghìn Geographic Information 16 GIS System Hệ thống thông tin địa lý 17 SIS Seafloor Information System Hệ thống thông tin đáy biển
15. xiii 18 CSV Comma-Separated Values Định dạng tệp dùng dấu phẩy 19 RMSE Root Mean Squares Error Sai số trung phương 20 THU Total Horizontal Uncertainty Tổng mức tin cậy mặt phẳng 21 TVU Total Vertical Uncertainty Tổng mức tin cậy độ cao The International Marine Hiệp hội nhà thầu Hàng hải 22 IMCA Contractors Association quốc tế Generalized Digital Mô hình số môi trường tổng 23 GDEMV 3.0 Environmental Model quát phiên bản 3.0 Cơ sở dữ liệu hải dương quốc 24 WOD Worl Ocean Database tế 25 CSDL Cơ sở dữ liệu
16. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là một quốc gia có thủy hệ phong phú với đường bờ biển trải dài từ Móng Cái đến Hà Tiên, tổng chiều dài bờ biển khoảng 3,260 km nằm về phía tây Biển Đông [33]. Dọc bờ biển cứ khoảng 23 km có một cửa sông, có thủy hệ phong phú nên công tác thành lập bản đồ chuyên đề, bản đồ địa hình đáy biển và thi công công trình ngầm dưới nước bằng thiết bị thủy âm được khai thác và sử dụng phổ biến với độ chính xác cao, đảm bảo tiến độ và chất lượng kỹ thuật. Trong thi công bằng các thiết bị thủy âm có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả đo, do đó cần phải tính hiệu chỉnh nhằm hạn chế ảnh hưởng của các sai số này. Các nguồn sai số như đã nêu ở trên bao gồm ảnh hưởng của thiết bị định vị GNSS, thiết bị cải chính chuyển động, công tác lắp đặt các thiết bị đo đạc, xác định vận tốc âm trong môi trường nước v.v Xác định chính xác vận tốc âm lan truyền trong môi trường nước tại khu đo và tại thời điểm đo là rất quan trọng, cần xác định được vận tốc âm tại khu đo để đảm bảo độ chính xác kết quả đo và khi đó sai số xác định vận tốc âm ảnh hưởng tới kết quả đo sâu tăng dần khi độ sâu tăng. Để làm được điều này ta cần nghiên cứu và phân tích đặc tính biến đổi vận tốc âm tại từng khu vực đặc trưng, từ đấy đưa ra đề xuất và kiến nghị phương pháp xác định vận tốc âm hợp lý với từng khu vực. Nghiên cứu về sóng âm và vận tốc âm trong môi trường nước lần đầu tiên được Isaac Newton đưa ra trong “Book II, Prop. XLV of Principia (1687)” sau đó lần lượt được phát triển, đi sâu nghiên cứu bởi các nhà khoa học khác. Đến thời điểm hiện tại các vấn đề về sóng âm, vận tốc âm trong môi trường nước ở nước ngoài đã được nghiên cứu và phân tích khá toàn diện. Ở Việt Nam cũng có nhiều nghiên cứu về vật lý biển, địa chất biển, địa vật lý thềm lục địa nhưng nghiên cứu sóng âm và vận tốc âm trong môi trường nước biển để khai thác hiệu quả thiết bị thủy âm vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Vấn đề vận tốc âm trong môi trường nước biển chỉ được nghiên cứu thông
17. 2 qua việc quan trắc các tham số đại diện như nhiệt độ, độ sâu (áp suất), độ mặn. Các nghiên cứu đã có là nghiên cứu chung trên vùng rộng, chưa phản ánh được sự biến đổi chi tiết của vận tốc âm. Với mục đích đi sâu vào việc nghiên cứu vận tốc âm trong môi trường nước biển tác giả muốn nghiên cứu phân tích quy luật, sự ảnh hưởng của vận tốc âm tại các vùng biển đặc trưng của Việt Nam, cụ thể là khu vực Vịnh Bắc Bộ. Phân tích đánh giá ảnh hưởng của vận tốc âm theo độ sâu, khu vực, theo thời gian để đưa ra được sự biến đổi của vận tốc âm theo từng yếu tố ảnh hưởng. Từ các số liệu thực nghiệm, các kết quả phân tích, tác giả đã tiến hành nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm, đưa ra quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển tại khu vực Vịnh Bắc Bộ. Khi thi công sử dụng CSDL vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ với mục đích giảm số lần lấy mẫu trực tiếp ngoài thực địa vẫn đảm bảo yêu cầu độ chính xác khi thi công, khảo sát đối với các tỷ lệ bản đồ bằng thiết bị thủy âm trong công tác đo đạc thủy âm tại khu vực. Chính vì những lý do trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận phân tích, xác định đặc điểm, quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam để hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm phục vụ khai thác hiệu quả thiết bị thủy âm. 3. Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài a. Đối tượng nghiên cứu của đề tài: Các cơ sở dữ liệu về nhiệt độ, độ mặn độ sâu, vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ theo các trường thời gian, không gian. b. Phạm vi nghiên cứu: Sự biến đổi các yếu tố nhiệt độ, độ mặn, độ sâu của khu vực Vịnh Bắc Bộ
18. 3 nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố này tới vận tốc âm. Ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc âm tới các thiết bị thủy âm thông dụng. 4. Nội dung nghiên cứu của luận án Thu thập số liệu về nhiệt độ, độ mặn, vận tốc âm, mặt cắt âm đã có ở khu vực nghiên cứu là vùng biển Vịnh Bắc Bộ. Phân tích các nguồn dữ liệu thu được, đề xuất bổ sung ở một số vùng còn khuyết số liệu vận tốc âm. Nghiên cứu phân tích đặc tính vận tốc âm phân bố theo vùng, theo độ sâu và thay đổi theo thời gian tại vùng biển Vịnh Bắc Bộ. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định vận tốc âm trung bình theo độ sâu, vận tốc âm đại diện theo vùng và đánh giá ảnh hưởng của sai số xác định vận tốc âm đến kết quả đo bằng thiết bị thủy âm. Trên cơ sở những quy định hiện hành, sự biến đổi vận tốc âm từ đó đề xuất quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm tại khu vực nghiên cứu. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích số liệu: Phân tích số liệu vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ theo thời gian, theo độ sâu. Phân tích đánh giá sự thay đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ nhằm xác định được các quy luật biến đổi của vận tốc âm trong khu vực và đưa ra quy trình xác định vận tốc âm theo các yêu cầu khảo sát cụ thể. Phương pháp cơ sở dữ liệu: Xây dựng được cơ sở dữ liệu vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ dựa trên sự thay đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ, trích xuất giá trị vận tốc âm tại các thời điểm trên cơ sở dữ liệu và đánh giá với số liệu đo đạc thực tế đưa ra các đề xuất cho công tác xác định vận tốc âm phục vụ khảo sát. Phương pháp thực nghiệm: Tính toán số liệu thực nghiệm của cơ sở dữ liệu vận tốc âm và tính toán hiệu chỉnh vận tốc âm vào dữ liệu đo sâu đưa ra kết quả độ sâu theo cơ sở dữ liệu, độ sâu theo vận tốc âm thực tế. Đưa ra các nhận xét về các kết quả. Phương pháp so sánh: Sau khi xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm, số liệu đã được tính toán, so sánh với kết quả độ sâu sử dụng vận tốc âm theo cơ sở dữ liệu và
19. 4 vận tốc âm đo thực tế. Đánh giá sự thay đổi của việc sử dụng cơ sở dữ liệu và số liệu thực tế. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a. Ý nghĩa khoa học: Dựa trên cơ sở lý thuyết, các quy luật phân bố vận tốc âm theo không gian và thời gian trong môi trường nước để đánh giá mức độ ảnh hưởng của thay đổi vận tốc âm đến độ chính xác đo đạc bằng thiết bị thủy âm, xác lập được mối quan hệ giữa điều kiện tự nhiện và quy luật biến đổi vận tốc âm từ đó đề xuất phương pháp xác định vận tốc âm phù hợp bảo đảm khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm. Đưa ra các kiến nghị, phương pháp xác định vận tốc âm, xác định vận tốc âm trung bình trong môi trường nước biển tại điều kiện khảo sát tương ứng. Xây dựng được cơ sở dữ liệu về vận tốc âm theo các dữ liệu đã có. Xây dựng cơ sở dữ liệu phân bố vận tốc âm trong môi trường nước biển tại khu vực Vịnh Bắc Bộ, xây dựng chương trình khai thác cơ sở dữ liệu vận tốc âm, tính toán các các giá trị vận tốc âm tại các vị trí yêu cầu dựa trên cơ sở dữ liệu đã được xây dựng. b. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu đưa ra phương pháp hạn chế các ảnh hưởng của vận tốc âm trong môi trường nước biển đến kết quả đo. Đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm phù hợp từng khu vực khảo sát, từng tỷ lệ bản đồ khảo sát. Khai thác, sử dụng cơ sở dữ liệu vận tốc âm cho các trường hợp khảo sát, tỷ lệ bản đồ cụ thể tại khu vực Vịnh Bắc Bộ. 7. Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Vịnh Bắc Bộ là vùng nước có độ sâu nhỏ, có nhiều cửa sông do đó sự biến đổi nhiệt độ và độ mặn là các nhân tố ảnh hưởng đến quy luật biến đổi vận tốc âm theo không gian và thời gian. Đặc điểm đó đã ảnh hưởng tới sự biến thiên vận tốc âm trong môi trường nước theo thời gian các tháng trong một năm lên tới 27.2 m/s.
20. 5 Luận điểm 2: Quy trình lẫy mẫu vận tốc âm được đề xuất trong luận án căn cứ trên kết quả phân tích sự thay đổi nhiệt độ, độ mặn Vịnh Bắc Bộ, các đánh giá quy trình lấy mẫu vận tốc âm hiện hành, phân tích ưu điểm nhược điểm của quy trình. Từ quy luật biến đổi vận tốc âm, các nhược điểm của quy trình lấy mẫu vận tốc âm hiện nay đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm mới phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm. Luận điểm 3: Quy trình lấy mẫu vận tốc âm đề xuất, cùng cơ sở dữ liệu vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ đã xây dựng đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác khi ứng dụng các thiết bị thủy âm trong thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn trong khu vực Vịnh Bắc Bộ. 8. Điểm mới của luận án - Vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ có quy luật biến đổi phức tạp. Luận án đã đưa ra phân tích, đánh giá trực quan sự biến đổi vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ theo vị trí, không gian và thời gian nhằm mục đích khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm. - Sử dụng cơ sở dữ liệu hải dương toàn cầu (WOD) và cơ sở dữ liệu hải dương của đơn vị Hải dương vùng Viễn đông của Nga để xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm cho khu vực Vịnh Bắc Bộ. Độ chính xác của cơ sở dữ liệu này được đánh giá dựa trên các kết quả đo thực tế. - Cơ sở dữ liệu vận tốc âm được xây dựng là kết quả mới ứng dụng trong khảo sát đo đạc thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn trong khu vực Vịnh Bắc Bộ. 9. Cấu trúc của luận án Cấu trúc luận án bao gồm các phần như sau: Gồm 3 phần chính: (1) Phần mở đầu: Giới thiệu về tính cấp thiết của luận án, mục đích nghiên cứu của luận án, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, những luận điểm bảo vệ và những điểm mới của luận án. (2) Phần nội dung gồm 4 chương:
21. 6 Chương 1. Tổng quan về vận tốc âm và ứng dụng thiết bị thủy âm trong môi trường nước biển Chương 2. Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm, phương pháp xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển. Chương 3. Ảnh hưởng của vận tốc âm đến độ chính xác của các thiết bị đo thủy âm, quy luật biến đổi vận tốc âm tại Vịnh Bắc Bộ Chương 4. Xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ cho các thiết bị thủy âm và thực nghiệm CSDL. (3) Phần kết luận và kiến nghị. 10. Cơ sở tài liệu - Tài liệu của luận án sử dụng các tài liệu chuyên ngành tại Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam. Bên cạnh đó nghiên cứu sinh cũng sử dụng nguồn tài liệu tại Thư viện Quốc gia Việt Nam và Thư viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia. Các số liệu điều tra khảo sát sử dụng số liệu trong nhiều năm tại Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển. - Tài liệu tham khảo trên Internet. 11. Lời cảm ơn Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Nam Chinh, các thầy cô giáo trong Bộ môn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tận tình giúp đỡ, góp ý và tạo những điều kiện tốt nhất để nghiên cứu sinh có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình. Trân trọng cảm ơn ban Lãnh đạo Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển - Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam - Bộ Tài nguyên và Môi trường, các đồng nghiệp, các nhà khoa học đã quan tâm, đóng góp ý kiến để nghiên cứu sinh hoàn thiện tốt hơn bản luận án của mình. Đặc biệt gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình đã dành những điều kiện tốt nhất về tinh thần và vật chất để tôi có thể hoàn thành tốt nhất khóa học của mình.
22. 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬN TỐC ÂM VÀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ THỦY ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 1.1. Các công trình nghiên cứu trên thế giới về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển. 1.1.1. Lịch sử phát triển ứng dụng công nghệ thủy âm Ngay từ những năm trước Công nguyên, nhà triết học Hy Lạp Aristotle (384- 322), đã có nhận định rằng, âm thanh lan truyền trong môi trường nước tốt hơn lan truyền trong không khí. Sau đó cũng có một số nghiên cứu về sự lan truyền âm thanh trong môi trường nước như các nghiên cứu của Leonardo Da Vici (1452- 1519) và Francis Bacon (1561-1626). Cho đến thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX, có một số nhà khoa học như J.A. Nollet (1700-1770), Alexander Monro (1733-1817) mới thực sự nghiên cứu, tiến hành thử nghiêm xác định vận tốc âm trong môi trường nước để ứng dụng vào một số mục đích khác nhau. Trong các nghiên cứu này, người ta đã sử dụng nguồn âm là tiếng chuông (bell) phát dưới nước. Năm 1826, nhà vật lý người Thụy sĩ J.D. Calladon (1802-1893) và nhà toán học người Pháp là J.K.F. Sturm (1803-1855) đã triển khai thực nghiệm xác định vận tốc âm tại hồ Geneva (Thụy Sĩ) ở nhiệt độ nước là 8oC. Giá trị vận tốc âm xác định được lúc bấy giờ là 1435m/s, chỉ sai khác với giá trị vận tốc âm xác định hiện nay cỡ 3m/s. Trong khoảng những năm 1830-1860 đã có một số nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng sóng âm trong môi trường nước với mục tiêu là để xác định độ sâu lớp nước và xác định khoảng cách giữa các con tàu trên biển, hình thành kỹ thuật thủy âm. Thời gian tiếp theo, các nhà khoa học cũng quan tâm nghiên cứu để hoàn thiện dần các thiết bị kỹ thuật thủy âm như chế tạo các nguồn sóng âm và chế tạo các ống thu âm. Sự kiện chìm tàu Titanic do con tàu cỡ lớn này va vào tảng băng trôi khổng lồ trên Đại Tây Dương vào tháng 4 năm 1912 đã hối thúc các nhà khoa học tích cực triển khai nghiên cứu phương pháp dò thủy âm (Hydroaucoustic Sonar) sử dụng sóng âm. Nhờ các cố gắng của các nhà khoa học, đến năm 1914, bằng thiết bị dò thủy âm người ta đã có thể phát hiện được các tảng băng trôi ở khoảng cách 3,2 km
23. 8 [2]. Trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất (1914-1918), nước Đức đã bắt đầu chế tạo tàu ngầm, từ đó các ứng dụng kỹ thuật thủy âm trong lĩnh vực quân sự bắt đầu phát triển. Trong thời gian này các nhà kỹ thuật ở Pháp, Anh, Hoa Kỳ cũng phát triển ứng dụng kỹ thuật thủy âm trong quân sự và đã đạt được những thành tựu quan trọng, trong đó phải kể đến Paul Langevin (Pháp), Robert W. Boyle (Anh) và Harvey Hayes (Hoa Kỳ). Năm 1919, H. Lichte (Đức) đã khái quát được mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, độ muối và áp suất tĩnh đến vận tốc lan truyền sóng âm trong nước. Dựa trên những nghiên cứu và kỹ thuật đạt được trước đó, trong khoảng thời gian sau Chiến tranh Thế giới thứ I đến Chiến tranh Thế giới thứ II, người ta vẫn tiếp tục phát triển ứng dụng kỹ thuật thủy âm trong chế tạo thiết bị thủy âm phục vụ quân sự và dân sự. Những năm tiếp theo, kỹ thuật dò thủy âm đã phát triển khá mạnh nhờ sự phát triển của các kỹ thuật khác như sự ra đời của đồng hồ thạch anh (1927), vật liệu từ giảo, đầu phát biến áp điện, đầu phát biến điện giảo vv Kỹ thuật dò thủy âm (sonar) được chia thành hai nguyên lý là kỹ thuật (sonar) chủ động và (sonar) thụ động. Trong kỹ thuật chủ động, người ta tạo tín hiệu âm phát đi và thu tín hiệu phản hồi từ đó xác định được khoảng cách và phương hướng tới đối tượng phản xạ, còn trong kỹ thuật thụ động người ta chỉ thu tín hiệu tới từ nguồn phát nào đó. Trong những năm 1970 hệ thống đo sâu đơn tia chính xác (singlebeam echosounder) và hệ thống dò thuỷ âm quét sườn (Side-Scan Sonar) được chế tạo. Những năm 1980 người ta đã chế tạo ra máy đo sâu hồi âm 2 tần số. Năm 1984 người ta đã chế tạo được máy đo sâu hồi âm đa tia (multibeam echosounder). Năm 1995 người ta đã sản xuất ra hệ thống đo sâu chùm tia cho vùng nước nông. Từ năm 2000 trở lại đây, xu hướng tích hợp công nghệ cảm biến (sensor) với các thiết bị đo đạc khác được phát triển mạnh mẽ. Hiện nay, nhờ ứng dụng thành tựu của tin học và kỹ thuật số, các thiết bị thủy âm không ngừng hoàn thiện về độ chính xác, về kích thước và tính tiện dụng trong thực tế.
24. 9 Sự phát triển của đo đạc địa hình dưới nước có liên quan chặt chẽ với việc hoàn thiện không ngừng của phương pháp đo sâu. Trước khi máy đo sâu hồi âm ra đời, việc đo vẽ địa hình dưới nước chỉ dựa vào quả dọi, chì đo sâu, thước đo sâu. Phương pháp đo sâu thủ công này không những độ chính xác rất thấp, tốn công sức và thời gian mà còn cho hiệu suất không cao vì chỉ có thể đo sâu từng điểm khi tàu đứng yên. Mặt khác, độ sâu đo được lại bị hạn chế nên không thể tiến hành đo vẽ địa hình dưới nước và nghiên cứu sự phát triển của hải dương. Công tác thủy đạc hiện đại sử dụng nhiều loại thiết bị và phần mềm kết nối với nhau. Các thiết bị này có thể được lắp đặt trên nhiều loại tàu, thuyền và các phương tiện không người lái dưới mặt nước UUVs (Unmanned Underwater Vehicles) như AUVs (Autonomous underwater vehicles - robot ngầm tự hành) hay ROVs (Remotely operated underwater vehicles - robot ngầm điều khiển từ xa) hoặc trên các tàu lớn và có thể bao gồm các máy quét sườn, máy đo sâu sóng âm đơn tia hay đa tia. Thêm vào đó, các hệ thống đo sâu sử dụng sóng âm giao thoa (Interferometric sonar systems) có khả năng thu được các dải quét rộng ở các vùng nước nông. Các tiến bộ của công nghệ dò bằng sóng âm (sonar - Sound Navigation and Ranging) độ mở tổng hợp (synthetic aperture) sẽ cho phép thu nhận được nhiều thông tin hơn về môi trường biển và được lập bản đồ. Công nghệ này có khả năng tạo ra các bộ dữ liệu có độ phân giải cao hơn, mở ra các ứng dụng mới của dữ liệu sonar như giám sát chuyển động của các luồng cá và các quần thể sinh vật [2]. Hiện nay công tác thủy đạc (đặc biệt tại các vùng nước nông - dưới 50m và trong) ngày càng được thực hiện nhiều bằng công nghệ đo sâu bằng sóng laser từ máy bay (Airborne Lidar Bathymetry - ALB). Ưu điểm nổi bật của công nghệ LIDAR là cho phép đo nhanh và với độ chính xác cao nhờ sử dụng các kỹ thuật laser hiện đại. Sự khác biệt rõ rệt nhất là công nghệ đo sâu bằng sóng âm là tối ưu ở các vùng nước sâu trong khi công nghệ ALB tỏ ra có hiệu quả và an toàn hơn tại các vùng nước với độ sâu không vượt quá 50 m với điều kiện là nước phải tương đối trong. Một ưu điểm nữa của công nghệ ALB là ngoài độ sâu còn đo được cả độ cao của vùng đất ven bờ biển, cho phép thu được khối dữ liệu liên tục độ cao (trên
25. 10 đất liền) - độ sâu (dưới biển). 1.1.2. Các nghiên cứu ngoài nước về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm Năm 1950 đã công bố tài liệu Địa chất biển của Giáo sư địa chất Ph. Kuenen trường đại học Groningen Hà Lan [26]. Trong tài liệu này đã đề cập tới các đặc tính của nước biển như độ mặn, nhiệt độ, mật độ vật chất trong nước. Đã có các nghiên cứu về sự phân bố của các đặc tính trên tại các vùng như biển Baltic, biển Địa Trung Hải, biển Đen, Hình 1.1 biểu thị các giá trị nhiệt độ độ mặn theo độ sâu tại khu vực biển nói trên. Hình 1.1 Mặt cắt theo độ sâu tại các lưu vực của nhiệt độ, độ mặn, mật độ và oxy hòa tan tại biển Baltic, biển Địa Trung Hải, biển Đen [26]. Ph. Kuenen đã đưa ra mối quan hệ giữa lượng mưa, lượng nước bay hơi, độ mặn của nước biển tại vĩ độ 40o N và 50oS, mối tương quan giữa lượng mưa, lượng nước bay hơi, độ mặn được thể hiện trên Hình 1.2. Tại thời điểm này, các nghiên cứu ban đầu đã đánh giá sự biến đổi vận tốc âm dựa trên các biến đổi theo thời gian, theo vị trí và theo sự biến đổi của thời tiết nhưng chưa có điều kiện đi sâu nghiên cứu về vận tốc âm với các thiết bị thủy âm.
26. 11 Hình 1.2. Phân bố sự bốc hơi và lượng mưa từ vĩ độ 40o N đến 50o S trên biển, [26]. Trong tài liệu [23] đã đánh giá sự khác biệt giữa nước ngọt và nước biển, mật độ của nước biển, độ dẫn nhiệt, sự gây nhiễu, màu sắc và độ trong suốt của nước biển. Trong đó cũng đánh giá sự thay đổi của nhiệt độ theo thời gian, theo sự tiếp xúc với Mặt trời, theo sự thay đổi giữa ban ngày và ban đêm. Cũng trong tài liệu [23] đã đưa ra được cách tính vận tốc âm theo phương ngang. Các lý thuyết, các đặc trưng của chuyển động trong môi trường nước biển đã được đưa ra sơ bộ trong tài liệu này. Đã có các nghiên cứu chuyên sâu, phạm vi nghiên cứu rộng do một phần là chỉ chuyên sâu về vật lý biển và thiết bị công nghệ thời này chưa phát triển nên chỉ nghiên cứu tổng thể, không đi sâu về vận tốc âm. Năm 1960, Wayne D Wilson đã đưa công thức thực nghiệm tính vận tốc âm, đến năm 1990 ông công bố bài báo “Equation for the speed of sound in Sea Water” [31], xây dựng công thức thực nghiệm tính vận tốc âm và được trình bày chi tiết trong tài liệu [31]. Tuy nhiên, công thức này chỉ được sử dụng tại khu vực nước sâu và có độ mặn trung bình không phù hợp với khu vực Việt Nam. Đây là công thức thực nghiệm đầu tiên để tính toán giá trị vận tốc âm, làm cơ sở tính toán cho các thiết bị xác định vận tốc âm sau này. Vào năm 1974, VA Del Grosso đưa ra trong “New equation for the speed of sound in natural waters (with comparisons to other equations)” [21] công thức xác định giá trị vận tốc âm và xem hàm của vận tốc âm là hàm của độ mặn, áp suất,
27. 12 nhiệt độ. Trong công thức đó, các hệ số đặc trưng được sử dụng để tính toán thực nghiệm các giá trị vận tốc âm theo từng khoảng nhiệt độ, độ mặn, áp suất. Tác giả đã tính ra hệ số với từng khoảng chia khác nhau, tính giá trị vận tốc âm trong môi trường nước ngọt, môi trường nước biển với kết quả thể hiện trong tài liệu [21]. Công thức của tác giả sử dụng tại vùng nước có biến thiên độ sâu lớn từ 0 đến 11000 m không phù hợp với điều kiện ở Việt Nam. Năm 1975, Medwin đã đưa ra công thức tính gần đúng giá trị vận tốc âm trong “Fundamentals of Acoustical Oceanography” [22] và công thức này áp dụng cho độ sâu đến 1000m. Với điều kiện như ở Việt Nam phần lớn độ sâu nhỏ hơn 1000 m nên việc sử dụng công thức của Medwin trong công tác kiểm nghiệm thiết bị xác định vận tốc âm là hợp lý. Công thức Medwin đang được áp dụng trong tài liệu [16]. Năm 1977, Chen và Millero đã đưa ra công thức tính giá trị vận tốc âm trong bài báo “Speed of sound in seawater at high pressures” [29] công thức được trình bày chi tiết trong tài liệu [29]. Công thức Chen và Millero thường được áp dụng cho các vùng biển có độ sâu lớn (áp suất lớn), được áp dụng trong một số thiết bị xác định vận tốc âm với độ sâu lớn thường là các thiết bị vận tốc âm chuyên dùng cho nghiên cứu đại dương thế giới. Năm 1981, Mackenzie đã đưa ra công thức tính vận tốc âm trong bài báo “Nine- term equation for the sound speed in the oceans” [27], công thức được sử dụng cho trường hợp nhiệt độ từ 2 đến 30oC, độ mặn từ 25 đến 40 ppt, độ sâu từ 0 đến 8000m được dùng chung cho các vùng biển có độ sâu biến đổi lớn. Cũng trong năm 1981, A.B.Coppens đưa ra một cách tính giá trị vận tốc âm khác và công thức của A.B.Coppens được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ từ 0 đến 35oC, độ mặn từ 0 đến 45 ppt, độ sâu đến 0 đến 4km, là các vùng biển có độ sâu trung bình [20]. Các công thức của các tác giả trên là các công thức thực nghiệm tính giá trị vận tốc âm tại các vùng biển khác nhau tùy thuộc từng điều kiện. Dựa vào các công thức thực nghiệm này các nhà nghiên cứu đã ứng dụng trong việc sản xuất các thiết
28. 13 bị xác định vận tốc âm. Các vấn đề vận tốc âm của từng khu vực cũng dựa trên các công thức thực nghiệm để đánh giá, sau đó so sánh với thiết bị xác định vận tốc âm. Các nghiên cứu sau này đều ứng dụng và dựa trên các công thức thực nghiệm đã nêu trong các tài liệu từ [19, 20, 21, 25, 27, 29, 32]. Trong tạp chí hiệp hội âm học Hoa Kỳ (The Journal of the Acoustical Society of America) bắt đầu từ năm 1929 đến nay đã có nhiều đóng góp trong lĩnh vực nghiên cứu về vận tốc âm trong môi trường nước biển. Các tác giả nghiên cứu nhiều khía cạnh về ảnh hưởng của vận tốc âm tới kết quả khảo sát như năng lượng âm suy giảm trong các điều kiện nước nông, sâu. Vận tốc âm thay đổi theo thời gian, theo vị trí địa lý ảnh hưởng tới kết quả khảo sát bằng thiết bị thủy âm, tuy nhiên chi tiết cho vùng biển Việt Nam chưa được nghiên cứu. Tiếp theo đó là các tài liệu sách ứng dụng âm học dưới nước (Applied Underwater Acoustics) xuất bản năm 2017 của các tác giả Thomas H. Neighbors III và David Bradley [19] đã giới thiệu về quá trình phát triển của công nghệ thủy âm, ảnh hưởng của vận tốc âm tác giả đề cập tới từ năm 1946, đã nói tới thay đổi của vận tốc âm theo mùa, theo độ sâu. Trong tài liệu đã viết về ứng dụng của công nghệ âm học trong môi trường nước như định vị thủy âm, kết nối trong môi trường nước, ảnh hưởng độ ồn tới kết quả khảo sát, ứng dụng trong việc xác định đàn cá và chưa nghiên cứu cho khu vực Việt Nam. Các nghiên cứu của nước ngoài về vận tốc âm khá chi tiết và đầy đủ về mọi mặt, cả ứng dụng trong công nghệ thủy âm. Ảnh hưởng của vận tốc âm tới kết quả khảo sát khi sử dụng thiết bị thủy âm cũng được đánh giá và cho ra kết quả với từng vùng riêng biệt. Nhưng sự biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ thì chưa có tài liệu nào nghiên cứu, có chăng chỉ nghiên cứu vùng Biển Đông tại các khu vực nước có độ sâu lớn hay nghiên cứu tổng quan cả vùng biển Việt Nam. 1.2. Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển. Vấn đề nghiên cứu biển tại Việt Nam đã được bắt đầu thực hiện từ khá lâu, theo bài viết về nghiên cứu biển [32], từ những năm 1920 đã có tàu nghiên cứu của
29. 14 Pháp bắt đầu nghiên cứu vùng biển Việt Nam. Tiếp theo đó, Việt Nam phối hợp với các nước như Việt Nam - Trung Quốc (1959 - 1962), Việt Nam - Liên Xô (1960 - 1961) rút ra nhiều kết luận có giá trị về trữ lượng cá biển khơi và những vấn đề về địa chất - địa vật lý thềm lục địa, v.v. Giai đoạn này các vấn đề nghiên cứu nhằm mục đích phát triển ngư nghiệp, chủ yếu nghiên cứu về trữ lượng cá và một phần về vật lý biển, địa chất biển. Đến những năm đầu của thập kỷ 90, Việt Nam bắt đầu nghiên cứu và triển khai công nghệ khảo sát đo đạc địa hình đáy biển. Từ năm 1988 đến năm 1995 Bộ Tư lệnh Hải quân đã thành lập bản đồ độ sâu với các tỷ lệ nhỏ như là tỷ lệ 1:1.000.000, 1:500.000, 1:200.000, 1:100.000 các khu vực ven biển. Từ năm 1999 đến nay, Bộ Tài nguyên Môi trường đã triển khai đo bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000 và 1:10.000 phục vụ quản lý nhà nước. Để đảm bảo cho công tác đo đạc, Cục Đo đạc, Bản đồ Việt Nam nay là Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam đã đưa ra các quy định, quy phạm phục vụ cho công tác đo đạc khảo sát bản đồ địa hình đáy biển. Ngoài các văn bản của quản lý nhà nước, đã có các tài liệu khác cũng đã nghiên cứu về vật lý biển như: Cuốn tài liệu Vật lý biển của tác giả NGUT. GS. TS. Đinh Văn Ưu - PGS. TS. Nguyễn Minh Huấn [4] đã đưa ra các khái niệm cơ bản của nhiệt động học trong môi trường nước biển, các phương trình cơ bản thủy nhiệt động học, các vấn đề về âm học trong môi trường nước biển. Đây là tài liệu nghiên cứu phục vụ giảng dạy đưa ra các công thức và vấn đề của vật lý biển. Chưa đề cập tới sự biến đổi của vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ Cuốn tài liệu Cơ sở âm học đại dương được PGS. TS. Phạm Văn Huấn biên dịch được xuất bản tại NXB Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2003 [3]. Trong tài liệu này vấn đề sóng âm, trường âm trong môi trường nước biển được đề cập chi tiết. Các lý thuyết và công thức được công bố chi tiết giải thích đầy đủ để người đọc có thể tham khảo và áp dụng. Đây là tài liệu giáo khoa về trường âm trong môi trường nước biển và các yếu tố ảnh hưởng của môi trường nước biển tới sóng âm lan
30. 15 truyền. Làm tài liệu tham khảo trong luận án, tài liệu đã nêu các công thức cơ bản và nghiên cứu sinh đã sử dụng đưa vào trong luận án. Năm 2006, tại Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển SEAMAP (Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam) đã có đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Ứng dụng máy đo vận tốc âm trong công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển” của tác giả Dương Quốc Lương [5]. Đề tài đã đánh giá được vai trò quan trọng của vận tốc âm trong công tác khảo sát địa hình đáy biển và đã đề xuất sử dụng thiết bị xác định vận tốc âm áp dụng trong quy trình kỹ thuật đo địa hình đáy biển các tỷ lệ. Các số liệu vận tốc âm thực tế đang được sử dụng và thực hiện lấy mẫu được thực hiện bởi Trung tâm Trắc địa và Bản đồ biển. Năm 2011, Viện khoa học và công nghệ Việt Nam đã xuất bản sách chuyên khảo về biển đảo Việt Nam với tiêu đề “Âm học biển và trường sóng âm tại khu vực Biển Đông Việt Nam” của tác giả Phạm Văn Thục [8]. Trong đó tác giả viết rất chi tiết về trường sóng âm, sóng âm trong môi trường nước biển tại khu vực Biển Đông. Đã đề cập tới một số thiết bị sử dụng công nghệ sóng âm thực hiện các công tác khảo sát phục vụ nghiên cứu. Tài liệu mang tính chất chuyên khảo và đưa ra phạm vi nghiên cứu tổng quát tại khu vực Biển Đông, có ý nghĩa nghiên cứu và tham khảo trong đề tài của nghiên cứu sinh. 1.2.1. Nghiên cứu ứng dụng thiết bị thủy âm tại Việt Nam Thiết bị thủy âm tại Việt Nam đã được rất nhiều cơ sở đào tạo, cơ sở sản xuất nghiên cứu ứng dụng. Trong đó, được sử dụng nhiều nhất là công nghệ đo sâu hồi âm đơn tia, thường được dùng trong công tác khảo sát luồng lạch cửa sông, cửa biển. Về luận văn nghiên cứu thiết bị thủy âm tại trường Đại học Mỏ - Địa chất có các đề tài nghiên cứu về thiết bị thủy âm như: Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của việc xác định vận tốc âm đến kết quả đo sâu trong quy trình đo vẽ thành lập bản đồ địa hình đáy biển ở Việt Nam, Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật, Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội bảo vệ năm 2011 do ThS Vũ Hồng Tập thực hiện [7]. Luận văn tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc
31. 16 âm tới kết quả đo sâu hồi âm đơn tia trong việc thành lập bản đổ địa hình đáy biển nhưng chưa nghiên cứu cho các thiết bị khác chưa nêu được các căn cứ đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm. Luận văn “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ dò thủy âm quét sườn trong công tác thành lập bản đồ địa hình đáy biển ở Việt Nam” do ThS Phạm Vũ Vinh Quang thực hiện năm 2013 [6]. Trong đó tác giả đã tập trung nghiên cứu ứng dụng thiết bị dò thủy âm quét sườn bổ sung cho công tác đo vẽ địa hình đáy biển tại Việt Nam. Bên cạnh đó cũng đề cập tới tham số vận tốc âm trong công tác khai thác thiết bị dò thủy âm quét sườn, không đi vào chi tiết nghiên cứu vận tốc âm. Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển đã có các nghiên cứu ứng dụng các thiết bị thủy âm như thiết bị đo sâu đơn tia, đa tia, thủy âm quét sườn, thiết bị đo từ, nổ địa chấn. Với đề tài nghiên cứu cấp cơ sở “Nghiên cứu phương pháp xác định và hiệu chỉnh độ nghiêng của đầu biến âm máy đo sâu hồi âm đơn tia trong đo đạc độ sâu đáy biển” năm 2013 do Th.S Tăng Quốc Cương chủ trì đã được nghiệm thụ [1]. Được ứng dụng cho lắp đặt thiết bị thủy âm, không liên quan nhiều tới luận án. 1.2.2. Các nghiên cứu về vận tốc âm tại Việt Nam được công bố trên các tạp chí chuyên ngành Ngoài các công trình nghiên cứu dưới dạng đề tài hay sách tham khảo thì kết quả nghiên cứu vận tốc âm cũng được đăng tải trên các tạp chí chuyên ngành hay các báo cáo khoa học chuyên ngành như tuyển tập báo cáo Hội nghị Quốc gia về Biển Đông năm 2007 [10]. Trong tài liệu [10] tác giả đã đánh giá cấu trúc và đặc điểm phân bố của vận tốc âm tại khu vực Biển Đông Việt Nam và đã phân tích vận tốc âm theo các mùa, các thời điểm khí hậu đặc trưng, độ sâu đặc trưng cho khu vực Biển Đông nhưng chưa chi tiết cho khu vực Vịnh Bắc Bộ. Trong chương trình Điều tra cơ bản và nghiên cứu ứng dụng công nghệ biển (KC.09) [11] đã phân tích các điều kiện khí hậu, tự nhiên của khu vực Vịnh Bắc Bộ. Trong đó đã phân tích về điều kiện nhiệt độ, lượng mưa, độ mặn trong khu vực Vịnh Bắc Bộ, đã trình bày kết quả đã đánh giá theo mùa và tại một số trạm cố định. Các yếu tố nhiệt độ, độ mặn là một phần trong yếu tố ảnh hưởng tới việc xác định
32. 17 vận tốc âm nhưng vẫn chưa có đánh giá chung về các tham số của vận tốc âm nếu ước tính theo công thức thực nghiệm. Trong dự án “Thăm dò, khai thác nguồn lợi hải sản phục vụ nghề cá xa bờ” đã có báo cáo “Kết quả nghiên cứu chế độ nhịêt, mặn vùng biển khơi Vịnh Bắc Bộ” năm 1999 [9]. Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu các đại lượng nhiệt độ, độ mặn của khu vực Vịnh Bắc Bộ với 17 trạm quan trắc trong thời gian 2 tháng là tháng 12/1998 và tháng 6/1999. Trong kết quả đó chưa phản ánh được sự thay đổi nhiệt độ và độ mặn trong Vịnh Bắc Bộ vì chỉ quan trắc được 02 tháng. Tài liệu dùng để tham khảo công tác xác định vận tốc âm theo công thức thực nghiệm. Các đề tài thuộc dự án “Xây dựng cơ sở dữ liệu biển Quốc gia” từ năm 2001 -2002 [39] đã công bố các tham số đặc trưng về nhiệt độ, độ mặn của vùng biển Việt Nam và đã xây dựng thành cơ sở dữ liệu VODC 3.1. Các tham số này dùng để tính toán thực nghiệm vận tốc âm tại các vị trí quan trắc và không công bố rộng rãi. 1.2.3. Các nghiên cứu về biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ Nghiên cứu riêng về vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ hiện nay chưa có nghiên cứu chi tiết, cụ thể. Về các yếu tố địa vật lý biển như nhiệt độ và độ mặn độ sâu được nghiên cứu phục vụ các mục đích khác cũng đã có nghiên cứu như tác giả Mai Thanh Tân với sách chuyên khảo Biển Đông tập I: Khái quát về Biển Đông được Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam xuất bản. Nghiên cứu sự biến đổi về vận tốc âm phục vụ công tác khảo sát thủy âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ vẫn chưa được nghiên cứu cụ thể. 1.3. Kết luận chương 1 - Từ các nghiên cứu và các tài liệu tham khảo trong nước và ngoài nước như đã trình bày ở trên nghiên cứu sinh nhận thấy nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm theo không gian và thời gian tại khu vực Vịnh Bắc Bộ chưa được nghiên cứu chi tiết. Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm tại Vịnh Bắc Bộ để phục vụ sử dụng các hiệu quả các thiết bị thủy âm nói riêng và phục vụ công tác nghiên cứu biển nói chung là cần thiết. Sự biến đổi của vận tốc âm trong môi trường biển tại khu vực Vịnh Bắc Bộ phản ánh nhiều yếu tố thay đổi của môi trường, của dòng chảy, của
33. 18 địa hình. - Về phương pháp luận, nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ làm tiền đề để nghiên cứu sự biến đổi vận tốc âm trong toàn bộ khu vực biển Việt Nam. Trên cơ sở đó có thể đưa ra quy trình lấy mẫu vận tốc âm hợp lý nhằm khai thác hiệu quả thiết bị thủy âm theo từng vùng. - Trong luận án, nghiên cứu sinh sẽ phân tích quy luận biến đổi vận tốc âm theo vị trí địa lý và theo thời gian tại khu vực Vịnh Bắc Bộ để đưa ra được các nhận xét, đánh giá về sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển với các khảo sát theo phương kinh tuyến, vỹ tuyến và theo mùa. Từ đó đề xuất được Quy trình lấy mẫu vận tốc âm phù hợp.
34. 19 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM, PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VẬN TỐC ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 2.1. Khái quát về thủy âm học Thủy âm học là môn học thuộc lĩnh vực vật lý, trong đó nghiên cứu về sự lan truyền của âm thanh trong môi trường nước, sóng âm trong môi trường nước là hiện tượng vật lý khá phức tạp, đặc biệt là môi trường nước biển. Do môi trường nước biển không đồng nhất và có sự biến đổi rất lớn ở các vị trí khác nhau, độ sâu khác nhau, thời điểm khác nhau nên việc xác định vận tốc âm chính xác sử dụng cho thiết bị thủy âm khá khó khăn. Với mỗi tần số âm khác nhau mang một dạng năng lượng khác nhau và truyền tới một độ sâu khác nhau. Tùy thuộc khu vực, mục đích cần nghiên cứu, khảo sát người ta sẽ sử dụng các tần số âm khác nhau cho phù hợp yêu cầu. Dưới đây là một số đặc tính cơ bản của sóng âm trong môi trường nước biển. 2.1.1. Nguồn âm, năng lượng âm và đơn vị đo a. Nguồn âm Bản chất của sóng âm là sự lan truyền sóng cơ học trong môi trường nước, đó là sự tác động liên tục quá trình tiếp nhận và truyền tải năng lượng của dao động sóng âm. Hiện tượng sóng âm phổ biến nhất là sóng dọc, khi sóng âm truyền qua môi trường các phân tử nước rung động trong môi trường tạo ra mật độ và áp suất thay đổi dọc theo hướng chuyển động của sóng. Sự thay đổi áp suất được hiểu như sóng âm hoặc thừa áp, thừa áp Pe được định nghĩa như sau theo tài liệu [24]: Pe = P - P0 (2.1) Trong đó: P là áp suất tức thời. P0 là áp lực thủy tĩnh, hay nói cách khác là áp lực không có sự thay đổi. Pe là thừa áp. Do áp suất lớn, các hạt trong môi trường sẽ bắt đầu di chuyển, kết quả là khoảng cách giữa các phân tử thay đổi giống như một hàm của thời gian và vị trí. Lực nén ký hiệu là s, s được biểu diễn bằng 1/Pa, nó là thể tích căng trên một đơn vị
35. 20 và được biểu diễn như sau: v/ v s 0 (2.2) pe Trong công thức (2.2) s là lực nén Δυ = v- vo vo là vận tốc âm ban đầu v là vận tốc âm tại thời điểm xét Khi Δυ thay đổi trong thể tích ban đầu và pe được chấp nhận, nếu s là hằng số thì có thể hiểu như định luật Hooke. Sự phản hồi của lực nén được hiểu như hệ số tải trọng k. Đối với biên độ sóng âm nhỏ, xem xét ở đây lực nén và hệ số tải trọng có thể được coi là hằng số. Từ khi có nhiễu cục bộ, môi trường không thể ngay lập tức truyền tín hiệu, sự lan truyền của sóng âm thanh xảy ra cùng một lúc với sự xáo trộn tương ứng với vận tốc âm v. Vận tốc âm thanh phụ thuộc vào hệ số tải trọng k và mật độ ρo trung bình được tính như sau: v k / 0 1/ (s 0 ) (2.3) -9 3 Với môi trường nước giá trị k=2.2x10 Pa và Po = 1000kg/m , vận tốc âm trong môi trường nước xấp xỉ bằng 1480 m/s, vận tốc âm trong sắt là khoảng 5050 m/s và trong không khí là 330 m/s. b. Năng lượng âm Theo tài liệu [8] thì năng lượng âm học là dao động của hạt trong một chất lỏng bao gồm cả động năng và thế năng. Động năng của một chuyển động được biểu thị bởi công thức dưới đây: 1 KEBNL. 2 (2.4) 2 0 0 Với B0 là mật độ, N0 là thể tích nguyên tố ở trạng thái cân bằng, L là vận tốc hạt thế năng của thể tích nguyên tố, N là công trong quá trình thể tích biến đổi từ trạng thái cân bằng sang trạng thái nén.
36. 21 Thế năng của một đơn vị thể tích được biểu diễn bởi: 1 P. E N x d  N x  2 (2.5) 0 02 0 NB2 Hay PE. 0 (2.6) 2x Với x là modul toàn khối và  là sự giãn nở thể tích thay đổi đi một đơn vị thể tích. Mật độ năng lượng (W) là tổng của năng lượng trong một đơn vị thể tích hay tổng của động năng và thế năng: 1 NP 2 (W) B N v 2 0 (2.7) 20 0 2x Đối với một sóng phẳng thì động năng và thế năng của 1 thể tích nguyên tố nhỏ là bằng nhau, do đó: P 2 (W) (2.8) Bv2 Với P là áp suất tại điểm khảo sát và v là vận tốc âm tại điểm khảo sát. c. Đơn vị đo trong sóng âm. Theo tài liệu [8], các đơn vị đo trong sóng âm thì đại lượng chủ yếu ghi được trực tiếp là áp suất âm học, đó là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích. Trong hệ đơn vị quốc tế SI, đơn vị xuất phát để mô tả các quá trình cơ học là mét, kilogram, và sec. Đơn vị lực trong hệ SI là Newton truyền cho một khối lượng 1kg một gia tốc là 1m/s2, áp suất sóng âm được thể hiện là Pascal (Pa), 1 Pascal là áp lực gây nên bởi 1 lực N phân bố đều trên một diện tích bề mặt là 1m2. Trong các quá trình vật lý truyền sóng âm hệ SI thì áp suất được biểu thị bằng dyn trên centimet vuông (dyn/cm2). Giữa các đơn vị trong hệ SI và GGS có sự liên hệ sau: 1Pa=10dyn/cm2 (2.9) Áp suất tĩnh trong lý thuyết về âm học ngoài Pa người ta còn sử dụng kiloPascal (kPa), áp lực khí quyển vào khoảng 105Pa. Ngoài ra để biểu diễn áp lực không khí người ta còn sử dụng đơn vị đặc biệt là atmosphere (atm) và milimet thủy ngân (mmHg) tức là 1atm = 760 mmHg 101kPa =1.01.106 dyn/cm2.
37. 22 Khi nhúng vào trong nước một vật tại các độ sâu 10m thì áp lực tăng lên khoảng 100kPa, áp suất tĩnh tại độ sâu 5km trong môi trường nước biển vào khoảng 50mega Pa (50 MPa = 5.107 Pa). Năng lượng trường sóng âm là một yếu tố quan trọng, sau đó là tổng động năng của hạt dao động với thế năng của biến dạng đàn hồi. Trong hệ SI năng lượng được đo bằng Jun, 1Jun là công của một lực Newton trên quãng đường 1m. Trong hệ GGS năng lượng được đo bằng erg (1 erg bằng công thức thực nghiệm thực hiện bởi 1 lực là 1dyn bị dịch chuyển trên quãng đường 1cm). Ta có sự liên hệ 1J=10-7 erg. Đơn vị công suất tương ứng trong hệ SI là Wat (1W=1J/s) còn trong hệ GGS là erg/s, sự liên hệ giữa chúng là 1W = 107 erg/s (2.10) Năng lượng sóng âm từ nguồn vào môi trường sau đó truyền đi dưới dạng sóng âm. Năng lượng chứa trong một đơn vị thể tích của môi trường được gọi là mật độ năng lượng của sóng âm và năng lượng này được truyền dọc theo tia sóng âm. Số lượng năng lượng sóng âm trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền nghĩa là mật độ của dòng năng lượng sóng âm được gọi là cường độ sóng âm và cũng là một loại đơn vị quan trọng được dùng trong âm học. Người ta định nghĩa mức cường độ âm L là lôgarít thập phân của tỉ số : L(B) = lg( ) (2.11) Đơn vị mức cường độ âm là Ben (ký hiệu: B). Như vậy mức cường độ âm bằng 1, 2, 3, 4 B điều đó có nghĩa là cường độ âm I lớn gấp 10, 102, 103, 104 cường độ âm chuẩn I0. Trong thực tế người ta thường dùng đơn vị đêxiben (ký hiệu: dB), bằng 1/10 ben. Số đo L bằng đêxiben lớn gấp 10 số đo bằng ben L(dB) = 10lg( ) (2.12) Khi L= 1 dB, thì I lớn gấp 1.26 lần I0. Đó là mức cường độ âm nhỏ nhất mà -12 2 tai ta có thể phân biệt được. Mức cường độ âm chuẩn I0 = 10 W/m .
38. 23 2.1.2. Tần số âm và độ rộng băng tần a. Tần số âm: Các tần số âm thanh là những tham số để xác định phạm vi và những vùng mà âm thanh có thể đi qua. Sự suy giảm của tín hiệu âm trong nước tỷ lệ thuận với tần số, tần số càng cao thì sự suy giảm càng nhanh tức là đo được khoảng cách nông ngược lại tần số càng thấp thì càng đi xuống được sâu dưới đáy biển. Độ rộng chùm phụ thuộc vào độ dài sóng âm thanh và kích thước của bộ phát biến. Đối với cùng một độ rộng chùm tia tần số thấp hơn sẽ đòi hỏi phải có bộ chuyển đổi lớn hơn. Tần số theo độ sâu thể hiện như sau: • Vùng nước nông hơn 100 mét: tần số cao hơn 200 kHz. • Vùng nước nông hơn 1500 mét: tần số 50 - 200 kHz. • Vùng nước sâu hơn 1500 mét: tần số 12 - 50 kHz. • Các tần số cho độ sâu bề mặt đáy biển là dưới 8 kHz. b. Độ rộng băng tần: Hình 2.1. Độ rộng băng tần của bộ phát biến Lấy f0 là tần số của truyền tải điện tối đa (cộng hưởng tần số) và f1 và f2 là tần số tương ứng với một nửa cường độ tín hiệu, độ rộng băng tần là khoảng tần số giữa các tần số (Hình 2.1), tức là: W = f2 - f1 Hệ số chất lượng của bộ phát biến Q được tính bởi: f Q 0 (2.13) W
39. 24 Từ các định nghĩa trên có thể thấy rằng Q và W có sự thay đổi tỷ lệ nghịch do đó, để tối ưu hóa truyền tải năng lượng, các bộ chuyển đổi nên chuyển gần với tần số cộng hưởng và cần có độ rộng băng tần nhỏ, tức là một giá trị hệ số chất lượng cao. Trong quá trình tiếp nhận Q là cần thiết để có sự phản hồi tốt phân biệt từ mọi tín hiệu khác, mặc dù Q cũng phải được xác định trong dải tần số, độ rộng băng tần bộ phát biến phải thoả mãn W ≥ 1/ với  là khoảng thời gian của xung. c. Chiều dài xung Độ dài xung xác định năng lượng truyền vào trong nước, với cùng một cường độ thì xung càng dài thì cần nhiều năng lượng hơn để đi sâu vào trong nước và để đi qua một khoảng cách lớn có thể thực hiện được với hệ thống dò tín hiệu âm. Hình 2.2 biểu thị độ phân giải của chiều dài xung. Hình 2.2. Độ phân giải của chiều dài xung Để tận dụng lợi thế của bộ chuyển đổi tần số cộng hưởng, thời gian xung nên có ít nhất một nửa chu kỳ tự nhiên. Hạn chế của xung dài là giảm độ tin cậy của hai bên rìa xung. 2.1.3. Lan truyền sóng âm và các hiệu ứng vật lý của sóng âm a. Lan truyền sóng âm trong nước Tùy theo điều kiện địa hình và sự thay đổi về mặt vật lý của nước biển tại các thời điểm khác nhau có thể có các sóng âm theo các phương khác nhau, nhưng đặc trưng nhất là sóng dọc và sóng ngang. Dựa vào sự lan truyền sóng âm trong môi
40. 25 trường nước và sự phản xạ của sóng âm người ta đã chế tạo ra các thiết bị khảo sát thủy âm với mục đích nghiên cứu đáy biển và các điều kiện tự nhiên liên quan tới biển. b. Khúc xạ và phản xạ sóng âm Khúc xạ là hiện tượng trong đó hướng truyền của sóng âm thanh thay đổi do thay đổi vận tốc âm lan truyền trong môi trường hoặc giống như năng lượng đi qua một bề mặt chung, đại diện cho tính không liên tục của vận tốc âm giữa hai bề mặt liền kề nhau. Hệ số khúc xạ được biểu diễn theo công thức: P 2 v 2 1 v 1 R R (2.14) P1 2 v 2 1 v 1 Hình 2.3. Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh Theo định luật Snell và xem xét hai thiết bị có vận tốc âm khác nhau v1, v2. Nếu v1 lớn hơn v2 hướng chuyền của sóng âm sẽ thay đổi, góc chuyền sẽ nhỏ hơn so với góc tới. Ngược lại nếu v1 nhỏ hơn v2 góc chuyền của âm thanh sẽ thay đổi và khi đó góc tới sẽ nhỏ hơn góc chuyền. Đối với tỷ lệ bình thường và đáy biển mềm, hệ số khúc xạ theo áp suất ký hiệu là R tính được theo công thức (2.3) [25] chính là tỷ lệ áp lực biên độ của sóng phản xạ bởi các áp lực biên độ của sóng tới. Đối với điều kiện chung, tỷ lệ của cường độ âm thanh phản xạ và truyền qua phụ thuộc chủ yếu vào: - Tương phản giữa trở kháng âm của các thiết bị. - Địa hình đáy biển.
41. 26 - Tần số âm. Những đặc trưng của một máy dò bằng tiếng dội phản xạ được xác định bởi những bộ chuyển đổi, tức là tính định hướng, chùm tia, chiều rộng, sự điều khiển chùm tia và cường độ tại cạnh biên. 2.1.4 Hấp thụ, tán xạ và sự suy yếu sóng âm Sự suy giảm là sự mất năng lượng của một làn sóng âm truyền trong môi trường nước và bị hấp thụ, lan tỏa theo hình cầu và bị tán xạ bởi các phần tử trong cột nước. Sự hấp thụ là kết quả của phân ly và kết hợp của một số phần tử trong cột nước ví dụ như magiê sunphát (MgSO4) là nguồn hấp thụ chính trong nước biển. Tỷ lệ hấp thụ phụ thuộc vào tính chất vật lý và hóa học cuả nước biển và trên các tần số âm thanh được truyền đi. Từ Hình 2.4 ta thấy ở trên tần số 100KHz các hệ số hấp thụ tăng với sự gia tăng của nhiệt độ do đó nó có thể có nhiều hướng âm thanh thay đổi theo nhiệt độ của nước. Hình 2.4. Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ và tần số Sự lan tỏa hình cầu phụ thuộc vào cấu trúc hình học, với một góc khối năng lượng âm truyền qua một diện tích lớn khi khoảng cách từ nguồn âm tăng. Cả hai đều bị tổn thất do sự hấp thụ và lan tỏa hình cầu được tính đến trong phương trình của truyền âm theo công thức 2.15: EE = SL - 2 TL - (NL-DI) + BS - DT (2.15) Trong đó:
42. 27 EE (Echo Excess) là số dư âm thanh; SL (Source level) là mức nguồn âm; TL (Transmission loss) là tổn thất do truyền âm thanh trong môi trường nước; NL (Noise level) là mức độ nhiễu âm thanh trong môi trường nước; DI (Directivity index) là chỉ số hướng của âm thanh trong môi trường nước; BS (Bottom backscattering strength) là cường độ của tán xạ đáy biển; DT (Detection threshold) là ngưỡng tách sóng. Tuy nhiên sự tổn thất từ sự tán xạ phụ thuộc vào các phân tử hoặc các đối tượng có trong cột nước. Tán xạ chủ yếu do các sinh vật biển, là nhân tố chính trong lớp phân tán sâu (DSL: Deep scattering layer) bao gồm lớp của sinh vật phù du có độ sâu khác nhau theo ngày. 2.2. Vận tốc sóng âm và các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển 2.2.1. Vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển Vận tốc lan truyền sóng âm là một đặc trưng quan trọng của môi trường biển là hàm số của nhiệt độ (T), độ muối (S) và áp suất thủy tĩnh (P). Biểu diễn mối quan hệ của vận tốc với các đại lượng này bằng lý thuyết khá phức tạp. Cho đến nay tồn tại một số công thức thực nghiệm thể hiện mối liên hệ này. Tùy theo các vùng biển có các công thức xác định vận tốc âm như công thức Willson, VA Del Grosso, Chen và Millero, Mackenzie, Medwin A.B. Coppens. Các công thức này biểu diễn tổng của nhiều đại lượng, mỗi đại lượng phụ thuộc riêng rẽ với T, S, P, vận tốc âm đồng thời phụ thuộc vào cả 3 yếu tố. Các công thức thực nghiệm được miêu tả chi tiết tại các mục dưới. 2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển Trên thực tế nước biển và nước ngọt có tính nhớt và dẫn nhiệt khác nhau. Trong môi trường biển thực tế luôn tồn tại các sinh vật biển, cá, sản phẩm quá trình
43. 28 sống của chúng, các loại hạt và bọt khí. Như trên đã biết, môi trường biển là dung dịch phân ly chứa các ion Cl-, Mg++, Na+ SO4- v.v Ngoài ra nhiệt độ, mật độ và độ muối nước biển luôn dao động gần giá trị trung bình tạo nên các vùng không đồng nhất trong thể tích, hiện tượng này trong cấu trúc của nước biển sẽ gây ra sự tắt dần của sóng âm khi lan truyền [4]. Sự suy giảm của năng lượng sóng âm tạo ra hiện tượng hấp thụ trong môi trường nước và tán xạ do sự không đồng nhất. Mật độ của nước biển và dẫn nhiệt cũng làm suy giảm năng lượng âm. Các chất khí cũng gây ra tán xạ sóng âm và làm suy yếu bức xạ âm. Cơ chế hấp thụ sóng âm trong biển, liên hệ tới mật độ, gây ra các bước nhảy về ứng lực xuất hiện khi các lớp nước liền kề nhau dịch chuyển tương đối với nhau. Các ứng lực này tỉ lệ với gradient vận tốc âm và hệ số mật độ nước biển ký hiệu là u1. Hệ số u1 chỉ tồn tại trong sự biến dạng dịch chuyển nên được gọi là hệ số mật độ nước biển Stok dịch chuyển. Sự hấp thụ do mật độ nước chiếm ưu thế trong nước ngọt. Trong biển chúng có vai trò lớn chỉ ở trong vùng siêu âm (f ≥ 1Mhz). Một trong các nguyên nhân của hiện tượng hấp thụ sóng âm trong biển là các bọt khí. Lớp chứa các hạt bọt khí ở trong biển có độ sâu không vượt quá 10-15m (trường hợp đặc biệt 25 - 30m). Khi sóng âm đi tới các hạt khí sẽ dao động và bức xạ lại sóng âm và làm suy giảm năng lượng âm. 2.2.3. Các công thức thực nghiệm xác định vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển Năm 1960, Wayne D Wilson đã công bố bài báo “Vận tốc âm trong môi trường nước biển là một hàm của nhiệt độ, áp suất và độ mặn” (Speed of sound in Sea Water as a Function of Temperature, Pressuare, and Salinity) và đã đưa ra được công thức thực nghiệm tính vận tốc âm như sau: v = 1449.22 + ∆VT + ∆ VP + ∆VS + ∆V STP (2.16) Trong đó các giá trị được tính như sau: -2 2 -4 3 -7 4 ∆VT = 4.6233T - 5.4585x10 T + 2.882x 10 T - 5.07x10 T -1 -5 2 -9 3 -12 4 ∆ VP = 1.60518x10 P + 1.0279x10 P + 3.451x10 P - 3.503x10 P -2 2 ∆VS = 1.391(S-35) - 7.8x10 (S - 35)
44. 29 -2 -4 -7 2 -6 ∆VSTP = (S - 35)(-1.197x10 T + 2.61x10 P - 1.96x10 P - 2.09x10 PT) + P(-2.796x10-4T + 1.3302x10-5T2 - 6.644x10-8T3) + P2(-2.391x10-7T + 9.286x10-10T2) - 1.745x10-10P3T o 0 0 2 Với các giá trị -3< T <30 C ; 33 /00 < S < 37 /00 ; 1.33 kg/cm < P < 1000 kg/cm2. Công thức (2.16) được sử dụng tại khu vực nước sâu và có độ mặn trung bình không phù hợp với khu vực Việt Nam. Đây là công thức thực nghiệm đầu tiên để tính toán giá trị vận tốc âm, làm cơ sở tính toán cho các thiết bị xác định vận tốc âm. Vào năm 1974, VA Del Grosso trong tài liệu [21] đã đưa ra công thức xác định giá trị vận tốc âm như sau: v(S,T,P) = V000 + vT + vS + vP + vSTP (2.17) 2 3 Trong đó: vT(T) = vT1T + vT2T + vT3T 2 vS(S) = vS1S + vS2S 2 3 vP(P) = vP1P + vP2P + vP3P 2 3 2 2 vSTP(S, T,P) = vSTST + vTPTP + vTP2TP + vT3PT P + vT2P2T P + 3 2 2 2 2 vTP3TP + vST2ST + vSTPSTP + vS2TPS TP + vS2P2S P Với các giá trị: T là nhiệt độ tính theo độ C (temperature in degrees Celsius). S là độ mặn tính theo đơn vị thực tế (salinity in Practical Salinity Units). P là áp suất tính theo đơn vị kg/cm2(pressure in kg/cm2). Trong công thức này nhiệt độ giới hạn trong khoảng 0 - 300, độ mặn giới hạn trong khoảng 30 - 40 phần nghìn, áp suất giới hạn 0 - 1000kg/cm2 và bảng 2.1 các hệ số của công thức: Bảng 2.1. Hệ số của công thức Del Grosso Hệ số Giá trị v000 1402.392 vT1 0.5012285E1
45. 30 vT2 -0.551184E-1 vT3 0.221649E-3 vS1 0.1329530E1 vS2 0.1288598E-3 vP1 0.1560592 vP2 0.2449993E-4 vP3 -0.8833959E-8 vST -0.1275936E-1 vTP 0.6353509E-2 vT2P2 0.2656174E-7 vTP2 -0.1593895E-5 vTP3 0.5222483E-9 vT3P -0.4383615E-6 vS2P2 -0.1616745E-8 vST2 0.9688441E-4 vS2TP 0.4857614E-5 vSTP -0.3406824E-3 Công thức (2.17) với các hệ số đặc trưng được sử dụng để tính toán thực nghiệm các giá trị vận tốc âm theo từng khoảng nhiệt độ, độ mặn, áp suất. Tác giả đã tính ra hệ số với từng khoảng chia khác nhau, tính giá trị vận tốc âm trong môi trường nước ngọt, môi trường nước biển [21]. Trong công thức (2.17) Del Grosso tính theo áp suất và đến năm 1998 theo “Depth-pressure relationships in the oceans and seas” [30] C. C. Leroy and F Parthiot đã đưa ra công thức tính chuyển áp suất ra độ sâu như sau: 9.72659 x 102 P 2.2512 x 10 1 P 2 2.279 x 10 4 P 3 1.82 x 10 7 P4 DP(), (2.18) S g() 1.092 x 10 4 P Trong đó:
46. 31 g( ) là công thức tính giá trị trọng lực có dạng như sau: g( ) = (9.780318 (1 + 5.2788 x 10-3 sin2 + 2.36 x 10-5 sin4 )) D là độ sâu với đơn vị là m; P là áp suất với đơn vị MPa (tương hỗ với áp suất khí quyển); là vĩ độ tại điểm cần xác định độ sâu. Theo công thức (2.18) thì giá trị độ sâu tối đa mà công thức (2.17) áp dụng để tính vận tốc âm là khoảng gần 10.000 m. P(D, ) = h(D, ) - P0D (2.19) Trong đó: h(D, ) = P(D,45) x k(D, ) P(D,45) = 1.00818 x 10-2 D + 2.465 x 10-8D2 - 1.25 x 10-13D3 + 2.8 x 10-19D4 g( ) = 9.7803(1 + 5.3 x 10-3 sin2 ) D là độ sâu theo đơn vị m. P là áp suất với đơn vị MPa (tương hỗ với áp suất khí quyển). là vĩ độ tại điểm cần xác định áp suất. Công thức (2.19) được áp dụng cho môi trường biển lý tưởng với nhiệt độ là 0 o 0 C và độ mặn là 35 phần ngàn ( /oo). Trong tài liệu [30] đã đưa ra một bảng hiệu chỉnh cần thiết cho các vùng biển và đại dương cụ thể. Hiệu chỉnh P0D được coi là hiệu chỉnh với đại dương chung, tính từ vĩ độ 600N và 400S không bao gồm các lưu vực và vùng biển khép kín. Năm 1975, Medwin đã đưa ra công thức tính gần đúng giá trị vận tốc âm trong tài liệu [22] và công thức này áp dụng cho độ sâu đến 1000m. v 1449.2 4.6 T – 0.055 T2 0.00029 T 3 1.34 0.010 T S 35 0.016 D (2.20)
47. 32 Công thức này áp dụng với 0 ≤ T ≤350C; 0 ≤ S ≤ 45 ppt; 0 ≤ D ≤ 1000 m. Các giá trị T, S, D phải được xác định một cách chính xác. Bảng 2.2 dưới cho thấy ảnh hưởng của việc xác định các giá trị T, S, D. Bảng 2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ mặn, độ sâu tới xác định giá trị vận tốc âm Các sai số trong phép đo Medwin (m/s) Trong điều kiện bình thường* 1449.36 Sai số nhiệt độ 0.1oC 0.46 Sai số nhiệt độ 1.0oC 4.55 Sai số độ mặn 0.1 ppt 0.14 Sai số độ mặn 1.0 ppt 1.34 Sai số độ sâu 0.5 m 0.01 Sai số độ sâu 1.0 m 0.02 o 0 * Điều kiện lý tưởng T = 0 C S = 35 /oo. Với điều kiện vùng biển Việt Nam phần lớn độ sâu tối nhỏ hơn 1000 m nên việc sử dụng công thức (2.20) trong công tác kiểm nghiệm thiết bị xác định vận tốc âm là hợp lý. Công thức (2.20) đang được áp dụng trong tài liệu [17]. Năm 1977, Chen và Millero đã đưa ra công thức tính giá trị vận tốc âm trong tài liệu [29] thường được gọi là thuật toán UNESCO, công thức có dạng: v(S, T,P) = vw(T,P) + A(T,P)S + B(T,P)S3/2 + D(T,P)S2 (2.21) Trong đó: 2 3 4 5 vw(T,P) = (v00 + v01T + v02T + v03T + v04T + v05T ) + 2 3 4 (v10 + v11T + v12T + v13T + v14T )P + 2 3 4 2 (v20 +v21T +v22T + v23T + v24T )P + 2 3 (v30 + v31T + v32T )P 2 3 4 A(T,P) = (A00 + A01T + A02T + A03T + A04T ) +
48. 33 2 3 4 (A10 + A11T + A12T + A13T + A14T )P + 2 3 2 (A20 + A21T + A22T + A23T )P + 2 3 (A30 + A31T + A32T )P B(T,P) = B00 + B01T + (B10 + B11T)P D(T,P) = D00 + D10P Với: T là nhiệt độ tính theo độ C. S là độ mặn tính theo độ mặn thực tế (phần nghìn). P là áp suất tính theo đơn vị bar. Với giá trị của nhiệt độ nằm trong khoảng 0 đến 40oC, độ mặn nằm trong khoảng 0 đến 40 phần nghìn, áp suất nằm trong khoảng 0 đến 1000 bar. Bảng 2.3 Hệ số sử dụng trong công thức (2.21) Hệ số Giá trị Hệ số Giá trị v00 1402.388 A02 7.17E-05 v01 5.0383 A03 2.01E-06 v02 -5.81E-02 A04 -3.21E-08 v03 3.34E-04 A10 9.47E-05 v04 -1.48E-06 A11 -1.26E-05 v05 3.14E-09 A12 -6.49E-08 v10 0.153563 A13 1.05E-08 v11 6.90E-04 A14 -2.01E-10 v12 -8.18E-06 A20 -3.91E-07 v13 1.36E-07 A21 9.11E-09 v14 -6.13E-10 A22 -1.60E-10 v20 3.13E-05 A23 7.99E-12 v21 -1.71E-06 A30 1.10E-10
49. 34 v22 2.60E-08 A31 6.65E-12 v23 -2.54E-10 A32 -3.39E-13 v24 1.04E-12 B00 -1.92E-02 v30 -9.77E-09 B01 -4.42E-05 v31 3.85E-10 B10 7.36E-05 v32 -2.37E-12 B11 1.80E-07 A00 1.389 D00 1.73E-03 A01 -1.26E-02 D10 -7.98E-06 Chú ý: để đảm bảo nhất quán các giá trị áp suất phải nhập vào ở dạng kPa. Công thức (2.21) thường được áp dụng cho các vùng biển có độ sâu lớn (áp suất lớn). Tác giả cũng so sánh giá trị tính được với công thức (2.16) và thể hiện sự sai khác giữa hai công thức tính thực nghiệm. Năm 1981, Mackenzie đã đưa ra công thức tính vận tốc âm trong tài liệu [27] giá trị vận tốc âm được tính như sau: v(D,S,T) = 1448.96 + 4.591T - 5.304 x 10-2T2 + 2.374 x 10-4T3 + 1.340 (S - 35) + 1.630 x 10-2D + 1.675 x 10-7D2 - 1.025 x 10-2T(S - 35) - 7.139 x 10-13TD3 (2.22) T là nhiệt độ tính theo độ C; S là độ mặn tính theo phần nghìn (ppt); D là độ sâu tính theo m. Công thức tính vận tốc âm trên được sử dụng cho trường hợp nhiệt độ từ 2oC đến 30oC, độ mặn từ 25ppt đến 40 ppt, độ sâu từ 0m đến 8000m (2.22) được dùng chung cho các vùng biển. Cũng trong năm 1981, A.B.Coppens đưa ra một cách tính giá trị vận tốc âm khác được biểu diễn theo công thức dưới: 2 vDStSt , , v 0, , 16.23 0.253 tD 0.213 0.1 tD 0.016 0.0002 S 35 S 35 tD (2.23) v 0, S , t 1449.05 45.7 t 5.21 t 2 0.23 t 3 1.333 0.126 t 0.009 t 2 S 35 t được tính theo độ C.
50. 35 S là độ mặn tính theo đơn vị phần nghìn. D là độ sâu tính theo đơn vị km. Công thức (2.23) được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ từ 0 đến 35oC, độ mặn từ 0 đến 45 ppt, độ sâu đến 0 đến 4km, là các vùng biển có độ sâu trung bình. Các công thức từ (2.16) đến (2.23) là các công thức thực nghiệm tính giá trị vận tốc âm tại các vùng biển khác nhau tùy thuộc từng điều kiện. Các vấn đề vận tốc âm của từng khu vực cũng dựa trên các công thức thực nghiệm để đánh giá, sau đó so sánh với thiết bị xác định vận tốc âm. Các nghiên cứu sau này đều dựa trên cơ sở các công thức thực nghiệm như đã nêu. 2.3. Các phương pháp xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển 2.3.1. Sử dụng các trị đo hải văn (nhiệt độ, độ mặn, độ sâu) và áp dụng công thức thực nghiệm xác định vận tốc âm, sai số xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển Có nhiều phương pháp xác định vận tốc âm trong môi trường nước và sử dụng công thức thực nghiệm đã được các nhà nghiên cứu chứng minh là một phương pháp hay được sử dụng. Như phần 2.3.3 đã đưa ra các công thức thực nghiệm xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển tại các vùng độ sâu khác nhau, các vùng biển khác nhau. Dựa vào các công thức đó, khi muốn xác định vận tốc âm tại khu vực biển nào chúng ta lựa chọn công thức thích hợp cho khu vực tương ứng. Theo Thông tư 27/2011/TT-BTNMT [17] về kiểm nghiệm và hiệu chỉnh một số thiết bị đo đạc bản đồ biển có quy định trong phần kiểm nghiệm thiết bị xác định vận tốc âm trong môi trường nước sử dụng công thức thực nghiệm của Medwin [22] để tính toán giá trị vận tốc âm sau đó so sánh với giá trị vận tốc âm đo được của thiết bị xác định vận tốc âm. Các kết quả đánh giá độ tin cậy được thực hiện theo thông tư 27/2010/TT-BTNMT. Trong phương pháp áp dụng theo công thức thực nghiệm (2.16) của Medwin v 1449.2 4.6 T – 0.055 T2 0.00029 T 3 1.34 0.010 T S 35 0.016 D Lúc này sai số vận tốc âm là tổng hợp của sai số do nhiệt độ, độ mặn, độ sâu:
51. 36 v = vT + vS + vD (2.24) Như vậy sai số vận tốc âm trong công thức này chịu ảnh hưởng bởi ba yếu tố là nhiệt độ (T), độ mặn (S) và độ sâu (D). Các giá trị này được xác định bởi thiết bị đo nhiệt độ, độ mặn, độ sâu. Trong phương pháp xác định vận tốc âm bằng công thức thực nghiệm thì độ chính xác vận tốc âm phụ thuộc vào độ chính xác xác định các giá trị T, S, D. 2.3.2. Máy đo vận tốc âm SVM (Sound Velocity Meter) Ngoài phương pháp xác định vận tốc âm bằng phương pháp gián tiếp là sử dụng công thức thực nghiệm chúng ta có thể xác định vận tốc âm bằng thiết bị đo vận tốc âm. Các thiết bị đo vận tốc âm cơ bản được cấu thành từ các bộ phận như sau: + Cảm biến áp suất để xác định độ sâu. + Bộ tính thời gian. + Bộ phát và thu sóng âm. + Bộ xử lý số liệu. + Bộ nhớ trong của thiết bị và nguồn hoạt động.
52. 37 Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý của máy đo vận tốc âm trực tiếp Theo nguyên lý vận tốc âm được xác định dựa trên công thức: D=1/2v* t (2. 25) trong đó t là hiệu thời gian đi và về trong khoảng cách D (m). t được xác -5 định chính xác bằng đồng hồ thạch anh với sai số xác định thời gian cỡ mt = 10 s. D được xác định là một hằng số, D thường là khoảng cách nhỏ khoảng 0.1 - 0.3 m Vận tốc âm tính: v=2*D/ t (2. 26) Theo phương pháp này, giá trị vận tốc âm được xác định nhờ thiết bị và phần mềm chạy trong thiết bị sẽ được truyền về máy tính thông qua phương thức giao tiếp được các hãng sản xuất quy định. Giá trị vận tốc âm của thiết bị được xác định theo phương độ sâu với các giãn cách tùy theo cài đặt trong phần mềm và thường là 0.5m một trị đo vận tốc âm được thể hiện như hình dưới đây:
53. 38 Hình 2.6 Số liệu vận tốc âm đo được bằng thiết bị xác định vận tốc âm SVP 15 Và định dạng số liệu trút được trên máy tính được minh họa trên bảng 2.4 Bảng 2.4 Mẫu số liệu vận tốc âm xác định bằng thiết bị SVP 15 Date . . . . . : 4/5/2010 13:59:08*_* Vessel . . . . : BP-11-04-02 18.60 1541.90 0.00 1541900186000004035 Location . . . : Manh C-48-48-B 13:59:08*_* Message. . . . : SVP 15 19.10 1541.90 0.00 1541900191000004036 13:59:05 13:59:08*_* 0.60 1542.60 0.00 1542600006000004000 19.60 1541.90 0.00 1541900196000004037 13:59:05*_* 13:59:08*_* 1.20 1542.50 0.00 1542500012000004001 20.10 1541.90 0.00 1541900201000004038 13:59:05*_* 13:59:08*_* 1.70 1542.50 0.00 1542500017000004002 20.60 1541.90 0.00 1541900206000004039 13:59:05*_* 13:59:08*_* 2.20 1542.50 0.00 1542500022000004003 21.10 1541.90 0.00 1541900211000004040 13:59:05*_* 13:59:09*_* 2.70 1542.40 0.00 1542400027000004004 21.60 1542.00 0.00 1542000216000004041 13:59:05*_* 13:59:09*_* 3.20 1542.30 0.00 1542300032000004005 22.10 1542.00 0.00 1542000221000004042 13:59:06*_* 13:59:09*_* 3.80 1542.30 0.00 1542300038000004006 22.60 1542.00 0.00 1542000226000004043 13:59:06*_* 13:59:09*_* 4.40 1542.10 0.00 1542100044000004007 23.10 1542.00 0.00 1542000231000004044 13:59:06*_* 13:59:09*_* 4.90 1542.10 0.00 1542100049000004008 23.60 1542.00 0.00 1542000236000004045 13:59:06*_* 13:59:09*_* Trong phương pháp xác định bằng thiết bị đo vận tốc âm thì độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào công nghệ chế tạo máy và thường có ghi trong hướng dẫn sử dụng và tài liệu đi kèm máy. Ví dụ như thiết bị SVP - 15 ta có các thông số như sau:
54. 39 Hình 2.7 Thông số thiết bị xác định vận tốc âm svp - 15 Như vậy chúng ta thấy độ chính xác xác định vận tốc âm của thiết bị được công bố như sau: v = 0.25m/s và độ chính xác máy đo sâu thường là: D= ±0.10m + 0.2%D (2.27) với D là độ sâu đo được. 2.3.3 Xác đinh vận tốc âm bằng bar check Phương pháp này được sử dụng khi không có thiết bị xác định vận tốc âm theo quy định tại Phụ lục số 01 Bước 1 khoản b mục 3.4 [14] đã hướng dẫn công tác xác định vận tốc âm bằng bar check. Lúc này giá trị vận tốc âm sẽ được điều chỉnh nhiều lần để giá trị độ sâu đo được bằng máy trùng với giá trị độ sâu đo được trên check bar. Phương pháp này hiện nay hầu như không còn sử dụng và chỉ sử dụng trong phạm vi gần bờ nơi có độ sâu nông. 2.4. Quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển Vận tốc âm được trong tài liệu [17] đã được công nhận và áp dụng trong các trường hợp kiểm nghiệm vận tốc âm với công thức (2.16) như sau:
55. 40 v 1449.2 4.6 T – 0.055 T2 0.00029 T 3 1.34 0.010 T S 35 0.016 D Công thức này áp dụng với 0 ≤ T ≤350C; 0 ≤ S ≤ 45 ppt; 0 ≤ D ≤ 1000 m. Các giá trị T, S, D phải được xác định một cách chính xác. Từ công thức 2.27, vận tốc âm ảnh hưởng bởi các giá trị là nhiệt độ, độ mặn và độ sâu. 2.4.1. Sự biến đổi của vận tốc âm theo độ mặn Hình 2.8. Biểu đồ thay đổi vận tốc âm theo nhiệt độ và độ mặn tại z=0m [18] Từ biểu đồ trên có thể nhận thấy sự biến đổi của độ mặn nước biển tới vận tốc âm là không lớn nhưng sự biến đổi của độ mặn tại các lớp nước đặc biệt là lớp nước bề mặt là đáng kể. Tại lớp nước độ mặn thay đổi dựa theo các đặc điểm vị trí của nơi lấy mẫu vận tốc âm, như tại các khu vực ven bờ độ mặn chịu ảnh hưởng bởi các cửa sông lớn đổ ra biển. Tại các vị trí xa bờ độ mặn ít chịu ảnh hưởng của các cửa sông nhưng lại chịu ảnh hưởng của các dòng hải lưu dưới đáy biển và ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết như mưa, bão. Tại các lớp nước nông (<100m) thì độ mặn là một hàm không phải là hàm tuyến tính, nó thay đổi theo yếu tố địa lý, môi trường, điều kiện thời tiết. Các khảo sát chi tiết được phân tích tại Chương III. 2.4.2 Sự biến đổi của vận tốc âm theo nhiệt độ Cũng theo Hình 2.8, sự biến đổi của nhiệt độ tới vận tốc âm là đáng kể. Đối với các lớp nước khác nhau thì nhiệt độ ảnh hưởng tới vận tốc âm là khác nhau. Đặc biệt là lớp nước bề mặt, chịu sự ảnh hưởng trực tiếp từ hiện tượng bức xạ nhiệt của mặt trời và sự thay đổi nhiệt độ theo các mùa (mùa đông, hè, mùa mưa, mùa khô). Bảng 2.5 Nhiệt độ bề mặt trung bình 12 tháng của năm 2006 và 2010 tại Bãi Cháy,
56. 41 Quảng Ninh Năm Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2006 17.0 18.2 19.0 24.2 26.5 28.8 28.9 27.3 27.2 26.5 23.9 18.8 2010 17.3 19.2 20.6 22.6 27.3 29.4 29.9 27.7 27.8 25.1 21.7 19.1 Từ số liệu trên có thể biễu diễn quy luật biến đổi nhiệt độ trung bình ở dạng biểu đồ như trong Hình 2.9. Hình 2.9 Biểu đồ biến đổi nhiệt độ trung bình năm 2006 và 2010 tại Bãi Cháy 2.4.3. Sự biến đổi của vận tốc âm theo độ sâu Hình 2.10. Sự biến đổi vận tốc âm theo độ sâu. Từ Hình 2.10, có thể thấy độ sâu ảnh hưởng tới vận tốc âm, khoảng thay đổi của tốc độ âm khoảng 1,6m/s với sự thay đổi khoảng 100m độ sâu dựa trên các
57. 42 công thức tính thực nghiệm. Sự biến đổi của độ sâu được chia sơ bộ thành các lớp nước như sau: - Lớp nước bề mặt lúc này độ sâu bằng 0, sự biến đổi vận tốc âm lúc này phụ thuộc vào nhiệt độ và độ mặn. Hình 2.11. Mặt cắt nhiệt độ và độ mặn theo độ sâu của nước - Lớp nước tiếp theo là lớp nước hỗn hợp, tại lớp nước này độ sâu biến đổi là khó xác định nhất. Tại lớp hỗn hợp thì giá trị nhiệt độ và độ mặn biến đổi theo độ sâu không xác định chính xác được do chịu nhiều yếu tố ảnh hưởng của môi trường, địa hình, động lực học trên biển. - Đến lớp nước từ độ sâu 1000m trở đi thì vận tốc âm biến đổi tuyến tính với độ sâu. Lúc này sự biến đổi vận tốc âm chịu ảnh hưởng bởi độ sâu là nhiều nhất và vận tốc âm tại lớp nước này có sự biến đổi dự đoán được. 2.5. Kết luận chương 2 Trong chương 2, luận án phân tích đặc tính vật lý của sóng âm trong môi trường nước. Đã nêu và đánh giá các công thức thực nghiệm tính toán vận tốc âm khi sử dụng các tham số như nhiệt độ, độ mặn, độ sâu hoặc áp suất tại các vùng biển với độ sâu khác nhau áp dụng công thức thực nghiệm khác nhau. Đã nêu sơ bộ về các thiết bị xác định vận tốc âm trong môi trường nước và sử dụng công thức thực nghiệm để tính toán vận tốc âm. Từ các công thức thực nghiệm đã phân tích vận tốc âm chịu nhiều ảnh hưởng của nhiệt độ tại các lớp nước bề mặt, theo nghiên cứu lớp nước này nằm trong khoảng từ 0 đến 400m nước. Khi tới các vùng biển sâu hơn vận
58. 43 tốc âm chịu ảnh hưởng nhiều nhất theo độ sâu, lúc này giá trị nhiệt độ và độ mặn gần như biến đổi ít. Chính vì thế cần phải nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm trong khu vực Vịnh Bắc Bộ để đưa ra đề xuất hợp lý sử dụng thiết bị thủy âm. Đối với vấn đề nêu trên, tại chương 3 luận án sẽ phân tích sự biến đổi vận tốc âm theo vị trí, theo mùa theo để đánh giá được sự biến đổi của vận tốc âm, phân tích sự ảnh hưởng của vận tốc âm tới kết quả đo. Để phân tích được quy luật biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ trong căn cứ trên các đại lượng nhiệt độ, độ mặn, độ sâu tại khu vực Vịnh Bắc Bộ tính toán giá trị vận tốc âm theo công thức 2.20.
59. 44 CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC ÂM ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐO THỦY ÂM, QUY LUẬT BIẾN ĐỔI VẬN TỐC ÂM TẠI VỊNH BẮC BỘ 3.1. Ảnh hưởng của vận tốc âm tới các thiết bị thủy âm 3.1.1. Đo sâu đơn tia Nguyên lý xác định độ sâu hồi âm đơn tia được mô tả như Hình 3.1. Hình 3.1. Nguyên lý đo sâu hồi âm đơn tia Độ sâu của điểm đo bằng máy đo sâu đơn tia được xác định theo công thức [35]: 1 D v. t k dr (3.1) 2 tb trong đó: vtb là vận tốc sóng âm trung bình trong cột nước. t là thời gian truyền tín hiệu của sóng âm từ lúc phát tín hiệu tại đầu biến âm xuống đáy biển và quay trở lại. D là độ sâu điểm đo. k là hằng số máy. dr là độ ngập cần phát biến của máy đo sâu.
60. 45 Như đã biết, trước khi đo đạc máy đo sâu được kiểm định nên giá trị hằng số máy k đã được xác định chính xác. Giá trị dr là khoảng cách từ đầu thu phát tín hiệu đến mặt nước được xác định tại các thời điểm đo thực tế. Tuy nhiên ở đây chúng tôi không phân tích sai số xác định dr mà chỉ phân tích sai số liên quan tới vận tốc âm do đó chúng tôi sử dụng công thức sau: 1 D v. t (3. 2) 2 tb Từ công thức (3.2) ta thấy được giá trị vận tốc âm trong môi trường nước biển đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ sâu điểm đo. Vận tốc âm thực tế khi đo vẽ biển có thể đo trực tiếp hoặc xác định gián tiếp thông qua các thiết bị đo đạc khác nhau. Theo công thức (3.2), có thể phân tích độ chính xác xác định độ sâu D như sau: Từ (3.2), ta có: 2D vtb . t (3.3) Vi phân 2 vế: 2d td v d (3.4) D vtb tb t Chuyển qua sai số trung phương ta được: 4m2 t 2 m 2 v 2 m 2 (3.5) D vtb t 1 2D m2 () t 2 m 2 v 2 m 2 với t (3.6) D4 vtb tb t v D 2 v 2 m2 m 2 tb m 2 (3.7) D2 vtb t vtb 4 Theo công thức 3.6, chúng tôi tính toán ảnh hưởng của sai số vận tốc âm mV và sai số đo thời gian mt đến độ chính xác đo độ sâu (mD) cho các trường hợp với -5 -4 -3 mt=10 s, mt=10 s, mt=10 s.
61. 46 -5 Bảng 3.1 Sai số xác định độ sâu mD với mt=10 s mV(m/s) 0,2 0,5 1 2 3 5 D (m) 10 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 30 0.01 0.01 0.02 0.04 0.06 0.10 50 0.01 0.02 0.03 0.07 0.10 0.17 100 0.02 0.03 0.07 0.13 0.20 0.33 200 0.03 0.07 0.13 0.27 0.40 0.67 300 0.04 0.10 0.20 0.40 0.60 1.00 500 0.07 0.17 0.33 0.67 1.00 1.67 Từ bảng 3.1, chúng ta thấy, với độ chính xác của đồng hồ xác định vận tốc âm là 10-5s thì theo công thức đánh giá vận tốc âm thì sai số vận tốc âm với độ chính xác 0,2m ảnh hưởng đến độ sâu vùng nước nông không lớn, lúc này sai số vận tốc âm phụ thuộc vào các điều kiện xác định vận tốc âm. -4 Bảng 3.2. Sai số xác định độ sâu mD với mt=10 s mV(m/s) 0,2 0,5 1 2 3 5 D(m) 10 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 30 0.08 0.08 0.08 0.09 0.10 0.13 50 0.08 0.08 0.08 0.10 0.13 0.18 100 0.08 0.08 0.10 0.15 0.21 0.34 200 0.08 0.10 0.15 0.28 0.41 0.67 300 0.09 0.13 0.21 0.41 0.60 1.00 500 0.10 0.18 0.34 0.67 1.00 1.67 Theo bảng 3.2 với độ chính xác của đồng hồ xác định vận tốc âm là 10-4s thì ảnh hưởng của sai số vận tốc âm tăng dần theo độ sâu và theo độ chính xác của thiết bị xác định vận tốc âm. Giá trị lớn nhất trong trường hợp này có thể đạt đến 1,67m.
62. 47 -3 Bảng 3.3 Sai số xác định độ sâu mD với mt=10 s mV(m/s) 0,2 0,5 1 2 3 5 D(m) 10 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 30 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.76 50 0.75 0.75 0.75 0.75 0.76 0.77 100 0.75 0.75 0.75 0.76 0.78 0.82 200 0.75 0.75 0.76 0.80 0.85 1.00 300 0.75 0.76 0.78 0.85 0.96 1.25 500 0.75 0.77 0.82 1.00 1.25 1.83 Theo bảng 3.3 với độ chính xác của đồng hồ xác định vận tốc âm là 10-3s, sai số vận tốc âm lớn, vượt quá các sai số quy định. Từ các bảng tính trên, ta có nhận xét: Với độ chính xác của thiết bị xác định vận tốc âm mv như hiện nay nằm trong khoảng 0.2m/s đến 1m/s. Nếu coi sai số xác định thời gian nằm trong khoảng 10-3 đến 10-5 thì ảnh hưởng của sai số vận tốc âm đến sai số đo sâu đáng kể. Theo quy định thì mD = 0.3m tương ứng với độ sâu nhỏ hơn 30m và mD = 1%.D khi độ sâu lớn hơn 30m, tương ứng ảnh hưởng của sai số vận tốc âm đến độ sâu nằm trong khoảng từ 0.01m đến 0.08m cho độ sâu dưới 100m. Ảnh hưởng sai số vận tốc âm tỷ lệ thuận tới độ sâu. Từ (3.6) ta thấy việc xác định vận tốc âm ảnh hưởng tới kết quả xác định độ sâu bằng máy đo sâu đơn tia, để hạn chế ảnh hưởng của vận tốc âm tới kết quả đo bằng máy đơn tia chúng ta cũng có thể hiệu chỉnh giá trị vận tốc âm theo mặt cắt độ sâu. Việc này được hiệu chỉnh bằng các công cụ tích hợp trong phần mềm đo sâu đơn tia. 3.1.2. Đo sâu đa tia và thủy âm quét sườn (side scan sonar) Vận tốc âm trong môi trường nước biến thiên rất phức tạp đối với các chùm tia dưới nước và được thể hiện như trong Hình 3.2.
63. 48 Hình 3.2. Ví dụ về hệ thống đo đa tia và ảnh hưởng của vận tốc âm tới tia đo [38] Như trên Hình 3.2 là ví dụ về hệ thống đo sâu đa tia, các tia phát ra và thu về để xác định độ sâu có các góc mở khác nhau và bị ảnh hưởng bởi vận tốc âm trong nước. Mỗi lớp nước có một vận tốc âm riêng và chịu ảnh hưởng bởi định luật snell. Hình 3.3. Hiện tượng khúc xạ của âm thanh khi qua các lớp nước khác nhau Theo đó quan hệ giữa hướng của tia với vận tốc lan truyền sóng âm được biểu diễn như sau: sin(A ) sin(A ) 0 i k (3.8) v0 vi Trong đó: i là góc nghiêng của tia so với phương thẳng đứng đối với độ sâu zi, vi là vận tốc âm thanh, k là hằng số Snell. Giả sử vận tốc tuyền âm trong cột nước là rời rạc, có thể cho rằng gradien vận tốc truyền âm trong một lớp nước là một hằng số. Hình 3.4 ví dụ sự thay đổi của tia âm theo sự biến đổi vận tốc âm.
64. 49 Hình 3.4. Sự thay đổi hướng tia khi vận tốc âm không biến đổi theo các lớp nước Hình 3.5. Sự thay đổi hướng tia khi vận tốc âm biến đổi theo các lớp nước Trong hệ thống đo sâu đa tia, các tia đo đi theo chùm do đó sự ảnh hưởng tới kết quả xác định độ sâu theo vận tốc âm là khá lớn và lớn nhất là các tia rìa. Khi đó, sự ảnh hưởng của vận tốc âm sẽ phụ thuộc góc mở sang hai phía của hệ thống đo sâu đa tia.
65. 50 Hình 3.6. Thay đổi góc mở của hệ thống đa tia Như trên Hình 3.6, với sự thu hẹp lại góc mở của hệ thống đa tia sẽ làm giảm sự ảnh hưởng của vận tốc âm. Hình 3.7. Hình trên là dữ liệu đo sâu đa tia khi không hiệu chỉnh, hình dưới là dữ liệu đo sâu đã hiệu chỉnh vận tốc âm Trong Hình 3.7 biểu thị dữ liệu độ sâu sử dụng vận tốc âm đúng với khu đo và dữ liệu vận tốc âm không đúng với khu đo. Khi đó, các độ sâu ở vùng giữa của hệ thống đa tia không ảnh hưởng nhiều nhưng vùng ngoài rìa của chùm tia sẽ thấy sự thay đổi lớn. Tùy thuộc vào độ sâu và độ chính xác của vận tốc âm mà sự chênh lệch giữa tia ngoài rìa và tia trung tâm sẽ lớn. Khi sử dụng vận tốc âm chính xác thì
66. 51 tia rìa và tia trung tâm có độ sâu tương đương nhau nếu đo trên bề mặt địa hình đáy biển phẳng. Trên thực tế, ảnh hưởng của vận tốc truyền âm trong nước biển rất khó xác định bởi nó thay đổi theo thời gian và không gian. Để giảm thiểu sai số chỉ còn cách giảm góc quét của các máy đo sâu đa tia. Ngoài ra ảnh hưởng của vận tốc truyền âm tại bề mặt của bộ phận phát còn gây nên sai số đối với góc phát của tia âm và do vậy nó cũng gây ra sai số đối với độ sâu và vị trí của độ sâu. Chính vì thế, trong khảo sát thiết bị sử dụng đa chùm tia cần phải có thiết bị vận tốc âm bề mặt tại vị trí đặt bộ phát biến. Thiết bị vận tốc âm bề mặt sẽ hiệu chỉnh vận tốc âm thực cho đa chùm tia. 3.1.3. Định vị thủy âm Các hệ thống định vị thủy âm cạnh đáy siêu ngắn dựa trên độ lệch pha, hay so sánh pha của tín hiệu âm tại các bộ phận của bộ phát biến để xác định góc tới của tín hiệu âm với mặt phẳng của dàn bộ phát biến. Hình 3.8 minh họa việc xác định góc tới cơ học như thế nào từ độ lệch pha giữa hai bộ thu đặt cách nhau một khoảng b. Nếu cạnh đáy b luôn luôn ngắn hơn rất nhiều so với khoảng cách tới nguồn âm, các mặt đầu sóng âm là đồng phẳng và góc cơ học sẽ được tính như sau: Hình 3.8. Đo góc tác động cơ học -1 Với Өm = cos dT/k (3.9) Trong đó dT = độ lệch pha điện. Өm = góc tới cơ học. k là 2 fob/v (hệ số độ cứng).
67. 52 fo là tần số tải tín hiệu âm. b là cạnh đáy giữa các bộ cảm biến. v là vận tốc của âm trong nước. Góc tới Өm có thể được hiển thị là góc ở đỉnh của một mặt nón mà trục của nó được tạo bởi đường đáy của hai bộ cảm biến. Do hướng giữa nguồn âm và bộ phát biến không thể xác định được từ độ lệch pha đơn thuần giữa hai bộ cảm biến, yêu cầu phải có bộ cảm biến thứ ba trong dàn bộ phát biến mà cạnh đáy được tạo với một trong số hai bộ cảm ban đầu là vuông góc với cạnh đáy thứ nhất. Góc tới đo được cho cạnh đáy thứ hai này, lại có thể được hiển thị là góc ở đỉnh của một mặt nón mà trục của nó được tạo bởi cạnh đáy của hai bộ cảm biến. Hai góc tới được ký hiệu là Өmx và Өmy. Hướng giữa bộ phát biến và nguồn âm được xác định bởi giao tuyến của hai mặt nón như được miêu tả trên Hình 3.9. Hình 3.9. Mối quan hệ hình học của nguồn âm và bộ phát biến Nếu một trong số cạnh đáy của dàn bộ phát biến được định hướng theo hướng của đường dọc tâm của tàu và tàu được cho là đứng yên sao cho dàn ống nghe của bộ phát biến là nằm ngang, các mặt của dàn sẽ trùng với các trục "X", "Y" và "Z" của hệ quy chiếu địa phương. Sau khi đã xác định được hướng, vị trí của bộ ứng đáp/mốc tín hiệu âm có thể được tính toán nếu biết hoặc là độ sâu hoặc là khoảng cách nghiêng. Nếu biết cả độ sâu và khoảng cách nghiêng, sẽ chắc chắn, tin
68. 53 cậy hơn về các tọa độ được tính toán cho bộ ứng đáp/mốc tín hiệu âm. Từ công thức (3.8), ta thấy giữa các lớp nước với vận tốc âm thanh vi sẽ có một hệ số ki tương ứng. Chính vì thế, ảnh hưởng của vận tốc âm trong nước sẽ ảnh hưởng tới việc xác định giá trị tọa độ trong định vị thủy âm. Trong môi trường nước biển tại vị trí định vị thủy âm việc xác định vận tốc âm chính xác là điều rất khó và phức tạp. Cần phải thiết lập cơ sở dữ liệu vận tốc âm tại một số vùng khảo sát nhằm gia tăng độ tin cậy cho việc xác định vận tốc âm trong định vị ngầm dưới nước. 3.2. Quy trình lấy mẫu vận tốc âm trong khảo sát bằng thiết bị thủy âm Để xác định được sai số ảnh hưởng bởi vận tốc âm chúng ta xét các quy trình khảo sát sử dụng các thiết bị thủy âm như sau: 3.2.1. Quy trình đo sâu đơn tia Khi khảo sát đo sâu đơn tia sẽ thực hiện theo quy trình được trình bày ở Hình 3.10. Quy trình này được đưa ra trong Quy định kỹ thuật thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:50.000 [14]. Với các tỷ lệ lớn hơn thì yêu cầu về thiết bị và các quy trình kèm theo sẽ thay đổi để đảm bảo độ chính xác cho các bản đồ tỷ lệ lớn hơn.
69. 54 Hình 3.10. Sơ đồ quy trình khảo sát đo sâu đơn tia [14]. Trong quy trình đo sâu đơn tia với hệ thống thiết bị và phần mềm thì vận tốc âm được sử dụng trong quy trình này được dùng theo 2 trường hợp. - Sử dụng vận tốc âm hiệu chỉnh theo máy đo, thường được sử dụng là vận tốc âm trung bình của cột nước và nhập vào máy đo sâu đơn tia để hiệu chỉnh. Vận tốc âm trung bình này được tính là trung bình cộng của các giá trị vận tốc âm đo được trong các lớp nước theo độ sâu. - Sử dụng giá trị vận tốc âm được nhận dưới dạng mặt cắt theo các lớp nước, và nhập vào trong phần mềm xử lý nội nghiệp để hiệu chỉnh, hiệu chỉnh theo từng lớp độ sâu máy đơn tia đo được. - Trong quá trình khảo sát đơn tia, có thể đặt giá trị vận tốc âm trung bình trong máy đo sâu đơn tia là một giá trị cố định như là vận tốc âm trong môi trường nước ngọt 1500m/s để khảo sát. Trong quá trình khảo sát xác định giá trị vận tốc âm
70. 55 của khu đo và hiệu chỉnh lại giá trị vận tốc âm qua quá trình xử lý nội nghiệp. 3.2.2. Quy trình đo sâu đa tia Hiện nay công nghệ đo sâu đa tia đã phổ biến trên thế giới, Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển đã đầu tư thử nghiệm từ năm 2007 và quy trình đo sâu đa tia được áp dụng trong Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển từ năm 2010, đã được hoàn thiện và sử dụng cho tới nay. Với một hệ thống đo sâu đa tia hoàn chỉnh bao gồm các thiết bị như đo sâu đơn tia, bổ sung thêm các thiết bị sau hệ thống máy đo sâu đa tia, có thiết bị cảm biến vận tốc âm bề mặt. Hệ thống đo sâu đa tia cần được hiệu chỉnh theo các quy định dưới đây: - Thông tư Quy định về đo đạc, thành lập bản đồ địa hình đáy biển bằng máy đo sâu hồi âm đa tia ban hành theo Quyết định số 24/2010/TT-BTNMT ngày 27 tháng 10 năm 2010. - Thông tư Quy định về kiểm nghiệm và hiệu chỉnh một số thiết bị đo đạc bản đồ biển ban hành theo Quyết định số 27/2011/TT-BTNMT ngày 20/7/ 2011. Công tác kiểm nghiệm máy đo sâu hồi âm đa tia được tiến hành theo nguyên tắc nêu tại các quy định trên và sử dụng phần mềm kiểm nghiệm tích hợp trong phần mềm chuyên ngành để đưa ra các thông số hiệu chỉnh chính xác cho hệ thống trước khi khảo sát. - Với quy trình đo sâu đa tia thì vận tốc âm được sử dụng luôn luôn là mặt cắt vận tốc âm, nhập trong phần mềm đo sâu đa tia. Hệ thống máy đa tia luôn có một thiết bị cảm biến vận tốc âm bề mặt khu đo theo thời gian thực (luôn luôn xác định vận tốc âm bề mặt trong quá trình khảo sát đa tia). - Trong khảo sát đa tia việc xác định giá trị vận tốc âm bề mặt rất quan trọng. Khi giá trị vận tốc âm bề mặt xác định sai lệch nhiều so với vận tốc âm bề mặt trong mặt cắt vận tốc âm sẽ làm các tia đo ở ngoài rìa của chùm đa tia bị sai lệch với độ sâu thực tế. Có thể giá trị độ sâu ở tia ngoài sẽ nông hơn hoặc sâu hơn với tia giữa do việc xác định không đúng giá trị vận tốc âm bề mặt vì qua mỗi lớp độ sâu khác nhau thì vận tốc âm lại thay đổi một giá trị khác nhau, vận tốc âm bề mặt là vận tốc
71. 56 âm khởi tính cho chùm tia nên rất quan trọng trong việc xác định nó. Hình 3.11. Ảnh hưởng của vận tốc âm bề mặt và qua các lớp nước có vận tốc âm khác nhau [28] Để đảm bảo giảm thiểu ảnh hưởng của sai số vận tốc âm đến kết quả khảo sát bằng công nghệ đo sâu đa tia cần phải xây dựng quy trình lấy mẫu vận tốc âm theo độ chính xác yêu cầu và quy định tần xuất lấy mẫu vận tốc âm. 3.2.3. Quy trình đo thủy âm quét sườn (Side Scan Sonar - SSS) Trong quy trình được chia làm hai phần, phần ngoại nghiệp và nội nghiêp. Bắt đầu từ bước thiết kế, lập dự án, nhận yêu cầu về cung ứng dịch vụ quét bề mặt đáy biển (SSS), lập thiết kế đưa ra phương án lựa chọn thiết bị. Sau đó thiết kế đường khảo sát SSS và nhập các thông số SSS vào phần mềm. Sau khi hoàn tất các bước cần kiểm nghiệm thiết bị sử dụng cho hệ thống SSS theo thông tư 27/2011/TT-BTNMT. Hệ thống SSS được kiểm soát chất lượng bằng phần mềm và bằng dữ liệu hiển thị trực tiếp. Sau khi khảo sát xong tiến hành xử lý số liệu ngoại nghiệp, làm báo cáo và nộp sản phẩm. Sơ đồ quy trình đo thủy âm quét sườn được miêu tả dưới dạng sơ đồ như Hình 3.12.
72. 57 Hình 3.12. Quy trình khảo sát quét SSS [6] Hình 3.13. Ảnh hưởng của vận tốc âm tới các tia ngoài của quét bề mặt. Ảnh hưởng của sai số vận tốc âm tới kết quả khảo sát bằng thiết bị thủy âm quét sườn tương tự như trong công nghệ đo sâu đa tia. 3.2.4. Quy trình định vị thủy âm Quy trình định vị thủy âm được sử dụng từ những năm 2008 tại Trung tâm trắc địa và Bản đồ Biển. Tại thời điểm đó, quy trình được ứng dụng nhiều nhất trong công tác dịch dàn và thả chân đế. Để thực hiện công tác định vị thủy âm thực hiện theo quy trình như sau: Nhận yêu cầu về cung ứng dịch vụ định vị thủy âm, lập thiết kế đưa ra phương án lựa chọn thiết bị, thiết kế các đường chạy, vị trí cần định vị thủy âm, cài đặt thông số định vị thủy âm trong phần mềm chuyên ngành và kiểm nghiệm thiết bị theo thông tư 27/2011/TT-BTNMT. Sau đó thực hiện công tác định vị thủy âm theo đúng phương án đã lập, kiểm soát chất lượng số liệu và xử lý số liệu. Nộp báo cáo kết quả thực hiện công tác định vị thủy âm. Quy trình định vị thủy âm được thể hiện như Hình 3.14.
73. 58 Hình 3.14 Sơ đồ quy trình định vị thủy âm Hình 3.15. Sơ đồ kết nối thiết bị trong định vị thủy âm Trên Hình 3.15 là sơ đồ kết nối thiết bị định vị thủy âm, trong phần quy trình
74. 59 của định vị thủy âm và hiệu chỉnh cần phải xác định được giá trị vận tốc âm trong khu vực để đưa vào hiệu chỉnh kết quả định vị thủy âm. 3.3. Các yêu cầu về độ chính xác khảo sát thủy âm Trong các công tác đo đạc, khảo sát độ sâu đáy biển tại các vùng nước nông ven bờ phục vụ đảm bảo an toàn hàng hải, xây dựng công trình biển và nạo vét luồng lạch, cảng biển trên thế giới cũng đã có các tiêu chuẩn kỹ thuật đòi hỏi độ chính xác rất cao được đưa ra. Sau đây là một số điểm chính của các tiêu chuẩn quốc tế. 3.3.1. Tiêu chuẩn về độ chính xác của Tổ chức Thủy đạc Quốc tế (IHO) cho công tác khảo sát đáy biển Tổ chức Thủy đạc Quốc tế (IHO) là một tổ chức tư vấn và kỹ thuật liên chính phủ được thành lập năm 1921 để trợ giúp công tác an toàn hàng hải và đóng góp vào việc bảo vệ môi trường biển. Một trong những vai trò hàng đầu của IHO là thiết lập và duy trì các chuẩn thích hợp để hỗ trợ việc sử dụng đúng và có hiệu quả các dữ liệu và thông tin thủy đạc. Tổ chức này đã xây dựng các chuẩn và văn bản hướng dẫn để sử dụng trong cộng đồng rộng lớn của các nhà chuyên môn trong các lĩnh vực như: thủy đạc, thành lập hải đồ, an toàn dẫn đường hàng hải và các vấn đề liên quan [35]. Bảng 3.4. Các chuẩn cho khảo sát thủy đạc (Theo S-44 của IHO) Hạng đặc Hạng 1a Hạng 1b Hạng 2 biệt Miêu tả các Các vùng Các vùng Các vùng nông Các vùng sâu vùng biển mà tĩnh nông hơn hơn 100 m nơi hơn 100 m nơi không thân 100 m nơi tĩnh không thân chỉ cần miêu tàu có tính tĩnh không tàu không thành tả khái quát quyết định thân tàu ít có vấn đề cho tàu đáy biển là đủ tính quyết thuyền qua lại định nhưng
75. 60 có thể có các vật thể mà tàu thuyền qua lại cần quan tâm Hạn sai về mặt bằng THU, mức 5 m + 5% độ 20 m + 10% 2 m 5 m + 5% độ sâu (hay hệ số) tin sâu độ sâu cậy 95% Hạn sai về độ sâu TVU, mức a = 0,25 m a = 0,5 m a = 0,5 m a = 1,0 m (hay hệ số) tin b = 0,0075 b = 0,013 b = 0,013 b = 0,023 cậy 95% Quét toàn bộ đáy Không yêu Có yêu cầu Có yêu cầu Không yêu cầu biển cầu Phát hiện vật thể Các vật thể Các vật thể Không cần Không cần hình khối > hình khối > 2 1m m, tại các độ sâu tới 40 m; 10% độ sâu khi độ sâu lớn hơn 40m Giãn cách tuyến Không định Không định 3 × độ sâu trung 4 × độ sâu đo tối đa rõ vì có yêu rõ vì có yêu bình hoặc 25 m trung bình cầu thăm dò cầu thăm dò lấy giá trị nào toàn bộ đáy toàn bộ đáy lớn hơn. Cho biển biển LiDAR đo sâu khoảng cách giữa các điểm