›

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

pdf 254 trang yendo 5790
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Nghiên cứu ứng dụng một số cảm biến siêu âm để thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện, đo đạc các tham số vật bay trên không và thiết bị truyền tin dưới nước phục vụ kinh tế - xã hội, an ninh - quốc phòng - Quyển II: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị độ ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfnghien_cuu_ung_dung_mot_so_cam_bien_sieu_am_de_thiet_ke_che.pdf

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

  1. Bé quèc phßng trung t©m khoa häc kü thuËt & c«ng nghÖ qu©n sù b¸o c¸o tæng kÕt khoa häc vµ kü thuËt §Ò tµi: "Nghiªn cøu øng dông mét sè c¶m biÕn siªu ©m ®Ó thiÕt kÕ chÕ t¹o hÖ thèng ph¸t hiÖn, ®o ®¹c c¸c tham sè vËt bay trªn kh«ng vµ thiÕt bÞ truyÒn tin d−íi n−íc phôc vô kinh tÕ - x∙ héi, an ninh - quèc phßng" M∙ sè: KC.01.24 QuyÓn II Nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o ThiÕt bÞ ®o ®é chôm ®¹n ph¸o phßng kh«ng Chñ nhiÖm ®Ò tµi: §¹i t¸-PGS.TS. B¹ch NhËt Hång 6213-1 25/11/2006 Hµ néi, 5-2006
  2. Môc lôc Ch−¬ng 1. mét sè kh¸i niÖm vÒ sãng ©m vµ kh¶ n¨ng øng dông 1 Ch−¬ng 2. Lý thuyÕt vÒ c¸c d¹ng sãng h×nh thµnh khi b¾n ph¸o 7 2.1. C¸c sãng h×nh thµnh khi b¾n ph¸o 7 2.2. Sù h×nh thµnh vµ c¸c ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn sãng va ®Ëp 9 2.3. Sù lan truyÒn cña sãng va ®Ëp 15 2.4. ¶nh h−ëng cña m«i tr−êng ®Õn sù lan truyÒn sãng va ®Ëp 19 Ch−¬ng 3. Kh¶o s¸t c¸c ®Æc tr−ng cña sãng va ®Ëp 23 3.1. C¸c kh¶o s¸t tiÕn hµnh víi sóng bé binh 24 3.2. Kh¶o s¸t nhiÔu cña tiÕng næ ®éng c¬ 33 3.3. C¸c kh¶o s¸t tiÕn hµnh víi ph¸o phßng kh«ng 36 3.4. Mét sè kÕt luËn 40 Ch−¬ng 4. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ thèng 41 4.1. C¸c yªu cÇu ®Æt ra cña hÖ thèng 41 4.2. S¬ ®å khèi vµ nguyªn lý lµm viÖc chung 43 4.3. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o tr¹m trªn kh«ng 45 4.3.1. ChÕ t¹o ®Çu thu 46 4.3.2. Khèi xö lý tÝn hiÖu 49 4.3.2.1. Xö lý tÝn hiÖu t−¬ng tù 49 4.3.2.2. Xö lý tÝn hiÖu sè 50 4.3.3. §−êng truyÒn d÷ liÖu 55 4.3.3.1. Bé ®Öm vµ ®iÒu khiÓn ph¸t 56 4.3.3.2. Modem thu ph¸t 61 4.3.3.3. ThiÕt bÞ thu ph¸t v« tuyÕn ®iÖn 72 4.4. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o tr¹m mÆt ®Êt 73 4.4.1. Modem thu nhËn d÷ liÖu 74 4.4.2. PhÇn mÒm qu¶n lý vµ hiÓn thÞ kÕt qu¶ 75 4.4.3. ThiÕt bÞ ®o tham sè khÝ t−îng. 77 4.5. KiÓm tra ®¸nh gi¸ ho¹t ®éng cña thiÕt bÞ 86 Lêi c¶m ¬n 90 tµi liÖu tham kh¶o 91 Phô lôc
  3. Phô lôc A: Mét sè h×nh ¶nh vÒ thiÕt bÞ vµ ho¹t ®éng thö nghiÖm. Phô lôc B: Mét sè ®Æc tr−ng cña c¸c linh kiÖn chÝnh dïng trong thiÕt bÞ. Phô lôc C: C¸c b¶n vÏ c¬ khÝ cña hÖ thèng thiÕt bÞ. Phô lôc D: Mét sè ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm cña hÖ thèng. Phô lôc E: TÝnh n¨ng kü thuËt hÖ thèng MAE-15M cña SECAPEM do Céng hoµ Ph¸p s¶n xuÊt.
  4. ch−¬ng 1 Mét sè kh¸i niÖm vÒ sãng ¢m vµ kh¶ n¨ng øng dông Trong thiªn nhiªn tån t¹i hai d¹ng sãng c¬ b¶n lan truyÒn ®−îc trong kh«ng gian ®ã lµ sãng ®iÖn tõ vµ sãng ®µn håi. Sãng lµ qu¸ tr×nh thay ®æi tr¹ng th¸i cña m«i tr−êng trong kh«ng gian vµ thêi gian theo chu kú nhÊt ®Þnh. §iÓm kh¸c biÖt c¬ b¶n cña hai d¹ng sãng nµy nh− sau: §Ó lan truyÒn sãng ®iÖn tõ kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i cã liªn hÖ ®µn håi gi÷a c¸c h¹t vËt chÊt. Trong khi ®ã sù lan truyÒn cña sãng ®µn håi phô thuéc vµo tÝnh chÊt ®µn håi cña m«i tr−êng. Tai ng−êi cã thÓ c¶m nhËn ®−îc dao ®éng ®µn håi trong d¶i tÇn sè ®ñ thÊp kho¶ng tõ 16 Hz ®Õn 16 Khz. D¶i tÇn sè nµy ®−îc gäi lµ d¶i nghe thÊy. Tr−íc ®©y, ng−êi ta chØ biÕt d¶i tÇn nµy nªn tÊt c¶ c¸c nghiªn cøu th−êng tËp trung ë ®©y. Sau nµy, ng−êi ta ph¸t hiÖn ra c¸c d¶i dao ®éng d−íi vµ trªn d¶i nghe thÊy vµ cã thÓ chia sãng ©m ra c¸c d¶i sãng nh− sau: - D¶i h¹ ©m, cã tÇn sè d−íi 16 Hz. - D¶i ©m nghe thÊy, cã tÇn sè tõ 16 Hz ®Õn 16 Khz. - D¶i siªu ©m cã tÇn sè tõ 16 Khz ®Õn 10 Ghz. - D¶i trªn siªu ©m cã tÇn sè trªn 10 Ghz. H¹ ©m chiÕm vïng dao ®éng kh«ng nghe thÊy rÊt thÊp. VÝ dô nh− dao ®éng sinh ra do ®éng ®Êt, cã tªn gäi kh¸c lµ chÊn ®éng. Siªu ©m chiÕm vïng tÇn sè 16 Khz ®Õn 10 Ghz lµ d¶i dao ®éng cã thÓ ghi nhËn ®−îc b»ng nh÷ng thiÕt bÞ c«ng nghÖ hiÖn ®¹i hiÖn nay. D¶i trªn siªu ©m cã tÇn sè trªn 10 Ghz hiÖn nay vÉn ch−a cã thiÕt bÞ cã thÓ ghi nhËn ®−îc, do khã kh¨n vÒ c«ng nghÖ vµ kü thuËt. D¶i dao ®éng nµy n»m trong d¶i tÇn sè dao ®éng nhiÖt cña ph©n tö trong vËt chÊt. C¸c dao ®éng ®µn håi ®Òu gi÷ nguyªn tÝnh chÊt vËt lý trong toµn bé d¶i tÇn, chØ kh¸c nhau ë chç nghe thÊy vµ kh«ng nghe thÊy mµ th«i. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ bøc x¹ vµ lan truyÒn sãng ®µn håi ®−îc tu©n theo cïng quy luËt sãng ©m, nÕu nh− biªn ®é dao ®éng nhá so víi b−íc sãng th× tÊt c¶ c¸c hiÖn t−îng ®Òu x¶y ra nh− nhau. 1
  5. Còng nh− trong dao ®éng sãng ®iÖn tõ, trong dao ®éng ®µn håi còng cã nh÷ng kh¸i niÖm chu kú, tÇn sè, vËn tèc sãng,v.v Trong m«i tr−êng khÝ vµ chÊt láng, sãng ©m thanh ®−îc lan truyÒn nh− sãng ¸p suÊt vµ c¸c h¹t chuyÓn ®éng däc theo h−íng truyÒn sãng. Do ®ã trong c¸c m«i tr−êng nµy chØ cã sãng däc ®−îc lan truyÒn. §iÒu nµy ng−îc l¹i víi sãng ®iÖn tõ lµ trong c¸c m«i tr−êng nµy, chñ yÕu lan truyÒn sãng ngang. VËn tèc truyÒn sãng ©m thanh kh¸c víi vËn tèc lan truyÒn sãng ®iÖn tõ. T−¬ng øng víi mçi m«i tr−êng kh¸c nhau, vËn tèc ©m còng kh¸c nhau. - Trong kh«ng khÝ, vËn tèc ©m xÊp xØ 330 m/s - Trong n−íc, vËn tèc ©m xÊp xØ 1450 m/s - Trong s¾t, vËn tèc ©m xÊp xØ 5000 m/s Trong sãng ©m thanh tån t¹i ba d¹ng sãng lan truyÒn lµ sãng cÇu, sãng trô vµ sãng ph¼ng. ë cù ly lín tõ nguån sãng th× sãng trô vµ sãng cÇu cã thÓ xem gÇn ®óng nh− sãng ph¼ng. Nh− ®· thÊy, sãng ©m thanh chÝnh lµ sãng däc trôc, tøc lµ h−íng dao ®éng vµ h−íng truyÒn sãng trïng nhau. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ sãng ©m trong chÊt khÝ vµ chÊt láng lµ lo¹i sãng d·n në. Trong chÊt r¾n cã thÓ cã nh÷ng lo¹i sãng kh¸c lan truyÒn vÝ dô nh− sãng ngang, sãng co d·n do chóng cã tÝnh chÊt ®µn håi h×nh d¹ng, mµ chÊt khÝ vµ chÊt láng kh«ng cã. Phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña dao ®éng, h×nh d¹ng cña vËt thÓ vµ kÝch th−íc so víi b−íc sãng sÏ xuÊt hiÖn c¸c lo¹i sãng t−¬ng øng. Trong mét ®iÒu kiÖn cô thÓ, cã thÓ tån t¹i nhiÒu lo¹i sãng. D−íi ®©y liÖt kª mét sè lo¹i sãng c¬ b¶n: - Sãng thuÇn däc trôc trong kh«ng gian v« h¹n - Sãng thuÇn ngang - Sãng bÞ uèn cong trong m«i tr−êng - Sãng lín trong m«i tr−êng giíi h¹n mét mÆt - Sãng mÆt trong m«i tr−êng giíi h¹n mét mÆt - Sãng däc xuyªn t©m trong m«i tr−êng giíi h¹n mét trong hai phÝa. Khi lan truyÒn sãng ©m d¹ng cÇu, c¸c ®¹i l−îng nh− vËn tèc, ¸p suÊt dÞch chuyÓn vµ gia tèc bÞ thay ®æi tØ lÖ nghÞch víi b¸n kÝnh. Cßn c−êng ®é th× tØ lÖ nghÞch víi b×nh ph−¬ng b¸n kÝnh. §©y lµ kÕt luËn rÊt quan träng khi nghiªn cøu lan truyÒn 2
  6. sãng ©m trong c¸c m«i tr−êng kh¸c nhau. §èi víi sãng ©m ph¼ng th× ®iÒu ®ã kh«ng x¶y ra v× khi rêi xa nguån ph¸t, n¨ng l−îng ®−îc ph©n bè theo bÒ mÆt ë mäi thêi ®iÓm lµ b»ng nhau. Dùa trªn c¬ së nµy, trong m«i tr−êng kh«ng giíi h¹n theo h−íng lan truyÒn, sãng ph¼ng d−êng nh− lan truyÒn xa v« h¹n kh«ng tæn hao, nh−ng ®iÒu ®ã lµ kh«ng thÓ tån t¹i. Mét m«i tr−êng bÊt kú ®Òu cã tiªu hao mét phÇn n¨ng l−îng ©m thanh b»ng c¸ch chuyÓn thµnh nhiÖt n¨ng hoÆc lµm thay ®æi cÊu tróc vËt chÊt mµ kh«ng lan truyÒn tiÕp theo. V× vËy n¨ng l−îng vµ c−êng ®é sãng bÞ suy gi¶m khi t¨ng kho¶ng c¸ch lan truyÒn. §iÒu nµy ®óng c¶ cho sãng ph¼ng, sãng trô vµ sãng cÇu. Biªn ®é dÞch chuyÓn ©m trong sãng ph¼ng trªn kho¶ng c¸ch tû lÖ nghÞch víi kho¶ng c¸ch theo quy luËt hµm mò gi¶m (chØ sè ©m) cßn c−êng ®é ©m phô thuéc vµo b×nh ph−¬ng biªn ®é. ChØ sè ©m cña hµm mò cho thÊy suy gi¶m chØ x¶y ra nh− nhau trªn nh÷ng ®o¹n ®−êng b»ng nhau. Suy gi¶m sãng ©m kh«ng chØ phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña m«i tr−êng mµ cßn phô thuéc vµo tÇn sè ©m. Toµn bé c¸c qu¸ tr×nh ©m häc ®Òu liªn quan chÆt chÏ víi vËt chÊt mµ sãng ©m truyÒn trong ®ã. §−êng ®i cña sãng ©m phô thuéc vµo d¹ng cña m«i tr−êng vµ tÝnh chÊt ©m häc cña nã. C¸c quy luËt ph¶n x¹, khóc x¹, t¸n x¹ sãng ©m còng t−¬ng tù nh− sãng ¸nh s¸ng. M«i tr−êng truyÒn ©m cã thÓ lµ chÊt r¾n, chÊt láng hay chÊt khÝ. C¸c ®Æc tr−ng ©m häc c¬ b¶n cña vËt chÊt lµ vËn tèc (x¸c ®Þnh dùa trªn mËt ®é vµ tÝnh ®µn håi cña m«i tr−êng ), ®iÖn trë sãng riªng (tÝch cña mËt ®é m«i tr−êng vµ vËn tèc ©m) vµ hÖ sè suy gi¶m ©m. Do c¸c ®¹i l−îng nµy kh¸c nhau nhiÒu trong c¸c m«i tr−êng kÓ trªn mµ ®Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m còng rÊt kh¸c nhau. Ng−êi ta ph©n biÖt nghiªn cøu lan truyÒn sãng ©m theo c¸c m«i tr−êng truyÒn ©m riªng biÖt (láng, khÝ, r¾n). VËn tèc lan truyÒn sãng ©m chÝnh lµ vËn tèc lan truyÒn sãng ®µn håi, chÝnh x¸c h¬n lµ vËn tèc lan truyÒn mét pha nµo ®ã cña dao ®éng, vÝ dô nh− biªn ®é dÞch chuyÓn. V× vËy, nã chÝnh x¸c lµ vËn tèc pha. Ngoµi vËn tèc pha cßn ®−a vµo vËn tèc mÆt ®Çu sãng vµ vËn tèc nhãm (thay ®æi bã sãng). NÕu m«i tr−êng lµ kh«ng t¸n s¾c th× tÊt c¶ c¸c vËn tèc nµy lµ b»ng nhau vµ nãi chung lµ kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè. 3
  7. Sù suy gi¶m sãng ©m khi lan truyÒn trong m«i tr−êng ®· cho, do cã phÇn n¨ng l−îng chuyÓn thµnh nhiÖt, mét phÇn ®Ó lµm biÕn d¹ng vËt chÊt hoÆc lµ t¸n x¹ do tÝnh chÊt bÊt ®ång nhÊt cña m«i tr−êng. Gi¸ trÞ suy hao ë nh÷ng vËt chÊt kh¸c nhau lµ kh¸c nhau. Nã phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña vËt chÊt vµ vµo tÇn sè ©m. B»ng lý thuyÕt, ng−êi ta ®· chøng minh ®−îc r»ng tiªu hao sãng ©m tû lÖ víi b×nh ph−¬ng tÇn sè. Nh−ng trong thùc tÕ cã nh÷ng tÇn sè tiªu hao tû lÖ víi tÇn sè theo quy luËt tuyÕn tÝnh. Sãng ©m ®−îc bøc x¹ bëi mét nguån ©m ph©n bè trong kh«ng gian bao quanh nguån ©m. Tr−êng ©m thanh lµ vïng chøa sãng ©m. Ta h·y xem c¸c ®¹i l−îng ®Æc tr−ng cho h×nh d¹ng h×nh häc cña tr−êng ©m thanh vµ ®é kÐo dµi cña nã trong kh«ng gian. Tr−êng sãng ©m ®−îc x¸c ®Þnh b»ng lý thuyÕt chØ cho kÕt qu¶ gÇn ®óng. §Ó x¸c ®Þnh chÝnh x¸c h×nh d¹ng tr−êng sãng ©m chØ cã thÓ b»ng thùc nghiÖm. §Æc tr−ng quan träng nhÊt cña tr−êng sãng ©m lµ tÝnh chÊt h−íng, nã x¸c ®Þnh giíi h¹n h×nh häc cña tr−êng ©m vµ ph©n bè n¨ng l−îng trong tr−êng. §Æc tr−ng h−íng ®−îc x¸c ®Þnh bëi tû sè kÝch th−íc cña chÊn tö bøc x¹ so víi b−íc sãng vµ h×nh d¹ng cña nã. Tuú thuéc vµo h×nh d¹ng cña chÊn tö ph¸t x¹ ©m mµ cã ®−îc c¸c lo¹i sãng cÇu, trô, ph¼ng. Trong d¶i siªu ©m, do b−íc sãng nhá, ng−êi ta th−êng sö dông chÊn tö bøc x¹ ©m d−íi d¹ng vËt r¾n bøc x¹ trªn bÒ mÆt vÒ mét phÝa hoÆc c¶ hai phÝa, ®ã lµ nh÷ng vËt liÖu ¸p ®iÖn. NÕu kÝch th−íc bÒ mÆt cña mét chÊn tö nhá so víi b−íc sãng th× cã thÓ xem nh− mét nguån ®iÓm bøc x¹ trong mét gãc khèi 1800 vµ mÆt ®Çu sãng cã d¹ng nöa h×nh cÇu. Khi kÝch th−íc ngang cña chÊn tö t¨ng lín h¬n b−íc sãng th× gãc khèi kh«ng gian sÏ hÑp dÇn. Nghiªn cøu d¹ng tr−êng sãng ©m, ng−êi ta nhËn thÊy r»ng tr−êng sãng ©m ®−îc t¹o nªn bëi chÊn tö cã kÝch th−íc ngang lín h¬n b−íc sãng sÏ cã phÇn h×nh chãp ph©n kú kh«ng ph¶i b¾t ®Çu ngay taÞ mÆt chÊn tö mµ trªn mét kho¶ng c¸ch nµo ®ã. GÇn chÊn tö, d¹ng tr−êng cã d¹ng h×nh trô. Vïng nµy ®−îc gäi lµ vïng gÇn hay vïng Frenel. Vïng mµ b¾t ®Çu tr−êng ph©n kú gäi lµ vïng xa hay vïng Fraunfer. Nh÷ng kh¸i niÖm nµy, còng gièng nh− trong tr−êng ®iÖn tõ. 4
  8. Kho¶ng c¸ch quy ®Þnh vïng gÇn vµ vïng xa ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: D 2 − λ2 D 2 − λ Z = ≈ 0 4.λ 4.λ Gãc më cña h×nh chãp ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau: - §èi víi chÊn tö mÆt h×nh trßn: λ α = arcsin(1,22 ) D - §èi víi chÊn tö mÆt h×nh vu«ng: λ α = arcsin(1,22 ) A Trong ®ã A lµ chiÒu dµi c¹nh cña chÊn tö. Trong sãng ©m thanh, mét d¶i sãng ®−îc ®Æc biÖt chó ý, ®ã lµ siªu ©m, do nh÷ng tÝnh chÊt −u viÖt cña d¶i sãng nµy. §ã lµ b−íc sãng nhá vµ biªn ®é sãng h÷u h¹n. C¸c quy luËt bøc x¹ vµ lan truyÒn sãng siªu ©m rÊt gièng víi c¸c quy luËt quang häc. Trong d¶i sãng nµy còng cã mét lo¹t tÝnh chÊt míi mµ kh«ng cã trong d¶i ©m nghe thÊy. Do cã b−íc sãng nhá mµ siªu ©m th−êng ®−îc dïng trong c¸c kü thuËt ®o ®¹c, c¸c thiÕt bÞ thu ph¸t sãng siªu ©m sÏ dÔ dµng ®¹t ®−îc ®Þnh h−íng lín nh»m tËp trung n¨ng l−îng vµo mét h−íng hÑp, kÐo dµi b¸n kÝnh ho¹t ®éng cña sãng ©m b»ng c¸c vËt ph¶n x¹, khóc x¹ sãng nh− trong kü thuËt anten sãng ®iÖn tõ §Ó biÕn ®æi sãng ©m thµnh ®¹i l−îng ®iÖn ng−êi ta sö dông c¸c lo¹i ®Çu c¶m biÕn ©m vµ siªu ©m. C¸c lo¹i ®Çu c¶m biÕn th−êng dïng lµ: - C¸c chÊn tö lo¹i ¸p ®iÖn: Ng−êi ta sö dông hiÖu øng ¸p ®iÖn ng−îc cña c¸c vËt liÖu nh− th¹ch anh, titanatbari, segnhet C¸c c¶m biÕn lo¹i nµy ®−îc dïng trong d¶i siªu ©m. §Ó bøc x¹ c«ng suÊt ©m lín hoÆc thu ®Þnh h−íng sãng siªu ©m, ng−êi ta cã thÓ ghÐp nèi tiÕp hoÆc song song mét sè l−îng theo yªu cÇu c¸c ®Çu c¶m biÕn riªng biÖt theo mét kh«ng gian nhÊt ®Þnh. - C¸c ®Çu c¶m biÕn lo¹i tõ gi¶o dùa vµo sù biÕn d¹ng cña c¸c thanh vËt liÖu tõ khi ®Æt däc trong tõ tr−êng. 5
  9. - C¸c ®Çu c¶m øng ®iÖn ®éng dïng cuén d©y ®iÖn ®éng ®Æt trong mét khe tõ tr−êng th−êng ®−îc dïng trong d¶i ©m nghe thÊy víi −u ®iÓm lµ d¶i th«ng réng, vÝ dô nh− c¸c microphone, loa, tai nghe Víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt, c¸c ®Çu c¶m biÕn siªu ©m ®−îc øng dông hiÖu qu¶ vµo tÊt c¶ c¸c ngµnh khoa häc kü thuËt vµ c«ng nghÖ trong ®êi sèng d©n sinh còng nh− trong quèc phßng. §Æc biÖt cã hiÖu qu¶ lµ trong kü thuËt ®o ®¹c, x¸c ®Þnh ®èi t−îng trªn kh«ng vµ d−íi n−íc. C¸c c¶m biÕn ©m vµ siªu ©m ®−îc dïng ®Ó biÕn ®æi nh÷ng ®¹i l−îng sãng ©m thµnh ®¹i l−îng ®iÖn ®Ó phôc vô cho nh÷ng thiÕt bÞ ®o l−êng ®iÖn tö ®o c¸c môc tiªu ph¸t ra sãng ©m nh− tªn löa, m¸y bay, ®¹n, m×n Trong m«i tr−êng n−íc, c¶m biÕn duy nhÊt ®−îc dïng lµ ©m vµ siªu ©m do sãng ®iÖn tõ sÏ bÞ suy gi¶m rÊt nhanh khi truyÒn trong m«i tr−êng n−íc. Trong m«i tr−êng n−íc, c¸c c¶m biÕn ®−îc dïng trong th«ng tin liªn l¹c d−íi n−íc gi÷a c¸c thî lÆn víi nhau hoÆc thî lÆn víi trung t©m chØ huy trªn tµu hoÆc tµu ngÇm. C¸c hÖ thèng cøu hé s«ng biÓn ®· triÓn khai nh÷ng hÖ thèng c¶m biÕn ©m vµ siªu ©m rÊt phøc t¹p trªn ph¹m vi lín. HÖ thèng nµy còng cã thÓ phôc vô c¶nh giíi x©m nhËp cña tµu ngÇm, ph¸t hiÖn c¸c vËt b¬i d−íi n−íc nh− ng− l«i, ®µn c¸ v.v Sù lan truyÒn sãng ©m trong chÊt r¾n ®−îc sö dông ®o ®¹c ®é khuyÕt tËt cña vËt liÖu nh− c¸c kÕt cÊu s¾t, thÐp, bª-t«ng, c¸c c¶m biÕn ®−îc dïng ®Ó ph¸t x¹ sãng siªu ©m vµ thu håi sãng ph¶n x¹ biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn cho thiÕt bÞ ®o. Trong y häc, ng−êi ta sö dông c¸c m¸y trÞ liÖu siªu ©m, m¸y soi siªu ©m ®Ó ph¸t hiÖn vµ ®iÒu trÞ mét sè lo¹i bÖnh cho con ng−êi vµ ®éng thùc vËt. Tãm l¹i, ©m thanh lµ d¶i sãng ®−îc khai th¸c sö dông hiÖu qu¶ trong mäi lÜnh vùc khoa häc phôc vô ®êi sèng kinh tÕ quèc d©n, quèc phßng. Th©m chÝ ë mét sè lÜnh vùc sãng ©m ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh trong viÖc gi¶i quyÕt c¸c nhiÖm vô kü thuËt dÆt ra, mµ c¸c lo¹i h×nh sãng kh¸c kh«ng thÓ ®¸p øng.V× vËy n¾m ch¾c vµ lµm chñ kü thuËt chuyÓn ®æi sãng ©m , lan truyÒn sãng ©m vµ kh¶ n¨ng øng dông hiÖu qu¶ c¸c c¶m biÕn ©m vµ siªu ©m lµ mét nhiÖm vô quan träng trong bèi c¶nh ph¸t triÓn khoa häc c«ng nghÖ nãi chung cña ®Êt n−íc. 6
  10. Ch−¬ng 2 Lý thuyÕt vÒ c¸c d¹ng sãng h×nh thµnh khi b¾n ph¸o 2.1 C¸c sãng ©m xuÊt hiÖn khi b¾n. Qu¸ tr×nh b¾n ph¸o sÏ h×nh thµnh c¸c lo¹i sãng sau: Sãng næ ®Çu nßng, sãng va ®Ëp khi viªn ®¹n bay trong kh«ng khÝ, tiÕng ®¹n ch¹m môc tiªu vµ tiÕng næ cña ®Çu ®¹n. Dao ®éng g©y ra c¸c lo¹i sãng nµy lµ c¸c dao ®éng phøc t¹p, ®−îc h×nh thµnh tõ ®ång thêi mét lo¹t c¸c chuyÓn dÞch dao ®éng ®¬n gi¶n cã biªn ®é vµ tÇn sè kh¸c nhau, tøc c¸c sãng nµy cã phæ phøc t¹p. a) TiÕng næ ®Çu nßng. Khi b¾n, ®Çu ®¹n bÞ l−îng khÝ t¹o thµnh do thuèc sóng ch¸y nhanh, ®¹t ®Õn ¸p suÊt lín (trªn 3000 atmotphe), ®Èy ra khái nßng ph¸o. C¸c khÝ nµy dån theo ®Çu ®¹n vµ khi ra khái nßng ph¸o, chóng ®Èy c¸c phÇn tö khÝ ë phÝa tr−íc nßng ph¸o, g©y ra sù t¨ng mËt ®é. C¸c khÝ thuèc phôt ra khái nßng ph¸o chøa c¸c s¶n phÈm ch−a ch¸y hÕt cã nhiÖt ®é rÊt cao, kÕt hîp víi oxy ngoµi kh«ng khÝ t¹o thµnh hçn hîp næ, g©y næ ë ®Çu nßng ph¸o. C¸c dao ®éng lín nhÊt cña tiÕng næ ®Çu nßng tËp trung ë vïng tÇn sè thÊp. Sãng næ ®Çu nßng cã d¹ng h×nh cÇu, t©m cña nã n»m kho¶ng 2-5 m phÝa tr−íc nßng ph¸o. H×nh 2.1. Sãng næ ®Çu nßng vµ sãng hµnh H×nh 2.2. B¨ng ghi sãng næ ®Çu nßng tr×nh khi ®¹n bay khái nßng ph¸o 7
  11. Kho¶ng c¸ch truyÒn lan cña sãng næ ®Çu nßng phô thuéc vµo cì ph¸o, träng l−îng ®¹n vµ tr¹ng th¸i khÝ quyÓn. Trong cïng mét ®iÒu kiÖn thêi tiÕt, sãng næ ®Çu nßng lan truyÒn cµng xa khi kÝch th−íc viªn ®¹n cµng lín. Biªn ®é, ¸p suÊt cña sãng næ ®Çu nßng phÝa tr−íc ph¸o lín h¬n mét vµi lÇn so víi biªn ®é ¸p suÊt sãng næ ®Çu nßng phÝa sau ph¸o. N¨ng l−îng cña sãng næ ®Çu nßng lín nhÊt vµ lan truyÒn ®−îc xa nhÊt trªn h−íng b¾n. Sãng næ ®Çu nßng mang th«ng tin vÒ h−íng vµ kho¶ng c¸ch cña ho¶ lùc ®Õn môc tiªu. Do ®ã, trong qu©n sù, sãng næ ®Çu nßng ®−îc sö dông ®Ó ®Þnh vÞ ho¶ lùc ®èi ph−¬ng. b) Sãng va ®Ëp (Hay cßn gäi lµ sãng hµnh tr×nh). Sãng va ®Ëp xu©t hiÖn lóc ®¹n bay khi vËn tèc bay cña ®¹n lín h¬n vËn tèc ©m thanh. Khi viªn ®¹n bay víi tèc ®é v−ît trªn tèc ®é ©m sÏ nÐn c¸c phÇn tö kh«ng khÝ trªn ®−êng ®i cña chóng t¹o ra qu¸ tr×nh dao ®éng. C¸c dao déng nµy ®−îc gäi lµ sãng va ®Ëp hay sãng hµnh tr×nh, chóng mang th«ng tin vÒ quü ®¹o chuyÓn ®éng vµ vÞ trÝ cña viªn ®¹n so víi ®iÓm quan s¸t. Sãng va ®Ëp ®−îc øng dông nhiÒu trong thùc tÕ nh−: x¸c ®Þnh quü ®¹o chuyÓn ®éng cña viªn ®¹n, nhËn d¹ng vµ ®Þnh vÞ ho¶ lùc cña ®èi ph−¬ng, §Ó ®o vµ tÝnh to¸n ®é chôm cña ®¹n ph¸o phßng kh«ng, ®Ò tµi sö dông biÖn ph¸p thu ghi tÝn hiÖu sãng va ®Ëp t¹o ra khi ®Çu ®¹n bay qua ®Çu thu, b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p xö lÝ t−¬ng tù vµ xö lý sè tÝn hiÖu thu ®−îc ®Ó x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch gÇn nhÊt tõ quü ®¹o cña ®¹n ®Õn ®Çu thu. c) Sãng ch¹m môc tiªu vµ tiÐng næ ®Çu ®¹n. Sãng ch¹m môc tiªu vµ tiÕng næ cña ®Çu ®¹n h×nh thµnh khi ®Çu ®¹n ch¹m môc tiªu vµ næ. Th−êng c¸c sãng nµy cã tÇn sè thÊp. C−êng ®é cña nã phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña ®Çu ®¹n vµ môc tiªu. C¸c lo¹i ph¸o phßng kh«ng th−êng sö dông ®Çu ®¹n ch¹m næ nªn khi tróng môc tiªu sÏ t¹o ra tiÕng næ cña ®Çu ®¹n. C¸c lo¹i ph¸o phßng kh«ng sö dông ®Çu ®¹n kh«ng cã ngßi næ (nh− 14,5mm, 12,7mm) khi b¾n tróng môc tiªu chØ xuÊt hiÖn sãng ch¹m môc tiªu cña ®Çu ®¹n. Sãng ch¹m môc tiªu th−êng cã biªn ®é rÊt nhá suy gi¶m nhanh khi lan truyÒn trong m«i tr−êng kh«ng khÝ. TiÕng næ ®Çu ®¹n cã c−êng ®é lín h¬n vµ lan truyÒn ®−îc xa h¬n. Víi ®¹n ph¸o 37 mm, tiÕng næ ®Çu ®¹n cã thÓ lan truyÒn ®−îc vµi km. 8
  12. Trong thùc tÕ tiÕng næ ®Çu ®¹n kh«ng mang th«ng tin vÒ quü ®¹o còng nh− ®é chÝnh x¸c cña ph¸t b¾n v× ®¹n ph¸o phßng kh«ng cã ngßi næ sÏ tù næ (huû) ngay c¶ khi kh«ng tróng môc tiªu. 2.2 Sù h×nh thµnh vµ c¸c ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn sãng va ®Ëp. Khi viªn ®¹n chuyÓn ®éng trong kh«ng khÝ sÏ nÐn c¸c phÇn tö kh«ng khÝ trªn ®−êng ®i cña chóng t¹o ra c¸c dao ®éng. C¸c dao ®éng cña c¸c phÇn tö kh«ng khÝ bÞ nÐn khi viªn ®¹n chuyÓn ®éng ®−îc m« t¶ gièng nh− mét dßng ch¶y khÝ nÐn, do ®ã chóng tu©n theo c¸c nguyªn t¾c nhiÖt ®éng häc chÊt khÝ. C¸c ph−¬ng tr×nh ®éng häc chÊt khÝ cã d¹ng sau: ∂ρ + ∇.(ρv) = 0 (2-1) ∂t ∂(ρv) + ∇ ⋅ (Pg + ρv ⊗ v − 2ησ −ζθg) = ρg (2-2) ∂t ∂ ⎡ 1 ⎤ ⎡ 1 ⎤ ( v 2 + u + φ)ρ + ∇ ⋅ ( v 2 + h + φ)ρv − 2ησ ⋅ v −ζθv = 0 (2-3) ∂t ⎣⎢ 2 ⎦⎥ ⎣⎢ 2 ⎦⎥ ∂(ρs) 2ησ :σ + ζθ 2 + ∇ ⋅ (ρsv) = (2-4) t T Trong c¸c ph−¬ng tr×nh trªn, (2-1) lµ ph−¬ng tr×nh b¶o toµn khèi l−îng tæng, (2- 2) lµ ph−¬ng tr×nh b¶o toµn m« men tæng, (2-3) lµ ph−¬ng tr×nh b¶o toµn n¨ng l−îng tæng vµ (2-4) miªu t¶ sù biÕn ®æi cña entr«pi, vÕ ph¶i cña (2-4) cho thÊy tèc ®é t¨ng cña entr«pi. Ph−¬ng tr×nh (2-4) kh«ng phô thuéc vµo c¸c ph−¬ng tr×nh trªn vµ c¸c quy luËt nhiÖt ®éng lùc häc. Trong thùc tÕ, ng−êi ta th−êng sö dông ph−¬ng tr×nh (2-4) thay cho ph−¬ng tr×nh b¶o toµn n¨ng l−îng (2-3). dζ ζ v: lµ tèc ®é cña viªn ®¹n (v = dt ) : ®é dÞch chuyÓn cña viªn ®¹n ρ : mËt ®é kh«ng khÝ P: ¸p suÊt. u: n¨ng l−îng trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng s: entropi trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng η : hÖ sè tr−ît. h: entanpi trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng (h = u + P/ ρ ) σ σ = dΣ σ σ σ σ ij : tèc ®é tr−ît ®èi xøng dt , : lµ c¸ch viÕt gän cña ij θ : tèc ®é gi·n në. T: nhiÖt ®é K 9
  13. φ : hiÖu thÕ hÊp dÉn Newton. C¸c ph−¬ng tr×nh trªn ®−îc bæ xung cho ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cã d¹ng P(ρ,T) hoÆc P(ρ, s) . §Ó ®¬n gi¶n, xÐt ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cho khÝ lý t−ëng trong qu¸ tr×nh ®o¹n nhiÖt cã d¹ng nh− sau: P = K(s)ρ γ (2-5) Trong ®ã K(s) lµ mét hµm cña entropi trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng s. Hµm nµy kh«ng thay ®æi trong c¶ qu¸ tr×nh ®o¹n nhiÖt nh−ng thay ®æi gi÷a c¸c mÆt sãng do sù t¨ng entropi trong mét mÆt sãng. Gi¸ trÞ cña γ phô thuéc vµo nhiÖt ®é néi t¹i cña c¸c phÇn tö khÝ. Víi khÝ quyÓn tr¸i ®Êt th× γ =1,4. Mèi liªn hÖ gi÷a γ vµ T, K cã H×nh 2.3. Mèi liªn hÖ cña γ vµo d¹ng nh− h×nh vÏ 2.3. mËt ®é kh«ng khÝ. §èi víi chÊt khÝ, chóng ta cã thÓ sö dông nguyªn lý thø nhÊt cña nhiÖt ®éng lùc häc ®Ó gi¶i thÝch c«ng thøc néi n¨ng trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng: P u = (2-6) (γ −1)ρ ë ®©y chóng ta gi¶ thiÕt néi n¨ng bÞ triÖt tiªu khi T -> 0. §iÒu nµy chøng tá cã thÓ biÓu diÔn mËt ®é ρ , néi n¨ng trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng u, vµ enthapi trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng h theo tèc ®é ©m thanh c. ⎛ ∂P ⎞ γP c = ⎜ ⎟ = (2-7) ⎝ ∂ρ ⎠ s ρ 1/(γ −1) ⎛ c 2 ⎞ c 2 P c 2 ρ = ⎜ ⎟ , u = , h = u + = (2-8) ⎝ γK ⎠ γ (γ −1) ρ γ −1 Khi ®Çu ®¹n chuyÓn ®éng trong kh«ng gian, tèc ®é chuyÓn ®éng cña ®Çu ®¹n thay ®æi theo thêi gian do t¸c ®éng cña søc c¶n m«i tr−êng. Ta cã thÓ coi sù h×nh thµnh sãng va ®Ëp trong tr−êng hîp nµy nh− mét dßng ch¶y khÝ ®éng mét chiÒu phô thuéc vµo thêi gian. Khi ®ã sù chuyÓn ®éng cña c¸c phÇn tö khÝ ®−îc biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh Euler mét chiÒu: 10
  14. dρ ∂v dv 1 ∂P = −ρ , = − (2-9) dt ∂x dt ρ ∂x d ∂ ∂ trong ®ã: = + v (2-10) dt ∂t ∂x Khi cho tr−íc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ®¼ng entropi P = P(ρ) nãi lªn mèi liªn hÖ gi÷a ¸p suÊt vµ mËt ®é, hai ph−¬ng tr×nh kh«ng tuyÕn tÝnh trªn cã thÓ ®−îc tæ hîp thµnh mét ph−¬ng tr×nh vi ph©n bËc hai theo tèc ®é. Tuy nhiªn, ®Ó cho s¸ng tá ta thùc hiÖn víi hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n bËc nhÊt. Víi chÊt khÝ ®¼ng entropi, mËt ®é ρ vµ tèc ®é ©m thanh c = dP / dρ ®−îc xem nh− mét hµm nhiÖt ®éng häc ®¬n gi¶n, Tæ hîp tuyÕn tÝnh c¸c ph−¬ng tr×nh vi ph©n (2-9) ta nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh vi ph©n tõng phÇn t−¬ng ®−¬ng. ∂v 1 ∂P ⎛ ∂v 1 ∂P ⎞ ± + (v ± c)⎜ ± ⎟ = 0 (2-11) ∂t ρc ∂t ⎝ ∂x ρc ∂x ⎠ Ta cã thÓ viÕt ph−¬ng tr×nh nµy theo l−îng tö Riemann: dP J ≡ v ± (2-12) ± ∫ ρc vµ tèc ®é riªng V± ≡ v ± c (2-13) ⎛ ∂ ∂ ⎞ theo c¸ch sau: ⎜ +V± ⎟J ± = 0 (2-14) ⎝ ∂t ∂x ⎠ Ph−¬ng tr×nh (2-14) cho thÊy c¸c l−îng tö Riemann ®−îc b¶o toµn trong suèt c¸c ®Æc tuyÕn C± . §ã lµ c¸c ®Æc tuyÕn x¶y ra trªn h−íng bay cña ®Çu ®¹n tho¶ m·n: dx C : = v ± c (2-15) ± dt Trong c¸c ph−¬ng tr×nh trªn, c¶ v vµ c ®Òu lµ c¸c hµm cña x vµ t. C¸c ®Æc tuyÕn C± miªu t¶ sù chuyÓn ®éng cña c¸c nhiÔu lo¹n nhá vÒ phÝa tr−íc hoÆc sau dßng ch¶y khÝ nÐn ë tèc ®é ©m thanh côc bé. Cã hai biÕn cè x¶y ra ®éc lËp víi nhau trong miÒn thêi gian ∆t vµ kh«ng gian ∆x bªn trong dßng ch¶y khÝ nÐn trong ®Æc tuyÕn C± cã tèc ®é nhá vµ vi ph©n ¸p suÊt tho¶ m·n ∆v = −∆P / ρc (nhËn ®−îc tõ c«ng thøc 2-9 khi thay v = 0, d / dt = ∂ / ∂t vµ c 2 = dP / dρ ). Víi c¸c sãng ©m tuyÕn tÝnh, ∆v vµ ∆P suy gi¶m kh«ng ®ång thêi trong qóa tr×nh lan truyÒn theo h−íng d−¬ng cña trôc x. Tuy nhiªn, víi sãng ©m kh«ng tuyÕn tÝnh, chØ cã tæ hîp ∆J + = ∆v + ∆P / ρc bÞ triÖt tiªu trªn ®Æc tuyÕn C+. LÊy tÝch ph©n trªn mét kho¶ng thêi gian h÷u h¹n chóng ta nhËn ®−îc h»ng sè J+ cña ®Æc tuyÕn C+. 11
  15. H×nh 2.4 cho thÊy c¸c ®Æc tuyÕn cña dßng ch¶y khÝ nÐn mét chiÒu, ®o¹n nhiÖt cña chÊt khÝ ®¼ng entropi. H−íng chuyÓn ®éng cña c¸c phÇn tö khÝ ®−îc biÓu diÔn bëi c¸c nÐt liÒn, dÇy. Gi¸ trÞ khëi t¹o gi¶ thiÕt lµ gi¸ trÞ danh ®Þnh trªn kho¶ng ∆S cña x ë thêi ®iÓm t = 0 . L−îng tö Riemann J+ lµ h»ng sè trªn suèt ®Æc tuyÕn C+ (c¸c ®−êng ®øt, m¶nh) do ®ã, ë ®iÓm P nã cã gi¸ trÞ kh«ng ®æi, gièng nh− gi¸ trÞ cña nã ë thêi ®iÓm khëi t¹o t¹i ®iÓm A . T−¬ng tù nh− vËy, l−îng tö J- trªn suèt ®Æc tuyÕn C- (c¸c ®−êng liÒn, m¶nh) cã gi¸ trÞ nh− nhau ë c¸c ®iÓm P vµ B. L−îng tö Riemann ®−a ra mét ph−¬ng ph¸p chung ®Ó nhËn ®−îc chi tiÕt c¸c m« t¶ cña dßng ch¶y khÝ ®éng tõ c¸c ®iÒu kiÖn ban ®Çu. Gi¶ sö tèc ®é dßng ch¶y khÝ ®éng vµ c¸c biÕn nhiÖt ®éng ®· x¸c ®Þnh trong mét kho¶ng x, gäi lµ ∂S , ë thêi ®iÓm ban ®Çu t = 0 (h×nh 2.4). §iÒu ®ã H×nh 2.4. C¸c ®Æc tuyÕn cña dßng ch¶y khÝ nÐn cã nghÜa lµ J ± còng ®−îc x¸c mét chiÒu, ®o¹n nhiÖt cña chÊt khÝ ®¼ng entropi. ®Þnh trªn kho¶ng nµy. Khi ®ã, chóng ta cã thÓ x¸c ®Þnh J ± t¹i mét ®iÓm P bÊt k× trong vïng ∂S . Tõ c¸c gi¸ trÞ J ± nhËn ®−îc nµy chóng ta cã thÓ t×m ra c¸c biÕn cña dßng ch¶y khÝ ®éng (v,P, ρ ) t¹i P b»ng ph−¬ng ph¸p ®¹i sè. Trong thùc tÕ chóng ta kh«ng thÓ biÕt râ rµng c¸c ®Æc tuyÕn C± trõ khi chóng ta ®· t×m ra c¸c biÕn cña dßng ch¶y khÝ ®éng do ®ã chóng ta ph¶i t×m ra c¸c ®Æc tuyÕn nµy nh− mét phÇn cña qu¸ tr×nh t×m lêi gi¶i, b»ng c¸c biÕn ®æi ®¹i sè ph−¬ng J = v ± dP / ρc tr×nh tr¹ng th¸i vµ c¸c mèi quan hÖ ± ∫ vµ c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn mµ J ± kh«ng ®æi trªn suèt C± . C¸c biÕn ®æi ®¹i sè nµy nh»m môc ®Ých suy ra c(x,t) vµ v(x,t) tõ c¸c ®iÒu kiÖn ban ®Çu trªn ∂S . C¸c nguyªn t¾c b¶o toµn trªn lµ c¬ së h×nh thµnh c¸c mÆt sãng. Cã hai thµnh phÇn mÆt sãng mµ chóng ta quan t©m ®ã lµ mÆt sãng tr−íc vµ mÆt sãng sau cã d¹ng nh− trªn h×nh 2.5. C¸c mÆt sãng nµy chia vïng kh«ng gian trªn ®−êng bay cña viªn ®¹n thµnh hai vïng 0 vµ 1. MÆt sãng tr−íc lµ vïng kh«ng khÝ phÝa tr−íc ®Çu ®¹n, cã nhiÖt ®é thÊp h¬n vµ di chuyÓn vÒ phÝa ®Çu ®¹n víi tèc ®é b»ng tèc ®é bay cña ®Çu ®¹n, nÕu lÊy hÖ quy chiÕu g¾n víi ®Çu ®¹n. MÆt sãng sau lµ vïng kh«ng khÝ cã nhiÖt 12
  16. ®é cao h¬n, khi c¸c luång khÝ ®i ra tõ c¸c mÆt sãng. Trong qu¸ tr×nh "vµo-ra" ®ã, khèi l−îng tæng, m«men tæng vµ n¨ng l−îng tæng lµ kh«ng ®æi. Ta cã thÓ viÕt: [ρv.n] = 0 (2-16) trong ®ã n lµ ®¬n vÞ trùc giao cña sãng vµ vµ dÊu ngoÆc vu«ng nãi lªn lÊy vi ph©n c¸c gi¸ trÞ mÆt sãng tr−íc vµ mÆt sãng sau. T−¬ng tù nh− thÕ, m«men tæng T còng ®−îc b¶o toµn khi kh«ng cã sù t¸c ®éng tõ bªn ngoµi. M«men tæng cã hai thµnh phÇn: m«men c¬ häc Pg + ρv ⊗ v vµ m«men tr−ît −ζθg − 2ησ (xem ph−¬ng tr×nh 2-2). Tuy nhiªn, thµnh phÇn m«men tr−ît lµ kh«ng ®¸ng kÓ do ®ã m«men c¬ häc ph¶i ®−îc b¶o toµn qua c¸c mÆt sãng. Chóng ta cã thÓ viÕt: [(Pg + ρv ⊗ v).n] = 0 (2-17) Vïng 0 Vïng 1 Gãc β M H−íng chuyÓn ®éng dP Gãc α cña viªn ®¹n t H×nh 2.5. D¹ng mÆt sãng tr−íc vµ sau. T−¬ng tù nh− vËy ta xÐt sù b¶o toµn n¨ng l−îng tæng qua c¸c mÆt sãng h×nh thµnh khi viªn ®¹n chuyÓn ®éng trong kh«ng khÝ. Cã ba nguyªn nh©n c¬ b¶n dÉn ®Õn sù thay ®æi n¨ng l−îng ®ã lµ: thø nhÊt lµ do c¸c ph¶n øng lý ho¸ xuÊt hiÖn trong c¸c mÆt sãng; thø hai, khi kh«ng khÝ bÞ ®èt nãng tíi nhiÖt ®é cao sÏ bÞ mÊt n¨ng l−îng do qu¸ tr×nh bøc x¹ nhiÖt; thø ba, do sù lµm nãng l¹i c¸c phÇn tö khÝ ®i vµo c¸c mÆt sãng. Víi gi¶ thiÕt cã thÓ bá qua c¸c nguyªn nh©n trªn th× n¨ng l−îng tæng ®−îc b¶o toµn, khi ®ã cã thÓ viÕt: ⎡⎛ 1 2 ⎞ ⎤ ⎢⎜ v + h⎟ρv.n⎥ = 0 (2-18) ⎣⎝ 2 ⎠ ⎦ §èi víi c¸c mÆt sãng ®o¹n nhiÖt, c¸c nguyªn t¾c b¶o toµn khèi l−îng, m«men vµ n¨ng l−îng ®−îc biÕt ®Õn bëi c¸c quan hÖ Rankine-Hugoniot cã d¹ng sau: ρ1v1 = ρ 0v0 = j (2-19) 2 2 P1 + ρ1v1 = P0 + ρ 0v0 (2-20) 1 1 h + v 2 = h + v 2 (2-21) 1 2 1 2 2 0 13
  17. ë ®©y j lµ khèi l−îng dßng ch¶y. C¸c c«ng thøc trªn cã thÓ ®−îc viÕt d−íi d¹ng dÔ hiÓu h¬n khi thay mËt ®é kh«ng khÝ ρ b»ng thÓ tÝch riªng V ≡ 1/ ρ vµ thay gi¸ trÞ cña entanpi b»ng c¸c gi¸ trÞ cña P vµ V: h = u + P / ρ = u + PV , thùc hiÖn mét sè biÕn ®æi ®¹i sè ta nhËn ®−îc: 1 u − u = ()P + P (V −V ) (2-22) 1 0 2 1 0 0 1 P − P j 2 = 1 0 (2-23) V0 −V1 v0 − v1 = (P1 − P0 )(V0 −V1 ) (2-24) H×nh 2.6 m« ta mèi quan hÖ Rankine-Hugoniot, tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng cña dßng ch¶y ®Õn mÆt sãng lµ ®iÓm (P0,V0). §−êng nÐt liÒn gäi lµ ®−êng sãng ®o¹n nhiÖt, lµ tËp hîp tÊt c¶ c¸c tr¹ng th¸i cã thÓ cña dßng ch¶y ®i ra khái mÆt sãng. §−êng sãng ®o¹n nhiÖt nµy cã H×nh 2.6. M« t¶ mèi quan hÖ Rankine-Hugoniot. thÓ ®−îc tÝnh to¸n b»ng c¸ch thay c«ng thøc (2-22) vµo ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i: u = u(P,V ) (2-25) Khi ®ã sÏ nhËn ®−îc mét ®−êng cong thùc tÕ kÐo dµi tõ (V0,P0) ra hai phÝa: lªn trªn sang tr¸i vµ xuèng d−íi sang ph¶i. ChØ cã phÇn lªn trªn sang tr¸i lµ phï hîp víi sù t¨ng entr«pi ngang qua mÆt sãng. PhÇn xuèng d−íi sang ph¶i ®ßi hái sù gi¶m entr«pi, ®iÒu nµy m©u thuÉn víi nguyªn lý thø hai cña nhiÖt ®éng häc. VÞ trÝ thùc tÕ (V1,P1) cña tr¹ng th¸i dßng ®i ra khái mÆt sãng trªn ®−êng ®o¹n nhiÖt ®−îc x¸c ®Þnh mét c¸ch ®¬n gi¶n bëi c«ng thøc (2-23). §é dèc cña ®−êng nÐt ®øt nèi gi÷a hai tr¹ng th¸i tr−íc vµ sau mÆt sãng lµ -j2, trong ®ã j lµ th«ng l−îng cña dßng ch¶y. Nh− vËy ba nguyªn t¾c b¶o toµn trªn lµ c¬ së h×nh thµnh c¸c mÆt sãng. Sù chªnh lÖch vÒ ¸p suÊt, nhiÖt ®é vµ mËt ®é kh«ng khÝ gi÷a hai vïng nµy ®−îc biÓu diÔn bëi c¸c ph−¬ng tr×nh (2-26), (2-27) vµ (2-28): P 7M 2 sinα −1 1 = (2-26) P0 6 14
  18. 2 2 2 2 T1 (7M sin α −1)(M sin α + 5) = 2 2 (2-27) T0 36M sin α ρ 7M sin 2 α −1 1 = (2-28) ρ 0 6 Trong ®ã M lµ sè Mach : M = v/c. v lµ tèc ®é cña viªn ®¹n, c lµ tèc ®é ©m thanh. Gãc α lµ gãc nãn t¹o ra bëi mÆt tr−íc cña sãng va ®Ëp: sinα = M-1 (2-29) Gãc β lµ gãc t¹o bëi mÆt sau cña sãng va ®Ëp, ®−îc biÓu diÔn nh− sau: ⎡ 6M 2 ⎤ cos β = tanα ⎢ 2 2 −1⎥ (2-30) ⎣5(M sin α −1) ⎦ 2.3 Sù lan truyÒn cña sãng va ®Ëp. C¸c dao ®éng cña sãng va ®Ëp h×nh thµnh trong qu¸ tr×nh bay cña viªn ®¹n sÏ lan truyÒn theo mäi h−íng. Qu¸ tr×nh lan truyÒn sãng va ®Ëp ®−îc biÓu diÔn nh− trªn h×nh 2.7. Gi¶ sö t¹i mét thêi ®iÓm nµo ®ã, ®¹n ®· bay ra khái nßng ph¸o n»m ë ®iÓm M4. T¹i mçi ®iÓm trªn ®−êng ®i cña m×nh nã g©y ra dao ®éng cña c¸c phÇn tö kh«ng khÝ. XÐt dao ®éng cña c¸c phÇn tö ë c¸c ®iÓm M1, M2, M3 vµ M4. §o¹n quü ®¹o tõ ®iÓm 0 ®Õn ®iÓm M4 ®−îc coi nh− ®−êng th¼ng. H×nh 2.7. S¬ ®å h×nh thµnh vµ lan truyÒn sãng va ®Ëp C¸c phÇn tö kh«ng khÝ, n»m t¹i ®iÓm 0, ra khái tr¹ng th¸i tÜnh sím h¬n c¸c phÇn tö kh«ng khÝ ë t¹i c¸c ®iÓm (M1, M2, M3, M4), lµ c¸c nguån dÞch chuyÓn dao ®éng mµ c¸c sãng cÇu sÏ lan truyÒn ®Õn víi tèc ®é b»ng tèc ®é ©m. Khi ®¹n ®Õn 15
  19. ®iÓm M4. Dao ®éng tõ ®iÓm 0 lan truyÒn theo mäi h−íng vµ sãng cÇu ®Õn vÞ trÝ A cã t©m ë ®iÓm 0, trïng víi t©m ®iÓm tiÕng næ ®Çu nßng. Khi ®i qua c¸c diÓm M1, M2, M3 vµ M4 ®Çu ®¹n kÐo c¸c phÇn tö kh«ng khÝ ra khái tr¹ng th¸i tÜnh, lµm xuÊt hiÖn dao ®éng t¹i c¸c ®iÓm nµy, chóng sÏ lan truyÒn gièng nh− dao ®éng xuÊt hiÖn t¹i ®iÓm 0. Nh−ng v× c¸c ®iÓm M1, M2, M3 vµ M4 ®Çu ®¹n ®i qua chËm h¬n mét chót so víi ®iÓm 0, nªn dao ®éng tõ c¸c ®iÓm nµy lan truyÒn trªn mét kho¶ng c¸ch ng¾n h¬n so víi tõ ®iÓm 0, vµ ®iÓm cµng gÇn ®Çu ®¹n, tøc lµ gÇn ®Õn ®iÓm M4 kho¶ng c¸ch sÏ cµng nhá, ®ã lµ kho¶ng c¸ch dao ®éng kÞp truyÒn tíi t¹i thêi ®iÓm ®¹n n»m ë ®iÓm M4. ë thêi ®iÓm ®¹n n»m t¹i ®iÓm M4, nÕu tõ ®iÓm M4 kÎ c¸c ®−êng th¼ng M4B vµ M4A th× c¸c ®−êng th¼ng nµy sÏ tiÕp xóc víi tÊt c¶ c¸c mÆt cÇu sãng xuÊt hiÖn tõ tÊt c¶ c¸c ®iÓm (0 ®Õn M4), víi gi¶ thiÕt quü ®¹o cña ®¹n trªn ®o¹n nµy th¼ng vµ tèc ®é kh«ng ®æi. NÕu b©y giê tõ ®iÓm M4 kÐo v« sè c¸c ®−êng th¼ng sao cho tÊt c¶ chóng ®Òu tiÕp xóc víi mÆt cÇu sãng cã t©m t¹i c¸c ®iÓm 0, M1, M2, M3 vµ M4 th× ta ®−îc mét h×nh nãn h×nh thµnh bëi c¸c ®−êng M4B vµ M4A; ®iÓm M4 ®Ønh cña h×nh nãn nµy. T×m hiÓu kÜ h¬n vÒ sãng h×nh nãn nµy b»ng c¸ch dùng h×nh nh− trªn h×nh 2.8. Trong ®ã, α = sin −1 (1/ M ) , M lµ sè Mach nh− c«ng thøc (2-29). Ta thÊy sù h×nh thµnh vµ lan truyÒn cña sãng va ®Ëp trong kh«ng gian tao ra c¸c mÆt cÇu liªn tiÕp mµ h×nh bao cña nã cã d¹ng nãn víi gãc nãn α . Th«ng th−êng sÏ cã hai mÆt nãn; mét mÆt øng víi sãng ë phÝa tr−íc ®Çu ®¹n, mét mÆt kh¸c cã cÊu tróc phøc t¹p ë phÝa ®u«i cña ®Çu ®¹n. ¸p suÊt kh«ng khÝ thay ®æi qua mçi mÆt nãn, do ®ã cã hai lÇn ¸p suÊt kh«ng khÝ thay ®æi t¹o ra "sãng N" däc theo ®−êng bay cña ®Çu ®¹n. Sau mÆt sãng thø nhÊt, mËt ®é vµ ¸p xuÊt kh«ng khÝ tõ tõ tôt xuèng, do ®ã dßng khÝ ®i vµo mÆt sãng thø hai cã mËt ®é, ¸p suÊt vµ tèc ®é ©m thÊp h¬n dßng khÝ ®i vµo mÆt sãng thø nhÊt. Nguyªn nh©n nµy dÉn ®Õn sè Mach cña mÆt sãng thø hai lín h¬n sè Mach cña mÆt sãng thø nhÊt do ®ã gãc β sÏ nhá h¬n gãc α . VÞ trÝ hiÖn t¹i cña ®Çu ®¹n H×nh 2.8. M« t¶ sãng h×nh nãn h×nh thµnh do chuyÓn ®éng v−ît ©m cña ®Çu ®¹n. 16
  20. S O α α β MÆt sãng sau r MÆt sãng tr−íc §iÓm quan s¸t M H×nh 2.9. Hai mÆt nãn t¹o ra do chuyÓn ®éng v−ît ©m cña ®Çu ®¹n vµ sù ph©n bè ¸p suÊt "sãng N" qua c¸c mÆt nãn . Tõ h×nh vÏ 2.9 chóng ta nhËn thÊy, khi ®Çu ®¹n chuyÓn ®éng qua vÞ trÝ quan s¸t , ¸p suÊt ©m sÏ ®¹t cùc ®¹i t¹i vÞ trÝ mÆt sãng tr−íc ®i qua, sau ®ã gi¶m dÇn ®Õn cùc tiÓu t¹i vÞ trÝ mÆt sãng sau ®i qua, h×nh thµnh mét dao ®éng c¬ b¶n lan truyÓn ®i trong kh«ng gian. TÇn sè cña dao ®éng nµy phô thuéc gi¸ trÞ cña α , β vµ kho¶ng c¸ch r tõ vÞ trÝ quan s¸t ®Õn ®−êng ®¹n. Do gãc β nhá h¬n gãc α nªn khi ®iÓm quan s¸t cµng xa ®−êng ®¹n (r cµng lín) th× kho¶ng c¸ch gi÷a ®iÓm cùc ®¹i vµ cùc tiÓu cña dao ®éng sÏ cµng c¸ch xa nhau, dÉn ®Õn tÇn sè cña dao ®éng gi¶m. Tuy nhiªn sù thay ®æi tÇn sè dao ®éng theo kho¶ng c¸ch r lµ rÊt nhá v× hai gãc α vµ β kh«ng lÖch nhau nhiÒu. MÆt sãng h×nh thµnh do ®−êng g©n trªn th©n ®Çu ®¹n MÆt sãng sau MÆt sãng tr−íc H×nh 2.10. H×nh ¶nh minh ho¹ sãng va ®Ëp. 17
  21. Trªn thùc tÕ chøng minh, khi ë gÇn ®−êng ®¹n ng−êi ta nghe thÊy tiÕng rÝt chãi h¬n khi ë xa ®−êng ®¹n. H×nh 2.10 lµ ¶nh minh ho¹ c¸c mÆt sãng va ®Ëp t¹o ra khi viªn ®¹n chuyÓn ®éng trong kh«ng khÝ. ë ®©y ngoµi c¸c mÆt sãng tr−íc vµ sau cßn cã mét mÆt sãng h×nh thµnh so ®−êng g©n ngang trªn th©n ®Çu ®¹n. NÕu ®Æt mét ®Çu thu t¹i ®iÓm quan s¸t M gÇn ®−êng ®i cña viªn ®¹n . Sãng tæng hîp t¹i ®Çu thu sÏ lµ tæng hîp cña tÊt c¶ c¸c sãng va ®Ëp t¹o ra trªn ®−êng bay cña viªn ®¹n. Tuy nhiªn c¸c sãng nµy sÏ hÇu nh− triÖt tiªu lÉn nhau vµ khi ®ã kÕt qu¶ sãng tæng hîp thu ®−îc t¹i ®Çu thu ®−îc coi nh− lµ sãng nhËn tõ nguån S lan truyÒn ®Õn ®iÓm M theo quy luËt truyÒn sãng ©m d¹ng cÇu. VÞ trÝ cña ®iÓm S lµ giao ®iÓm cña ®−êng ®¹n víi ®−êng vu«ng gãc víi MO. MO lµ ®−êng biÓu diÔn mÆt sãng tr−íc cña sãng va ®Ëp, t¹o víi ®−êng ®¹n mét gãc α . P P I = = (1− sin 2 α) (2-31) 4π.SM 2 4π.r 2 I: C−êng ®é sãng t¹i ®iÓm M. P: C«ng suÊt nguån sãng. Mçi lo¹i ®¹n cã P vµ α nhÊt ®Þnh. Do ®ã c−êng ®é sãng tæng hîp t¹i ®iÓm M sÏ mang th«ng tin vÒ r, nghÜa lµ mang th«ng tin vÒ kho¶ng c¸ch tõ ®−êng ®¹n tíi ®Çu thu. V× vËy, b»ng c¸ch ®o c−êng ®é sãng va ®Ëp t¹o ra khi viªn ®¹n chuyÓn ®éng ta cã thÓ tÝnh to¸n ®é chôm cho ®¹n ph¸o phßng kh«ng. XÐt mèi liªn hÖ gi÷a sù lan truyÒn sãng va ®Ëp vµ sãng næ ®Çu nßng ta thÊy sãng va ®Ëp lu«n ë phÝa tr−íc sãng næ ®Çu nßng theo h−íng chuyÓn ®éng cña viªn ®¹n. D·n c¸ch gi÷a c¸c sãng nµy thay ®æi theo quü ®¹o vµ phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch ®Õn khÈu ph¸o. Trong mÆt ph¼ng n»m ngang, d·n c¸ch gi÷a sãng va H×nh 2.11. Mèi liªn hÖ gi÷a sãng va ®Ëp vµ sãng næ ®Çu nßng ®Ëp vµ sãng næ ®Çu nßng phô thuéc vµo gãc gi÷a h−íng ®−îc chän ®Ó quan s¸t vµ mÆt ph¼ng b¾n. NÕu ®Çu thu bè trÝ trong mÆt ph¼ng b¾n, ch¼ng h¹n ë ®iÓm M1 (h×nh 2.11), th× hiÖu thêi gian ®Õn ®Çu thu cña c¸c sãng va ®Ëp vµ sãng næ ®Çu nßng sÏ lín h¬n hiÖu thêi gian cña c¸c sãng nµy khi ®Çu thu bè trÝ t¹i ®iÓm M2, bªn ngoµi mÆt ph¼ng b¾n. NÕu ®Çu thu bè trÝ t¹i 18
  22. ®iÓm M3, th× sãng va ®Ëp ®−îc pha trén víi sãng næ ®Çu nßng vµ nÕu bè trÝ sau ®iÓm M3 th× sãng va ®Ëp bÞ lÉn trong tiÕng næ ®Çu nßng. 2.4 ¶nh h−ëng cña m«i tr−êng ®Õn sù lan truyÒn cña sãng va ®Ëp. Khi lan truyÒn trong kh«ng khÝ, tèc ®é dÞch chuyÓn cña sãng va ®Ëp phô thuéc vµo tÊt c¶ c¸c yÕu tè m«i tr−êng lan truyÒn nh−: ®iÒu kiÖn khÝ t−îng, thêi tiÕt, nhiÖt ®é, giã Trong ®ã, nhiÖt ®é kh«ng khÝ vµ giã lµ hai yÕu tè t¸c ®éng chñ yÕu tíi sù lan truyÒn cña sãng va ®Ëp trong kh«ng khÝ. Chóng ta biÕt r»ng khi nhiÖt ®é thay ®æi th× tèc ®é truyÒn ©m còng thay ®æi. Mèi liªn hÖ gi÷a tèc ®é truyÒn ©m trong kh«ng khÝ víi nhiÖt ®é ®−îc thÓ hiÖn b»ng c«ng thøc: c = c0 + 0,6.T = 331,4 + 0,6.T (m/s) (2-32) 0 ë ®©y c0 lµ tèc ®é ©m ë 0 , c0 = 331m/s. Trong ®iÒu kiÖn b×nh th−êng nh÷ng ngµy mïa hÌ, nhiÖt ®é kh«ng khÝ gi¶m khi ®é cao t¨ng. Cø lªn 100m th× nhiÖt ®é kh«ng khÝ gi¶m trung b×nh 0,60C. Do ®ã, tèc ®é ©m còng gi¶m khi ®é cao t¨ng. Tia ©m bÞ khóc x¹ sÏ cong lªn trªn ë mäi phÝa nh− trªn h×nh 2.12, xuÊt hiÖn vïng tèi ©m ë mäi phÝa cña nguån ©m. XÐt mét tr−êng hîp kh¸c cña sù ph©n bè nhiÖt ®é kh«ng khÝ theo ®é cao. NhiÖt ®é kh«ng khÝ t¨ng theo ®é cao hay tr−êng hîp nµy cßn gäi lµ ®¶o nhiÖt. Vµo mïa ®«ng ( lóc s¸ng sím vµ ban ®ªm khi trêi H×nh 2.12. Sù khóc x¹ cña tia ©m khi nhiÖt ®é kh«ng quang ®·ng, hoÆc ban ngµy khÝ gi¶m theo ®é cao. khi cã rÐt ®Ëm ), vµ vµo mïa xu©n (c¶ ngµy ®ªm) th−êng quan s¸t thÊy sù ®¶o nhiÖt trong líp khÝ quyÓn cã ®é cao tõ 1000m-2000m. Sù ®¶o nhiÖt còng quan s¸t thÊy trong mïa hÌ vµo ban ®ªm vµ buæi sím quang ®·ng, nh−ng ®é cao cña chóng kh«ng lín - chØ vµi chôc mÐt. Khi nhiÖt ®é t¨ng nhiÖt ®é kh«ng khÝ, tèc ®é ©m t¨ng. Do ®ã, trong tr−êng hîp ®¶o nhiÖt, tèc ®é ©m t¨ng theo ®é cao, vµ tia ©m bÞ khóc x¹, sÏ cong xuèng d−íi (h×nh 2.13) nªn ®é thÝnh ©m th−êng ®Æc biÖt tèt. NÕu tÝnh ®Õn c¶ nh÷ng t×nh tiÕt lµ 19
  23. ban ®ªm vµ s¸ng sím giã th−êng rÊt yÕu, ®«i khi hoµn toµn im giã (kh«ng cã giã), ®ã lµ ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho ho¹t ®éng thu ©m ®−îc t¹o ra khi ®¶o nhiÖt. H×nh 2.13. Sù khóc x¹ cña tia ©m khi nhiÖt ®é kh«ng khÝ t¨ng theo ®é cao. NÕu ®é cao cña miÒn ®¶o nhiÖt kh«ng lín (mét vµi chôc mÐt) vµ nÕu sau giíi h¹n trªn cña miÒn ®¶o nhiÖt, nhiÖt ®é kh«ng khÝ gi¶m t−¬ng ®èi m¹nh, th× ®é thÝnh ©m chØ cã thÓ tèt trªn cù ly kh«ng lín (kho¶ng vµi kil«mÐt), sau ®ã lµ vïng tèi ©m, nh− chØ ra trªn h×nh 2.14. H×nh 2.14. Sù khóc x¹ cña tia ©m trong tr−êng hîp vïng ®¶o nhiÖt ë s¸t mÆt ®Êt. §«i khi cã ph©n bè nhiÖt ®é nh− sau theo ®é cao: ban ®Çu gi¶m theo ®é cao, sau ®ã t¨ng; ®¶o nhiÖt xuÊt hiÖn ë mét ®é cao nµo ®ã, trong tr−êng hîp nµy ng−êi ta nãi: "®¶o nhiÖt trong khÝ quyÓn tù do". HiÖn t−îng nµy quan s¸t ®−îc vµo thêi gian l¹nh, khi mµ sau mét thêi kú kh« hanh thêi tiÕt trë nªn xÊu ®i. §¶o nhiÖt trong khÝ quyÓn tù do x¶y ra khi cã luång kh«ng khÝ Êm, di chuyÓn trªn mét ®é cao nµo ®ã c¸ch mÆt ®Êt. Trong tr−êng hîp nµy, tia ©m cong lªn trªn cho ®Õn biªn cña líp ®¶o nhiÖt. Khi ®i vµo líp ®¶o, tia ©m b¾t ®Çu cong theo h−íng ng−îc l¹i vµ cã thÓ l¹i trë vÒ mÆt ®Êt. Do vËy ta cã thÓ quan s¸t thÊy sù dÞ th−êng (kh¸c víi quy luËt chung). 20
  24. H×nh 2.15. Sù khóc x¹ cña c¸c tia ©m khi vïng ®¶o nhiÖt n»m trong khÝ quyÓn tù do GÇn nguån ©m kh«ng thu ®−îc sãng ©m, ®ã lµ vïng tèi ©m. §Õn mét kho¶ng c¸ch nµo ®ã c¸ch nguån ©m, ®é thÝnh ©m cã thÓ tèt, ë ®©y b¾t ®Çu vïng ®−îc gäi lµ vïng thÝnh ©m dÞ th−êng. Cù ly ph©n bè vïng tèi ©m phô thuéc vµo ®é cao líp ®¶o nhiÖt, líp nµy cµng cao th× vïng tèi ©m cµng lín. §Ó biÕt sù ph©n bè nhiÖt ®é theo ®é cao, cÇn tiÕn hµnh quan s¸t ®é cao, hay tiÕn hµnh ph©n miÒn nhiÖt ®é khÝ quyÓn. Kh«ng nªn trªn c¬ së sù thay ®æi nhiÖt ®é cña mét líp s¸t mÆt ®Êt ®Ó rót ra kÕt luËn vÒ sù ph©n bè nhiÖt ®é theo ®é cao. Tuy nhiªn, trong mét kho¶ng c¸ch ng¾n (c¸ch ®Çu thu 10 m trë l¹i), sù t¸c ®éng cña c¸c ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é m«i tr−êng ®Õn sù lan truyÒn cña sãng va ®Ëp lµ kh«ng ®¸ng kÓ, vµ kh«ng thÓ xuÊt hiÖn vïng tèi ©m ë kho¶ng c¸ch ®ã. XÐt sù phô thuéc cña tèc ®é dÞch chuyÓn sãng ©m vµo giã. NÕu c lµ vËn tèc ©m trong khÝ quyÓn cßn w lµ tèc ®é giã th× tèc ®é dÞch chuyÓn sãng ©m cW ®−îc tÝnh b»ng c«ng thøc: cW = c + w.cosϕ (2-33) Trong ®ã ϕ lµ gãc ®−îc t¹o H−íng giã thµnh bëi h−íng nguån ©m - m¸y thu Nguån ©m M¸y thu vµ h−íng giã (h×nh 2.16). ϕ XÐt ¶nh h−ëng cña sù thay ®æi cña tèc ®é giã theo ®é cao ®Õn sù lan truyÒn ©m ta thÊy: Khi tèc ®é giã H×nh 2.16. Mèi liªn hÖ gi÷a h−íng nguån ©m - m¸y thu vµ h−íng giã t¨ng theo ®é cao khi ®ã sù khóc x¹ cña tia ©m cã d¹ng nh− trªn h×nh 2.17. NÕu ®iÒu kiÖn ®o siªu ©m ng−îc giã, tèc ®é truyÒn ©m sÏ gi¶m theo ®é cao vµ tia ©m bÞ khóc x¹ cong lªn trªn, h×nh thµnh vïng tèi ©m. 21
  25. H×nh 2.17. Sù khóc x¹ cña tia ©m khi tèc ®é giã t¨ng theo ®é cao. ¶nh h−ëng cña giã ®Õn sù lan truyÒn cña sãng va ®Ëp trong kho¶ng c¸ch tõ ®−êng ®¹n ®Õn ®Çu thu lµ t−¬ng ®èi nhá. Tuy nhiªn nã l¹i cã ý nghÜa ®èi víi viÖc tÝnh to¸n ®é chôm cña ®¹n ph¸o phßng kh«ng khi viªn ®¹n bay qua danh giíi gi÷a c¸c "vßng" tÝnh ®iÓm. Gi¶ thiÕt kho¶ng c¸ch biÓu kiÕn ®o ®−îc khi viªn ®¹n bay qua bia lµ rthu. Khi ®ã: rthu = cw .∆t = (c + w.cosϕ)∆t = c.∆t + w.cosϕ.∆t = r + rg (2-34) Trong ®ã rg lµ sai sè g©y ra do sù ¶nh h−ëng cña giã. rg = w.cosϕ.∆t (2-35) NÕu biÕt rthu, c, w vµ ϕ ta sÏ x¸c ®Þnh ®−îc ∆t: r ∆t = thu (2-36) c + w.cosϕ Thay c«ng thøc (2-36) vµo (2-35) ta nhËn ®−îc l−îng bï sai sè khi tÝnh to¸n kho¶ng c¸ch tõ ®−êng ®¹n tíi ®Çu thu. Trªn thùc tÕ, sù ¶nh h−ëng cña giã vµ nhiÖt ®é ®Õn sù lan truyÒn cña sãng va ®Ëp lµ ®ång thêi. Do ®ã viÖc tÝnh to¸n l−îng bï sai sè ®o ®é chôm sÏ phøc t¹p h¬n. §iÒu nµy sÏ ®−îc ®Ò cËp kÜ h¬n trong phÇn sau, khi thiÕt kÕ chÕ t¹o bé ®o khÝ t−îng vµ tÝnh to¸n l−îng bï sai sè. 22
  26. Ch−¬ng 3 kh¶o s¸t ®Æc tr−ng cña sãng va ®Ëp Nh− qu¸ tr×nh ph©n tÝch ë trªn, sÏ cã 4 d¹ng sãng h×nh thµnh khi b¾n ph¸o: tiÕng næ ®Çu nßng, sãng va ®Ëp, tiÕng ®¹n ch¹m môc tiªu vµ tiÕng næ cña ®Çu ®¹n. Trong ®ã, tiÕng næ ®Çu nßng vµ sãng va ®Ëp lµ hai thµnh phÇn tÝn hiÖu t¸c ®éng nhiÒu nhÊt lªn ®Çu thu. §èi víi nhiÖm vô thiÕt kÕ, chÕ t¹o thiÕt bÞ ®o ®é chôm cña ®¹n ph¸o phßng kh«ng th× sãng va ®Ëp lµ tÝn hiÖu cã Ých v× nã mang th«ng tin vÒ vÞ trÝ cña viªn ®¹n khi bay qua ®Çu thu cßn tiÕng næ ®Çu nßng lµ tÝn hiÖu nhiÔu v× nã kh«ng mang th«ng tin vÒ vÞ trÝ ®¹n bay qua ®Çu thu, ®Ó t¸ch ®−îc tÝn hiÖu cã Ých ra khái nhiÔu cÇn ph¶i tiÕn hµnh c¸c kh¶o s¸t tÝn hiÖu thu ®−îc khi b¾n ph¸o nh»m môc ®Ých: - X¸c ®Þnh d¹ng tÝn hiÖu thu ®−îc khi b¾n. - Ph©n tÝch tÝn hiÖu, x¸c ®Þnh d¹ng phæ tÇn sè vµ biªn ®é cña tÝn hiÖu sãng va ®Ëp vµ tiÕng næ ®Çu nßng. Kh¶o s¸t mèi liªn hÖ cña biªn ®é tÝn hiÖu sãng va ®Ëp nhËn ®−îc víi kho¶ng c¸ch tõ ®−êng ®¹n ®Õn ®Çu thu. - Kh¶o s¸t ®Æc tÝnh tÇn sè, biªn ®é cña nhiÔu ®éng c¬ khi ®Æt thiÕt bÞ trªn m¸y bay m« h×nh. §¸nh gi¸ kh¶ n¨ng t¸c ®éng cña nhiÔu lªn hÖ thèng thu vµ ®Ò ra gi¶i ph¸p chèng nhiÔu hiÖu qu¶. Qu¸ tr×nh kh¶o s¸t ®Æc tr−ng sãng va ®Ëp lµ b−íc ®Çu tiªn cã t¸c dông ®Þnh h−íng cho c¸c b−íc ®i tiÕp theo cña ®Ò tµi trong thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ thèng thiÕt bÞ. §Ó ®¶m b¶o tÝnh ®óng ®¾n cña kÕt qu¶ nhËn ®−îc cÇn ph¶i tiÕn hµnh kh¶o s¸t thö nghiÖm nhiÒu lÇn. §iÒu nµy lµm cho kinh phÝ thö nghiÖm rÊt lín. V× vËy ®Ò tµi x¸c ®Þnh c¸c b−íc thö nghiÖm nh− sau: ™ B−íc 1: Kh¶o s¸t thö nghiÖm víi sóng bé binh ®Ó x¸c ®Þnh d¹ng tÝn hiÖu sãng va ®Ëp, ph©n tÝch d¶i tÇn sè cña sãng va ®Ëp. §¸nh gi¸ s¬ bé vÒ tÇn sè, biªn ®é vµ mèi liªn hÖ víi tiÕng næ ®Çu nßng. Tõ ®ã ®Ò ra ph−¬ng ¸n thiÕt kÕ, chÕ t¹o thiÕt bÞ. Theo mét sè tµi liÖu, sãng va ®Ëp h×nh thµnh khi b¾n sóng bé binh vµ khi b¾n ph¸o phßng kh«ng cã cïng mét b¶n chÊt vËt lý, chØ kh¸c nhau vÒ tÇn sè vµ c−êng ®é sãng. Do ®ã, viÖc kh¶o s¸t b−íc ®Çu sãng va ®Ëp khi b¾n sóng bé binh vÉn ®¸p øng ®−îc c¸c yªu cÇu trong thiÕt kÕ, chÕ t¹o thiÕt bÞ mµ tiÕt kiÖm ®−îc kinh phÝ kh¶o s¸t thö nghiÖm. 23
  27. ™ B−íc 2: Kh¶o s¸t ®Æc tÝnh tÇn sè vµ biªn ®é cña tiÕng næ ®éng c¬ m¸y bay m« h×nh, ®©y lµ nhiÔu chñ yÕu t¸c ®éng lªn hÖ thèng. §Ò ra biÖn ph¸p chèng nhiÔu. Ta biÕt r»ng khi thiÕt bÞ ®−îc ®Æt trªn m¸y bay m« h×nh, sù t¸c ®éng cña tiÕng næ ®éng c¬ rÊt lín. HiÖn nay c¸c m¸y bay m« h×nh ®−îc sö dông lµm m¸y bay môc tiªu ®Òu dïng ®éng c¬ 4 th× ch¹y b»ng nhiªn liÖu x¨ng. §Ó chèng l¹i sù t¸c ®éng cña lo¹i nhiÔu nµy cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®−îc d¶i tÇn vµ c−êng ®é cña nã. ™ B−íc 3: Kh¶o s¸t thö nghiÖm víi ph¸o phßng kh«ng. X¸c ®Þnh d¶i tÇn sè vµ biªn ®é cña sãng va ®Ëp t¹o ra khi b¾n ph¸o phßng kh«ng. HiÖu chØnh mét sè tham sè cña thiÕt bÞ cho phï hîp. ™ B−íc 4: Thö nghiÖm tinh chØnh mét sè tham sè cña thiÕt bÞ, x©y dùng bé tham sè quy ®æi biªn ®é tÝn hiÖu thu ®−îc - kho¶ng c¸ch tõ ®−êng ®¹n ®Õn ®Çu thu. Hoµn thiÖn thiÕt bÞ. 3.1. C¸c kh¶o s¸t tiÕn hµnh víi sóng bé binh. 3.1.1. Kh¶o s¸t thùc nghiÖm lÇn 1. Mét trong nh÷ng khã kh¨n khi thu ghi c¸c tÝn hiÖu t¹o ra khi b¾n lµ kh«ng cã c¸c ®Çu thu d¶i réng ®Ó cã thÓ ®o ®−îc ®ång thêi trong c¶ miÒn ©m vµ siªu ©m. Nhãm ®Ò tµi ®· kh¾c phôc b»ng c¸ch dïng hai bé thiÕt bÞ ®o ®éc lËp: ƒ Bé thiÕt bÞ thu, ghi ë tÇn sè siªu ©m gåm: sensor siªu ©m, bé khuyÕch ®¹i, ®Çu ghi tõ, m¹ch xö lý s¬ bé tÝn hiÖu siªu ©m. ƒ Bé thiÕt bÞ thu ghi ë d¶i ©m gåm: ®Çu thu d¶i réng, bé khuyÕch ®¹i, m¸y tÝnh. M« h×nh thiÕt bÞ kh¶o s¸t thùc nghiÖm lÇn thø nhÊt nh− h×nh 3.1. §èi t−îng kh¶o s¸t: ®¹n sóng AK vµ sóng tr−êng CKC b¾n ë c¸c cù li 70m, 100m, 150m Víi bé thu ghi ë d¶i ©m, tÝn hiÖu thu ®−îc ®−îc khuÕch ®¹i vµ ghi trùc tiÕp vµo m¸y tÝnh qua c¸p truyÒn. Víi thiÕt bÞ thu ghi ë tÇn sè siªu ©m, tÝn hiÖu siªu ©m thu ®−îc qua bé khuÕch ®¹i vµ xö lý s¬ bé ®−a vµo bé ghi b¨ng tõ. HÖ sè khuyÕch ®¹i cña m¹ch khuyÕch ®¹i ®−îc ®iÒu khiÓn tõ m¸y tÝnh. TÝn hiÖu siªu ©m thu ®−îc qua m¹ch khuÕch ®¹i vµ ®−a vÒ ®Çu ghi b¨ng tõ. M¹ch xö lý s¬ bé thùc chÊt lµ m¹ch xö lý ®Ó lÊy ra biªn ®é ®Ønh tÝn hiÖu thu ®−îc ®Ó ®−a vÒ m¸y tÝnh, ®ång thêi xö lý ®Õm sè viªn ®¹n vµ lÊy gi¸ trÞ biªn ®é tÝn hiÖu nhËn ®−îc cña tõng viªn ®¹n. 24
  28. Sensor siªu ©m H−íng b¾n 2 Microphone K§ vµ xö K§ VÞ trÝ b¾n 2 lý s¬ bé c¸p truyÒn H−íng b¾n 1 tÝn hiÖu siªu ©m §iÒu khiÓn hÖ sè k® Gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh VÞ trÝ b¾n 1 M¸y tÝnh §Çu ghi b¨ng tõ H×nh 3.1. M« h×nh thiÕt bÞ kh¶o s¸t thùc nghiÖm lÇn 1. KÕt qu¶ kh¶o s¸t thùc nghiÖm lÇn thø nhÊt nh− sau: ƒ Khi b¾n ë c¸c cù li kh¸c nhau trªn cïng h−íng b¾n 1, bé thu ghi tÝn hiÖu siªu ©m ®Òu thu ®−îc tÝn hiÖu vµ ®Õm chÝnh x¸c sè viªn ®¹n. Gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh nhËn ®−îc cña tÝn hiÖu thay ®æi. §iÒu ®ã kh¼ng ®Þnh phæ cña tÝn hiÖu t¹o ra khi b¾n cã ë d¶i tÇn sè siªu ©m. Tuy nhiªn, khi b¾n ë gÇn bia vµ nßng sóng h−íng theo h−íng b¾n 2, kh«ng h−íng vÒ phÝa bia, th× vÉn thu ®−îc tÝn hiÖu siªu ©m vµ vÉn ®Õm ®−îc sè viªn ®¹n, nªn ch−a kh¼ng ®Þnh ®−îc tÝn hiÖu siªu ©m nhËn ®−îc lµ do tiÕng næ ®Çu nßng hay sãng va ®Ëp. ƒ Víi bé thu tÝn hiÖu ë d¶i ©m sau khi thu ®−îc vµ ph©n tÝch phæ ta nhËn thÊy: ®Ønh phæ 304Hz ®Ønh phæ 1386Hz H×nh 3.2. TÝn hiÖu vµ phæ thu ®−îc khi b¾n sóng AK47, khi b¾n ph¸t mét. 25
  29. Khi b¾n ph¸t mét, sau khi ph©n tÝch phæ tÝn hiÖu thu ®−îc ta thÊy cã hai ®Ønh phæ rÊt lín ë 304 Hz vµ 1386 Hz. V× 1386 kh«ng thÓ lµ béi cña 304 (1386/304 ≈ 4,5) nªn ®Ønh phæ ë vÞ trÝ tÇn sè 1386 Hz kh«ng thÓ lµ hµi cña ®Ønh phæ 304 Hz. Thµnh phÇn tÇn sè cao h¬n chØ xuÊt hiÖn khi viªn ®¹n bay qua bia, ®ã lµ thµnh phÇn sãng va ®Ëp. Thµnh phÇn tÇn sè thÊp lu«n xuÊt hiÖn khi b¾n trong mäi tr−êng hîp, ®ã lµ tiÕng næ ®Çu nßng. H×nh 3.3 TÝn hiÖu vµ phæ thu ®−îc khi b¾n AK47, liªn thanh 3 viªn. Khi b¾n liªn thanh, tèc ®é b¾n kho¶ng 600ph¸t/phót tÝn hiÖu thu ®−îc nh− h×nh 3.3. Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c chïm xung lµ 100,884 ms. D¹ng phæ tÝn hiÖu thu ®−îc còng cã d¹ng t−¬ng ®ång víi khi b¾n ph¸t mét. §Ønh phæ 1386 Hz cã phÇn cao h¬n ®Ønh phæ 304 Hz. §iÒu ®ã cµng chøng tá ®©y lµ hai thµnh phÇn phæ cña hai tÝn hiÖu kh¸c nhau. Tuy nhiªn trong lÇn ®o ®¹c thùc nghiÖm nµy vÉn cßn mét sè h¹n chÕ nh− sau: - HÖ sè khuyÕch ®¹i cña bé khuyÕch ®¹i cßn ®Ó h¬i cao nªn tÝn hiÖu ©m thu ®−îc bÞ b·o hoµ. - §Þa h×nh triÓn khai thiÕt bÞ ®o kh«ng b»ng ph¼ng nªn thu ®−îc tiÕng déi t−¬ng ®èi lín. 3.1.2. Kh¶o s¸t thùc nghiÖm lÇn 2. Kh¾c phôc nh÷ng h¹n chÕ cña lÇn thö nghiÖm thø nhÊt, lÇn thö nghiÖm thø 2 kh¶o s¸t ®¹n sóng ®¹i liªn khi b¾n ë c¸c cù li 100m, 200m vµ 300m trªn ®Þa h×nh b»ng ph¼ng. M« h×nh kh¶o s¸t thùc nghiÖm cña lÇn thø hai nh− sau: 26
  30. Sensor siªu ©m Microphone H−íng b¾n 1 K§ vµ xö lý s¬ bé VÞ trÝ b¾n 1 c¸p truyÒn tÝn hiÖu siªu ©m §iÒu khiÓn hÖ sè k® VÞ trÝ b¾n 2 Gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh M¸y tÝnh §Çu ghi b¨ng tõ VÞ trÝ b¾n 3 H×nh 3.4. M« h×nh thiÕt bÞ kh¶o s¸t thùc nghiÖm lÇn 2. C¸c cù li b¾n: - VÞ trÝ 1: cù ly 100m - VÞ trÝ 2: cù ly 200m - VÞ trÝ 3: cù ly 300m KÕt qu¶ kh¶o s¸t thùc nghiÖm lÇn thø 2 nh− sau: ƒ §èi víi bé thiÕt bÞ thu tÝn hiÖu siªu ©m vÉn ®Õm ®−îc chÝnh x¸c sè viªn ®¹n vµ cã kÕt qu¶ gièng thö nghiÖm lÇn 1. Khi b¾n lªn trêi ë cù li 300m, kh«ng thu nhËn ®−îc tÝn hiÖu siªu ©m. Qu¸ tr×nh thö nghiÖm cho thÊy phæ cña sãng va ®Ëp tr¶i ra trªn mét d¶i tÇn sè t−¬ng ®èi réng tõ d¶i ©m ®Õn siªu ©m (40 KHz). ViÖc chän d¶i tÇn sè ®Ó xö lý lµ vÊn ®Ò ®Æt ra sao cho chèng ®−îc c¸c lo¹i nhiÔu t¸c ®éng ®Õn tÝn hiÖu cã Ých. ƒ §èi víi bé thu tÝn hiÖu ë d¶i ©m, c¸c tÝn hiÖu thu ®−îc ®−îc ®−a vµo ph©n tÝch cho thÊy: - Cù ly 100m, tÝn hiÖu thu ®−îc cã d¹ng nh− sau: 27
  31. ∆t ≈ 180ms H×nh 3.5 TÝn hiÖu thu ®−îc vµ phæ khi b¾n ®¹i liªn ë cù li 100m Ta thÊy tÝn hiÖu cã hai thµnh phÇn râ rÖt c¸ch nhau ∆t ≈ 180 ms. Theo lý thuyÕt, thµnh phÇn ®Õn tr−íc lµ sãng va ®Ëp cña viªn ®¹n trong qu¸ tr×nh bay, thµnh phÇn ®Õn sau lµ tiÕng næ ®Çu nßng. NÕu gäi s lµ cù ly b¾n, gãc γ lµ gãc t¹o gi÷a ®−êng ®¹n vµ ®−êng th¼ng tõ vÞ trÝ b¾n ®Õn ®Çu thu, khi ®ã: §−êng ®¹n S A v c VÞ trÝ b¾n γ s M O §Çu thu H×nh 3.6. M« t¶ sù phô thuéc cña gi·n c¸ch thêi gian vµo cù ly vµ gãc b¾n. Sãng va ®Ëp h×nh thµnh khi viªn ®¹n chuyÓn ®éng trªn ®−êng bay ®Õn ®Çu thu coi nh− ®−îc t¹o ra tõ ®iÓm S ®Õn ®Çu thu. NÕu lÊy gèc thêi gian lµ lóc viªn ®¹n b¾t ®Çu bay ra khái nßng ph¸o, còng lµ lóc b¾t ®Çu h×nh thµnh sãng næ ®Çu nßng. VËy kho¶ng thêi gian tõ gèc thêi gian ®Õn khi sãng va ®Ëp truyÒn ®Õn ®Çu thu M sÏ b»ng kho¶ng thêi gian viªn ®¹n chuyÓn ®éng tíi ®iÓm S víi vËn tèc v céng víi kho¶ng thêi gian sãng va ®Ëp chuyÓn ®éng tõ ®iÓm S ®Õn ®Çu thu M víi tèc ®é ©m c: OS SM s.cosγ s.sinγ s ⎛ cosγ ⎞ t1 = + = + = ⎜ + sinγ ⎟ (3-1) v c v c c ⎝ M ⎠ Kho¶ng thêi gian tõ gèc thêi gian ®Õn khi sãng næ ®Çu nßng truyÒn ®Õn ®Çu thu sÏ lµ: s t = (3-2) 2 c 28
  32. VËy kho¶ng c¸ch vÒ mÆt thêi gian gi÷a hai sãng ®Õn ®Çu thu sÏ lµ: s ⎛ cosγ ⎞ ∆t = t2 − t1 = ⎜1− − sinγ ⎟ (3-3) c ⎝ M ⎠ Khi γ nhá, vµ v× M>1 nªn c«ng thøc (3-39) cã thÓ viÕt: s 1 ∆t ≈ (1− ) (3-4) c M Tõ c«ng thøc (3-1) vµ (3-2) ta thÊy khi gãc γ ®ñ nhá th× t1 <t2, nghÜa lµ sãng va ®Ëp sÏ ®Õn ®Çu thu tr−íc tiÕng næ ®Çu nßng. §Õn ®©y chóng ta ®Æt ra c©u hái, liÖu cã tr−êng hîp tiÕng næ ®Çu nßng ®Õn tr−íc sãng va ®Ëp kh«ng? Khi gãc γ lín lªn th× tÝn hiÖu thu ®−îc sÏ nh− thÕ nµo? VÊn ®Ò nµy sÏ ®−îc ph©n tÝch cô thÓ trong phÇn tiÕp theo. Tõ c«ng thøc (3-4) ta thÊy khi b¾n ë gãc γ nhá, ∆t tû lÖ thuËn víi s. Do ®ã nÕu b¾n ë cù ly xa h¬n, ∆t t¨ng lªn sÏ chøng tá hai thµnh phÇn tÝn hiÖu thu ®−îc lµ sãng va ®Ëp vµ tiÕng næ ®Çu nßng. Tõ biÓu ®å phæ ta còng thÊy cã hai thµnh phÇn t¸ch biÖt. Thµnh phÇn phæ tÇn sè thÊp cã n¨ng l−îng cùc ®¹i ë 360 Hz. Thµnh phÇn phæ tÇn sè cao cã n¨ng l−îng cùc ®¹i trong d¶i tö 2600 Hz ®Õn 4800Hz. Dïng mét bé läc th«ng d¶i trong kho¶ng nµy ta thÊy tiÕng næ ®Çu nßng suy gi¶m gÇn hÕt, thµnh phÇn sãng va ®Ëp gÇn nh− kh«ng suy gi¶m . sãng va ®Ëp tiÕng næ ®Çu nßng H×nh 3.7. TÝn hiÖu sau khi cho qua bé läc th«ng d¶i: 2600Hz-4800Hz. - Cù ly 200m, tÝn hiÖu thu ®−îc cã d¹ng nh− sau: 29
  33. ∆t ≈ 290ms H×nh 3.8. TÝn hiÖu thu ®−îc vµ phæ khi b¾n ë cù ly 200m. Tõ h×nh 3.8 ta nhËn thÊy kho¶ng thêi gian gi·n c¸ch gi÷a sãng va ®Ëp va tiÕng næ ®Çu nßng t¨ng lªn: ∆t ≈ 290 ms, phï hîp víi c«ng thøc (3-4). §èi chiÕu gi÷a h×nh 3.5 vµ h×nh 3.8 ta thÊy tiÕng næ ®Çu nßng nhá ®i do lan truyÒn ®Õn ®Çu thu ë kho¶ng c¸ch xa h¬n, cßn thµnh phÇn sãng va ®Ëp kh«ng phô thuéc vµo cù li b¾n mµ chØ phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch tõ ®−êng ®¹n ®Õn ®Çu thu, nªn biªn ®é kh«ng thay ®æi nhiÒu. LÇn l−ît xö lý ph©n tÝch phæ cña tõng thµnh phÇn ta nhËn ®−îc kÕt qu¶ nh− trªn h×nh 3.9 vµ h×nh 3.10. H×nh 3.9. Sãng va ®Ëp vµ phæ khi b¾n ë cù ly 200m. H×nh 3.10.TiÕng næ ®Çu nßng vµ phæ khi b¾n ë cù ly 200m. 30
  34. §Ønh phæ lín nhÊt cña sãng va ®Ëp trong tr−êng hîp nµy n»m ë tÇn sè 4760Hz cßn cña tiÕng næ ®Çu nßng lµ 393 Hz. - Cù li 300m, tÝn hiÖu nhËn ®−îc vµ phæ cã d¹ng nh− trªn h×nh 3.11. Gi·n c¸ch thêi gian gi÷a tiÕng næ ®Çu nßng vµ sãng va ®Ëp t¨ng lªn, ∆t ≈ 400 ms. ∆t ≈ 400ms H×nh 3.11. TÝn hiÖu thu ®−îc vµ phæ khi b¾n ë cù li 300m. Thay ®æi kho¶ng c¸ch tõ ®−êng ®¹n ®Õn ®Çu thu ta thÊy khi kho¶ng c¸ch t¨ng lªn th× gi¸ trÞ ∆t gi¶m dÇn. §iÒu nµy phï hîp víi c«ng thøc (3-3). Nh×n vµo c«ng thøc (3-3) ta thÊy, nÕu coi s kh«ng ®æi th× ∆t phô thuéc vµo gi¸ trÞ cña gãc γ. Trong thùc tÕ ta chØ kh¶o s¸t víi gãc γ ≤ 900. Khi γ = 00, ∆t cã gi¸ trÞ lín nhÊt vµ b»ng: s 1 ∆t = (1− ) c M s 3 Khi γ = 300, ∆t = (1− ) 2.c M Tõ c«ng thøc (3-39) ta thÊy cã mét gãc γ phô thuéc vµo gi¸ trÞ cña M ®Ó ∆t =0. Gi¶i ph−¬ng tr×nh l−îng gi¸c: cosγ + sinγ = 1 ( 00 ≤ γ ≤ 900 ) M ⇔ cosγ + M sinγ = M 1 M M ⇔ cosγ + sinγ = M 2 +1 M 2 +1 M 2 +1 1 ®Æt sin a = M 2 +1 ⇒ sin a.cosγ + cos a.sinγ = cos a π ⇔ sin(γ + a) = sin( − a) 2 31
  35. ⎡ π ⎢γ + a = − a + 2kπ 2 0 ⇒ ⎢ (0 ≤ γ ≤ 90 ) π ⎢γ + a = π − ( − a) + 2kπ ⎣⎢ 2 ⎡ π ⎢γ = − 2a + 2kπ 2 0 ⇔ ⎢ (0 ≤ γ ≤ 90 ) π ⎢γ = + 2kπ ⎣⎢ 2 Gi¶ thiÕt nÕu M = 3 ⇒ a = 300, γ = 300. NghÜa lµ khi b¾n ë gãc b¾n γ = 300 th× tiÕng næ ®Çu nßng vµ sãng va ®Ëp ®Õn ®Çu thu cïng mét lóc vµ t¸c ®éng lÉn nhau. NÕu tiÕp tôc t¨ng gãc b¾n γ > 300 sÏ dÉn ®Õn hiÖn t−îng tiÕng næ ®Çu nßng ®Õn ®Çu thu tr−íc sãng va ®Ëp. H×nh 3.12 cho thÊy sù thay ®æi cña ∆t theo gãc b¾n (hay kho¶ng c¸ch tõ ®Çu thu ®Õn ®−êng ®¹n). ∆t = 392 ms ∆t = 341 ms TÝn hiÖu thu ®−îc ë cù li 300, ®Çu TÝn hiÖu thu ®−îc ë cù li 300, ®Çu thu c¸ch ®−êng ®¹n 10m. thu c¸ch ®−êng ®¹n 20m. ∆t = 302 ms ∆t = 269 ms TÝn hiÖu thu ®−îc ë cù li 300, ®Çu TÝn hiÖu thu ®−îc ë cù li 300, ®Çu thu c¸ch ®−êng ®¹n 30m. thu c¸ch ®−êng ®¹n 50m. H×nh 3.12. Sù thay ®æi cña ∆t theo gãc b¾n. 32
  36. KÕt luËn: Qu¸ tr×nh kh¶o s¸t tiÕn hµnh víi b¾n sóng bé binh ®· x¸c ®Þnh ®−îc chÝnh x¸c thµnh phÇn sãng va ®Ëp trong tÝn hiÖu thu nhËn ®−îc. C¸c tÝn hiÖu sãng va ®Ëp vµ tiÕng næ ®Çu nßng thu nhËn ®−îc hoµn toµn phï hîp víi nh÷ng nghiªn cøu lý thuyÕt vÒ mèi liªn hÖ gi÷a sãng va ®Ëp vµ tiÕng næ ®Çu nßng nh− tr×nh bµy trong môc 2.3 vµ c«ng thøc (3-1). Qua kh¶o s¸t thùc nghiÖm cho thÊy, sãng va ®Ëp h×nh thµnh khi b¾n sóng bé binh cã phæ tr¶i tõ miÒn ©m (trªn 2 KHz) ®Õn miÒn siªu ©m (trªn 40 KHz). Tuy nhiªn, miÒn n¨ng l−îng lín nhÊt cña sãng va ®Ëp h×nh thµnh khi b¾n sóng bé binh n»m trong kho¶ng tõ 2600Hz ®Õn 4800 Hz. Trong khi tiÕng næ ®Çu nßng cã n¨ng l−îng lín nhÊt ë vïng d−íi 400 Hz. 3.2. Kh¶o s¸t nhiÔu do tiÕng næ ®éng c¬. Qu¸ tr×nh kh¶o s¸t tiÕn hµnh trªn hai bé thiÕt bÞ: ƒ Bé thiÕt bÞ thu, ghi ë tÇn sè siªu ©m gåm: sensor siªu ©m, bé khuyÕch ®¹i, ®Çu ghi tõ, m¹ch xö lý s¬ bé tÝn hiÖu siªu ©m. ƒ Bé thiÕt bÞ thu ghi ë d¶i ©m gåm: ®Çu thu d¶i réng, bé khuyÕch ®¹i, m¸y tÝnh. M« h×nh thiÕt bÞ kh¶o s¸t thùc nghiÖm tiÕng næ ®éng c¬ nh− sau: Microphone §éng c¬ TÊm ch¾n Sensor siªu ©m Gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh K§ vµ xö M¸y tÝnh lý s¬ bé §iÒu khiÓn hÖ sè k® §Çu ghi b¨ng tõ tÝn hiÖu siªu ©m H×nh 3.13. M« h×nh thiÕt bÞ kh¶o s¸t tiÕng næ ®éng c¬. KÕt qu¶ kh¶o s¸t: ™ Víi bé thu tÝn hiÖu siªu ©m: - Khi ®Çu thu h−íng vÒ phÝa nguån ph¸t tiÕng næ, thu ®−îc tÝn hiÖu siªu ©m rÊt lín. §−a ®Çu thu ra xa nguån ph¸t 7m vÉn thu ®−îc tÝn hiÖu lín. 33
  37. - Khi h−íng ®Çu thu siªu ©m ng−îc víi h−íng nguån ph¸t kh«ng thu ®−îc tÝn hiÖu siªu ©m mÆc dï ®Çu thu ®Ó rÊt gÇn nguån (20 cm). - Dïng tÊm ch¾n b»ng nhùa ch¾n gi÷a sensor vµ nguån ph¸t, kh«ng thu ®−îc tÝn hiÖu. - Quay sensor vÒ phÝa c¸c mÆt ph¶n x¹ thu ®−îc tÝn hiÖu siªu ©m lín. ™ Víi bé thu tÝn hiÖu ©m. Mét file tÝn hiÖu ©m cña tiÕng næ ®éng c¬ ghi ®−îc vµ biÓu ®å phæ cã d¹ng nh− sau: TiÕng næ ®éng c¬ ghi trong 26 gi©y BiÓu ®å d¹ng phæ §o¹n tÝn hiÖu khi t¨ng ga vµ biÓu ®å phæ: §o¹n tÝn hiÖu khi t¨ng ga BiÓu ®å d¹ng phæ BiÓu ®å d¹ng phæ h×nh bªn cho thÊy n¨ng l−îng tÝn hiÖu tiÕng næ ®éng c¬ khi t¨ng ga tËp trung trong vïng 200Hz-700 Hz. 34
  38. §o¹n tÝn hiÖu khi gi¶m ga vµ biÓu ®å phæ: §o¹n tÝn hiÖu khi gi¶m ga Phæ cña ®o¹n tÝn hiÖu khi gi¶m ga Tõ biÓu ®å ph©n tÝch phæ ta thÊy d¹ng phæ tÝn hiÖu khi t¨ng ga vµ gi¶m ga t−¬ng ®−¬ng nhau. N¨ng l−îng tiÕng næ ®éng c¬ tËp trung ë vïng tÇn sè thÊp d−íi 700Hz. KÕt qu¶ nµy cung ®−îc kh¼ng ®Þnh khi ta ph©n tÝch phæ cña mét tiÕng næ ®éng c¬ lóc t¨ng ga vµ lóc gi¶m ga. Mét tiÕng næ khi t¨ng ga Phæ cña mét tiÕng næ khi t¨ng ga Mét tiÕng næ khi gi¶m ga Phæ cña mét tiÕng næ khi gi¶m ga 35
  39. KÕt luËn: - TiÕng næ ®éng c¬ t¸c ®éng rÊt lín tíi ®Çu thu siªu ©m khi ®Çu thu h−íng vÒ phÝa nguån ph¸t tiÕng næ. Do ®ã khi rÊt khã chÕ t¹o ®Çu thu cã gi¶n ®å h−íng h×nh cÇu mµ l¹i lo¹i bá ®−îc nhiÔu do tiÕng næ ®éng c¬ g©y ra. - Khi dïng ®Çu thu siªu ©m sÏ thu ®−îc tÝn hiÖu ph¶n x¹ lín. Do ®ã ®èi víi x¹ kÝch hµng lo¹t th× tÝn hiÖu siªu ©m ph¶n x¹ cña ph¸t ®¹n tr−íc sÏ nhiÔu vµo tÝn hiÖu siªu ©m cã Ých cña ph¸t ®¹n sau, g©y ra sai sè trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n. - Víi ®Çu thu ©m, phæ tÝn hiÖu ®éng c¬ chñ yÕu tËp trung ë vïng tÇn sè thÊp (d−íi 300 Hz), nªn ta cã thÓ lo¹i bá t¸c ®éng cña nhiÔu nµy khi dïng mét bé läc th«ng cao hoÆc bé läc d¶i th«ng. 3.3. C¸c kh¶o s¸t tiÕn hµnh víi ph¸o phßng kh«ng. Qu¸ tr×nh kh¶o s¸t tÝn hiÖu thu ®−îc khi b¾n ph¸o phßng kh«ng ®−îc tiÕn hµnh víi 02 bé ®Çu thu theo m« h×nh nh− trªn h×nh 3.13: §Çu thu H−íng b¾n M¸y tÝnh VÞ trÝ b¾n 250m H×nh 3.13. M« h×nh kh¶o s¸t thùc nghiÖm khi b¾n ph¸o phßng kh«ng. KÕt qu¶ kh¶o s¸t: ™ Víi ph¸o phßng kh«ng 37 ly. TÝn hiÖu thu ®−îc khi b¾n ph¸t mét cã d¹ng nh− h×nh 3.14. Thµnh phÇn phÝa tr−íc lµ sãng va ®Ëp vµ tÝn hiÖu ph¶n x¹ cña nã tõ mÆt ®Êt. Thµnh phÇn phÝa sau lµ tiÕng næ ®Çu nßng. Ta nhËn thÊy do kho¶ng c¸ch b¾n gÇn nªn thµnh phÇn tiÕng næ ®Çu nßng cßn rÊt lín. Vµ v× ®Çu thu ®Ó gÇn mÆt ®Êt nªn thµnh phÇn tÝn hiÖu ph¶n x¹ vÒ còng lín. Khi b¾n ë kho¶ng c¸ch gÇn, c¸c thµnh phÇn tÇn sè cao vµ hµi bËc cao 36
  40. cña tiÕng næ ®Çu nßng sÏ lan truyÒn ®Õn ®Çu thu g©y ra nhiÔu. NÕu b¾n ë kho¶ng c¸ch xa h¬n c¸c thµnh phÇn nµy bÞ suy gi¶m gÇn hÕt, chØ cßn thµnh phÇn hµi c¬ b¶n cña tiÕng næ ®Çu nßng t¸c ®éng tíi ®Çu thu, vµ bÞ lo¹i bá bëi bé läc. Sãng va ®Ëp Sãng næ ®Çu nßng TÝn hiÖu ph¶n x¹ tÝn hiÖu ph¶n x¹ cña sãng va ®Ëp sãng næ ®Çu nßng H×nh 3.14. TÝn hiÖu thu ®−îc khi b¾n ph¸o 37ly Qu¸ tr×nh ph©n tÝch cho thÊy sãng va ®Ëp cã n¨ng l−îng lín nhÊt ë tÇn sè 850Hz. TiÕng næ ®Çu nßng cã n¨ng l−îng lín nhÊt ë tÇn sè 380Hz. ®Ønh phæ lín nhÊt 380 Hz H×nh 3.15. TiÕng næ ®Çu nßng vµ phæ cña nã. ®Ønh phæ lín nhÊt 860 Hz H×nh 3.16. Sãng va ®Ëp vµ phæ cña nã. 37
  41. ™ Ph¸o phßng kh«ng 12 ly 7. TÝn hiÖu thu ®−îc cã d¹ng sau: Sãng va ®Ëp TiÕng næ ®Çu nßng H×nh 3.17. TÝn hiÖu thu ®−îc khi b¾n ph¸o 12 ly 7. Phæ cña tiÕng næ ®Çu nßng Phæ cña sãng va ®Ëp H×nh 3.18. Phæ 3D cña tÝn hiÖu thu ®−îc khi b¾n ph¸o 12 ly 7. Qu¸ tr×nh ph©n tÝch cho thÊy, khi b¾n ph¸o phßng kh«ng 12 ly 7, sãng va ®Ëp cã n¨ng l−îng tËp trung ë tÇn sè 1500Hz. TiÕng næ ®Çu nßng cã n¨ng l−îng tËp trung ë tÇn sè 360 Hz. 38
  42. TÝn hiÖu thu ®−îc khi b¾n liªn thanh: Sãng va ®Ëp TiÕng næ ®Çu nßng H×nh 3.19. TÝn hiÖu thu ®−îc khi b¾n liªn thanh. Phæ sãng va ®Ëp Phæ tiÕng næ ®Çu nßng H×nh 3.20. Phæ cña tÝn hiÖu khi b¾n liªn thanh. Ph¸o 12 ly 7 cã tiÕng næ ®Çu nßng nhá h¬n nªn thµnh phÇn tÇn sè cao trong tiÕng næ ®Çu nßng gÇn nh− bÞ lo¹i bá. Khi b¾n liªn thanh cho thÊy mèi t−¬ng quan n¨ng l−îng gi÷a sãng va ®Ëp vµ tiÕng næ ®Çu nßng. Thµnh phÇn n¨ng l−îng ë vïng 1,4 Khz v−ît lªn h¼n so víi vóng nang l−îng tÇn sè thÊp. 39
  43. Tãm l¹i: - Kh¶o s¸t víi ph¸o phßng kh«ng cho kÕt qu¶ ®óng nh− dù ®o¸n sau khi kh¶o s¸t víi sóng bé binh. TÇn phæ cña sãng va ®Ëp thÊp h¬n v× kÝch th−íc ®Çu ®¹n cña ph¸o phßng kh«ng lín h¬n kÝch th−íc ®Çu ®¹n sóng bé binh. §iÒu nµy hoµn toµn phï hîp víi lý thuyÕt (xem môc 2.3, h×nh 2.9: tÇn sè cña sãng va ®Ëp phô thuéc vµo kho¶ng c¸ch gi÷a hai mÆt sãng tr−íc vµ sau, khi ®Çu ®¹n cã kÝch th−íc cµng lín, th× kho¶ng c¸ch gi÷a hai mÆt sãng cµng lín nªn tÇn sè sãng va ®Ëp gi¶m). - Qu¸ tr×nh kh¶o s¸t cßn b¾n ë kho¶ng c¸ch gÇn nªn trong tÝn hiÖu thu ®−îc, tiÕng næ ®Çu nßng vÉn cßn nhiÒu c¸c thµnh phÇn tÇn sè cao, hoÆc hµi bËc cao ch−a bÞ suy gi¶m nhiÒu. CÇn t¨ng kho¶ng c¸ch gi÷a ph¸o vµ ®Çu thu xa n÷a (trªn 500m) ®Ó tiÕng næ ®Çu nßng khi b¾n ph¸o 37 ly suy gi¶m lín h¬n trong thµnh phÇn tÝn hiÖu thu ®−îc, nh»m t¹o thuËn lîi cho viÖc ph©n tÝch, ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ . - C¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch phæ lµ c¬ së ®Ò ®iÒu chØnh c¸c tham sè bé läc ®Çu vµo cña thiÕt bÞ . 3.4. Mét sè kÕt luËn. • Qu¸ tr×nh kh¶o s¸t cho thÊy sãng va ®Ëp t¹o ra khi b¾n ph¸o vµ c¸c lo¹i sóng bé binh cã d¶i tÇn sè tr¶i réng tõ miÒn ©m ®Õn miÒn siªu ©m. Tuy nhiªn vïng n¨ng l−îng chÝnh cña sãng va ®Ëp tËp trung trong kho¶ng 600Hz ®Õn 5 KHz, tuú thuéc lo¹i sóng, ph¸o vµ kÝch th−íc ®Çu ®¹n. • Trong vïng siªu ©m , do n¨ng l−îng sãng va ®Ëp nhá nªn sù t¸c ®éng cña nhiÔu ®éng c¬ lín (nÕu g¾n thiÕt bÞ trªn m¸y bay môc tiªu). D−íi t¸c ®éng cña nhiÔu, viÖc t¹o ra gi¶n ®å h−íng d¹ng cÇu cho ®Çu thu hÕt søc khã kh¨n. • Trong vïng ©m, sãng va ®Ëp cã phæ n¨ng l−îng tËp trung ë miÒn tÇn sè cao trªn 800Hz. Trong khi c¸c lo¹i nhiÔu chñ yÕu lµ tiÕng næ ®Çu nßng vµ tiÕng næ ®éng c¬ cã tÇn sè thÊp h¬n (d−íi 700Hz). Do ®ã cã thÓ lo¹i bá c¸c lo¹i nhiÔu nµy b»ng c¸ch sö dông bé läc d¶i th«ng hoÆc th«ng cao. 40
  44. Ch−¬ng 4 thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ thèng 4.1. C¸c yªu cÇu ®Æt ra cña hÖ thèng. Sau khi ®· nghiªn cøu lý thuyÕt vµ kh¶o s¸t ®−îc d¹ng tÝn hiÖu sãng va ®Ëp, ph©n tÝch ®Æc tr−ng phæ n¨ng l−îng cña nã vµ c¸c thµnh phÇn nhiÔu t¸c ®éng. §Ò tµi ®i vµo thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ thèng thiÕt bÞ. Môc ®Ých cña thiÕt bÞ lµ ®o ®¹c ®−îc kho¶ng c¸ch tõ ®Çu thu ®Õn ®−êng ®¹n, tõ ®ã tÝnh to¸n ®é chôm cña ®¹n ph¸o phßng kh«ng. §Ó thùc hiÖn viÖc ®o chÝnh x¸c kho¶ng c¸ch tõ ®Çu thu ®Õn ®−êng ®¹n, hÖ thèng thiÕt bÞ ph¶i ®¶m b¶o c¸c néi dung yªu cÇu kü thuËt sau: - TÝnh ®¼ng h−íng cña ®Çu thu. - D¶i ®éng cña hÖ thèng. - Kh¶ n¨ng chèng nhiÔu. - Xö lý tÝn hiÖu khi b¾n lo¹t. §©y lµ bèn vÊn ®Ò lín ®Æt ra, ®Þnh h−íng trong qu¸ tr×nh thiÕt kÕ, chÕ t¹o c¸c m«®un cña hÖ thèng thiÕt bÞ. a) TÝnh ®¼ng h−íng cña ®Çu thu. Khi nãi tíi tÝnh ®¼ng h−íng cña ®Çu thu, hÖ thèng yªu cÇu ®Çu thu tÝn hiÖu ph¶i cã gi¶n ®å h−íng thu h×nh cÇu vµ t−¬ng ®èi ®Òu trªn mäi h−íng. Lý do cña yªu cÇu nµy xuÊt ph¸t tõ ®ßi hái cña bµi to¸n thùc tÕ. Khi g¾n thiÕt bÞ trªn vËt mang (m¸y bay môc tiªu, khÝ cÇu ), sù chao l¾c cña vËt mang lµm cho ®Çu thu chao l¾c theo, nÕu gi¶n ®å h−íng cña ®Çu thu kh«ng ®Òu th× sù chao l¾c nµy dÉn ®Õn sai sè ®o rÊt lín. b) D¶i ®éng cña hÖ thèng. Do c−êng ®é tÝn hiÖu sãng va ®Ëp suy gi¶m rÊt nhanh theo b×nh ph−¬ng kho¶ng c¸ch trong qu¸ tr×nh lan truyÒn tõ nguån ®Õn ®Çu thu. §iÒu nµy dÉn ®Õn hiÖn t−îng nÕu thu tÝn hiÖu sãng va ®Ëp cña nh÷ng viªn ®¹n ë gÇn ®Çu thu mµ kh«ng bÞ b·o hoµ th× kh«ng thu ®−îc tÝn hiÖu sãng va ®Ëp cña nh÷ng viªn ®¹n ë xa ®Çu thu, nÕu thu ®−îc tÝn hiÖu sãng va ®Ëp nhá cña nh÷ng viªn ®¹n ë xa ®Çu thu th× nh÷ng tÝn 41
  45. hiÖu sãng va ®Ëp cña nh÷ng viªn ®¹n gÇn ®Çu thu bÞ b·o hoµ. Do ®ã thiÕt bÞ bia chØ cã thÓ ®o ®−îc trong mét ph¹m vi nhÊt ®Þnh. Ta gäi ®ã lµ d¶i ®éng cña hÖ thèng ®o. D D¶i ®éng cña hÖ thèng bÞ h¹n chÕ bëi: - D¶i ®éng cña ®Çu thu. - M¹ch khuyÕch ®¹i ®Çu vµo. - M¹ch t¸ch sãng. BiÖn ph¸p më réng d¶i ®éng cña hÖ thèng: - Dïng c¸c m¹ch khuyÕch ®¹i logarith. - Dïng m¹ch t¸ch sãng cã møc cho qua nhá. U Umax K§ logarith K§ th−êng Møc D 0,7V Dmin2 Dmax1 Dmax2 H×nh 4.1. BiÓu ®å chØ ra c¸c ph−¬ng ph¸p më réng d¶i ®éng cña hÖ thèng. c) Kh¶ n¨ng chèng nhiÔu. Lo¹i bá ®−îc t¸c ®éng cña c¸c lo¹i nhiÔu sau: TiÕng næ ®Çu nßng vµ tiÕng næ ®éng c¬. d) Xö lý tÝn hiÖu khi b¾n lo¹t. HÖ thèng ph¶i ®Õm chÝnh x¸c sè l−îng viªn ®¹n vµ kho¶ng c¸ch cña tõng viªn ®Õn ®Çu thu trong tr−êng hîp b¾n liªn thanh, b¾n lo¹t nhiÒu khÈu cïng mét lóc. 42
  46. 4.2. S¬ ®å khèi vµ nguyªn lý lµm viÖc chung. Bé ®Öm vµ MODEM M¸y ph¸t ®iÒu khiÓn VT§ ph¸t Khèi xö lý ADC Läc K§ §Çu thu Khèi xö lý sè Khèi xö lý t−¬ng tù Tr¹m ®o trªn kh«ng Tr¹m ®o trªn kh«ng M¸y thu MODEM VT§ Khèi ®o tham C¶m biÕn nhiÖt ®é sè khÝ t−îng vµ ®o tèc ®é giã Tr¹m mÆt ®Êt H×nh 4.2. S¬ ®å khèi tæng thÓ hÖ thèng ®o ®é chôm ®¹n ph¸o phßng kh«ng. 43
  47. Nguyªn lý lµm viÖc chung: Khi b¾n ph¸o, sù chuyÓn ®éng v−ît ©m cña ®Çu ®¹n trong kh«ng khÝ t¹o ra sãng va ®Ëp. Sãng va ®Ëp lan truyÒn trong kh«ng khÝ vµ t¸c ®éng vµo ®Çu thu. ë c¸c kho¶ng c¸ch kh¸c nhau, tÝn hiÖu ®Çu ra cña c¶m biÕn cã biªn ®é kh¸c nhau. V× vËy, biªn ®é sãng va ®Ëp cã thÓ ®−îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch tõ ®Çu thu ®Õn ®−êng ®¹n. HÖ thèng ®o ®é chôm ®¹n ph¸o phßng kh«ng ®· ®−îc thiÕt kÕ dùa trªn c¬ së x¸c ®Þnh biªn ®é cña tÝn hiÖu thu ®−îc tõ ®Çu thu do sãng va ®Ëp t¹o ra khi viªn ®¹n bay qua vÞ trÝ ®Æt ®Çu thu. TÝn hiÖu sãng va ®Ëp ®−îc ph¸t hiÖn bëi c¶m biÕn ®iÖn ®éng. C¶m biÕn cã chøc n¨ng biÕn ®æi sãng va ®Ëp thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. Sau ®ã tÝn hiÖu ®iÖn ®−îc khuÕch ®¹i vµ ®−a ®Õn bé läc. M¹ch läc ®−îc thiÕt kÕ ®Ó lo¹i bá t¹p ©m tÇn sè thÊp vµ c¸c t¹p ©m c−êng ®é thÊp, nh»m môc ®Ých lo¹i bá tiÕng næ ®Çu nßng vµ tiÕng næ ®éng c¬ (khi thiÕt bÞ ®−îc g¾n trªn m¸y bay môc tiªu). TÝn hiÖu ®Çu ra bé läc ®−îc ®−a ®Õn ®Çu vµo ADC ®Ó chuyÓn thµnh tÝn hiÖu sè. Tèc ®é ADC ®−îc ®iÒu khiÓn bëi khèi xö lý vµ ®iÒu khiÓn. TÝn hiÖu ®Çu ra ADC ®−îc ®−a vµo khèi xö lý sè. NhiÖm vô cña khèi nµy lµ xö lý lÊy biªn ®é ®Ønh (gi¸ trÞ lín nhÊt) cña tÝn hiÖu thu ®−îc. KÕt qu¶ gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh d−îc ghi vµo bé ®Öm. Bé ®Öm vµ ®iÒu khiÓn thu ph¸t cã chøc n¨ng thu nhËn, qu¶n lý c¸c gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh vµ ®−a vµo modem ph¸t, ®iÒu khiÓn modem ph¸t vµ m¸y ph¸t v« tuyÕn. Ph¸t b¶n tin ®Ó kiÓm tra ®−êng truyÒn. Modem ph¸t ®iÒu chÕ tÝn hiÖu sè ®−a vµo m¸y ph¸t v« tuyÕn. M¸y ph¸t v« tuyÕn ®iÖn cã chøc n¨ng biÕn ®æi tÝn hiÖu sau ®iÒu chÕ cña m«dem thµnh tÝn hiÖu sãng ®iÖn tõ vµ truyÒn lan trong kh«ng gian. Cù ly truyÒn lan tuú theo c«ng suÊt ph¸t vµ m«i tr−êng truyÒn lan. M¸y thu ®Æt t¹i tr¹m d−íi mÆt ®Êt thu ®−îc tÝn hiÖu sãng ®iÖn tõ ph¸t ra tõ m¸y ph¸t t¹i tr¹m ®o trªn kh«ng ®−îc ®−a tíi m«dem gi¶i ®iÒu chÕ thµnh tÝn hiÖu sè. ThiÕt bÞ giao tiÕp víi m¸y tÝnh qua chuÈn giao tiÕp RS232. D÷ liÖu sau ®ã ®−îc ®−a tíi m¸y tÝnh ®Ó ph©n tÝch sè liÖu tÝnh to¸n ra ®é chôm cña c¸c vßng t−¬ng øng. T¹i m¸y tÝnh sè liÖu ®−îc l−u tr÷ vµ cã thÓ tæng hîp ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ sau tõng lÇn b¾n. KÕt qu¶ b¾n cã thÓ ®−îc chØ thÞ trªn mµn h×nh hoÆc m¸y in. Ngoµi ra, tr¹m mÆt ®Êt cßn cã khèi ®o vµ hiÓn thÞ tham sè khÝ t−îng phôc vô cho qu¸ tr×nh b¾n kiÓm tra vµ hiÖu chØnh ph¸o. 44
  48. 4.3. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o tr¹m trªn kh«ng. H×nh ¶nh tr¹m trªn kh«ng: H×nh 4.3. H×nh ¶nh tr¹m trªn kh«ng. S¬ ®å khèi cña tr¹m trªn kh«ng ®−îc trÝch ra tõ s¬ ®å khèi cña hÖ thèng cã d¹ng nh− sau: Bé ®Öm vµ MODEM M¸y ph¸t ®iÒu khiÓn VT§ ph¸t Khèi xö lý Nguån 7,2V ADC Läc K§ §Çu thu Khèi xö lý sè Khèi xö lý t−¬ng tù H×nh 4.4. Tr¹m ®o trªn kh«ng. 45
  49. Mét sè tÝnh n¨ng chÝnh cña tr¹m trªn kh«ng: - C¸c møc ®¸nh gi¸ ®é chôm ph¸o 37 mm: 3m, 5m, 7m, 10m. - Tèc ®é ®Õm 200 viªn/gi©y. - Sè bÝt lÊy mÉu 10 bÝt - Tèc ®é lÉy mÉu ~50 KHz. - TÇn sè lµm viÖc (136 ÷ 174 ) Mhz - Gi·n c¸ch kªnh 5 KHz - §é nh¹y m¸y thu 0,18 µv - Trë kh¸ng anten 50 Ω - C«ng suÊt ph¸t : Max 5W , Medium 1,5W, Min 0,5W - Nguån mét chiÒu 7,2 v 1650 mAh - Dßng tiªu thô ë chÕ ®é thu Cùc ®¹i: 100 mA. TiÕt kiÖm: 30 mA. - Dßng tiªu thô ë chÕ ®é ph¸t Cùc ®¹i: 1,5 A.TiÕt kiÖm: 500 mA. - NhiÖt ®é lµm viÖc - 10 ÷70 0 C - §é Èm 0 ÷ 85 % - Thêi gian lµm viÖc liªn tôc 5 giê víi pin 7,2 V - KÝch th−íc ( 152x82x740) mm - Khèi l−îng (KÓ c¶ nguån pin) 1Kg 4.3.1. ChÕ t¹o ®Çu thu. §Çu thu lµ mét thµnh phÇn quan träng trong hÖ thèng thiÕt bÞ ®o ®é chôm ®¹n ph¸o phßng kh«ng, cã nhiÖm vô thu nhËn sãng va ®Ëp vµ biÕn n¨ng l−îng sãng va ®Ëp thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ë ®Çu ra. Do hÖ thèng ®o ®é chôm ho¹t ®éng trªn nguyªn lý ®o c−êng ®é cùc ®¹i cña tÝn hiÖu sãng va ®Ëp t¹o ra khi ®Çu ®¹n bay qua ®Çu thu nªn ®Çu thu ph¶i ®¶m b¶o ®−îc c¸c yªu cÇu sau: • D¶i tÇn lµm viÖc cña ®Çu thu ph¶i ®¶m b¶o n»m trong vïng phæ n¨ng l−îng cña sãng va ®Ëp. • §é lín cña tÝn hiÖu ®Çu ra tØ lÖ víi c−êng ®é tÝn hiÖu thu nhËn ®Çu vµo. • Do ph¶i thu nhËn c¸c xung tÝn hiÖu ®Õn tõ nhiÒu h−íng kh¸c nhau, nªn ®ßi hái ®Çu thu cã gi¶n ®å h−íng t−¬ng ®èi ®Òu trªn mäi h−íng. 46
  50. Tõ viÖc kh¶o s¸t sãng va ®Ëp cho thÊy, sãng va ®Ëp cã phæ n¨ng l−îng tõ vµi tr¨m Hz ®Õn vµi chôc KHz, ®iÒu nµy cho phÐp lùa chän tÇn sè c«ng t¸c cña ®Çu thu trong vïng t−¬ng ®èi réng tõ vïng ©m thanh ®Õn vïng siªu ©m. Qu¸ tr×nh nghiªn cøu, ®Ò tµi ®· chÕ t¹o ®ång thêi 02 bé ®Çu thu trªn c¶ hai vïng ©m vµ siªu ©m. a) §Æc ®iÓm kü thuËt cña ®Çu thu siªu ©m. §Çu thu siªu ©m ®−îc thiÕt kÕ dùa trªn nguyªn lý ¸p ®iÖn, sö dông sensor siªu ©m 40/R do Singapore chÕ t¹o. Mét sè ®Æc tÝnh kü thuËt cña sensor nh− sau: §Æc tÝnh 40/R TÇn sè trung t©m (KHz) 40.0 ± 1.0 KHz §é nh¹y (0dB vs V/µbar) ≥-69dB §é réng b¨ng tÇn (KHz) 2.0 KHz/-73 dB Gãc chiÕu -6dB 800 §iÖn ¸p ®iÒu khiÓn (RMS) 20V NhiÖt ®é lµm viÖc (0C) -300C ÷ 800C C¸c tham sè kü thuËt kh¸c cña sensor siªu ©m 40T/R ®−îc nªu trong phô lôc. ¦u ®iÓm khi sö dông ®Çu thu siªu ©m lµ lo¹i bá ®−îc nhiÔu tiÕng næ ®Çu nßng vµ tiÕng ån cña m«i tr−êng nªn hÖ thèng xö lý tÝn hiÖu ®¬n gi¶n, kh«ng cÇn c¸c biÖn ph¸p ®Ó lo¹i bá hai lo¹i nhiÔu trªn. Tuy nhiªn, ®Çu thu siªu ©m còng béc lé mét sè nh−îc ®iÓm rÊt khã kh¾c phôc ®ã lµ: • TÝnh ®Þnh h−íng cña ®Çu thu siªu ©m rÊt lín nªn khã chÕ t¹o mét ®Çu thu siªu ©m cã gi¶n ®å h−íng t−¬ng ®èi ®Òu trªn mäi h−íng. Trªn thùc tÕ, nhãm ®Ò tµi míi chÕ t¹o ®−îc ®Çu thu siªu ©m cã gi¶n ®å h−íng h×nh b¸n cÇu phÝa tr−íc ®Çu thu. • §Çu thu siªu ©m chÞu t¸c ®éng rÊt lín cña tiÕng næ ®éng c¬ (nÕu g¾n thiÕt bÞ trªn m¸y bay m« h×nh). b) §Æc ®iÓm kü thuËt cña ®Çu thu ©m. §Çu thu ©m ®−îc thiÕt kÕ trªn nguyªn lý ®iÖn ®éng. C¸c tham sè kü thuËt cña ®Çu thu nh− sau: 47
  51. • D¶i tÇn lµm viÖc tËp trung tõ 800 Hz ®Õn 5 KHz, t−¬ng øng víi phæ cña sãng va ®Ëp nhËn ®−îc trong qu¸ tr×nh kh¶o s¸t. • Gi¶n ®å h−íng h×nh cÇu, t−¬ng ®èi ®Òu trªn mäi h−íng, §é kh«ng ®ång nhÊt vÒ h−íng ≤ 20%. §Çu thu ©m kh¾c phôc ®−îc c¸c nh−îc ®iÓm cña ®Çu thu siªu ©m lµ cã thÓ chÕ t¹o ®−îc gi¶n ®å h−íng h×nh cÇu, t−¬ng ®èi ®Òu trªn mäi h−íng. Tuy nhiªn ®Çu thu ©m còng cã nh−îc ®iÓm ®ã lµ: sù t¸c ®éng cña nhiÔu tiÕng næ ®Çu nßng vµ tiÕng ®éng cña m«i tr−êng. C¸c lo¹i nhiÔu nµy ®−îc lo¹i bá b»ng c¸c biÖn ph¸p xö lý ®iÖn tö. Qu¸ tr×nh chÕ t¹o ®Çu thu ®−îc thùc hiÖn theo mét mÉu cã s½n cña h·ng Secapem. C¸c sè liÖu vÒ kÝch th−íc h×nh häc ®−îc pháng theo ®óng mÉu cña h·ng SECAPEM nh− ®· cho trong b¶n vÏ ë phÇn phô lôc. C¸c sè liÖu vÒ tham sè ®iÖn ®−îc kiÓm ®Þnh bëi Côc tiªu chuÈn ®o l−êng chÊt l−îng - Tæng côc Kü thuËt - Bé quèc phßng. c) KÕt luËn vÒ lùa chän ®Çu thu. Qu¸ tr×nh nghiªn cøu vµ thö nghiÖm cho thÊy viÖc sö dông ®Çu thu ©m trong thiÕt bÞ ®o ®é chôm ®¹n ph¸o phßng kh«ng lµ hîp lÝ. C¸c hÖ thèng ®o ®ä chôm ®¹n ph¸o cña n−íc ngoµi ho¹t ®éng trªn nguyªn lý ®o c−êng ®é sãng va ®Ëp còng sö dông ®Çu thu ë d¶i ©m tÇn. 48
  52. 4.3.2. Khèi xö lý tÝn hiÖu. Khèi xö lý tÝn hiÖu cã thÓ ®−îc ph©n chia thµnh hai khèi nhá lµ xö lý tÝn hiÖu t−¬ng tù vµ xö lý tÝn hiÖu sè. §Çu vµo cña khèi xö lý tÝn hiÖu: TÝn hiÖu thu ®−îc tõ ®Çu thu, bao gåm c¶ tÝn hiÖu cã Ých (sãng va ®Ëp) vµ nhiÔu (sãng næ ®Çu nßng vµ tiÕng næ ®éng c¬). §Çu ra khèi xö lý tÝn hiÖu: Gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh cña sãng va ®Ëp. 4.3.2.1. Xö lý tÝn hiÖu t−¬ng tù. M¹ch xö lý tÝn hiÖu t−¬ng tù ®−îc dïng ®Ó ph¸t hiÖn sãng va ®Ëp sinh ra khi viªn ®¹n bay qua. TÝn hiÖu thu ®−îc bëi ®Çu thu sau khi biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn kh«ng ®ñ lín ®Ó dïng trong m¹ch sÏ ®−îc ®−a qua bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n. TÇng khuÕch ®¹i dïng khuÕch ®¹i thuËt to¸n LM358 cã ®é khuÕch ®¹i tÝn hiÖu 100 lÇn. TÇng ®Öm gi÷a ®Çu thu vµ tÇng khuÕch ®¹i thuËt to¸n dïng ®Ó phèi hîp trë kh¸ng. §é khuÕch ®¹i ®−îc tÝnh to¸n sao cho tÝn hiÖu khi bay qua bia kh«ng qu¸ nhá khi c¸ch bia 10m vµ kh«ng bÞ b·o hoµ khi ®i gÇn t©m bia (®Æt ®Çu thu) ë kho¶ng c¸ch < 3 m . M¹ch läc th«ng cao ®−îc thiÕt kÕ ®Ó lo¹i bá t¹p ©m tÇn thÊp. C¸c tÇn sè thÊp do xe «t«, m¸y bay, giã t¹o ra sÏ bÞ läc bá. Bé läc ®−îc tÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ dùa trªn phÇn mÒm FilterLab 2.0 s¬ ®å m¹ch vµ ®Æc tÝnh bé läc nh− h×nh 4.5 vµ h×nh 4.6. ë ®©y m¹ch läc ®−îc thiÕt kÕ lµ m¹ch läc th«ng cao Butterworth cã tÇn sè c¾t 1khz, ®é khuÕch ®¹i b»ng 1. H×nh 4.5. Bé läc butterworth. 49
  53. H×nh 4.6. §Æc tuyÕn bé läc butterworth. 4.3.2.2. Xö lý tÝn hiÖu sè. TÝn hiÖu t−¬ng tù ®Çu vµo ®−îc n¹p mÉu vµ gi÷ trªn tô trong modul ADC cña Vi ®iÒu khiÓn. §Çu ra ®−îc ®−a ®Õn bé chuyÓn ®æi, bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù- sè (ADC) t¹o ra mét d·y sè t−¬ng øng víi møc tÝn hiÖu t−¬ng tù nµy theo ph−¬ng ph¸p gÇn ®óng. Nh÷ng tham sè chñ yÕu cña bé ADC lµ sè bit trong mçi mÉu cÇn ®ñ ®Ó ®¶m b¶o ®é ph©n gi¶i vÒ cù ly vµ tÇn sè lÊy mÉu cÇn ®ñ lín ®Ó ®¶m b¶o lÊy mÉu ®−îc c¸c tÝn hiÖu xung cã ®é réng 1ms . Bé ADC xö dông lo¹i biÕn ®æi t−¬ng tù- sè 10 bit. Nh− vËy ta sÏ cã kÕt qu¶ ®Çu ra cña ADC n»m trong kho¶ng 0-1023 (t−¬ng øng víi 210=1024 møc ph©n biÖt vÒ kho¶ng c¸ch). øng víi mçi møc ADC sÏ cã møc ®iÖn ¸p lµ møc ADC x Vref/1023. §Ó ADC cã kÕt qu¶ chÝnh x¸c ph¶i chän tèc ®é lÊy mÉu (tèc ®é ®ång hå) ADC sao cho TAD nhá nhÊt xÊp xØ 1,6us. TAD lµ thêi gian chuyÓn ®æi/1bit. Thêi gian ADC nhá nhÊt trong mét lÇn lÊy mÉu 10bit lµ 12TAD. Do ®ã tèc ®é lÊy mÉu lµ 1/12TAD=50khz, nh− vËy, víi xung ®é réng 1 ms sÏ cã 50 mÉu, ®ñ ®¶m b¶o yªu cÇu vÒ ®é chÝnh x¸c. Khi ®¹n bay qua bia, øng víi mçi kho¶ng c¸ch kh¸c nhau tÝn hiÖu sÏ cã biªn ®é biªn ®é t−¬ng øng. §Ó ph©n biÖt ®−îc tÝn hiÖu vµ nhiÔu nÒn trong phÇn mÒm ®Æt mét ®iÖn ¸p ng−ìng ADCN. §©y chÝnh lµ møc nÒn ®Ó lo¹i bá nhiÔu kh«ng ph¶i lµ tÝn hiÖu cã Ých do viªn ®¹n bay qua bia t¹o ra. ADCN ®−îc chän phô thuéc vµo c¸ch tÝnh vßng cù ly ngoµi cïng cña bia ®Ó tÝnh ®é chôm cho tõng lo¹i ®¹n. VÝ dô øng víi ph¸o 37mm, ta chØ tÝnh ®é chôm trong vßng b¸n kÝnh nhá h¬n 10m. Khi ®¹n bay qua bia vµ n»m trong b¸n kÝnh cÇn ®o, lóc ®ã tÝn hiÖu cña viªn ®¹n t¹o ra sÏ lín h¬n ADCN. Nh− vËy tÝn hiÖu sau khi läc bá nhiÔu vµ cã biªn ®é lín h¬n ADCN ®−îc ®−a 50
  54. ®Õn ®Çu vµo ADC cña vi ®iÒu khiÓn Pic16f876. T¹i ®©y tÝn hiÖu ®−îc lÊy mÉu vµ so s¸nh t×m ra gi¸ trÞ max ®−a ®Õn tÇng ®Öm d÷ liÖu ph¸t. ThuËt to¸n ADC vµ xö lý lÊy gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh nh− s¬ ®å h×nh 4.7. Begin Setup_ADC_Port Setup_ADC_Clock Setup_ADC_Channel ADCMax = ReadADC N ADCMax > ADCN Y n = 0 ADC = ReadADC n = n+1 Y N N ADC > ADCMax n < 50 Y Y ADCMax = ADCMax ADCMax = ADC N ADCMax < ADCN Buffer = ADCMax H×nh 4.7. S¬ ®å thuËt to¸n ADC vµ lÊy gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh. 51
  55. Gi¶i thÝch s¬ ®å thuËt to¸n trªn h×nh 4.7. TÝn hiÖu sau khi qua khuÕch ®¹i vµ läc cã d¹ng nh− trªn h×nh 4.8. ADCMAX C¸c mÉu ADC ®−îc lÊy ®Ó tÝnh biªn ®é ®Ønh gi¸ trÞ ng−ìng ADCN H×nh 4.8. M« t¶ qu¸ tr×nh lÊy mÉu vµ thuËt to¸n lÊy biªn ®é ®Ønh. Qu¸ tr×nh lÊy vµ gi÷ mÉu ®−îc tiÕn hµnh liªn tôc, nh−ng chØ khi nµo gi¸ trÞ cña mÉu lÊy ®−îc lín h¬n mét gi¸ trÞ ADCN x¸c ®Þnh th× qu¸ tr×nh tÝnh biªn ®é ®Ønh míi b¾t ®Çu. Qu¸ tr×nh tÝnh biªn ®é ®Ønh ®−îc tiÕn hµnh víi 50 mÉu tiÕp theo sau khi gi¸ trÞ ADC v−ît ng−ìng. Trong thuËt to¸n trªn, cã hai gi¸ trÞ hÕt søc quan träng ®ã lµ: ADCN vµ n. C¸c gi¸ trÞ nµy ®−îc rót ra tõ tÝnh to¸n thùc nghiÖm vµ mèi t−¬ng quan gi÷a tÇn sè lÊy mÉu víi tÇn sè tÝn hiÖu sãng va ®Ëp. Qu¸ tr×nh thùc nghiÖm cho thÊy, sau khi tÝn hiÖu v−ît ng−ìng th× biªn ®é ®Ønh chØ n»m trong kho¶ng 50 mÉu tiÕp theo. Nh− vËy víi tèc ®é lÊy mÉu 50 Khz th× kho¶ng c¸ch mçi mÉu lµ 200micro gi©y. NghÜa lµ sau khi v−ît ng−ìng, biªn ®é ®Ønh sÏ ®−îc tÝnh to¸n trong vßng 1ms tiÕp theo. §iÒu nµy hoµn toµn phï hîp víi c¸c kh¶o s¸t thùc tÕ vÒ sãng va ®Ëp. Trong h×nh 4.8, c¸c mÉu ®¸nh dÊu ë phÝa d−íi v¹ch ADCN chØ lµ t−îng tr−ng. Trªn thùc tÕ, sau khuyÕch ®¹i vµ läc, tÝn hiÖu ®−a vµo ADC chØ cßn thµnh phÇn biªn d−¬ng cña sãng va ®Ëp. 52
  56. Ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn ADC vµ lÊy gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh: void main() { long max, dataad; long n; setup_adc_ports( AN0_AN1_VSS_VREF); setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_8); set_adc_channel( 0 ); output_high(Ngat); delay_us(10); while(TRUE) { ADCMax = Read_ADC(ADC_START_AND_READ); if (ADCMax >ADCN) { for(n=0; n ADCMax) ADCMax = ADC; } output_high(Ngat); output_c (make8(ADCMax, 0)); output_low(Ngat); delay_us(50); output_high(Ngat); output_c (make8(ADCMax, 1)); output_low(Ngat); } } } 53
  57. 1 2 3 4 ADC 7 D D U2B 8 4 VCC R8 LM358 6 5 VCC R7 R11 C5 C4 1 U2A 8 4 D1 C8 VCC + DK R5 LM358 DIODE VCC 2 3 R9 R10 C C R6 C7 C3 22p 2 3 4 5 22 23 24 25 6 7 9 21 1 C2 RA0 RA1 RA2 RA3 RB1 RB2 RB3 RB4 RA5/SS RB0/INT MCLR/VPP RA4/T0CKI OSC1/CLKIN U? 7 Y1 PIC16F876 U1B R4 8 4 VCC LM358 OSC2/CLKOUT RC0/T 1OSO/T 1CKIRC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA RC5/SDO RC6/TX/CK RC7/RX/DT RB5 RB6 RB7 6 5 C6 R3 10 11 12 13 14 15 16 17 18 26 27 28 1k 22p B B 1 DATA U1A 8 4 VCC LM358 2 3 R2 C1 + R1 A A Title MK M¹ch xö lý tÝn hiÖu t−¬ng tù vµ xö lý sè Sensor Size Number Re vision A4 Da te: 22-Feb-2006 S he et of File: D:\Tamlang\SoDo\Biasieuam.Ddb Drawn By: Vò H¶ i L¨ ng 1 2 34 54
  58. 4.3.3. §−êng truyÒn d÷ liÖu. Lùa chän gi¶i ph¸p ®−êng truyÒn: ViÖc truyÒn d÷ liÖu tõ tr¹m trªn kh«ng vÒ tr¹m mÆt ®Êt dïng ®−êng truyÒn v« tuyÕn. Cã hai gi¶i ph¸p chÝnh vÒ ®−êng truyÒn v« tuyÕn lµ: ™ Sö dông ®−êng truyÒn v« tuyÕn d¶i réng, ®iÒu chÕ trùc tiÕp c¸c xung d÷ liÖu ®Ó truyÒn ®i. ¦u ®iÓm cña gi¶i ph¸p nµy lµ hÖ thèng ®¬n gi¶n, kh«ng cÇn dïng modem v« tuyÕn. Tuy nhiªn, gi¶i ph¸p nµy béc lé c¸c nh−îc ®iÓm sau: - Thø nhÊt: c¸c m¸y v« tuyÕn d¶i réng b¸n trªn thÞ tr−êng võa ®¾t tiÒn vµ kh«ng phæ biÕn, trong khi thiÕt bÞ trªn kh«ng cã kh¶ n¨ng tæn hao trong qu¸ tr×nh sö dông lín (nÕu bÞ b¾n tróng). - Thø hai: do kªnh d¶i réng nªn dÔ bÞ can nhiÔu v« tuyÕn. ™ Sö dông ®−êng truyÒn v« tuyÕn d¶i hÑp kh¾c phôc ®−îc nh−îc ®iÓm cña ®−êng truyÒn v« tuyÕn d¶i réng, nh−ng gi¶i ph¸p nµy cÇn dïng modem v« tuyÕn biÕn ®æi sè liÖu tõ d¹ng sè sang d¹ng t−¬ng tù vµ ng−îc l¹i ®Ó b¶o ®¶m tèc ®é truyÒn d÷ liÖu thÝch øng víi c¸c tèc ®é x¹ kÝch cña c¸c lo¹i ph¸o kh¸c nhau, ë ®©y tèc ®é truyÒn d÷ liÖu ph¶i ®¹t 600 ÷ 1200 bauds . Ngµy nay, trªn thÞ tr−êng cã b¸n s½n c¸c modem v« tuyÕn, gi¸ thµnh cña chóng kh«ng qu¸ ®¾t, song xÐt thÊy nhiÖm vô cña ®Ò tµi, kh«ng cÇn modem v« tuyÕn tèc ®é qu¸ cao. Modem v« tuyÕn cã tèc ®é 1200 bauds lµ ®¶m b¶o tèc ®é truyÒn d÷ liÖu, ®ång thêi c¸n bé cña tæ ®Ò tµi cã thÓ n¾m ch¾c h¬n kh©u thiÕt kÕ chÕ t¹o modem v« tuyÕn ®iÖn nªn ®Ò tµi ®Æt nhiÖm vô thiÕt kÕ chÕ t¹o modem v« tuyÕn ®iÖn tèc ®é 1200 bauds . Víi c¸c linh kiÖn vµ c«ng cô hiÖn cã, viÖc chÕ t¹o modem v« tuyÕn tèc ®é 1200 bauds lµ hoµn toµn cã thÓ. Tõ ph©n tÝch trªn cho thÊy viÖc chän ®−êng truyÒn v« tuyÕn gi¶i hÑp cã nhiÒu thuËn lîi h¬n nÕu ®Ò tµi lµm chñ ®−îc viÖc chÕ t¹o modem v« tuyÕn. Nghiªn cøu chÕ t¹o modem v« tuyÕn vµ tÝch hîp chóng trong hÖ thèng thiÕt bÞ lµ mét nhiÖm vô mµ ®Ò tµi x¸c ®Þnh. Kªnh ph¸t d÷ liÖu v« tuyÕn d¶i hÑp bao gåm 03 khèi nhá: - Bé ®Öm vµ ®iÒu khiÓn ph¸t. - Modem ph¸t. - ThiÕt bÞ thu ph¸t v« tuyÕn ®iÖn. 55
  59. Trong ®ã, thiÕt bÞ thu ph¸t v« tuyÕn ®iÖn sö dông m¸y thu ph¸t v« tuyÕn d¶i hÑp cã b¸n trªn thÞ tr−êng cã gi¸ thµnh võa ph¶i. Bé ®Öm ®iÒu khiÓn ph¸t vµ modem ph¸t ®Ò tµi tù chÕ t¹o. 4.3.3.1. Bé ®Öm vµ ®iÒu khiÓn ph¸t. Bé ®Öm vµ ®iÒu khiÓn ph¸t cã chøc n¨ng l−u gi÷ t¹m thêi gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh vµo bé nhí RAM cña vi ®iÒu khiÓn sau khi ADC vµ ®iÒu khiÓn PTT cña m¸y v« tuyÕn ®iÖn vµ modem ®Ó chuyÓn tõ chÕ ®é thu sang ph¸t vµ ng−îc l¹i . Khi nhËn ®−îc mét ADCMAX, vi ®iÒu khiÓn á khèi xö lý sè t¹o ra mét ng¾t göi tíi bé ®Öm ph¸t. Khi nhËn ®−îc tÝn hiÖu ng¾t tõ khèi xö lý sè göi tíi, bé ®Öm ph¸t ghi d÷ liÖu vµo RAM néi, ®ång thêi t¹o ra mét cê b¸o hiÖu r»ng s½n sµng truyÒn d÷ liÖu. Bé ®Öm ®iÒu khiÓn ph¸t kiÓm tra cê ph¸t vµ ®iÒu khiÓn PTT cho phÐp ph¸t d÷ liÖu d−íi d¹ng ®· ®−îc ®ãng gãi thµnh c¸c frame cã ®¸nh dÊu Header vµ Footer. D÷ liÖu ®−îc truyÒn nèi tiÕp theo chuÈn RS232 (gåm 1bit Star, 8bit data, mét bit kiÓm tra ch½n lÎ, mét bit stop) tíi ®Çu vµo Modem. Nh− vËy mét byte truyÒn ®i cã d¹ng 11 bÝt. Nguyªn t¾c ®ãng gãi d÷ liÖu lµ ®ãng gãi cho ®Õn khi bé ®Öm ®−îc gi¶i phãng. Mçi lÇn bé ®Öm ®−îc gi¶i phãng sÏ lÊy mét frame d÷ liÖu. Lý do cña viÖc ®ãng gãi nµy xuÊt ph¸t tõ vÊn ®Ò thùc tÕ vÒ tÝnh æn ®Þnh cña ®−êng truyÒn trong qu¸ tr×nh lµm viÖc. Khi truyÒn ®i mét b¶n tin, cÇn ph¶i truyÒn ®i tÝn hiÖu ®ång bé cho b¶n tin ®ã ®Ó nhËn biÕt b¶n tin. CÇn cã ®o¹n tÝn hiÖu khëi ®Çu vµ kÕt thóc b¶n tin ®Ó nhËn biÕt mét b¶n tin. Mçi lÇn ®−êng truyÒn bÞ gi¸n ®o¹n, ®Ó thiÕt lËp l¹i ®−êng truyÒn cÇn ph¶i göi ®i c¸c tÝn hiÖu ®¸nh dÊu ®Çu cuèi b¶n tin ®Ó kiÓm tra ®ång bé ®−¬ng truyÒn. Do ®ã biÖn ph¸p ®ãng gãi ®éng, mµ sè tõ ®ãng gãi phô thuéc vµo tÝnh liªn tôc cña sè liÖu cÇn ph¸t ®i sÏ lµm t¨ng tèc ®é truyÒn tin. CÊu tróc mét frame cã d¹ng sau: 2 byte Header c¸c byte sè liÖu 2 byte Footer Th«ng th−êng, sè byte d÷ liÖu trong mét frame phô thuéc vµo sè ph¸t b¾n trong mét lo¹t b¾n, sau mçi lo¹t b¾n, c¸c sè liÖu vÒ gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh cña tõng ph¸t b¾n ®−îc l−u gi÷ trong bé ®Öm vµ ph¸t ®i mét c¸ch tuÇn tù. Bé ®Öm ph¶i ®¶m b¶o kh«ng bÞ trµn sau mçi lo¹t b¾n. Víi tèc ®é truyÒn v« tuyÕn 600bÝt/gi©y, sÏ truyÒn ®−îc 54 byte 11 bÝt trong 1 gi©y. Nh− vËy ®−êng truyÒn ®¶m b¶o truyÒn ®−îc tÝn hiÖu biªn ®é ®Ønh cña 50 ph¸t ®¹n trong 1 gi©y (t−¬ng ®−¬ng 3000 ph¸t /phót) mµ kh«ng cÇn bé ®Öm. Víi bé ®Öm 40 byte, ®−êng truyÒn cã thÓ ®¶m b¶o truyÒn 56
  60. ®−îc tÝn hiÖu biªn ®é ®Ønh cña 90 ph¸t ®¹n trong 1 gi©y (t−¬ng ®−¬ng 5400 ph¸t/phót). Trªn thùc tÕ, ®©y lµ tèc ®é b¾n rÊt cao vµ th−êng kh«ng ®¹t ®−îc, ngay c¶ khi b¾n b»ng c¶ trËn ®Þa ph¸o. Bé ®Öm vµ ®iÒu khiÓn ph¸t thùc hiÖn hai viÖc ®ång thêi: + §ãng gãi sè liÖu vµ ®iÒu khiÓn ph¸t. + Ghi d÷ liÖu vµo RAM (bé ®Öm). ThuËt to¸n cña c¸c qu¸ tr×nh nµy nh− sau: Begin Cho phÐp ng¾t ngoµi Ng¾t ngoµi ? Ghi data[j] flag=1 j:=j+1 j=40? j=0 End H×nh 4.9. ThuËt to¸n ghi d÷ liÖu vµo bé ®Öm. 57
  61. ThuËt to¸n ®ãng gãi d÷ liÖu vµ ®iÒu khiÓn PTT cã s¬ ®å nh− sau: Begin PTT OFF Data[n] = 0 n=0 flag = 0 N Flag=1? Y PTT ON Delay 50 ms Göi Header Göi Footer data[n]≠ 0? N Delay 50 ms PTT OFF Y Flag = 0 End Göi data[n] data[n]=0 n=n+1 N n=40? Y n=0 H×nh 4.10. ThuËt to¸n ®ãng gãi d÷ liÖu vµ ®iÒu khiÓn PTT. 58
  62. Ch−¬ng tr×nh ®ãng gãi vµ ®iÒu khiÓn ph¸t: #INT_EXT void ext_isr() { code[i]= input_c(); i=i+1; if (i==2) { i=0; datas[j]= make16(code[1], code[0]); flag1=1; j=j+1; if (j==40) j=0; } } void main() { int n=0, m; output_low(PTT); ext_int_edge(H_TO_L); enable_interrupts(INT_EXT); enable_interrupts(GLOBAL); delay_ms(1000); output_high(PTT); delay_ms(200); putc(255); putc(255); printf("\n\r STX"); printf("\n\r Kiem ra duong truyen VTD"); printf("\n\r Phong TNPTCLTB Dien tu - Vien thong"); printf("\n\r Vien Dien tu - Vien thong"); printf("\n\r Trung tam KHKT&CNQS"); printf("\n\r"); printf("\n\r STP"); 59
  63. putc(255); putc(255); delay_ms(50); output_low(PTT); for (m=0; m<42; m++) datas[m]=0; while(TRUE) { if (flag1==1) { flag1=0; output_high(PTT); delay_ms(150); putc(255); putc(255); printf("\n\r STX"); loop1: if (datas[n]!=0) { printf("%lu ", datas[n]); datas[n]=0; n=n+1; if (n==40) n=0; goto loop1; } else { printf("\n\r STP"); putc(255); putc(255); printf("\n\r"); delay_ms(50); output_low(PTT); } } } } 60
  64. 4.3.3.2. Modem thu ph¸t. Modem ®−îc dïng ®Ó truyÒn sè liÖu tõ tr¹m ®o trªn kh«ng vÒ tr¹m thu mÆt ®Êt. TÝn hiÖu mang th«ng tin vÒ gi¸ trÞ biªn ®é ®Ønh lµ c¸c d·y sè (d·y xung), nh÷ng d·y xung nµy cã tÇn phæ lín kh«ng thÓ truyÒn qua c¸c kªnh d¶i hÑp cã d¶i th«ng 300 Hz ®Õn 3,4Khz. §Ó truyÒn c¸c d·y xung nµy qua c¸c kªnh d¶i hÑp, ph¶i dïng ®Õn modem v« tuyÕn. Modem ®−îc thiÕt kÕ trªn nguyªn lý truyÒn kh«ng ®ång bé víi ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ FSK trong ®ã dïng hai tÝn hiÖu h×nh sin cã tÇn sè n»m trong gi¶i tÇn 300 Hz ®Õn 3,4Khz, t−¬ng øng víi c¸c ký tù 0 vµ 1 ®Ó ®iÒu chÕ m¸y th«ng tin v« tuyÕn ®iÖn d¶i hÑp . Khi thiÕt kÕ Modem ®Æt ra mÊy vÊn ®Ò sau cÇn gi¶i quyÕt: ™ Ph¶i ®¶m b¶o ®é mÞn vÒ pha cña d·y tÝn hiÖu t−¬ng tù khi chuyÓn ®æi gi÷a bit 1 vµ 0 ®Ó tÝn hiÖu ®iÒu chÕ trong mäi thêi ®iÓm ®Òu lµ ®¬n s¾c. NÕu sù chuyÓn ®æi vÒ pha gi÷a bÝt 0 vµ bÝt 1 kh«ng mÞn sÏ t¹o ra c¸c hµi bËc cao. Khi ®−a vµo m¸y thu ph¸t d¶i hÑp, c¸c hµi bËc cao bÞ c¾t g©y tæn hao vÒ n¨ng l−îng vµ mÐo d¹ng tÝn hiÖu. TÝn hiÖu ®iÒu chÕ ®Çu ra modem phæ H×nh 4.11. TÝn hiÖu ®iÒu chÕ ®Çu ra modem vµ phæ cña nã khi ®¶m b¶o ®é mÞn pha gi÷a bit 0 vµ 1. 61
  65. H×nh 4.12. TÝn hiÖu ®iÒu chÕ ®Çu ra modem vµ phæ cña nã khi ®é dich pha gi÷a bÝt 1 vµ 0 lµ 1800. TÝnh ®¬n s¾c cña tÝn hiÖu ®iÒu chÕ (hay ®é mÞn vÒ pha khi chuyÓn ®æi gi÷a bÝt 0 vµ bÝt 1) cßn phô thuéc vµo c¸ch chän tÇn sè ®iÒu chÕ bÝt 0 vµ bÝt 1. NÕu c¸c tÇn sè nµy chän c¸ch xa nhau th× −u ®iÓm lµ dÔ dµng ph©n biÖt ®−îc bÝt 1 vµ bÝt 0 khi gi¶i ®iÒu chÕ. Nh−ng sù kh¸c nhau cµng lín vÒ tÇn sè gi÷a bÝt 0 vµ 1 sÏ h¹n chÕ tèc ®é tèi ®a cña modem vµ t¹o ra hµi, lµm tæn hao n¨ng l−îng khi truyÒn. Ng−îc l¹i, nÕu chän c¸c tÇn sè nµy gÇn nhau th× kh¾c phôc ®−îc c¸c nh−îc ®iÓm trªn, nh−ng l¹i khã ph©n biÖt bÝt 0 vµ 1 ë kh©u gi¶i ®iÒu chÕ. Do ®ã, viÖc chän c¸c tÇn sè ®iÒu chÕ sao cho phï hîp ®Ó ë phÇn gi¶i ®iÒu chÕ cã thÓ ®¸nh gi¸ ®−îc bÝt 0 hay 1 mµ vÉn ®¶m b¶o ®é mÞn pha vµ kh«ng bÞ tæn hao n¨ng l−îng. §iÒu nµy phô thuéc vµo viÖc chän gi¸ trÞ ng−ìng trong m¹ch gi¶i ®iÒu chÕ vµ c¸c thuËt to¸n xö lý cña modem. ™ Trong m¹ch gi¶i ®iÒu chÕ, vÊn ®Ò gi¸ trÞ ng−ìng ®Ó quyÕt ®Þnh ®¸nh gi¸ bÝt 1 vµ bit 0 cÇn ®−îc lùa chän, ®iÒu chØnh cho thÝch hîp. §Ò tµi ®· lµm chñ kh©u thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o ®−îc modem ®¹t tèc ®é tõ 300 ®Õn 1200 b/s dïng vi ®iÒu khiÓn PIC. TÇn sè 1270 øng víi bit 0 vµ tÇn sè 1070 øng víi bit 1. 62
  66. Mét sè tÝnh n¨ng chÝnh cña modem nh− sau: - Tèc ®é truyÒn sè liÖu tõ 300 bauds hoÆc 1200 bauds. - Ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ: m· dÞch tÇn víi c¸c tÇn sè 1070 Hz cho bÝt 1 vµ 1270 Hz cho bit 0 - Cung cÊp c¸c tèc ®é kÕt nèi d÷ liÖu 300, 600 vµ 1200 bÝt/s. - Hç trî tÊt c¶ c¸c ®−êng b¾t tay RS232. - Nguån cung cÊp DC tõ 9V ®Õn 15V. a) S¬ ®å khèi modem thu ph¸t cã d¹ng nh− sau: M¸y thu M¸y ph¸t H¹n chÕ ®Çu M¹ch läc ®Çu §Çu vµo PTT vµo Audio ra Audio Bé läc d¶i th«ng Khèi xö lý trung t©m KhuÕch ®¹i DAC M¹ch t−¬ng tù ®Çu vµo M¸y tÝnh RS232 Nguån 9v-15v H×nh 4.13. S¬ ®å khèi modem v« tuyÕn AFSK tèc ®é bauds 300/1200. 63
  67. b) Nguyªn lý lµm viÖc cña modem. Modem thùc hiÖn hai chøc n¨ng: ®iÒu chÕ vµ gi¶i ®iÒu chÕ tÝn hiÖu. ™ Khi ®iÒu chÕ tÝn hiÖu, tÝn hiÖu sè ®−îc ®−a vµo tõ cæng RS232 ®−a vµo khèi xö lý trung t©m. Khèi xö lý trung t©m cã nhiÖm vô ph©n tÝch sè liÖu nhËn ®−îc vµ ®iÒu khiÓn DAC t¹o ra d¹ng sãng sin víi hµi nhá nhÊt. D¹ng sãng sin ®−îc t¹o ra tõ mét b¶ng gi¸ trÞ sin l−u trong bé nhí. Ch−¬ng tr×nh trong vi ®iÒu khiÓn sÏ tÝnh to¸n, chän gi¸ trÞ tõ b¶ng SIN, sau ®ã göi ra cæng vi ®iÒu khiÓn ®Ó chuyÓn ®æi DAC. TÝn hiÖu tt−¬ng tù sau DAC ®−îc cho qua bé läc th«ng thÊp ®Ó lµm tr¬n tÝn hiÖu. TÝn hiÖu ®Çu ra bé läc ®−îc ®−a tíi ®Çu vµo MIC cña m¸y liªn l¹c. ™ Khi gi¶i ®iÒu chÕ tÝn hiÖu, tÝn hiÖu t−¬ng tù nhËn ®−îc tõ jack phone cña m¸y thu ®−îc ®−a tíi bé h¹n chÕ. §Ó tr¸nh nhiÔu ®èi víi tÝn hiÖu kh«i phôc, tÝn hiÖu ®−îc ®−a qua mét bé läc th«ng d¶i sau ®ã cho qua bé khuÕch ®¹i cã hÖ sè khuÕch ®¹i lín. §Çu ra cña bé khuÕch ®¹i cã d¹ng sãng vu«ng cã tÇn sè thay ®æi theo tÇn sè ®iÒu chÕ øng víi c¸c bÝt sè liÖu 0 vµ 1. §Ó kh«i phôc l¹i luång sè liÖu, phÇn mÒm sÏ tÝnh to¸n kho¶ng thêi gian gi÷a c¸c chuyÓn ®æi liªn tiÕp t¹i ®Çu vµo sè. øng víi mét kho¶ng thêi gian ®o ®−îc sÏ t−¬ng øng víi bÝt 1 hoÆc bÝt 0. ™ §Ó kh«i phôc hoµn toµn d÷ liÖu mµ kh«ng bÞ lçi dïng ph−¬ng ph¸p truyÒn kh«ng ®ång bé theo chuÈn RS232. Trong ®ã d÷ liÖu ®−îc ®ãng gãi thµnh mét tõ: b¾t ®Çu truyÒn víi bit Start, 8bit d÷ liÖu, cã thªm bit kiÓm tra ch½n lÎ, sau cïng lµ bit stop. D÷ liÖu kh«ng ®ång bé kh«ng ®i cïng víi bÊt kú tÝn hiÖu xung ®ång bé nµo nªn c¸c modem ph¸t vµ modem thu ph¸t hiÖn tèc ®é d÷ liÖu chØ mang tÝnh danh nghÜa. NÕu xung ®ång hå gi÷a hai modem thu ph¸t lÖch nhau sÏ cã sai sè tÝch luü, sai sè nµy sÏ t¹o ra sù tr−ît d÷ liÖu (mÊt ®ång bé) sau mét kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh. §Ó ng¨n chÆn viÖc tr−ît d÷ liÖu do t−¬ng quan kh«ng c©n b»ng vÒ xung ®ång hå vµ ®ång bé thêi ®iÓm ®Çu b¶n tin, d÷ liÖu ®−îc nhãm thµnh c¸c khèi cã ®¸nh dÊu ®Çu vµ cuèi khèi. C¸c byte ®¸nh dÊu sö dông mét vµi ký tù ®Æc biÖt vµ cã ý nghÜa. Do sè l−îng th«ng tin trong mét b¶n tin kh«ng nhiÒu nªn sai sè tÝch luü bÞ lo¹i bá nÕu tr−íc mçi b¶n tin göi ®i, ta ®ång bé l¹i xung ®ång hå mét lÇn. c) ThuËt to¸n chung cña modem nh− sau: 64
  68. Start CD= 0 N CD=1 PTT=1? PHASE=0 N Y Y PTT=1? N N UN10=1? TxD=1? N Y Y W=13,14,15? TMR0= 0 W= 9 W= 10 Y RxD=1? N UN10 = 0? W= PHASE+W W= PHASE N Y ANGLE= W W=16? W=TMR0 Y N TIME=W ANGLE=64? LED2 ON LED1 OFF LED2 OFF Y W=127-W N W=9? W=0X3F&W Y PLC=PLC+W LED1 ON W=(PLC) N N W=10,11,12? W=128? Y Y RxD=0? W=128-W W=128+W SINMEM=W SINMEM = SINMEM >>2 W= SINMEM W=0X3F&W RB=W H×nh 4.14. ThuËt to¸n chung cña modem. 65
  69. d) Ch−¬ng tr×nh xö lý trong modem. MAIN bcf PORTA,CDC ; PTT OFF call RX ; gäi ch−¬ng tr×nh thu bsf PORTA,CDC ; PTT ON call TX ; gäi ch−¬ng tr×nh ph¸t goto MAIN ;=== RX ; ch−¬ng tr×nh con thu sè liÖu loop btfss PORTA,PTT goto F_RX btfss PORTA,UN10 goto loop clrf TMR0 loop1 btfsc PORTA,UN10 goto loop1 movfw TMR0 movwf TIME bsf PORTA,CDC bsf PORTB,LEDXANH bsf PORTB,LEDDO sublw D'23' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,CDC movfw TIME sublw D'24' btfsc STATUS,Z bsf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'25' btfsc STATUS,Z bsf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'26' 66
  70. btfsc STATUS,Z bsf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'27' btfsc STATUS,Z bsf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'28' btfsc STATUS,Z bsf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'29' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'30' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'31' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'32' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'33' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'34' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME 67
  71. sublw D'35' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,CDC btfsc PORTA,PTT goto loop F_RX return ;=== TX ; ch−¬ng tr×nh con ph¸t sè liÖu clrf PHASE SINLOOP btfss PORTB,TxD movlw D'19' btfsc PORTB,TxD movlw D'21' addwf PHASE,f movfw PHASE call SINUS movwf SINMEM rrf SINMEM,f rrf SINMEM,w andlw 0x3F movwf PORTB btfss PORTA,PTT goto SINLOOP return SINUS movwf ANGLE call SIN4 btfss ANGLE,7 addlw 0x80 btfsc ANGLE,7 sublw 0x80 F_SIN return SIN4 btfss ANGLE,6 goto VALSIN sublw D'127' 68
  72. 1 2 3 4 D D UN 7 U1B 4 11 R6 VCC TL084 6 5 R7 R9 8 U1C 4 11 C VCC C TL084 9 10 R2 R5 Uvef C2 C1 R8 R4 R3 B B C5 D2 DIODE D1 DIODE R25 C11 Spk A A Title M¹ch h¹n chÕ/läc vµ khuÕch ®¹i ®Çu vµo Modem Size Number Re vision A4 Da te: 22-Feb-2006 She et of File: D:\Tamlang\SoDo\Biasieuam.Ddb Drawn By: Vò H¶ i L¨ ng 1 2 34 69
  73. 1 2 3 4 D D Dieu che phat che Dieu MIC R8 C9 + 1 U1A C R10 C C12 4 11 VCC TL084 2 3 C8 R13 R28 Uvef DTMF C6 + 14 U1D B B 4 11 VCC TL084 13 12 R11 R12 VCC C10 + A A Title Bé läc ®Çu ra m¹ch ph¸t Modem Size Number Re vision A4 Da te: 22-Feb-2006 She et of File: D:\Tamlang\SoDo\Biasieuam.Ddb Drawn By: Vò H¶ i L¨ ng 1 2 34 70
  74. 1 2 3 4 Rx DTMF R24 Q2 D R37 C828 D R23 R14 R36 VCC R22 D5 C19 R15 + R31 R32 DIODE VCC R21 R35 R34 R16 5v D3 D4 DATA R20 LED LED C17 C18 R17 22p Y2 22p C C 10.000MHZ R19 R18 C15 + U2 9 10 OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT 100u 1 11 C14 MCLR/VPP RC0/T1OSO/T1CKI 2 12 RA0 RC1/T1OSI/CCP2 3 13 RA1 RC2/CCP1 R29 4 14 104 RA2 RC3/SCK/SCL RES1 5 15 DK RA3 RC4/SDI/SDA 6 16 RA4/T0CKI RC5/SDO 7 17 3 RA5/SS RC6/TX/CK 21 18 U3 RB0/INT RC7/RX/DT 22 26 RB1 RB5 7 8 9 10 11 12 13 15 23 27 RB2 RB6 +5V 24 28 RB3 RB7 U1 25 2 RB4 GND PIC16F84A C2 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 PIC16F876 Vin 22p LM7805CT Y1 OSC2/CLKOUT 4M 1 C1 B R30 R29 C7 B 22p OSC1/CLKIN MCLR RA0 RA1 RA2 RA3 RA4/T0CKI RB0/INT Q1 104 C828 C13 + 4 1 2 3 6 16 17 18 100u C16 R26 R33 VCC VCC D6 1N4007 R27 D2 D1 LED DIODE UN PTTout J1 A A 9 - 15v Title M¹ch ®iÒu khiÓn Modem tr¹m ®o trªn kh«ng Size Number Re vision A4 Da te: 22-Feb-2006 She et of File: D:\Tamlang\SoDo\Biasieuam.Ddb Drawn By: Vò H¶ i L¨ ng 1 2 34 71
  75. 4.3.3.3. ThiÕt bÞ thu ph¸t v« tuyÕn ®iÖn. Tr¹m trªn kh«ng sö dông thiÕt bÞ thu ph¸t v« tuyÕn d¶i hÑp cña h·ng KENWOOD cã tªn TH22AT. Mét sè tÝnh n¨ng chÝnh cña thiÕt bÞ nh− sau: - TÇn sè lµm viÖc (136 ÷ 174 ) Mhz - Gi·n c¸ch kªnh 5 KHz - §é nh¹y m¸y thu 0,18 µv - Trë kh¸ng anten 50 Ω - C«ng suÊt ph¸t : Max 5W , Medium 1,5W, Min 0,5W - Nguån mét chiÒu 7,2 v 1650 mAh S¬ ®å ghÐp nèi m¸y liªn l¹c Kenwood víi modem v« tuyÕn: Jack c¾m loa ngoµi 1 2 Jack c¾m Mic ngoµi Jack c¾m DC ngoµi Tíi m¹ch h¹n chÕ ®Çu 1 vµo cña modem Jack Jack 2 Tõ m¹ch läc ®Çu ra Audio H×nh 4.15. S¬ ®å ghÐp nèi modem víi m¸y liªn l¹c v« tuyÕn. 72
  76. 4.4. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o tr¹m mÆt ®Êt. H×nh ¶nh vÒ tr¹m mÆt ®Êt: H×nh 4.16. ThiÕt bÞ tr¹m mÆt ®Êt. S¬ ®å khèi cña tr¹m mÆt ®Êt ®−îc trÝch ra tõ s¬ ®å khèi chung nh− sau: M¸y thu MODEM VT§ Khèi ®o tham C¶m biÕn nhiÖt ®é sè khÝ t−îng vµ ®o tèc ®é giã H×nh 4.17. Tr¹m mÆt ®Êt Tr¹m mÆt ®Êt cã nhiÖm vô thu nhËn d÷ liÖu tõ tr¹m trung t©m, xö lý d÷ liÖu vµ hiÓn thÞ kÕt qu¶ trªn mµn h×nh. §ång thêi ®o ®¹c c¸c tham sè khÝ t−îng phôc vô qu¸ tr×nh b¾n kiÓm tra. 73
  77. 4.4.1. Modem thu nhËn d÷ liÖu. C¸c néi dung chÝnh xem phÇn 4.3.3.2 ®· tr×nh bµy kü vÒ modem thu ph¸t d÷ liÖu. §iÓm kh¸c biÖt cña modem thu ph¸t cña tr¹m mÆt ®Êt lµ cã thªm cæng COM ®Ó giao tiÕp víi m¸y tÝnh. S¬ ®å nguyªn lý cã d¹ng nh− sau: 1 2 3 4 DTMF R24 D D R23 R14 R22 VCC R15 R33 R34 DB9 5 9 4 8 3 7 2 6 1 R21 R16 J1 D5 D6 R20 LED LED C18 R17 + C 10u C 13 8 11 10 3 R19 R18 1 5v U2 C15 MAX232CPE(16) + C1+ C1 - R1 IN R2 IN IN T1 IN T2 100u C14 104 R1 OUT R2 OUT T1 OUT T2 OUT C2+ C2 - 3 U3 9 7 4 5 12 14 7 8 9 10 11 12 13 15 +5V + 2 GND C2 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 10u C17 U1 Vi n 22p PIC16F84A Y1 OSC2/ CLKOUT LM7805CT 4M 1 C1 B C7 B 22p OSC1/ CLKIN MCLR RA0 RA1 RA2 RA3 RA4/T0CKI RB0/INT 104 C13 + 4 1 2 3 6 16 17 18 100u R26 VCC R30 R29 D3 1N4007 Q1 R27 C828 D2 D4 LED DIODE C16 R? VCC UN PTTout J2 A A 9 - 15v Title M¹ch ®iÒu khiÓn Modem tr¹m mÆt ®Êt Size Number Re vision A4 Da te: 22-Feb-2006 She et of File: D:\Tamlang\SoDo\Biasieuam.Ddb Drawn By: Vò H¶ i L¨ ng 1 2 34 74
  78. 4.4.2. PhÇn mÒm qu¶n lý vµ hiÓn thÞ kÕt qu¶. Giao diÖn ch−¬ng tr×nh tr¹m mÆt ®Êt: H×nh 4.18. Giao diÖn ch−¬ng tr×nh chÝnh cña tr¹m mÆt ®Êt. Giao diÖn ch−¬ng tr×nh modun in kÕt qu¶ b¾n: H×nh 4.19. Giao diÖn ch−¬ng tr×nh chÝnh cña tr¹m mÆt ®Êt. 75
  79. B¾t ®Çu Khëi t¹o, chän chÕ ®é b¾n Më cæng COM ChÕ ®é b¾n ? §iÓm x¹ Liªn thanh §Æt tªn tÖp ChuÈn bÞ b¾n Thu sè liÖu B¾n xong Xö lýsè liÖu §¸nh gi¸ kÕt qu¶ HiÓn thÞ kÕt qu¶, Ghi sè liÖu lªn ®Üa Thu tiÕp ? In kÕt qu¶ ? In kÕt qu¶ H×nh 4.20 L−u ®å ch−¬ng tr×nh xö lý cña tr¹m mÆt ®Êt. KÕt thóc 76
  80. 4.4.3. ThiÕt bÞ ®o tham sè khÝ t−îng. Khèi ®o tham sè khÝ t−îng cã t¸c dông ®o ®¹c c¸c tham sè khÝ t−îng cña m«i tr−êng nh− h−íng giã, tèc ®é giã, nhiÖt ®é t¹i vïng b¾n ph¸o, tõ ®ã thu thËp d÷ liÖu göi vÒ m¸y tÝnh trung t©m xö lý ®Ó ®iÒu chØnh ph¸o khi b¾n kiÓm tra. §©y lµ mét khèi phô nh−ng cã ý nghÜa rÊt to lín khi ph¸o thñ x¹ kÝch trong ®iÒu kiÖn m«i tr−êng cã nhiÒu biÕn ®æi. ThiÕt bÞ ®o tham sè khÝ t−îng ®−îc chÕ t¹o theo kÕt qu¶ cña ®Ò tµi nghiªn cøu cÊp Bé Quèc phßng "Nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o tr¹m ®o tham sè khÝ t−îng bÒ mÆt phôc vô qu©n sù" do Th−îng t¸, TS §ç Trung ViÖt chñ nhiÖm ®Ò tµi, ®Ò tµi nµy ®· ®−îc nghiÖm thu vµ ®−îc nghiªn cøu ¸p dông thö tõ n¨m 2000. a. CÊu tróc hÖ thèng. HÖ thèng bao gåm c¸c khèi chÝnh sau: ™ Khèi c¶m biÕn. Khèi nµy tËp trung c¸c c¶m biÕn thu thËp c¸c tham sè m«i tr−êng, bao gåm: - C¶m biÕn nhiÖt. - C¶m biÕn ®o h−íng giã. - C¶m biÕn ®o tèc ®é giã. ™ Khèi xö lý. Khèi nµy bao gåm c¸c m¹ch: - M¹ch ®iÒu khiÓn t¹o xung chuÈn, ®o thêi gian trÔ, ®Õm xung. - Bé ADC cho h−íng giã. - ADC ®o nhiÖt. ™ Khèi nèi ghÐp. Khèi nµy cã nhiÖm vô: - Tõ 3 tham sè thu ®−îc cña c¸c c¶m biÕn, tÝn hiÖu ®−îc sè ho¸, qua bé biÕn ®æi sè liÖu song song thµnh nèi tiÕp, t¹o dßng sè liÖu chung tèc ®é 2400 bauds cã ®Þnh d¹ng phï hîp vµ truyÒn vÒ khèi xö lý trung t©m cña tr¹m ®o ®é chôm ph¸o cao x¹ ®Ó hiÓn thÞ c¸c sè liÖu cÇn thiÕt cho ng−êi sñ dông. - T¹o c¸c nhãm m· ®ång bé ®Ó m¸y tÝnh gi¶i m· , ph©n nhãm chÝnh x¸c c¸c tham sè ®o tõ dßng sè liÖu nhËn ®−îc. §Þnh d¹ng khung sè liÖu nh− sau: Sè bÝt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 77
  81. Trong ®ã: BÝt 1: §ång bé (Sö dông m· $FF). BÝt 2, 3, 4: Tèc ®é giã. BÝt 5: H−íng giã. BÝt 6, 7, 8: NhiÖt ®é. BÝt 9, 10, 11, 12: KhÝ ¸p. BÝt 13, 14, 15: §ång bé (Sö dông m· $FF) vµ dù tr÷. b. S¬ ®å khèi chøc n¨ng phÇn ®o tham sè khÝ t−îng. Khèi chØ thÞ (LED 7 ®o¹n) §o nhiÖt ®é Sè ho¸ vµ nèi §o vËn tèc giã ghÐp víi m¸y tÝnh §o h−íng giã TruyÒn sè liÖu (2400 baud) Tr¹m mÆt ®Êt H×nh 4.21. S¬ ®å khèi chøc n¨ng bé ®o tham sè khÝ t−îng. Thµnh phÇn ®ãng khung nÐt ®øt ®−îc ®−a thªm vµo nÕu bé ®o tham sè khÝ t−îng ®Æt xa tr¹m mÆt ®Êt. Trªn thùc tÕ kh«ng cÇn thµnh phÇn nµy. V× thiÕt bÞ tr¹m mÆt ®Êt triÓn khai gÇn vÞ trÝ b¾n cña ph¸o. c. TÝnh n¨ng kü thuËt chÝnh: • §o vect¬ giã víi ®é chÝnh x¸c: - VÒ tèc ®é giã: ± 0,5 m/s. - VÒ h−íng giã: ± 60 (100 li gi¸c). • §o nhiÖt ®é kh«ng khÝ: ± 0,50C. • §o ¸p suÊt khÝ quyÓn: ± 0,5%. • Tèc ®é kªnh sè liÖu: 2400 baud. • Tèc ®é lÊy mÉu sè liÖu: 20 ÷ 25 lÇn/gi©y. 78
  82. d. L−u ®å thuËt to¸n cho hÖ vi xö lý. Reset Khëi t¹o tham sè vµ LED §iÒu khiÓn phÇn cøng ®Ó ®äc sè liÖu §äc sè liÖu tèc ®é giã §äc sè liÖu tèc h−íng giã §äc sè liÖu nhiÖt ®é Xö lý vµ t¹o khung sè liÖu c¸c tham sè (tèc ®é giã, h−íng giã, nhiÖt ®é) HiÖn 3 tham sè ra LED Ph¸t khung sè liÖu c¸c tham sè ®Õn m¸y tÝnh H×nh 4.22. L−u ®å thuËt to¸n cho hÖ vi xö lý. 79
  83. R1 R2 U2 1 12 CLK Q1 11 U3A 150k Q2 56k 2 9 C2 1 C3 U3B RST Q3 U1C 6 103 3 5 U3C 8 Q4 5 2 4 8 Q5 10 4 682 6 10 Q6 9 3 R9 4001 9 Q7 10k R6 4001 4093 4024 10k 4001 C1 U1B 203 5 U4 4 1 12 6 CLK Q1 11 2 Q2 9 RST Q3 U1A 4093 6 2 Q4 5 Q5 3 RV 4 U5 1 Q6 3 12 9 Q0 Q7 10 CLK Q0 7 Q1 CV 11 LE Q1 6 4093 1K2 4024 Q2 103 DIS Q2 5 Q3 4 Q3 C1A 14 3 OF 2 DS1 cat san tu VCC C1B DS1 1 DS2 chuot 13 DS2 15 DS3 1 RST DS3 R3 R11 4553 1k2 1k R5 UVB 4 4k7 UVA 8 6 - 3 7 + ISO1 + 1 5 2 TL082 3 2 - TL082 8 R4 R10 4 4k7 1k2 OSI TU PI.5/4040 Title Phßng ThÝ nghiÖm PTCL TB §TVT/ViÖn §T-VT Size Document Number Rev Custom M¹ch ®o tèc ®é giã A4 Date:Tuesday , February 28, 2006 Sheet 11of 80
  84. VCC +5V VCC A U7A 4 R4k7 R14 UHC 1 R? D1 10 3 A + 8 2 9 R LED A - 4093 TL084 C92 R13 203 R4k7 11 B U7B 4 UHA 5 R? D2 3 4 + 1 6 B 2 R LED B - C92 4093 R15 TL084 203 R4k7 11 C HUONG GIO U7D TU SENSO TOI 4 UHD 12 R? D3 12 11 + 14 13 C 13 R LED C - 4093 TL084 R16 C92 11 203 D R4k7 U7C 4 8 R? D4 5 UHB 10 + 7 9 D 6 R LED D - 4093 R17 R18 TL084 C92 R4k7 R4k7 11 203 Title Phßng thÝ nghiÖm PTCL TB DDTVT/ViÖn §T - VT Size Document Number Rev Custom M¹ch ®o h−íng giã A4 Date:Tuesday , February 28, 2006 Sheet 11of 81
  85. VCC+5V VCC VCC R28 R23 4k7-6k8 U10 1 1M C6 31 Vcc 473 IN HI D6 R34 30 3k3 32 IN LO 20 COMMON POL LM335 (6k8) C5 34 19 VCC 104 33 CREF+ AB4 R31 ABEFG/3 CREF- 23 999mV 36 A3 16 R29 35 REF HI B3 24 470 POT1k REF LO C3 15 (2k) 28 D3 18 29 BUFF E3 17 27 A/Z F3 22 R30 INT G3 4K7 ABEFG/2 R26 37 12 C9 D5 TEST A2 11 104 3V R470K 40 B2 10 OSC1 C2 R27 39 9 38 OSC2 D2 14 OSC3 E2 13 C8 100K F2 224 C4 25 G2 ABEFG/1 C91 5 2.730V A1 101 4 B1 203 224 26 3 C7 -VCC(-5V) C1 R35 VCC +5V 2 R33 21 D1 8 47k GND E1 6 47k U11A F1 7 8 G1 3 ICL7107CPL + 1 R34 2 C92 - 47k LM358 203 -5V 4 R36 47k Title Phßng ThÝ nghiÖm PTCL TB §TVT/ViÖn §T-VT Size Document Number Rev Custom M¹ch ®o tham sè nhiÖt ®é A4 Date:Wednesday , March 01, 2006 Sheet 11of 82
  86. e. C¨n cø khoa häc bï khö sai sè do giã vµ nhiÖt ®é. Điều kiện khí tượng, đặc biệt là gió và nhiệt độ, gây ra sai số khi đo độ chụm của đạn pháo phòng không . Dễ dàng xác định giá trị của sai số do ảnh hưởng của gió và nhiệt độ khi biết các tham số của chúng như: nhiệt độ (celsius), tốc độ gió (mps), hướng gió (gradius) . Từ các công thức (2-35) và (2-32), ta có thể tính sai số lớn nhất do gió và sự thay đổi nhiệt độ gây ra. Gió có ảnh hưởng lớn nhất khi thổi ngang với hướng bắn (ϕ = 900 ),giả sử tốc độ gió 70km/h., khi đó sai số gây ra do gió sẽ là: w r = r (*) ≈ 0.057.r g c ± w.cosϕ thu thu Sai số lớn nhất do gió gây ra khi đạn đi qua vòng ngoài cùng, rthu = 10m. sai số rg = 0,57m = 57cm, Sai số này rất nhỏ, chỉ chiếm 5,7 % so với giá trị thực. Tính sai số do sự thay đổi nhiệt độ. Từ công thức (2-32): c = c0 + 0,6.T = 331,4 + 0,6.T Suy ra, sai số lớn nhất do nhiệt độ gây ra khi giả thiết nhiêt độ ngoài trời lúc bắn đo được là 450C, so với khi nhiệt độ ở điều kiện bình thường (250C) là: 0.6.∆T rt = .rthu ( ) ≈ 0.035.rthu c0 + 0,6.∆T Với rthu = 10m, sai số rt = 0,35m = 35 cm Sai số này chiếm 3,5% giá trị thực. Tổng sai số nhiệt độ và gió trong điều kiện xấu, tốc độ gió 70 km/h và sự thay 0 đổi nhiệt độ 20 C là: rg + rt = 0,092 rthu , chiếm 9,2% giá trị khoảng cách từ đầu thu đến đường đạn đo được. Để bù khử sai số, ngoài việc đo được nhiệt độ, hướng gió và tốc độ gió, cần phải xác định được mối tương quan giữa vị trí đầu đạn đến đầu thu, cụ thể phải biết được điểm chạm của đầu đạn trên bia. Như minh họa trên hình vẽ Với trường hợp đầu đạn thứ nhất: rthực = rthu + rg + rt Với trường hợp đầu đạn thứ 2: rthực2 = rthu2 - rg + rt 83