Xem mẫu
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Mục Lục
Chương III: Độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn............................................ 6
Chương III.........................................................................................................................24
ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN....................................24
3.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn..............................................................................24
Nguyễn Văn Tú -1- Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Danh mục các hình vẽ
STT Hình Nội dung Trang
1 2.1 Mặt cắt nhiệt độ theo độ sâu 13
2 2.2 Biểu đồ độ mặn nước biển trên thế giới , đơn vị 14
tính là đơn vị muối thực tế
3 2.3 Thiết bị cảm biến nhiệt 15
4 2.4 Máy đo vận tốc âm 16
5 2.5 Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ 16
và độ sâu
6 2.6 Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh 18
7 2.7 Độ rộng băng tần 19
8 2.8 Chiều dài xung 20
9 2.9 Hình vẽ thể hiện khoảng cách từ đầu 21
phát biến tới bộ ứng đáp và thiết bị lặn.
10 3.1 Sơ đồ bố trí SBL 24
11 3.2 Quan hệ hình học giữa mốc tín hiệu và 27
ống nghe tín hiệu âm
12 3.3 quan hệ hình học giữa nguồn âm và các ống 29
nghe tín hiệu âm
13 3.4 Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm 33
14 3.5 Hệ toạ độ trắc địa 35
15 3.6 Hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện 37
chân trời
16 3.7 Hệ toạ độ tầu 38
17 3.8 Công nghệ DGPS xác định vị trí tầu biển 39
18 3.9 C-nav 2050 40
19 3.10 Nguyên lý thu phát tín hiệu vệ tinh của công 42
nghệ Fugro Omnistar
20 3.11 Công nghệ Navcom 43
21 3.12 Hệ thống StarFire sử dụng 44
22 3.13 Nguyên lý định vị thuỷ âm 45
23 3.14 Các loại Bộ phát biến 46
24 3.15 Vị trí gắn bộ phát biến SBL 47
25 3.16 Bộ ứng đáp gắn trên thiết bị di chuyển 48
Nguyễn Văn Tú -2- Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
của hãng Sonardyne
26 3.17 Bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển của hãng 48
Sonardyne
27 3.18 Bộ ứng đáp của hãng Sonardyne 49
28 3.19 Mối quan hệ giữa định vị vệ tinh và định vị 50
thuỷ âm trong xác định vị trí đáy biển
Nguyễn Văn Tú -3- Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Danh sách các bảng biểu
STT Bảng Nội Dung Trang
1 1.1 Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo của các 8
phương pháp định vị thuỷ âm
2 1.2 Công thức tốc độ âm theo T,H,P 15
3 3.1 Dải tần số, khoảng cách tối đa và độ chính xác 49
4 4.1 Vận tốc âm tính theo công thức 2.5 52
5 4.2 Vận tốc âm tính theo công thức 2.6 52
6 4.3 Vận tốc âm tính theo công thức 2.7 52
7 4.4 Sai số trung phương khoảng cách đo bằng 53
sóng
âm theo nguyên tắc đo hai chiều( đơn vị m)
8 4.5 Sai số trung phương khoảng cách đo bằng 54
sóng
âm theo nguyên tắc đo một chiều( đơn vị m)
9 4.6 Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm Hi 56
và toạ độ điểm P ta tính được toạ độ P’ trong
hệ toạ độ tầu
10 4.7 Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm Hi và 57
khoảng cách Ri ta tính được toạ độ P’ trong
hệ toạ độ tầu
Nguyễn Văn Tú -4- Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Danh mục các từ viết tắt
STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
1 ROV Remote Operation Vehicle Phương tiện điều
khiển từ xa
2 SBL Short Base Line Định vị thuỷ âm đường
đáy ngắn
3 USBL Ultra Short Base Line Định vị thuỷ âm đường
đáy siêu ngắn
4 LBL Long Base Line Định vị thuỷ âm đường
đáy dài
5 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn
cầu
6 DGPS Differential Global Positioning Hệ thống định vị vi
System phân toàn cầu
7 GcDGPS Global Correction Differential Cải chính toàn cầu hệ
Global Positioning System thống định vị vi phân
toàn cầu
8 GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh đạo
hàng toàn cầu
Nguyễn Văn Tú -5- Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Mở đầu
Tính cấp thiết của đề tài:
Nước ta có bờ biển dài gần 3200km, là một quốc gia có ưu đi ểm v ề
biển. Trong giai đoạn công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước , Đảng và
Nhà nước chủ trương phát triển kinh tế biển. Vì vậy việc xây dựng các
công trình biển phục vụ các nhiệm vụ phát triển kinh tế, nghiên cứu
khoa học về biển , quan trắc sự thay đổi môi trường biển , khảo sát đáy
biển, theo dõi quá trình trầm tích đáy biển , khai thác tài nguyên khoáng
sản … cũng đang được đẩy mạnh.Việc đổi mới và áp dụng các công
nghệ mới , các phương pháp tiên tiến trong đo đạc biển nhằm nâng cao
độ chính xác , giảm thời gian thi công đảm bảo an toàn lao động là
nhiệm vụ cần thiết.
Có nhiều phương pháp định vị thuỷ âm được sử dụng: Định vị thuỷ
âm đường đáy siêu ngắn, định vị thuỷ âm đường đáy dài, định vị thuỷ
âm đường đáy ngắn. Song chúng tôi chọn đề tài “ Khảo sát độ chính
xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn ” . Đề tài có mục tiêu nghiên cứu
độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn, tìm hiểu ưu nhược điểm
và phạm vi ứng dụng của phương pháp định vị thuỷ âm đường đáy
ngắn.
Cấu trúc của đề tài bao gồm:
Mở đầu
Chương I : Khái niệm về định vị thuỷ âm và phân loại
Chương II: Một số kiến thức về định vị thuỷ âm
Chương III: Độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn
Chương IV: Tính toán thực nghiệm
Nguyễn Văn Tú -6- Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Đặng Nam Chinh và các thầy
cô trong bộ môn trắc địa cao cấp cũng như các thầy cô trong khoa trắc
địa đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo để em có thể hoàn thành đồ án này.
Hà nội, ngày… tháng…năm
Sinh viên
Nguyễn Văn Tú
Lớp Trắc địa A – K51
Chương I
KHÁI NIỆM VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM VÀ PHÂN LOẠI
1.1. Khái niệm về định vị thuỷ âm
Theo từ điển Bách Khoa Toàn Th ư Vi ệt Nam thì đ ịnh v ị thu ỷ âm
đượ c định nghĩa như sau “ Đ ịnh v ị thu ỷ âm là xác định vị trí và các
tham số chuy ển động của các đ ối t ượng d ưới n ước nh ờ các tín hi ệu
âm thanh lan truy ền trong n ước, đ ược phát x ạ ho ặc ph ản x ạ b ởi
chính các đối tượng đó. G ồm có ĐVTÂ ch ủ đ ộng, ĐVTÂ th ụ đ ộng.
ĐVTÂ được dùng để phát hiện tàu n ổi, tàu ng ầm, thu ỷ lôi, các lu ồng
cá, nghiên cứu đáy bi ển, v.v….”
Sóng Radio không thể truyền qua nước tới mọi độ sâu yêu cầu và
không thể sử dụng để định vị dưới nước. Sử dụng sóng âm là một cách
để xác định vị trí dưới nước. Định vị dưới nước là một h ệ thống trong
đó bao gồm mặt cơ sở xác định toạ độ, các thiết bị thuỷ âm đặt dưới
đáy biển, đặt ở đáy tầu hoặc trên các thiết bị di động ph ục vụ cho công
tác khảo sát lắp đặt thiết bị làm việc dưới đáy biển. Định vị thu ỷ âm là
lĩnh vực rộng trong việc xác định vị trí động của các công trình thăm dò
và khai thác trên biển như dàn khoan, các robot thám hiểm đáy biển.
1.2. Phân loại định vị thuỷ âm và ưu nhược điểm từng phương
pháp.
Nguyễn Văn Tú -7- Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
1.2.1. Phân loại định vị thuỷ âm.
Định vị thuỷ âm được chia làm 3 phương pháp:
- Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn – Ultra Short Base Line -USBL
- Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn – Short Base Line - SBL
- Định vị thuỷ âm đường đáy dài – Long Base Line - LBL
Đặc trưng kỹ thuật của chúng được thể hiện ở bảng 1.3
Bảng 1.1. Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo của các phương pháp định vị
thuỷ âm:
Phương pháp định vị Chiều dài cạnh đáy Loại trị đo
Định vị thuỷ âm đường < 10cm Đo hướng và
đáy siêu ngắn (USBL) khoảng cách
Định vị thuỷ đường 20m – 50m Đo hướng và
đáy ngắn ( SBL) khoảng cách
Định vị thuỷ âm đường đáy dài 100m – 6000m Đo khoảng
(LBL) cách
Tuỳ thuộc vào điều kiện khu đo, yêu cầu độ chính xác và chi phí,
người ta có thể lựa chọn phương pháp định vị phù hợp.
1.2.2. Ưu nhược điểm của các phương pháp định vị thuỷ âm.
1.2.2.1. Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn:
a. Ưu điểm :
- Hệ thống dễ triển khai trong thực tế , dễ sử dụng.
- Hệ thống toạ độ đầu phát biến làm cơ sở , không cần hệ th ống các
mốc tín hiệu hoặc bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển ( Toạ độ tầu được
xác định bằng GPS).
- Chỉ cần một bộ ứng đáp trên bề mặt, trên thiết bị lặn hoặc công
trình .
- Độ chính xác cao trên các đối tượng động.
b. Nhược điểm :
- Hệ thống yêu cầu hiệu chỉnh chi tiết các tham số môi trường.
- Độ chính xác phụ thuộc vào các thiết bị phụ trợ như bộ hiệu ch ỉnh
con quay hoặc các trạm cải chính độ cao.
- Trị đo thừa ít nên độ tin cậy còn hạn chế.
- Bộ phát biến lớn , giá thành bộ phát biến cao.
1.2.2.2. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn:
a. Ưu điểm:
- Hệ thống dễ triển khai trong thực tế , dễ sử dụng.
Nguyễn Văn Tú -8- Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
- Khả năng nâng cấp tốt với các mốc tín hiệu.
- Độ chính xác cao đối với các đối tượng động.
- Không gian dự phòng được xây dựng ngay bên trong hệ thống.
- Lấy hệ toạ độ tầu làm cơ sở, không cần các m ốc tín hi ệu hay b ộ
truyền phát gắn cố định dưới đáy biển( toạ độ tầu được xác định bằng
GPS).
- Bộ phát biến nhỏ, giá thành mỗi bộ phát biến rẻ.
b. Nhược điểm:
- Hạn chế về độ chính xác ở vùng nước sâu ( > 30m).
- Cần xưởng sửa chữa tầu hoặc cảng để hiệu chỉnh hệ thống.
- Hệ thống yêu cầu hiệu chỉnh chi tiết các tham số môi trường .
- Độ chính xác phụ thuộc vào các thiết bị phụ trợ như bộ hiệu ch ỉnh
con quay hoặc các trạm cải chính độ cao.
- Cần ít nhất 3 bộ phát biến cho một thiết bị.
1.2.2.3. Định vị thuỷ âm đường đáy dài
a. Ưu điểm:
- Độ chính xác không phụ thuộc vào độ sâu .
- Có nhiều trị đo thừa.
- Cung cấp độ chính xác cao trong khu vực lớn.
- Không cần thêm các hệ thống phụ trợ như bộ tham chiếu độ cao , la
bàn.
- Bộ phát biến nhỏ, chỉ cần một bộ phát biến cho một thiết bị.
b. Nhược điểm:
- Hệ thống phức tạp đòi hỏi người sử dụng chuyên nghiệp.
- Yêu cầu các hệ thống thiết bị đắt tiền.
- Chi phí nhiều thời gian cho việc triển khai và khôi phục hệ thống.
- Mỗi hệ thống LBL đều yêu cầu kiểm định trước mỗi lần triển khai
sử dụng.
1.2.3. Độ chính xác của định vị thuỷ âm và các nguồn sai số.
1.2. 3.1. Nguồn sai số và độ chính xác của định vị thuỷ âm:
a. Nguồn sai số của định vị thuỷ âm.
1. Lắc dọc và lắc ngang của tàu.
2. Độ lệch offset của dàn đối với điểm quy chiếu , ví dụ như trọng tâm
(COG).
3. Độ dịch chuyển do sự kết hợp của độ lệch dàn và chuyển động lắc
dọc và lắc ngang của tầu.
Nguyễn Văn Tú -9- Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
4. Độ lệch của bộ ứng đáp /bộ đáp/mốc tín hiệu âm dưới biển so với
mục tiêu chỉ định.
b. Độ chính xác của định vị thuỷ âm.
- Độ chính xác của hệ thống định vị thuỷ âm được quyết định bởi độ
chính xác của hệ thống mốc tín hiệu thuỷ âm.
- Độ chính xác phụ thuộc vào việc xác định và hạn chế các hiệu ứng
khúc xạ âm. Điều này đặc biệt chú ý trong vùng có các thi ết b ị c ố đ ịnh
đang hoạt động như hệ thống dàn khoan ngầm, độ chính xác của h ệ
thống LBL trong khu vực này cao hơn hệ thống USBL và SBL.
- Phụ thuộc vào việc xác định và hệ số khúc xạ.
- Phụ thuộc vào các tần số được sử dụng, độ chính xác tăng khi t ần s ố
tăng nhưng giảm hiệu năng.
- Sự tiên tiến của hệ thống phần mềm sử dụng để tính toán dữ li ệu
định vị.
- Mối quan hệ hình học giữa các thiết bị thuỷ âm.
1.2.3.2. Các nguồn nhiễu.
Định vị thuỷ âm chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu như:
a. Nhiễu âm thanh do môi trường
b. Nhiễu âm thanh do chính thiết bị
c. Nhiễu của sự phản xạ âm thanh
1.3. Ứng dụng trong thực tiễn
- Ứng dụng chủ yếu trong trắc địa công trình biển ( Định v ị đ ế giàn
khoan, định vị đường ống dẫn dầu, lắp đặt cáp …)
- Ứng dụng trong công tác hải dương học ( Nghiên cứu về biển, tìm các
rặng san hô, xác định các luồng cá … )
- Khảo sát biển
- Xây dựng lưới khống chế đáy biển phục vụ công tác đo đạc biển và
công tác xây dựng các công trình dưới biển…
Nguyễn Văn Tú - 10 - Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Chương II
MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM
2.1. Sự lan truyền sóng âm thanh trong môi trường nước.
2.2.1. Sóng âm trong môi trường nước:
Bản chất của sóng âm thanh là sự lan truyền sóng cơ học trong môi
trường nước , đó là sự tác động liên tục quá trình tiếp nhận và truy ền
tải năng lượng của dao động âm. Hiện tượng sóng âm ph ổ biến nhất là
Nguyễn Văn Tú - 11 - Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
sóng dọc, khi sóng âm truyền qua môi trường các phân tử n ước rung
động trong môi trường tạo ra mật độ và áp suất thay đổi dọc theo
hướng chuyển động của sóng. Sự thay đổi áp suất được hiểu nh ư sóng
âm hoặc thừa áp , thừa áp Pe được định nghĩa như sau:
Pe = P –P0 (2.1)
Trong đó P là áp suất tức thời , P 0 là áp lực thuỷ tĩnh hay nói cách khác
là áp lực không có sự thay đổi .
Do áp suất lớn, các hạt trong môi trường nước sẽ bắt đầu di
chuyển , kết quả là khoảng cách giữa các phân tử thay đổi giống nh ư
một hàm của thời gian và vị trí. Để âm thanh truyền qua môi trường ,
môi trường được co lại. Lực nén ký hiệu s , s được biểu diễn bằng 1/P a
, nó là thể tích căng trên một đơn vị và được biểu diễn như sau :
∆v / v 0
s=− (2.2)
Pe
Khi ∆υ thay đổi trong thể tích ban đầu và Pe được chấp nhận ,
nếu s là hằng số thì có thể hiểu như định luật Hooke. S ự ph ản h ồi c ủa
lực nén được hiểu như hệ số tải trọng k . Đối với biên độ sóng âm
thanh nhỏ, xem xét ở đây lực nén và hệ số tải trọng có th ể coi là h ằng
s ố.
Từ khi có nhiễu cục bộ, môi trường không thể ngay lập tức truyền
tín hiệu, sự lan truyền sóng âm thanh xảy ra cùng một lúc với s ự xáo
trộn tương ứng với vận tốc âm v. Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào hệ
số tải trọng k và mật độ ρ 0 trung bình được tính như sau :
k 1
υ= = (2.3)
ρ0 s.ρ 0
Với k = 2,2x10-9 Pa và P0 = 1000(kg/m3) , tốc độ âm trong môi trường
nước xấp xỉ 1480m/s. So sánh với tốc độ âm trong sắt là khoảng 5050
m/s và trong không khí là 330 m/s.
Ta cũng có thể dùng công thức tích phân trung bình để xác đ ịnh vận t ốc
âm trong nước:
t2
D1, 2 1
(t 2 − t1 ) (t 2 − t1 ) t∫
VTB = = V (t ) dt (2.4)
1
Trong đó D1,2 là khoảng cách, V(t) là vận tốc âm (ph ụ thuộc vào độ sâu
H, nhiệt độ T và độ muối S).
Nguyễn Văn Tú - 12 - Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
2.2.2. Phương pháp xác định tốc độ âm:
Chúng ta có rất nhiều cách để xác định tốc độ âm thanh trong môi
trường nước. Hiện nay với sự phát triển không ngừng của khoa học k ỹ
thuật, việc xác định tốc đô âm trở nên đơn giản.
Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Nhiệt độ: Nhiệt độ tại bề mặt biển thay đổi theo vị trí địa lý trên trái
đất, theo mùa trong năm, theo thời gian trong ngày. Sự phân b ố nhi ệt độ
là một trường phức tạp và không thể dự đoán một cách chính xác cho
mục đích khảo sát thuỷ văn. Sự biến đổi của nước theo độ sâu khá
phức tạp vì thế dự đoán một cách chính xác mặt cắt tốc độ âm phục vụ
cho nhiệm vụ khảo sát đo đạc biển là không đơn giản.
Độ sâu khá nhạy cảm đối với những biến đổi của mặt cắt tốc độ
âm, nước ở độ sâu khác nhau sẽ có nhiệt độ khác nhau. Sự biến đổi
của 10C độ (Celsius) làm tốc độ âm thay đổi khoảng 4,5m.
Các biến đổi nhiệt độ ảnh hưởng lớn nhất tới sự thay đổi tốc độ âm
sau đó mới tới áp suất.
Hình 2.1. Mặt cắt nhiệt độ theo độ sâu
Độ sâu lớp nước trong khoảng từ 200m – 1000m có nhiệt độ thay
đổi nhiều nhất và tốc độ âm lúc này ảnh hưởng lớn nhất bởi nhiệt độ.
Độ mặn của nước: Độ mặn của nước là một thước đo độ hoà tan
của muối và các khoáng chất khác trong nước biển. Bình th ường nó
được định nghĩa như tổng số lượng chất rắn hoà tan trong nước biển
trên một phần nghìn(ppt hoặc o/oo)
Nguyễn Văn Tú - 13 - Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Trong thực tế độ mặn không được xác định một cách trực tiếp
nhưng được tính toán từ lượng clo của nước , chỉ số khúc xạ âm hay
thuộc tính khác nào đó mà có liên quan tới độ muối. Mẫu mức độ clo có
trong nước biển được sử dụng làm mẫu độ mặn.
Hình 2.2. Biểu đồ độ mặn nước biển trên thế giới , đơn vị tính là
đơn vị muối thực tế
Độ mặn trung bình của nước biển khoảng 35 o/oo. Tỷ lệ thay đổi của
tốc độ âm thanh xấp xỉ 1,3m/s cho sự thay đổi 1 o/oo của độ mặn.
Áp suất : Áp suất cũng tác động đáng kể tới vận tốc âm thanh. Áp
suất là hàm của độ sâu và khoảng thay đổi của tốc độ âm khoảng
1,6m/s với 10 atmospheres xấp xỉ khoảng 100m độ sâu.
Mật độ nước phụ thuộc vào các thông số trước đó tức là nhiệt độ,
áp suất, độ mặn. Năm mươi phần trăm nước biển có mật độ nằm trong
khoảng 1027.7 và 1027.9 kg/m3. Sự ảnh hưởng lớn nhất về mật độ là
áp lực nén theo độ sâu. Nước có mật độ 1028.0kg/m 3 tại bề mặt thì sẽ
có mật độ là 1050.0kg/m3 ở độ sâu 5000m.
Tốc độ âm thanh v trong nước biển có thể thể hiện nh ư một hàm
nhiệt độ T, áp suất P( độ sâu H), độ mặn S. Nh ững tham số này ảnh
hưởng tới thuộc tính tải trọng của môi trường. Các thông số khác như
bọt khí và các vi sinh vật cũng ảnh hưởng tới tốc độ âm. Tốc độ âm
thường sử dụng trong môi trường lý tưởng, công thức chung như sau:
v = f(T,p,S) = f (T, H, S) (2.5)
Nguyễn Văn Tú - 14 - Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Người ta đa nghiên cứu và đưa ra một số công th ức th ực nghi ệm đ ể
xác định tốc độ âm trong nước:
Công thức xác định tốc độ âm với đơn vị m/s với các thông s ố nhi ệt
độ (T), độ sâu (H) , độ mặn S(ppt)
Bảng 2.1. Công thức tốc độ âm theo T,H,P
Các công thức Giới hạn sử dụng
v = 1492.9 + 3 * ( T − 10 ) − 6 * 10 −3 ( T − 10 ) − 2 ≤ T ≤ 24.5
2
0 ≤ H ≤ 1000 Công thức 2.6
− 4 * 10 − 2 ( T − 18) + 1.2 * ( S − 35)
2
30 ≤ S ≤ 42
− 10 − 2 * ( T − 18)( S − 35) + 1.6 * 10 − 2 H
v = 1492.9 + 4.6T − 5.5 * 10 −2 T 2 0 ≤ T ≤ 35
+ 2.9 * 10 − 4 T 3 0 ≤ H ≤ 1000 Công thức 2.7
( )
+ 1.34 − 10 − 2 * T ( S − 35) + 1.6 *10 −2 H 0 ≤ S ≤ 45
v = 1448.96 + 4.591 * T − 5.304 *10 −2 * T 2 0 ≤ T ≤ 30
+ 2.374 * 10 − 4 * T 3 0 ≤ H ≤ 8000 Công thức 2.8
+ 1.340 * ( S − 35) + 1.630 *10 −2 * H 30 ≤ S ≤ 40
+ 1.675 * 10 −7 * H 2 − 1.025 * 10 −2 T ( S − 35)
− 7.139 * 10 −13 T * H 3
Điển hình công thức thực nghiệm được trình bày ở Bảng 2.1 là tốc
độ âm thanh tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ , độ sâu , độ mặn. Từ
các biểu thức tốc độ âm thanh tăng nhanh khi nhiệt độ tăng.
Có hai thiết bị dùng xác định tốc độ âm trong môi trường nước :
Một là sử dụng thiết bị “ cảm biến nhiệt ” (Bathyermograph) có
hình dạng quả ngư lôi trong đó chứa thiết bị cảm biến nhi ệt đ ộ và một
đầu dò để phát hiện sự thay đổi về độ sâu. Các “ cảm biến nhiệt ” có
thể cung cấp thông tin về nhiệt độ mà không cần l ấy l ại b ộ ph ận c ảm
biến . “ Cảm biến nhiệt ” chuyển mối quan hệ nhiệt độ và độ sâu
thành tốc độ âm thanh. Với thiết bị này người ta coi biểu đồ độ mặn
không cần thiết , vì lý do đó “ Cảm biến nhiệt ” được sử dụng ở những
vùng nước sâu.
Nguyễn Văn Tú - 15 - Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Hình 2.3. Thiết bị cảm biến nhiệt
Hai là máy đo tốc độ âm (Velocimeter) là thiết bị xác định tốc độ âm
dựa trên nguyên lý xác định thời gian đi và về giữa một máy phát và một
bộ thu cố định. Dụng cụ này chính xác trong mọi điều kiện bao gồm cả
nhưng nơi có
biến thiên về độ
mặn lớn.
Hình 2.4 Máy đo
vận tốc âm
2.2.3. Hiện
tượng suy giảm
cường độ âm
trong nước :
Sự suy giảm là
sự mất năng
lượng của một làn sóng âm truyền trong môi trường nước và bị hấp
thụ, lan toả theo hình cầu và bị tán xạ bởi các phần tử trong cột nước.
Sự suy giảm là kết quả của phân ly và kết h ợp c ủa một s ố ph ần t ử
trong cột nước ví dụ như magie sun phát ( MgSO 4) là nguồn hấp thụ
chính trong nước biển. Tỷ lệ hấp thụ phụ thuộc vào tính ch ất v ật lý và
hoá học của nước biển và trên các tần số âm thanh được truyền đi.
Nguyễn Văn Tú - 16 - Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Hình 2.5. Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ và độ sâu
Sự lan toả hình cầu phụ thuộc vào cấu trúc hình học , với một góc
khối năng lượng âm truyền qua một diện tích khi khoảng cách từ nguồn
âm tăng. Cả hai đều bị tổn thất do sự hấp thụ và lan toả hình c ầu đ ược
tính đến trong phương trình truyền âm theo công thức:
EE = SL -2TL – (NL - DI) +BS – DT (2.9)
Trong đó :
EE (Echo Excess) số dư âm thanh
SL (Source level) Mức nguồn âm
TL (Transmission loss) tổn thất do truyền âm thanh trong môi trường
nước
NL ( Noise level) Mức độ nhiễu âm thanh trong môi trường nước
DI ( Directivity index) Chỉ số hướng của âm thanh trong môi trường
nước
BS (Bottom backscattering strength) cường độ tán xạ của đáy biển
DT ( Detection threshold) Ngưỡng tách sóng
Tuy nhiên sự tổn thất từ tán xạ phụ thuộc vào các phần t ử ho ặc các
đối tượng có trong cột nước. Tán xạ chủ yếu do các sinh vật biển, là
nhân tố chính trong lớp phát tán sâu ( DSL : Deep Scattering Layer) bao
gồm lớp của sinh vật phù du có độ sâu khác nhau, thay đổi hàng ngày.
Khúc xạ là hiện tượng trong đó hướng lan truyền của sóng âm thanh
bị thay đổi do thay đổi tốc độ âm lan truy ền trong môi tr ường ho ặc
giống như năng lượng đi qua bề mặt chung , đại diện cho tính không
liên tục của tốc độ âm giữa hai bề mặt.
Nguyễn Văn Tú - 17 - Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
PR P2V2 − P1V1
ℜ= = (2.10)
P1 P1V2 + P2V1
θ1
θ1
v1>v2 v1 v1 v2 hướng chuyền của sóng âm thanh sẽ thay
đổi theo quy luật góc chuyền sẽ nhỏ hơn góc tới. Ngược l ại, thì góc
chuyền sẽ lớn hơn góc tới.
Hệ số khúc xạ theo áp suất ký hiệu là ℜ tính được theo công thức 2.10
[Kinsler et al,.. 1982] chính là tỷ lệ áp lực biên độ của sóng phản xạ bởi
các áp lực biên của sóng tới.
Đối với các điều kiện chung , tỷ lệ của cường độ âm thanh ph ản x ạ và
truyền qua phụ thuộc chủ yếu vào:
- Tương phản giữa trở kháng của các thiết bị
- Địa hình đáy biển
- Tần số âm
Những đặc trưng của một máy dò bằng tiếng dội được xác định
bằng những bộ chuyển đổi, tức là tính định hướng, chùm tia, chiều
rộng, sự điều khiển chùm tia và cường độ tại cạnh biên.
a. Tần số âm
Nguyễn Văn Tú - 18 - Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
Các tần số âm thanh là những tham số để xác định phạm vi và những
vùng mà âm thanh có thể đi qua. Sự suy giảm của tín hiệu âm trong
nước tỷ lệ với tần số, tần số càng cao thì sự suy gi ảm càng nhanh, t ức
là đo được khoảng cách ngắn, ngược lại tần số càng thấp thì càng đo
được khoảng cách dài.
Độ rộng chùm tia phụ thuộc vào độ dài sóng âm thanh và kích th ước
của bộ cảm biến. Đối với cùng một độ rộng chùm tia tần s ố th ấp h ơn
sẽ đòi hỏi phải có bộ chuyển đổi lớn.
Tần số theo độ sâu thể hiện như sau :
• Vùng nước nông hơn 100m : tần số cao hơn 200kHz
• Vùng nước nông hơn 1500m : tần số 50 – 200 kHz
• Vùng nước sâu hơn 1500m : tần số 12 – 50 kHz
• Các tần số cho độ sâu bề mặt đáy biển là dưới 8kHz
b. Độ rộng băng tần
Tăng
Tần số
Hình 2.7. Độ rộng băng tần của bộ phát biến
Lấy f0 là tần số của truyền tải điện tối đa( cộng h ưởng t ần số ) và f 1 ,
f2 là tần số tương ứng với nửa cường độ tín hiệu, độ rộng băng tần là
khoảng tần số giữa các tần số ( hình 1.10), tức W = f2 – f1
Hệ số chất lượng của bộ phát biến Q được tính bởi công thức :
Nguyễn Văn Tú - 19 - Trắc Địa A – K51
- Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc
Đ ịa
f0
Q= (2.11)
W
Từ các định nghĩa trên có thể thấy rằng Q và W có s ự thay đổi t ỷ l ệ
nghịch. Do đó, để tối ưu hoá truyền tải năng lượng, các bộ chuy ển đ ổi
nên chuyển gần với các tần số cộng hưởng và do đó có độ rộng băng
tần nhỏ, tức là giá trị hệ số chất lượng cao. Trong quá trình l ựa ch ọn Q
là cần thiết để có sự phản hồi tốt và phân biệt với các tín hiệu khác,
tuy nhiên Q cũng phải được xác định trong dải tần số , độ rộng băng
tần của bộ phát biến thoả mãn W ≥ 1τ với τ là khoảng thời gian của
xung.
c. Chiều dài xung
Độ dài của xung xác định năng lượng truyền vào trong nước, với cùng
một cường độ thì xung càng dài thì cần nhiều năng lượng hơn để đi sâu
vào trong nước và để đi qua một khoảng cách lớn có thể thực hiện
được với hệ thống dò tín hiệu âm.
Để tận dụng lợi thế của bộ chuyển đổi tần số cộng hưởng thời gian
xung nên có ít nhất một nửa chu kỳ tự nhiên. Hạn chế của xung dài là
giảm độ tin cậy của hai bên rìa xung.
Hình 2.8. Chiều dài xung
Nguyễn Văn Tú - 20 - Trắc Địa A – K51
nguon tai.lieu . vn
