BÀI 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐO SÂU BẰNG SÓNG ÂM

Khái niệm về sóng âm

Sóng âm truyền được trong tất cả các môi trường khí, lỏng và rắn. Vận tốc truyền âm (vận tốc âm) phụ thuộc tính đàn hồi và mật độ của môi trường.

Nói chung vận tốc âm trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng và trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí. Vận tốc truyền âm cũng thay đổi theo nhiệt độ.

Sau đây là vận tốc truyền âm trong một số chất.

                   *  Chất rắn và chất lỏng (t = 2000C)        

                   * Chất khí (áp suất bình thường)

                   * Thép cácbon    6100 m/s   

                   * Không khí (t = 0oC)    332 m/s

                   * Sắt 5850 m/s   

                   * Hơi nước (t = 135oC)  494 m/s

                   * Cao su    1479 m/s       

                   * Nước    1500 m/s       

Những vật liệu như bông, nhung, những tấm xốp,… truyền âm kém, vì tính đàn hồi của chúng kém. Chúng được dùng để làm vật liệu cách âm.

Sóng âm không truyền được trong chân không. Có thể chứng minh điều đó bằng cách đặt một chiếc chuông điện vào trong bình thuỷ tinh của chiếc bơm chân không. Khi cho bơm hút dần không khí trong bình, ta thấy tiếng chuông yếu dần và tắt hẳn.

Một đặc tính chính - cơ bản – quan trọng đó là khi sóng âm lan truyền trong môi trường vật chất gặp vật cản một phần sóng âm sẽ phản xạ trở về nơi nguồn phát sóng âm.

BÀI 2: NGUYÊN LÝ ĐO SÂU HỒI ÂM

1.Nguyên lý hoạt động

   Máy đo sâu hồi âm hoạt động như sau, người ta đặt một nguồn phát sóng âm A và một thiết bị thu sóng âm C (2 thiết bị này có cùng nguyên lý hoạt động, vì vậy người ta thường dung chung 1 thiết bị gọi là thiết bị thu phát dùng cho cả phát và thu sóng âm) dưới đáy tàu gọi là bộ tạo dao động (tranducer).

Máy phát sóng âm cứ cách một khoảng thời gian nhất định phát về phía đáy biển B mốt xung sóng siêu âm theo chiều thẳng đứng . Sóng siêu âm này khi đến đáy biển thì phản hồi trở về đáy tàu và tác dụng vào bộ tạo dao động. Tín hiệu phản hồi thu được dưới dạng tín hiệu điện được chuyển cho bộ phận khuếch đại rồi đưa sang thiết bị chỉ báo. Bằng phương pháp điện và cơ, bộ chỉ báo tính toán và chỉ báo ra độ sâu.

Độ sâu của đáy biển được xác định bằng cách đo thời gian t từ khi phát đến khi thu được sóng phản hồi,

                              d = v.t / 2

Trong đó:

d: khoảng cách từ đáy tàu đến đáy biển(độ sâu)  

v: tốc độ sóng âm trong nước

t: thời gian sóng âm truyền lan từ bộ tạo dao động phát đến đáy biển và trở về bộ tạo dao động thu

Giống như trong không khí, trong nước biển sóng âm truyền lan từ nguồn phát âm về mọi phía. Nói chung tốc độ truyền lan của sóng âm trong nước là cố định 1505 m/s.

Một máy đo sâu hồi âm thường có các bộ phận:

thiết bị chỉ báo

máy phát

thiết bị khuếch đại

bộ tạo dao động (thu phát )

máy biến dòng cung cấp nguồn điện

tùy theo thiết kế của từng loại máy, các bộ phận này có thể ghép thành từng khối hay để riêng.

Trong thiết bị chỉ báo, ngoài bộ  phận chỉ báo độ sâu còn có bộ phận điều khiển máy phát tạo thaành bởi bánh xe lồi và các tiếp điểm. Máy phát thông qua sự điều khiển của máy chỉ báo sẽ phát năng lượng (năng lượng này được tích lũy trong khoảng thởi gian giữa 2 lần phát năng lượng ) vào cuộn dây dao động phát ở bộ phân phát sóng. Đuợc cấu tạo bằng nguyên liệu đặc biệt, bộ tạo dao phát sau khi nhận năng lượng (xung điện) từ máy phát sẽ tạo ra dao động sóng siêu âm và lan truyền về phía đáy biển. Sóng siêu âm từ đáy biển quay về tác động vào bộ tạo dao động thu, ở đây năng lượng sóng âm chuyển thành năng lượng điện và đưa sang bộ phận khuếch đại. tín hiệu sau khi được khuếch đaụi đến mức độ đủ lớn được chuyển về thiết bị chỉ báo độ sâu.

Ta nhận thấy rằng như hình vẽ với AB = BC > d,như vậy d đo được sẽ có sai số.Tuy nhiên, nếu máy đo dùng chung một bộ tạo dao động thu phát và định hướng vuông góc với đáy biển thì sai số này không tồn tại nữa.

2. Phản xạ, khúc xạ, hấp thụ và tốc độ của dao động sóng âm trong nước

Trên thực tế, do đặc tính kĩ thuật của máy phát, sóng siêu âm được phát về phía đáy biển thành một chum tia (beam) gồm có nhiều cánh sóng cạnh với công suất nhỏ và cánh sóng chính có công suất tập trung. Các cánh sóng cạnh chịu ảnh hưởng của khúc xạ, và hấp thụ bởi nước biển và phản xạ rất yếu. Thực tế, chỉ có cánh sóng chính nằn trong phạm vi góc 15 – 220 , đặc biệt ở góc độ mà công suất đạt trên một nữa công suất phát, là có sóng pảhn xạ để máy thu có thể tiếp nhận. Hơn nữa, tùy theo độ sâu của đáy biển cường độ phản xạ biển đổi rất lớn.

Các máy đo sâu dùng cho thương thuyền có thể đo được từ 1000 – 1500m, độ sâu nhỏ nhất có thể đo được là từ 0.5 – 1m.

Tốc độ của sóng âm trong nước biển với độ mặn 3.4% và nhiệt độ 160C gần như bkhông đổi là 1505m/s, thông thường máy đo sâu được thiết kế cho tốc độ sóng âm là 1500m/s.

Khi nhiệt, độ mặn của và áp suất của nước biển tăng lên thì tốc độ của sóng âm trong đó cũng tăng lên theo. Trong thực tiễn, việc áp dụng một tốc độ sóng âm cố định khi thiết kế sinh ra một sai số không lớn. Khii tàu chạy từ nước biển sang nước ngọt thì độ sâu thực tế trong nước ngọt nhỏ hơn chừng 3% độ sâu chỉ báo trên máy.

Số lượng xung phát đi trong một phút khoảng 10 đến 600 xung. Tai người chỉ có thể nghe được tần số 100 Hz đến 18 kHz. Tần số phát của máy phát càng giảm thì hấp thụ của nước biển đối với sóng âm càng giảm. tần số sóng siêu âm dùng trong máy đo sâu được chọn từ 30 đến 50 kHz. Tần số này vượt xa tần số nghe được vì vậy gọi nó là tần số siêu âm.

3.Bộ tạo dao động

Bộ tạo dao động được chia làm 2 kiểu:

3.1 Bộ tạo dao động điện động

Một số loại tinh thể có đặc tính khi cho lực ép cơ học tác dụng vào 2 mặt của nó thi giữa hai mặt sinh ra hiệu điện thế ngược dấu trên 2 bề mặt tinh thể. Nếu lực ép biến thành lực kéo thì điện thế sẽ đổi dấu. Hình bên mô tả sự biến đổi dấu của hiệu điện thế trên tinh thể thạch anh khi có tác dụng của lực. Khi tinh thể đặt vào trong một dao động cơ học thì nó tạo ra 1 hiệu điện thế xoay chiều giữa 2 bề mặt tinh thể. Tinh thể còn có một đặc tính ngược lại, khi cho một điện thế xoay chiều tác dụng lên 2 mặt của nó thì chiều dày của nó biến đổi lúc co lúc giãntạo thành dao động cơ học.

Nhờ các đặc tính nói trên, tinh thể đượcv sử dụng để làm bộ tạo dao động phát  kết hợp với bộ tạo dao động thu của máy đo sâu.

Trong hình miếng tinh thể thạch anh được kẹp giữa 2 tấm kim loại, khi có điện áp tác dụng vào 2 mặt kim loại thì dao động được tao ra trên tinh thể và cả trên 2 tấm kim loại và hình thành sóng âm lan ra vào trong nước theo hướng vuông góc với bề mặt tấm kim loại. Tần số của điện áp xoay chiều được chọn co65ng hưởng vớ tần số tự nhiên của tin thể và kim loại. Khi sóng âm phản xạ trở về tác dụng vào 2 tấm kim loại bằng lực cơ học làm cho tinh thể sinh ra điện thế xoay chiều, nó được đưa sang bộ phận khuếch đại và chỉ báo độ sâu. Tinh thể PZT được sử dụng cho mục đích này, và dùng cả cho mục đích phát và thu sóng âm.

3.2 Bộ tạo dao động thu phát từ động

Khi một thỏi sắt từ đặt trong từ trường thì nó biến đổi chiều dài. Biên độ biến đổi chiều dài phụ thuộc vào vật liệu của thỏi kim loại và từ trường, chiều dài của thỏi kim loại có thể kéo dài ra hoặc thu ngắn lại. Trong các loại kim loại cobalt, thép, nikelthì nikel có hiệu ứng co giãn mạnh hơn cả. Khi thỏi nikel được đặt vào một cuộn dâycho dòng điện xoay chiều chạy qua , nó sẽ co giãn với tần số gấp đôi tần số dòng điện. kích thước của thỏi nikel được thiết kế sao cho tần số tự nhiên của nó cộng hưởng với dòng điện thì cường độ dao động rất mạnh. Dao động cơ học của thỏi nikel nậhn được bằng cách này sẽ truyền lan vào tronng nước.

Hiện tượng ngược lại cũng xảy ra đối với thanh nikel, lực cơ học biến đổi (sóng âm phản hồi) tác dụng lên nó, thì kích thước của thỏi nikel cũng thay đổi và tạo ra từ trường biến đổi, từ trường biến đổi tạo ra dòng điện xoay chiều trrong cuộn dây quấn quanh nó. Cho nên hiệu ứng từ động được áp dụng cho cả phát và thu sóng âm. Hình          là là một bộ tạo dao động theo nguyên lý từ động,

Hình          biểu thị cách lắp đặt bộ phận này dưới đáy ki tàu.

4. Thiết bị chỉ báo và thiết bị tự ghi

Để có thể đọc được độ sâu, máy đo sâu có các loại thiết bị chỉ báo bằng diod phát sang, chỉ báo kĩ thuật số và thiết bị tự ghi.

4.1 Thiết bị chỉ báo bằng diod phát sáng

Hoạt động của bộ chỉ báo này như sau, một môtơ servo quay cánh tay đòn trên đó có gắn 3 diod phát sáng (LED: Light Emitting Diod) và một thanh kim loại kích phát. Mỗi lần cánh tay đòn quay đến điểm zero thì thanh kim loại kích phát tác dụng vào từ trường của  đầu dò cảm ứng kích hoạt máy phát khiến bộ tạo dao phát phát ra một xung, đồng thời 1 tín hiệu yếu cũng được đưa qua tiếp điểm lò xo làm sáng diod phát sáng biểu thị máy phát xung đã hoạt động. Cánh tay đòn tiếp tục quay trong khi xung đã được phát đi vào đáy biển. Cho đến khi bộ tạo dao động thu tiếp nhận đựoc tín hiệu phản hồi từ đáy biển và chuyển từ tín hiệu cơ sang tín hiệu điện, sau khi qua khuếch đại, tín hiệu được truyền về tiếp điểm lò xo làm cho các diod phát sáng chỉ báo độ sâu, căn cứ vào vị trí phát sáng của đèn có thể đọc bđộ sâu trên vòng tròn thang tỳ lệ. Môtơ servo quay với một tốc độ cố định chính xác sẽ đảm bảo độ sâu chính xác của độ sâu chỉ báo, khi thay đổi thang đo sâu thì tốc độ quay của môtơ cũng thay đổi.

4.2 Thiết bị tự ghi độ sâu

Với thiết bị này, độ sâu được ghi trên giấy. Giấy ghi được kéo bằng 1 môtơ (giấy quấn thành cuộn trong trục quấn) di chuyển chậm qua 1 bề mặt kim loại.

Băng truyền động quấn qua 2 ròng rọc được kéo bằng 1 môtơ quay nhanh với tốc độ ổn định chính xác, trên băng truyền động gắn 1 kim ghi ép chặt trên mặt giấy ghi. Trên bề mặt giấy ghi tarng1 một lớp kim laọi mỏng(thường dùng lá mhôm), trên đó lại phủ một lớp chất phủ mỏng lại không dẫn điện.Khi có một điện thế dẫn qua kim ghi thì lớp trên của kim laọi  bị cháy và làm rộ ra lớp kim loại với màu sắc khác.

Khi máy hoạt động, nam châm kích phát, gắn trên băng truyền động, lướt qua đầu cảm biến(gắn cố định) thì mạch điện được đóng kín khiến máy phát tạo ra một xung dao động cơ học và phát sóng âm vào đáy biển. Cùng lúc đó kim ghi cũng chỉ đúng vị trí zero(0) trên thang tỷ lệ giấy ghi. Trong khi bút ghi vẫn tiếp tục di chuyển thì một phần năng lượng của xung phản hồi từ đáy biển được bộ tạo dao động thu nhận được và chuyển từ tín hiệu cơ thành tín hiệu điện và đưa qua bộ khuếch đại và đưa về bút ghi vẽ thành một vệt đentrên giấy ghi để chỉ báo độ sâu.

Khi thay đổi các thang đo khác nhau thì cũng thay đổi tốc độ môtơ cho phù hợp.

4.3 Thiết bị chỉ báo kĩ thuật số(tự tìm hiểu)

Bài 3: Một số điều cần chú ý khi sử dụng máy đo sâu

1.Phản hồi nhiều lần

 Khi máy đo sâu hoạt động ở độ nhạy cao trên đáy biển cạn lại nhiều đá thì sóng âm pảhn hồi từ đáy biển về đáy tàu có thể bị đáy tàu phản hồi trở về đáy biển,sóng phản đó lại từ đáy biển trở về đáy tàu một lần nữa. Sự phản hồi như vậy có thể phản hồi vài lần. Kết quả là trên thiết bị chỉ báo tự ghi xuất hiện 2 hoặc 3 tín hiệu chỉ độ sâu, dĩ nhiên là ta chỉ quan tâm đến tín hiệu độ sâuđầu tiên còn các tín hiệu đến chậm hơn là các tín hiệu giả. Tốt khi khởi động máy đo sâu nên bắt đầu bằng thang đo nhỏ, khi chưa thấy tín hiệu phản hồi thì chuyển sang thang đo lớn hơn, cứ tăng thang đo lên dần cho đến khi thấy tín hiệu pảhn hồi , bằng cách đó có thể tránh được tín hiệu giả. Hoặc có thể giảm tín hiệu phản hồi giảbằng cách giảm độ khuếch đại máy thu cho đến khi chỉ còn tín hiệu rõ rang nhất,đó là tín hiệu thật.

2.Khi tàu chạy không tải

Tàu chạy không tải thì chênh lệch mớn nước mũi - lái rất lớn, khi sóng gió lớn mũi tàu va đập vào nước biển rất dữ dội làm cho rất nhiều bột khí trộn lẫn vào nước biển tào thành hỗn hợp bọt khí và nước biển chảy qua đáy tàu. Trong khi nước lẫn khí chảy dưới đáy tàu, vì bọt khí nhẹ nên nổi lên trên, các bọt khí này một mặt chui vào bộ tạo dao động làm giảm hiệu quả phát sóng siêu âm của bộ tạo dao động, mặt khác khi các bọt khí đi qua bộ tạo dao động sẽ hấp thụ và tán xạ sóng âm làm cho ntín hiệu thu bị yếu đi. Vì những lý do đó mà việc đo độ sâu trong trừờng hợp tàu không tải là rất khó khăn.

3.Khi tàu nghiêng

Tàu nghiêng thì bộ tạo dao động thu path cũng bị ngiệng theo. Do tính chất phản xạ của các loại sóng nói chung trong đó có sóng âm, khi bộ tạo dao động phát nghiêng làm cho sóng phát đi không còn thẳng góc hoặc gần thẳng góc với đáy biển, do đó sóng phản xạ không trở về bộ tạo dao động thu, việc đo sâu trở nên khó khăn. Nói chung các máy đo sâu khi tàu bị nghiêng đến một giới hạn nào đó thì máy rất khó chỉ báo đúng độ sâu.

4.Lúc sóng to gió lớn

Trong sóng to gió lớn tàu bị lắc bổ về nhiều phí, dĩ nhiên bộ tạo dao động thu phát cũng ở trong tình trạng bị chao đảo. Nếu bộ tạo dao động bị lắc đến một góc độ lớn, do không thu được sóng phản xạ nên việc đo sâu cũng rất khó khăn.

5.Khi tàu chạy lùi

Khi tàu chạy lùi, bọt khí do chân vịt quay tạo nên trộn lẫnn vào nước biển,hỗn hợp bọt khí và nước biển sẽ chỷ qua đáy tàu .(giống như khi tàu chạy không tải)

Lưu ý: ở đáy tàu, nếu bộ tạo dao động thu phát không được chứa tring một hộp nhỏ thì phải thận trong khi sơn lên tôn đáy tàu, tránh sơn hoặc phun cát lên tấm kim loại của bộ tạo dao động thu phát. Bản than tấm kim loại này làm bằng thép không rỉ nên không cần phải sơn. Nều bô tạo dao đông thu phát lại chứa trong một hộp nhỏ ở đáy tàu, thì một phần miếng tôn vỏ phía dưới hộp phải được thay thế bằng 1 tấm kim loại mỏng không rỉ, cũng không được sơn tấm thép này. Trước khi tàu ra đà cần kiển tra miếng thép không rỉ này, lau chùi dầu mở sạch sẽ để không ảnh hưởng đến hoạt động của máy đo sâu.