Tài liệu đồ án tốt nghiệp khảo sát độ chính xác định vị thuỷ âm đường đáy ngắn

Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Mục Lục Mục Lục .................................................................................................................. 1 Danh mục các hình vẽ ............................................................................................ 3 Danh sách các bảng biểu........................................................................................ 5 Danh mục các từ viết tắt ......................................................................................... 6 Mở đầu..................................................................................................................... 7 Chương 1 ................................................................................................................. 8 KHÁI NIỆM VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM VÀ PHÂN LOẠI .................................... 8 1.1. Khái niệm về định vị thuỷ âm.......................................................................... 8 1.2. Phân loại định vị thuỷ âm và ưu nhược điểm từng phương pháp. ............... 8 1.2.1. Phân loại định vị thuỷ âm. ....................................................................... 8 1.2.2. Ưu nhược điểm của các phương pháp định vị thuỷ âm. ............................ 9 1.2.2.1. Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn: ................................................. 9 1.2.2.2. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn: ..................................................... 9 1.2.2.3. Định vị thuỷ âm đường đáy dài .......................................................... 9 1.2.3. Độ chính xác của định vị thuỷ âm và các nguồn sai số. ....................... 10 1.2. 3.1. Nguồn sai số và độ chính xác của định vị thuỷ âm: ...................... 10 1.2.3.2. Các nguồn nhiễu. .............................................................................. 10 1.3. Ứng dụng trong thực tiễn .............................................................................. 10 Chương 2 ............................................................................................................... 12 MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ............................................... 12 2.1. Sự lan truyền sóng âm thanh trong môi trường nước................................. 12 2.2.1. Sóng âm trong môi trường nước: ........................................................... 12 2.2.2. Phương pháp xác định tốc độ âm: ......................................................... 13 2.2.3. Hiện tượng suy giảm cường độ âm trong nước : .................................. 16 2.2. Nguyên tắc đo khoảng cách trong định vị thuỷ âm ..................................... 21 2.2.1. Nguyên tắc đo khoảng cách 2 chiều....................................................... 21 2.2.2. Nguyên tắc đo khoảng cách 1 chiều....................................................... 22 Chương 3 ............................................................................................................... 24 ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUỶ ÂM ĐƯỜNG ĐÁY NGẮN ......................... 24 3.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn ................................................................. 24 3.1.1. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn ........................................................... 24 3.1.2. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng mốc tín hiệu cố định ......... 26 3.1.3. Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn sử dụng thiết bị bộ ứng đáp ............ 29 3.2. Các hệ toạ độ và các hệ quy chiếu ................................................................ 31 3.2.1. Hệ quy chiếu WGS- 84 ............................................................................ 31 3.2.2. Hệ quy chiếu quốc gia VN2000 .............................................................. 32 Nguyễn Văn Tú -1- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 3.2.3. Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm .............................................. 33 3.2.4. Hệ toạ độ trắc địa ................................................................................... 34 3.2.5. Hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện chân trời ............................. 37 3.2.6. Hệ toạ độ tầu........................................................................................... 37 3.3. Kết hợp định vị DGPS và định vị thuỷ âm .................................................... 38 3.3.1. Các công nghệ định vị DGPS chính xác cao ......................................... 38 3.3.1.1. DGPS( Định vị GPS vi phân) ........................................................... 38 3.3.1.2. Công nghệ C-Nav.............................................................................. 40 3.3.1.3. Công nghệ GcDGPS ......................................................................... 40 3.3.1.4. Công nghệ Fugro Omnistar ............................................................. 41 3.3.1.5. Hệ thống Starfire và Công nghệ NavCom: ..................................... 43 3.3.2. Sơ đồ nguyên lý kết hợp DGPS và định vị thuỷ âm ............................... 44 3.3.3. Các thiết bị sử dụng trong định vị thuỷ âm............................................ 45 3.3.3.1.Thiết bị thuỷ âm sử dụng gắn trên tầu. ............................................ 46 3.3.3.2.Thiết bị gắn dưới nước và đáy biển. ................................................. 47 3.4. Phân tích các nguồn sai số trong định vị thuỷ âm đáy biển ........................ 50 Chương 4 ............................................................................................................... 52 TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM ........................................................................... 52 4.1. Tính V theo P, T, H........................................................................................ 52 4.2. Tính sai số trung phương khoảng cách D đo được bằng sóng âm ............. 53 4.2.1. Sai số trung phương khoảng cách D đo theo nguyên tắc hai chiều ........ 53 4.3. Xác định vị trí bộ ứng đáp (dưới đáy biển) trong hệ toạ độ tầu .................. 55 Kết luận ................................................................................................................. 58 Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 59 Nguyễn Văn Tú -2- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp STT 1 2 Hình 2.1 2.2 3 4 5 2.3 2.4 2.5 6 7 8 9 2.6 2.7 2.8 2.9 10 11 3.1 3.2 12 3.3 13 14 15 3.4 3.5 3.6 16 17 18 19 3.7 3.8 3.9 3.10 20 21 22 23 24 25 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 26 3.17 Khoa Trắc Địa Danh mục các hình vẽ Nội dung Trang Mặt cắt nhiệt độ theo độ sâu 13 Biểu đồ độ mặn nước biển trên thế giới , đơn vị 14 tính là đơn vị muối thực tế Thiết bị cảm biến nhiệt 15 Máy đo vận tốc âm 16 Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ 16 và độ sâu Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh 18 Độ rộng băng tần 19 Chiều dài xung 20 Hình vẽ thể hiện khoảng cách từ đầu 21 phát biến tới bộ ứng đáp và thiết bị lặn. Sơ đồ bố trí SBL 24 Quan hệ hình học giữa mốc tín hiệu và 27 ống nghe tín hiệu âm quan hệ hình học giữa nguồn âm và các ống 29 nghe tín hiệu âm Hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm 33 Hệ toạ độ trắc địa 35 Hệ toạ độ vuông góc không gian địa diện 37 chân trời Hệ toạ độ tầu 38 Công nghệ DGPS xác định vị trí tầu biển 39 C-nav 2050 40 Nguyên lý thu phát tín hiệu vệ tinh của công nghệ 42 Fugro Omnistar Công nghệ Navcom 43 Hệ thống StarFire sử dụng 44 Nguyên lý định vị thuỷ âm 45 Các loại Bộ phát biến 46 Vị trí gắn bộ phát biến SBL 47 Bộ ứng đáp gắn trên thiết bị di chuyển 48 của hãng Sonardyne Bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển của hãng 48 Sonardyne Nguyễn Văn Tú -3- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp 27 28 Khoa Trắc Địa 3.18 Bộ ứng đáp của hãng Sonardyne 3.19 Mối quan hệ giữa định vị vệ tinh và định vị thuỷ âm trong xác định vị trí đáy biển Nguyễn Văn Tú -4- 49 50 Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Danh sách các bảng biểu STT Bảng Nội Dung Trang Chiều dài cạnh đáy, loại trị đo của các 8 1 1.1 phương pháp định vị thuỷ âm Công thức tốc độ âm theo T,H,P 15 2 1.2 Dải tần số, khoảng cách tối đa và độ chính xác 49 3 3.1 Vận tốc âm tính theo công thức 2.5 52 4 4.1 Vận tốc âm tính theo công thức 2.6 52 5 4.2 Vận tốc âm tính theo công thức 2.7 52 6 4.3 Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng 53 7 4.4 âm theo nguyên tắc đo hai chiều( đơn vị m) Sai số trung phương khoảng cách đo bằng sóng 54 8 4.5 âm theo nguyên tắc đo một chiều( đơn vị m) Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm Hi 56 9 4.6 và toạ độ điểm P ta tính được toạ độ P’ trong hệ toạ độ tầu Tính toạ độ tầu khi biết toạ độ các điểm Hi và 57 10 4.7 khoảng cách Ri ta tính được toạ độ P’ trong hệ toạ độ tầu Nguyễn Văn Tú -5- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp STT Viết tắt 1 ROV 2 3 4 5 6 7 8 Khoa Trắc Địa Danh mục các từ viết tắt Tiếng Anh Remote Operation Vehicle Tiếng Việt Phương tiện điều khiển từ xa SBL Short Base Line Định vị thuỷ âm đường đáy ngắn USBL Ultra Short Base Line Định vị thuỷ âm đường đáy siêu ngắn LBL Long Base Line Định vị thuỷ âm đường đáy dài GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu DGPS Differential Global Positioning Hệ thống định vị vi System phân toàn cầu GcDGPS Global Correction Differential Cải chính toàn cầu hệ Global Positioning System thống định vị vi phân toàn cầu GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh đạo hàng toàn cầu Nguyễn Văn Tú -6- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Mở đầu Tính cấp thiết của đề tài: Nước ta có bờ biển dài gần 3200km, là một quốc gia có ưu điểm về 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 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 Nguyễn Văn Tú -7- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 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 Thư Việt Nam thì định vị thuỷ âm được định nghĩa như sau “ Định vị thuỷ âm là xác định vị trí và các tham số chuyển động của các đối tượng dưới nước nhờ các tín hiệu âm thanh lan truyền trong nước, được phát xạ hoặc phản xạ bởi chính các đối tượng đó. Gồm có ĐVTÂ chủ động, ĐVTÂ thụ động. ĐVTÂ được dùng để phát hiện tàu nổi, tàu ngầm, thuỷ lôi, các luồng cá, nghiên cứu đáy biển, 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 hệ 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 phục vụ cho công tác khảo sát lắp đặt thiết bị làm việc dưới đáy biển. Định vị thuỷ 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. 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. Nguyễn Văn Tú -8- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 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 thống 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 chỉnh 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. - 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 mốc tín hiệu hay bộ 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 chỉnh 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. Nguyễn Văn Tú -9- Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 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. 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 thiết bị cố định đang hoạt động như hệ thống dàn khoan ngầm, độ chính xác của hệ 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 tần số tăng nhưng giảm hiệu năng. - Sự tiên tiến của hệ thống phần mềm sử dụng để tính toán dữ liệu 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 vị đế 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 … ) Nguyễn Văn Tú - 10 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa - 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 - 11 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 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 truyền tải năng lượng của dao động âm. Hiện tượng sóng âm phổ biến nhất là sóng dọc, khi sóng âm truyền qua môi trường các phân tử nước rung động trong môi trường tạo ra mật độ và áp suất thay đổi dọc theo hướng chuyển động của sóng. Sự thay đổi áp suất được hiểu như sóng âm hoặc thừa áp , thừa áp Pe được định nghĩa như sau: Pe = P –P0 (2.1) Trong đó P là áp suất tức thời , P0 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 như 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/Pa , nó là thể tích căng trên một đơn vị và được biểu diễn như sau : s v / v0 Pe (2.2) Khi  thay đổi trong thể tích ban đầu và Pe được chấp nhận , nếu s là hằng số thì có thể hiểu như định luật Hooke. Sự phản hồi của lực nén được hiểu như hệ số tải trọng k . Đối với biên độ sóng âm thanh nhỏ, xem xét ở đây lực nén và hệ số tải trọng có thể coi là hằng số. 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 sự xáo trộn tương ứng với vận tốc âm v. Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào hệ số tải trọng k và mật độ  0 trung bình được tính như sau :  k 0  1 s. 0 (2.3) 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. Nguyễn Văn Tú - 12 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Ta cũng có thể dùng công thức tích phân trung bình để xác định vận tốc âm trong nước: t2 D1, 2 1 VTB   V (t )dt (2.4) (t 2  t1 ) (t 2  t1 ) t1 Trong đó D1,2 là khoảng cách, V(t) là vận tốc âm (phụ thuộc vào độ sâu H, nhiệt độ T và độ muối S). 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 kỹ 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 bố nhiệt 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 Nguyễn Văn Tú - 13 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 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 thường nó được định nghĩa như tổng số lượng chất rắn hoà tan trong nước biển trên một phần nghìn(ppt hoặc o/oo) 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 35o/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/m3 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 như một hàm nhiệt độ T, áp suất P( độ sâu H), độ mặn S. Những tham số này ảnh hưởng tới Nguyễn Văn Tú - 14 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 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) Người ta đa nghiên cứu và đưa ra một số công thức thực nghiệm để xác định tốc độ âm trong nước: Công thức xác định tốc độ âm với đơn vị m/s với các thông số nhiệt 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  18  1.2 * S  35 2  10 * T  18S  35  1.6 *10 2 H  4 *10 2 2  2  T  24.5 0  H  1000 30  S  42 v  1492.9  4.6T  5.5 * 10 2 T 2 0  T  35  2.9 * 10  4 T 3  1.34  10  2 * T S  35  1.6 * 10  2 H 0  H  1000 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 30  S  40    1.340 * ( S  35)  1.630 * 10  2 * H Công thức 2.6 Công thức 2.7 Công thức 2.8  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 nhiệt độ 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 lấy lại bộ phận cảm 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 Địa 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 hợp của một số phần tử trong cột nước ví dụ như magie sun phát ( MgSO4) là nguồn hấp thụ chính trong nước biển. Tỷ lệ hấp thụ phụ thuộc vào tính chất vật 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 Địa 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 cầu được 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 tử hoặc 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 truyền trong môi trường hoặc giống như năng lượng đi qua bề mặt chung , đại diện cho tính không liên tục của tốc độ âm giữa hai bề mặt.  PR P2V2  P1V1  P1 P1V2  P2V1 Nguyễn Văn Tú (2.10) - 17 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 1 1 v1 v1>v2 v1 v2 hướng chuyền của sóng âm thanh sẽ thay đổi theo quy luật góc chuyền sẽ nhỏ hơn góc tới. Ngược lại, thì góc chuyền sẽ lớn hơn góc tới. Hệ số khúc xạ theo áp suất ký hiệu là  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 phản xạ 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 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 giảm càng nhanh, tức là đo được khoảng cách ngắn, ngược lại tần số càng thấp thì càng đo được khoảng cách dài. Nguyễn Văn Tú - 18 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa Độ rộng chùm tia phụ thuộc vào độ dài sóng âm thanh và kích thước của bộ cảm biến. Đối với cùng một độ rộng chùm tia tần số thấp hơn 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 hưởng tần số ) và f1 , 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 : Q f0 W (2.11) Từ các định nghĩa trên có thể thấy rằng Q và W có sự thay đổi tỷ lệ nghịch. Do đó, để tối ưu hoá truyền tải năng lượng, các bộ chuyển đổi 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 lựa chọn Q là cần thiết Nguyễn Văn Tú - 19 - Trắc Địa A – K51 Đồ Án Tốt Nghiệp Khoa Trắc Địa 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  1 với  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