LỜI NÓI ĐẦU
Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật và công nghệ đang diễn ra sôi động
trên toàn thế giới với sự phát triển mạnh mẽ của nhiều ngành khoa học, đặc
biệt là thông tin liên lạc và truyền thông. Môi trường truyền sóng ngày càng
đa dạng, phong phú: truyền trên mặt đất, qua tầng điện li, tầng đối lưu, trong
lòng đất, qua vệ tinh…Tuy nhiên trong môi trường nước, sóng điện từ bị suy
giảm rất nhanh do bị hấp thụ mạnh, vì thế truyền thông tin và điều khiển dò
tìm dưới nước chủ yếu phải sử dụng sóng âm. Do một số ưu việt của dao động
sóng ở dải tần số này mà sóng âm ngày càng được sử dụng rộng rãi và hiệu
quả. Trong kỹ thuật truyền tin dưới nước, liên lạc giữa các tàu ngầm với nhau,
liên lạc giữa tàu ngầm với đất liền, phát hiện vật cản khi chuyển động ở các
hướng khác nhau: mũi tàu, bụng tàu, bên phải, bên trái,…có một ý nghĩa hết
sức quan trọng trong thực tiễn cũng như trong nghiên cứu khoa học. Âm
thanh dưới nước ứng dụng rộng rãi trong quốc phòng, cả bảo vệ lẫn chống tàu
ngầm. Hiện nay nghiên cứu lý thuyết và kỹ thuật âm thanh dưới nước được
các nước lớn trên thế giới đặc biệt ưu tiên và quan tâm nghiên cứu do nhu cầu
chế tạo tàu ngầm hạt nhân, mạng chiến trường dưói biển thông qua trung tâm
là tàu sân bay đặc biệt hiện đại. Trong các áp dụng quân sự, âm thanh dưới
nước được sử dụng để đo độ sâu, đạo hàng, phát hiện tàu chiến và tàu ngầm,
định tầm và theo dõi (thụ động cũng như chủ động), liên lạc dưới nước, phát
hiện mìn, dẫn hướng và điều khiển thuỷ lôi cũng như các vũ khí dưới nước.
Âm thanh dưới nước cũng được áp dụng rất rộng rãi trong dân sự, ngày
nay các nước trên thế giới rất chú trọng tới thuỷ quyển, đáy đại dương, kể cả
phía dưới đáy đại dương. Những áp dụng đó bao gồm đo độ sâu bằng âm
thanh, lập bản đồ địa hình đáy biển, định vụ mục tiêu, đài mốc dưới nước, đo
độ cao của sóng, đạo hàng Doppler, dò tìm luồng cá, tạo profin dưới đáy, tạo
ảnh dưới nước cho các mục đích thanh tra, định vị đường ống chôn, đo xa và
điều khiển từ xa dưới nước, truyền thông giữa các thợ lặn, trợ giúp điều khiển
1
và đưa tàu vào cảng, cảnh báo chống mắc cạn cho tàu bè, đo dòng chảy và đo
tốc độ tàu thuỷ.
ngăn cản các mặt phẳng song song phân cách.
1.1.2 Phân loại sóng âm [ 9 ]
Cũng giống như sóng điện từ, sóng âm chiếm một dải tần số rất rộng.
Tuỳ theo tần số có thể phân chia sóng âm thành các vùng sau đây:
- Vùng hạ âm tần số dao động từ 1 Hz đến 16 Hz.
- Vùng âm có tần số dao động từ 16 Hz đến 16 kHz.
- Vùng siêu âm có tần số dao động từ 16 kHz đến 10 MHz.
- Vùng cực siêu âm có tần số dao động từ 10 MHz đến 1013 MHz
tương đương tần số dao động nhiệt của mạng tinh thể
1.1.3 Bản chất vật lý của sự lan truyền sóng âm
Khi có nguồn âm dao động trong môi trường đàn hồi tất cả các chất
điểm ở lớp môi giới xung quanh nguồn dao động sẽ dao động theo, do vậy
làm thay đổi khoảng cách giữa các lớp chất điểm.
3
Giữa các chất điểm có sự liên kết với nhau như một lò xo sự thay đổi
khoảng cách giữa các chất điểm sẽ làm cho lò xo bị nén lại hay giãn ra và
như vậy sinh ra lực đàn hồi. Lực này tác động vào lớp chất điểm tiếp theo
làm cho nó dao động. Quá trình cứ tiếp diễn như vậy, nhờ đó dao động lan
truyền được trong môi trường đàn hồi.
Các chất điểm trong môi trường đàn hồi liên kết với nhau kiểu lò xo
nên khi dao động, chỗ bị nén lại thì các chất điểm mau lại, chỗ giãn ra thì
các chất điểm thưa ra. Chỗ chất điểm mau áp suất lớn, chỗ thưa áp suất
nhỏ.
Trong quá trình lan truyền sóng âm, chất điểm bất kỳ luôn nhận năng
lượng dao động của chất điểm trước (chất điểm chuyển từ trạng thái tĩnh
sang trạng thái động), đây là quá trình chuyển hóa năng lượng.
Kết luận: Sự truyền lan sóng âm là sự truyền lan của trạng thái dao
động, cụ thể là truyền lan sự dịch pha của dao động (tức là tốc độ truyền
lan đồng thời truyền áp suất).
1.1.4 Các tham số cơ bản của sóng âm [ 9 ]
điểm khác tiếp theo trong môi trường gọi là vận tốc sóng âm.
- Vận tốc sóng âm trong môi trường khác nhau thì cũng khác nhau
(vận tốc truyền âm không phụ thuộc vào tần số và cường độ dao động).
Sự truyền âm trong một môi trường đàn hồi không phải là tức thời; ta
có thể nhận thấy ánh chớp trước khi nghe được tiếng sấm. Thực nghiệm
chứng tỏ trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng thì âm thanh
truyền với vận tốc không đổi. Vận tốc truyền âm thanh thay đổi khi âm
thanh truyền qua các môi trường khác nhau (chất rắn, chất lỏng hoặc chất
khí). Tính đàn hồi của môi trường càng lớn (Z càng lớn) thì vận tốc truyền
âm càng cao.
Ví dụ:
+ Vận tốc truyền âm trong không khí là: 330 m/s
+ Vận tốc truyền âm trong nước biển khoảng 1500 m/s
5
+ Vận tốc truyền âm trong chất rắn như thép là 5500 m/s
- Tốc độ chuyển dịch của chất điểm quanh vị trí cân bằng của nó gọi
là tốc độ dao động. Dao động của chất điểm là do nguồn phát tạo ra và phụ
thuộc vào tần số của nguồn phát dao động.
Tốc độ dao động chỉ bản thân “chất điểm” dao động nhanh hay
chậm, còn vận tốc truyền âm chỉ chất điểm truyền trạng thái dao động cho
chất điểm khác nhanh hay chậm.
e) Áp suất sóng âm
Như đã nêu ở trên, quá trình truyền lan sóng cũng là quá trình truyền
lan áp suất dao động. Nếu ta gọi P
0
là áp suất môi trường lúc chưa có dao
động (áp suất tĩnh), P
1
là áp suất môi trường khi có dao động (áp suất động)
thì ta có áp suất sóng âm P được tính bằng công thức sau:
trong môi trường.
- Trở kháng âm của môi trường càng lớn thì môi trường càng rắn và
cho phép sóng âm truyền với vận tốc càng cao.
Sóng siêu âm có thể tạo ra năng lượng lớn, tổn hao vừa phải, bước
sóng đủ nhỏ hơn nhiều so với bề mặt hoạt động của nguồn phát sóng có thể
sử dụng, nên sóng siêu âm có tính định hướng rất cao (tức là năng lượng do
sóng siêu âm phát ra tập trung vào một hướng nhất định) được được dùng
trong phương tiện định vị mục tiêu trong môi trường cho độ chính xác cao.
1.2 ĐẶC TÍNH LAN TRUYỀN SÓNG ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG
NƯỚC [11]
1.2.1 Đặc điểm, nguyên lý, chức năng
a) Đặc điểm, nguyên lý
Năng lượng âm thanh truyền trong nước do chuyển động hạt khởi
phát bởi các lực vật lý tác dụng vào các hạt từ phía màng rung, bọt khí bị
vỡ hoặc những nguồn năng lượng khác với liên kết cơ - âm đủ để truyền
năng lượng. Quá trình truyền lan có thể được điều khiển, định hướng,
truyền tin mở cho nhiều mục đích hữu ích.
Nước là môi trường tuyệt vời để truyền sóng âm. Chất lỏng nói
chung có trở kháng âm thanh cao hơn vài lần so với chất khí. Đây là điều
kiện tới để thiết kế các sensor để trở kháng mở chúng tiến gần tới trở kháng
7
của tải bức xạ, với hiệu suất biến đổi trên 50 % trên dải một octave. Có thể
điều khiển và định hướng sự truyền và thu sóng âm dưới nước để thực hiện
các chức năng truyền thông, đạo hàng, phát hiện, bám sát, phân loại, mà
trong không gian được thực hiện bằng năng lượng điện từ, sử dụng sonar
chủ động.
Tiếng nói (dải tần 0,3 ÷ 3,4 kHz) có khả năng lan truyền tốt trong môi
trường nước nhưng không thể thực hiện truyền tin dưới nước dưới dạng sóng
điện từ vì tổn hao rất lớn. Chỉ những tần số thấp hơn 10 Hz và những tần số
nằm trong phổ ánh sáng mới có thể được sử dụng nhưng cũng rất hạn chế do
thủy âm.
b) Phạm vi ứng dụng của các dải tần cho các mục đích cụ thể
Các ứng dụng âm thanh dưới nước cho mục đích quốc phòng, cả bảo
vệ lẫn chống tàu ngầm, đã tiến bộ cùng sự phát triển của tàu ngầm hạt
nhân. Trong quân sự, âm thanh dưới nước sử dụng để đo độ sâu, đạo hàng,
phát hiện tàu và tàu ngầm, dò tìm, liên lạc, phát hiện mìn, dẫn hướng, điều
khiển thủy lôi và những vũ khí khác. Phần lớn các hệ là đơn tính, song
cũng xác định cả các hệ lưỡng tính. [4]
Âm thanh dưới nước cũng có nhiều ứng dụng trong dân sự, đặc biệt
trong thủy quyển, đáy đại dương về phía dưới đáy đại dương. Những áp
dụng đó bao gồm đo độ sâu bằng âm thanh, lập bản đồ địa hình đáy biển,
định vị mục tiêu, đài mốc dưới nước (pinge); đo độ cao của sóng, đạo hàng
Doppler, tìm cá, tạo chu tuyến địa hình (profile) dưới đáy, tạo ảnh dưới
nước cho các mục đích thanh tra, định vị đường ống chôn, đo xa và điều
khiển dưới nước, liên lạc giữa các thợ lặn, trợ giúp điều khiển đưa tàu vào
cảng, cảnh báo mắc cạn, đo dòng chảy, tốc độ tàu,
Dải tần từ 0,001 ÷ 0,1 kHz: Dùng cho các hệ thống thông tin truyền
lệnh điều khiển, các phương tiện tìm kiếm khoáng sản trên các trạm cố
định hay tàu biển.
Dải tần từ 0,1 ÷ 1,0 kHz: Các hệ thống thăm dò đáy biển, thềm lục
địa, địa chất và các hệ thống truyền tin kiểm tra từ xa.
Dải tần từ 1,0 ÷ 10 kHz: Các hệ thống thủy âm trên tàu phát hiện
mục tiêu cự li xa, các phương tiện thông tin và điều khiển xa, các rađa quét
sườn…
9
Dải tần từ 10 ÷ 100 kHz: Các phương tiện đánh bắt cá, quét mìn, hải
đồ kế (la bàn), phao thủy âm,…
Dải tần từ 100 ÷ 10000 kHz: Các thiết bị truyền ảnh, hàn siêu âm,
khử ô nhiễm trên biển.
Dùng cho truyền tin: Giới hạn dưới của dải tần phát cần phải lớn hơn
0
- tỷ trọng và áp suất cân bằng của chất lỏng, còn ρ’,
p’ - lượng thay đổi của chúng trong sóng âm (ρ’<<ρ
0
; p’<< p
0
). Khi đó
phương trình liên tục có dạng:
( )
0=+
∂
∂
vdiv
t
ρρ
(1.8)
Thay các giá trị (1.7) vào phương trình trên và bỏ qua các giá trị nhỏ
bậc 2, ta có:
0)(
0
,
=+
∂
∂
vdiv
t
ρρ
(1.9)
10
( )
0
0
0
'
=
∂
∂
+
∂
∂
vdivp
t
S
ρ
ρρ
(1.12)
Hai phương trình (1.11) và (1.12) với các hàm ẩn
v
và p’ đủ để mô
tả sóng âm. Biểu diễn các giá trị ẩn thông qua một trong hai hàm ẩn đó sẽ
rất thuận tiện, nếu sử dụng thế vận tốc
( )
ϕ
gradv =
. Từ phương trình
(1.10) ta có đẳng thức:
ϕρ
c
0
∂
∂
=
(1.15)
Phương trình (1.14) gọi là phương trình sóng và c là vận tốc truyền
sóng. Nếu thực hiện Grad hai vế, dễ dàng nhận thấy cả ba thành phần của
11
vectơ vận tốc v thoả mãn phương trình (1.14), nếu lấy đạo hàm theo thời
gian thì lại thấy p’ (và do đó cả ρ’) cũng thoả mãn (1.14).
Để làm thí dụ ta xét trường hợp sóng phẳng lan truyền theo trục x,
đồng nhất trong mặt phẳng (y, z).
Phương trình sóng có dạng:
0
1
2
2
22
2
=
∂
∂
−
∂
∂
ϕϕ
tcx
( 1.16)
(x + ct) - lan truyền theo chiều ngược lại. Dễ nhận thấy rằng vận tốc
lan truyền sóng âm được xác định theo biểu thức:
'
v c
ρ
ρ
=
(1.19)
Sự lan truyền của sóng âm trong nước cũng làm thay đổi nhiệt độ của
nước. Thật vậy, áp dụng kiến thức nhiệt động học cho chất lỏng, ta có:
S
T
p
pT
∂
∂
=
''
( 1.20)
P
p
S
V
T
T
c
T
p ∂
∂
sang môi trường có
trở âm Z
2
,
có thể bị phản xạ hoặc bị khúc xạ tại mặt phân cách giữa hai môi
trường. Sự phản xạ và khúc xạ này phụ thuộc vào phương truyền sóng, tần
số sóng và trở âm của môi trường (Z). Tùy theo quan hệ trở âm giữa Z
1
và
Z
2
mà sóng âm phản xạ nhiều hay ít.
- Nếu Z
1
rất khác Z
2
, sóng âm hầu như bị phản xạ hoàn toàn tại mặt
phân cách giữa hai môi trường.
- Nếu Z
1
xấp xỉ bằng Z
2,
sóng âm truyền từ môi trường này sang môi
trường kia, không có hiện tượng phản xạ tại mặt phân cách.
- Nếu sóng âm tới mặt phân cách giữa hai môi trường theo phương
xiên góc, dưới góc θ
1
, chúng sẽ phản xạ dưới góc θ
1
nhất và đủ lớn sóng đơn sắc với vec-tơ sóng
k
và tần số ω không đổi là
nghiệm của phương trình chuyển động. Khi có bề mặt phân cách thì chỉ
thêm điều kiện biên trên mặt phân cách. Trong trường hợp đang xem xét là
điều kiện khi x = 0, tức là không phụ thuộc vào thời gian, cũng không phụ
thuộc y, z. Vì thế, sự phụ thuộc của nghiệm vào t và (y, z) vẫn được giữ
nguyên trong toàn bộ không gian và thời gian, tức là ω, k
y
, k
z
của sóng
phản xạ và sóng khúc xạ vẫn giữ nguyên như trong sóng tới (k
x
theo hướng
vuông góc với mặt phân cách không giống nhau). Hướng lan truyền của cả
ba sóng đều nằm trong cùng một mặt phẳng.
Giả sử θ là góc giữa hướng sóng và trục x
Từ đẳng thức k
y
= ωc
-1
sinθ cho sóng tới và sóng phản xạ ta có:
θ
1
= θ’
1
(1.23)
tức là góc tới θ
1
1
.cosθ
1
+ y/ c
1
.sin(θ
1
- t)]}
ϕ’
1
= A’
1
exp{iω[-x/c
1
.cosθ
1
+ y/ c
1
.sin(θ
1
- t)]}
ϕ
2
= A
2
exp{iω[x/c
2
.cosθ
2
+ y/ c
(1.26)
Mật độ dòng năng lượng trong sóng tới bằng c.ρ.v
2
, ta có biểu thức
xác định hệ số phản xạ như sau:
( )
( )
2
2
'
'
1 1 1
1
2
1
1
cρ v
A
R = =
A
cρ v
(1.27)
Sau khi biến đổi, ta có biểu thức xác định hệ số phản xạ:
2
2 2 1 1
2 2 1 1
ρ tgθ -ρ tgθ
R =
2 2 1 1
ρ c -ρ c
R =
ρ c +ρ c
(1.30)
Nếu góc tới thoả mãn điều kiện
( )
2
2 2 1 1
1
2 2 2
1 1 2
ρ c -ρ c
tgθ =
ρ c -c
(1.31 )
thì R = 0, tức sóng âm bị khúc xạ hoàn toàn. Trường hợp này có thể xảy ra
nếu c
1
> c
2
, khi ρ
2
c
2
> ρ
nước biển
a) Tạp âm biển
Tạp âm sinh học (các sinh vật biển: cá, san hô, dong, tảo…): nguồn
tạp âm này thường gần với anten thu nên ảnh hưởng nhiều đến các thiết bị
cao tần, các hệ thống điều khiển xa, các phao thủy âm.
Tạp âm kỹ thuật gồm: sự chuyển động của tàu bè, các thiết bị đánh
bắt cá, giàn khoan dầu khí, trạm nghiên cứu đại dương, tạp âm nhân tạo…
Tạp âm do các điều kiện địa chấn, băng đá, dòng chảy, thủy triều, và
ảnh hưởng của các điều kiện trạng thái bề mặt biển như: mức sóng biển,
bão biển, lượng mưa, dịch chuyển của lớp bùn, sỏi dưới đáy biển, sự hình
thành và tan băng sẽ tạo ra sự nứt vỡ của một lượng lớn bọt khí trong nước
biển, làm tăng tính bất đồng nhất của môi trường truyền sóng âm.
Tất cả các loại tạp âm này làm thay đổi cả về tần số, biên độ và pha
của sóng âm từ nhiều nguồn và theo nhiều hướng khác nhau và đều mang
đặc trưng ngẫu nhiên.
b) Hiện tượng thăng giáng tín hiệu do lan truyền đa tia
Tín hiệu sóng âm bị thăng giáng tại điểm thu do các nguyên nhân
sau:
- Thăng giáng theo không gian: năng lượng âm phân bố theo không
gian nên độ suy hao sóng âm trong quá trình lan truyền sẽ phụ thuộc vào:
đặc tính thay đổi tốc độ âm; ảnh hưởng của bề mặt, đáy biển; ảnh hưởng độ
sâu nguồn âm phát, anten thu,…
16
- Thăng giáng chọn lọc: độ suy hao phụ thuộc vào tần số. Mỗi một
vùng biển với các đặc tính khác nhau thì có đặc trưng tần số khác nhau.
- Thăng giáng do sự truyền lan nhiều tia của tín hiệu là nguy hiểm
nhất:
Khi sóng âm lan truyền qua các lớp nước với các vận tốc khác nhau
thì quĩ đạo của tia sóng sẽ bị uốn cong về phía lớp nước có vận tốc truyền
lan của sóng âm nhỏ hơn (khúc xạ sóng âm). Như vậy cự li tác dụng của
khi áp suất tĩnh tăng lên thì vận tốc sóng âm lại tăng.
17
- Có thể thay đổi độ sâu của anten thu, phát và góc phát xạ để đạt
được kênh truyền tin (tương ứng là cự li truyền) mong muốn.
- Khi lan truyền theo kênh trung gian (kênh giữa) có thể đạt được cự
li rất xa và chất lượng ổn định nếu chọn được tần số thích hợp.
- Trên thực tế, để tránh các vùng tối (vùng chết-sóng âm không đi
tới) người ta thường đặt nhiều anten phát ở các độ sâu khác nhau và thường
ngang bằng hoặc sâu hơn anten thu, còn anten thu thì đặt dải theo phương
ngang tại nhiều vị trí (cả tĩnh tại và cơ động) theo hướng bề mặt.
- Hiện tượng thăng giáng biên độ tín hiệu trong truyền tin thủy âm
(pha-đing) là rất nghiêm trọng, đặc biệt là ở những vùng biển nông như ở
Việt Nam. Ảnh hưởng của điều kiện truyền sóng phụ thuộc nhiều vào thời
gian trong ngày (nhiệt độ, mức sóng biển…) nên cần có thuật toán lựa chọn
tần số công tác phù hợp tương tự như trong thông tin vô tuyến sóng ngắn.
Để chống lại ảnh hưởng của lan truyền nhiều tia cần giảm tốc độ truyền tin.
Ở cự li cỡ hàng chục km, tốc độ phát thoại thường chỉ đạt 12 ÷ 18 từ/phút,
còn trong chế độ báo là 10 ÷ 12 bit/giây. Với các cự li xa hơn cỡ hàng trăm
km thì tốc độ này còn thấp hơn nữa.
c) Hiệu ứng Doppler và hiện tượng xâm thực bọt khí
* Hiệu ứng Doppler
Trong truyền tin thủy âm, do tốc độ lan truyền của sóng âm trong
nước là khá nhỏ (1500 m/s) so với tốc độ lan truyền của sóng vô tuyến
trong không gian tự do nên tỉ số giữa tốc độ tương đối của tàu với tốc độ
lan truyền của sóng âm là lớn hơn rất nhiều so với tỉ số này trong truyền tin
vô tuyến. Giá trị tuyệt đối của tần số sóng mang âm lại nhỏ vì thế mà ảnh
hưởng của hiệu ứng Doppler tới sự thay đổi tần số tín hiệu sóng mang rất
nghiêm trọng khi nguồn phát và thu không cố định (theo các nghiên cứu và
tính toán thực tế thì sự thay đổi này có thể đạt tới 5-10 Hz với sóng mang
10 khz).
các biện pháp mã và giải mã chống nhiễu, sửa sai…Trong sơ đồ sẽ chia ra
hai cấp xử lý: Xử lý cấp một dùng tuyến thu lọc phối hợp (hoặc máy thu
tương quan) để chọn đúng tín hiệu thu có mức công suất lớn nhất theo một
chỉ tiêu tối ưu. Xử lý cấp hai là các thuật toán mã-giải mã chống nhiễu, sửa
19
sai. Phương pháp đơn giản nhất áp dụng trong tuyến thu của các thiết bị
thông tin thuỷ âm là thuật toán thu tương quan. Bằng cách tính toán hàm
tương quan giữa tín hiệu thu với một tập tín hiệu giả ngẫu nhiên (coi như
thay cho tập tín hiệu bên phát) được tạo sẵn ở máy thu theo một cách nào
đó để so sánh và tìm ra tín hiệu thu đúng nhất là các tín hiệu giống tín hiệu
chuẩn nhất (tương ứng là giá trị hàm tương quan đạt lớn nhất). Như vậy cần
làm việc với một khối lượng tính toán lớn trong khoảng thời gian thực mới
đạt xác suất lỗi theo yêu cầu và chỉ thực hiện được với sự trợ giúp của kỹ
thuật tin học.
* Hiện tượng xâm thực bọt khí
Khi công suất âm trên một đơn vị diện tích bề mặt công tác của
Sensor thủy âm lớn đến mức nào đó sẽ gây ra sự phá vỡ cấu trúc phần nước
ngay sát bề mặt phát xạ của Sensor. Kết quả là sẽ hình thành các bọt nước
(bọt không khí) với mật độ rất lớn, chính là nguyên nhân gây tán xạ năng
lượng sóng âm và là nguồn tạp âm. Nếu như xảy ra hiện tượng này ở mức
độ lớn, thời gian lâu sẽ phá hủy bề mặt phát xạ của Sensor. Đặc trưng tác
dụng của hiện tượng này lên quá trình truyền tin phụ thuộc vào vị trí tương
đối giữa nguồn phát và thu cũng như với các giới hạn của môi trường nước
(đáy và mặt biển).
d) Nhiễu vang biển [5]
Môi trường nước biển là không đồng nhất (bao gồm các phần tử : cá,
rong tảo,… tạo ra màu xanh của nước biển, sự lô nhô của địa hình đáy biển).
Tính bất đồng nhất này phá vỡ tính liên tục của tính chất vật lí của môi
trường nước - nơi sóng âm lan truyền. Các phần tử bất đồng nhất này khi có
năng lượng sóng âm tới sẽ hấp thụ và phát xạ trở lại vào nước một phần
SEEE
cohoc
−=
0
(1.37)
trong đó: E
0
là giá trị năng lượng ban đầu của sóng âm, còn E(S) là năng
lượng ở trạng thái cân bằng với Entropie S.
Vi phân (1.4.1) theo thời gian, ta được:
( ) ( )
.
cohoc
E E S S E S
t t S
∂ ∂ ∂
= − = −
∂ ∂ ∂
n
Hay:
STE
t
cohoc
.
0
−=
∂
∂
Kết quả tính toán cho thấy năng lượng tản mát trong chất lỏng chịu
nén và có tính dẫn nhiệt lượng:
0
2
0
2
3
4
2
1
Vvk
+−
ζη
(1.39)
(V
0
- thể tích chất lỏng).
Giá trị trung bình của hạng tử thứ nhất trong (1.38) là:
0
2
0
2
11
2
−++−=
pv
cohoc
cc
VvkE
11
3
4
2
1
0
2
0
2
χζη
(1.41)
Năng lượng toàn phần của sóng âm là:
0
0
2
2
1
VvE
ρ
−++=
pv
cc
c
11
3
4
2
3
2
χζη
ρ
ω
γ
(1.44 )
Biểu thức (1.44) chỉ rõ độ tổn hao năng lượng sóng âm khi lan
truyền trong nước tỷ lệ thuận với ω
2
. Vì ω = 2πf (f - tần số của sóng âm),
nên:
γ ∼ ω
2
∼ f
2
. (1.45)
Biểu thức 1.45 cho ta thấy tần số làm việc càng cao thì suy hao càng
lớn.
Ngoài ra, các đặc trưng lan truyền của sóng âm trong đại dương phụ
ρρ
=
(1.47)
Sự thay đổi thực tế của tỷ trọng chất lỏng, nơi lan truyền sóng tới và
sóng phản xạ, sẽ là:
ti
Ae
'
2
'
1
'
2
ω
ρρρ
−
=+=
(1.48)
Vận tốc chất lỏng trong sóng tới là:
1
'
1
1
ncv
ρ
ρ
=
(1.49)
24
( )
ti
p
ecTcAT
2'
/.2
ω
ρβ
−
=
(1.53)
Mật độ năng lượng tản mát toàn phần trên bề mặt là:
( )
( )
[ ]
vcccAE
vpcohoc
θχρω
222
sin1/./2 +−−=
(1.54)
Mật độ trung bình của dòng năng lượng trên một đơn vị diện tích bề
mặt là:
cρv
2
1
cosθ = (c
3
tia sóng của Snellius, có dạng như sau:
nn
ccc
θθθ
cos/ cos/cos/
2211
===
(1.58)
trong đó c
n
là vận tốc âm trên biên của lớp n, mà qua đó tia âm đi vào lớp;
θ
n
- góc trượt của tia tới trên mặt đó.
Định luật Snellius cho phép giải thích các hiệu ứng khác nhau (vùng
tối, các kênh âm) thường gặp khi sóng âm lan truyền trong nước biển trên
cự ly lớn.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©