Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị liên lạc thủy âm
0 Bộ quốc phòng trung tâm khoa học kỹ thuật & công nghệ quân sự ----------***---------- báo cáo TổNG KếT KHOA HọC Và Kỹ THUậT Đề tài: "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 dới nớc phục vụ kinh tế - x hội, an ninh - quốc phòng." M số: KC.01.24 Quyển III Nghiên cứu thiết kế, chế tạo Thiết bị liên lạc thuỷ âm Chủ nhiệm đề tài: Đại tá-PGS.TS. Bạch Nhật Hồng 6213-2 25/11/2006 Hà nội, 5-2006 1M U .3 Chng 1 - Lí THUYT THU M .5 1.1. Phng trỡnh lan truyền súng õm trong nc 5 1.2. Vn tc lan truyn súng õm trong nc biển .8 1.3. Phn x v khỳc x súng õm 10 1.4. Hấp th nng lng õm trong nc .12 1.5. Hấp th nng lng khi súng õm phn x trờn b mt vật rắn 14 1.6. Đặc trng lan truyn súng õm trong nc biển 15 1.6.1. Đặc trng lan truyền sóng âm trong điều kiện đẳng nhiệt 15 1.6.2. Đặc trng lan truyn súng õm trong vựng nc nụng 16 1.6.3. Đặc trng lan truyền sóng âm trong vùng nớc sâu .18 1.7. Vi nột v thu õm bin Vit Nam .23 Chng 2 - NG TEN THY M 26 2.1. Khỏi nim .26 2.2. Mụ hỡnh bin i in-õm 26 2.3. Nguyờn lý bin i in-m .28 2.3.1. Nguyờn lý bin i in tnh .28 2.3.2. Nguyờn lý bin i ỏp in 28 2.3.3. Nguyờn lý bin i in ng 30 2.3.4. Nguyờn lý bin i in t 30 2.4 S in tng ng ca cỏc kiu bin i 31 2.5. Vt liu thụng dng ch to cỏc b bin i .32 Chng 3- NG DNG THU M TRONG QUN S .35 3.1. Một số khỏc bit gia súng siờu õm v súng in t .35 3.2. Phõn loi thit b thu õm .36 3.3. Cỏc hng u tiờn trong nghiờn cu phỏt triển thiết b thu õm .37 3.3.1. Phỏt trin thu õm trờn tu ngm .37 3.3.2. Phỏt trin thu õm trờn tu chin .37 3.4. Mt s thit b thu õm ca M v Nga 39 3.4.1. Thit b thu õm trờn tu chin (M) .39 3.4.2. Thit b thu õm trờn tu ngm (M) .40 3.4.3. Cỏc thit b thu õm khụng quõn kiu th, kộo (M) .41 3.4.4. Cỏc thit b thu õm khụng quõn kiu phao (M) 42 3.4.5. Cỏc trm thu õm c nh (M) .42 3.4.6. Thit b thu õm dựng cho ng lụi (Nga) .43 2Chương 4 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM .45 4.1 Lựa chọn tần số liên lạc 45 4.2. Phân tích lựa chọn bộ cảm biến siêu âm .48 4.2.1. Hiệu suất biến đổi .48 4.2.2. Độ bền của bộ biến đổi .49 4.2.3. Kết cấu của bộ biến đổi .49 4.3. Kết cấu vỏ chịu áp lực và chống nước 50 4.4 Phân tích thiết kế mạch xử lý tín hiệu .51 Chương 5 - HỒ SƠ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM 53 5.1 Đặc trưng kỹ thuật máy thông tin thủy âm 54 5.1.1 Tính năng kỹ thuật máy mặt nước 54 5.1.2 Tính năng kỹ thuật máy mặt người lặn 55 5.2 Sơ đồ mạch điện 56 5.3 Mạch điều khiển vi xử lý cho máy người lặn 65 5.3 Mạch điều khiển vi xử lý cho máy người lặn 66 Chương 6 - KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM .76 6.1 Xác định các tham số kỹ thuật cơ bản của máy thông tin thủy âm 76 6.1.1 Các tham số điện 76 6.1.2 Các tham số cơ học 77 6.1.3 Các tham số liên quan đến môi trường 77 6.2 Thử nghiệm .77 6.2.1 Thử nghiệm kín nước trong điều kiện áp lực cao 77 6.2.2 Thử nghiệm cự ly liên lạc 77 3 M U Trong th k 21 thụng tin bng súng õm rt c coi trng. i vi Hi Quõn súng õm quan trọng, n ni nu thiu nú khụng mt tu chin no cú th ra khi [10]. Ngoi quan sỏt bng mt hoc nh tr giỳp ca mỏy bay, v tinh, . thỡ vic s dng súng õm vo mc ớch truyn thụng tin l vn sng cũn ca Hi Quõn v phng tin quõn s trờn bin. Nh ta ó bit, õm thanh v kh nng nghe c ca tai ngi liờn quan n 2 thuc tớnh quan trng nht, ú l tn s v cng ca súng õm. V tn s, thng t 20Hz n 20kHz. m thanh cú tn s di 20Hz thuộc di hng ngoi, t 20kHz n 10kHz thuộc di súng siờu õm. V cng , tai ngi cú th phõn bit c õm thanh trong di t 30dB n 100dB; Cỏ bit, cú th xung n 20dB hoc lờn ti 120 dB. Tuy ngoi di tn s v cng nói trên tai ngi cú th nhn bit c, nhng trong nhng iu kin nht nh, nú cú th cú nhng tỏc ng khng khip ti con ngi v thiết bị. ú cng l mt hng phỏt trin ca cỏc loi v khớ õm trong chin tranh hin i. Súng õm cú th lan truyn trong mi mụi trng, trong ú nc l mụi trng truyn õm rt tt. Mụi trng cng n hi thỡ vn tc lan truyn õm cng ln (vớ d, vn tc truyn õm trong cao su l 50m/giõy, trong khụng khớ l 330m/giõy, trong nc l 1450m/giõy, trong thộp l 5000m/giõy). Tuy nhiên, cũn nhiu yu t nh hng n vn tc lan truyn õm nh: nhit , ỏp sut, mn, a hỡnh, vị trí ngun õm v v Trong môi trng khụng ng nht súng õm b bin dng, i hng, nng lng ca nú b hp th đáng kể. Nội dung ti này đề cập n lan truyền súng õm trong nc, nơi súng õm lan truyn với nhng c tớnh riờng, cú nh hng ỏng k n thit k ch to cỏc thit b thy õm. Thụng thng ngi ta gi thu õm là 4hiện tợng lan truyn sóng âm trong nc. Song, trong cỏc ti liu khoa hc khỏi nim thuỷ õm c hiu rng hn. ú l khoa hc v cỏc hin tng xy ra trong nc, liờn quan đến phỏt, lan truyn v thu súng õm. Khỏi nim thu õm cũn bao hm c vic thit k, ch to cỏc thit b thuỷ õm [1]. Ngay sau chin tranh th gii th II cỏc nh khoa hc Nga v Phng Tõy ó bắt đầu nghiờn cu sâu về lý thuyt, đã lm sỏng t nhiu hin tng c bit ca thy õm. Trờn c s ú, cỏc tp on sn xut thit b quõn s cng đầu t nghiờn cu ch to nhng thit b thụng tin thu õm. Sau õy chỳng tụi tập trung chú ý 2 khớa cnh quan trng nht ca vn thụng tin di nc. ú l lý thuyt lan truyn súng õm v cỏc thit b thông tin thu õm. 5 Chng 1 - Lí THUYT THU M 1.1. Phng trỡnh lan truyền súng õm trong nc Khi cỏc phn t cht lng chu nộn dao ng vi biờn nh s xuất hiện súng âm. Do dao ng nh, nờn vn tc truyn õm v, s thay i tng i ca t trng v ỏp sut cht lng cng nh. Vỡ th, tha s ( )vv trong phng trỡnh -ler cú th b qua. Cho ỏp sut v t trng cú th vit '0ppp +=, '0+= ( 1.1.1) trong ú: 0, p0 - t trng v ỏp sut cõn bng ca cht lng, cũn , p - lng thay i ca chỳng trong súng õm (<<0 ; p<< p0). Khi ú phng trỡnh liờn tc cú dng: ()0=+vdivt Thay cỏc giỏ tr (1.1.1) vo phng trỡnh trờn v b qua cỏc giỏ tr nh bc 2, ta cú: 0)(0,=+vdivt (1.1.2 ) Phng trỡnh -ler trong trng hp gn ỳng ny có dạng: 01'=ppt (1.1.3 ) iu kin s dng cỏc phng trỡnh tuyn tớnh hoỏ chuyn ng (1.1.2) v (1.1.3) cho lan truyn súng õm l v << c, thoả mãn khi << 0. Vì súng õm trong cht lng lý tng l ng nhit, nờn s thay i nh ca ỏp sut (p) v t trng () liờn h vi nhau bng biu thc: 6 Spp0''= (1.1.4 ) Thay (1.1.4) vo (1.1.2) ta cú: ()000'=+vdivptS (1.1.5 ) Hai phng trỡnh (1.1.3) v (1.1.5) vi cỏc hm n v v p mụ t súng õm. Biu din cỏc giỏ tr n thụng qua mt trong hai hm n ú s rt thun tin, nu s dng th vn tc ( )gradv =. T phng trỡnh (1.1.3) ta cú ng thc: tp=' ( 1.1.6 ) (ở đây cng nh v sau, n gin, ta b ch s p0 v 0). Kt hp (1.1.6) v (1.1.5), ta cú: 0222=ct (1.1.7 ) trong ú: Sppc0= (1.1.8 ) Phng trỡnh (1.1.7) gi l phng trỡnh súng v c l vn tc truyn súng. Nu thc hin thao tỏc grad d dng nhn thy cả 3 thnh phn ca vec tơ vn tc v tho món phng trỡnh (1.1.7), cũn nu ly o hm theo thi gian thỡ li thy p (v do ú c ) cng tho món (1.1.7). lm thớ d ta xột trng hp súng phng lan truyền theo trục x, ng nht trong mt phng (y, z). Phng trỡnh súng cú dng: 0122222=tcx ( 1.1.9 ) Nếu t: 7tcx .= ; tcx .+= , thì (1.1.9) có dạng: 0.2= Tớch phõn phng trỡnh trờn theo và , ta c: ( ) ( )tcxftcxf 21++= (1.1.10 ) Dễ dàng chứng minh rằng s phõn b ca p, và v trong súng phng cng cú dng (1.1.10). Rõ ràng, f1(x - c.t) l súng phng, lan truyn theo chiu dng trc x, còn f2(x + c.t) - lan truyn theo chiu ngc li. Dễ nhận thấy rằng vận tốc lan truyền sóng âm đợc xác định theo biểu thức: '.cv = (1.1.11 ) S lan truyn ca súng õm trong nc cng lm thay i nhit ca nc. Tht vy, ỏp dng kin thc nhit ng hc cho cht lng ta cú: STppT='' PpSVTTcTp = 1 Thay vo (1.1.11) ta c biểu thức xác định nhiệt độ chất lỏng khi có sóng âm chạy qua: vTccTp1'= ( 1.1.12 ) trong ú: PVTV =1 l h s n nhit của chất lỏng. 81.2. Vn tc lan truyn súng õm trong nc biển xỏc nh chớnh xỏc v trớ ca mục tiêu ngm bng phng phỏp tớch cc vn cú ý ngha quyt nh l xỏc nh chớnh xỏc vn tc lan truyn súng õm. Nh ta ó bit vn tc lan truyn súng õm trong nc bin ph thuc vo nhit , mn, ỏp sut (độ sâu) và mt lot cỏc yu t khỏc nh đặc trng ỏy bin, sinh vt bin, giú, . Vỡ th, s hiu bit v bin l vụ cựng quan trng. Trờn hỡnh 1.2.1 trỡnh by sự thay đổi vn tc õm theo sâu của biển. Hình 1.2.1 - Sự thay đổi vận tốc truyền âm theo độ sâu. 9 Trờn c s nghiờn cu thc nghim, mt s ti liu ó a ra biu thc tớnh vn tc lan truyn súng õm trong nc bin di dng hm nhit T [oC], mn S [phn nghỡn] v sõu D [cm hoặc m]. Thí dụ, theo [2] thì: c=141000 + 412.T - 3,7.T2 + 110.S + 0,18.D (cm/s) Hay c = 1445,5 + 4,62.T - 0,452.T2 + (1,32 - 0,007T)(S + 0,35) (m/s). Hoc theo [3] thì: cTSD = c0,35,0 + cT + cS + cD + c + cTSD trong ú: cTSD - vn tc [m/s] ở nhiệt độ T, độ mặn S, độ sâu D; c0,35,0 - vn tc 0oC, mn 3,5 %, ỏp sut khớ quyn; cT = 4,6374T-5,383.10-2T2+2,543.10-4T3; cS = 1,307(S-35) - 1,5.10-4(S-35)2 ; cD = 1,815.10-2D - 5,291.10-12D3 ; [D] = m c = 1,50.10-6D(-35) + 0,94.10-12D2(-35)2 - 2,94.10-18D3(-35)3 cTSD = cTS + cSD + cTD , trong ú: cTS = (S -35)[-1,07.10-2T+(5.10-5 - 4,1.10-8D)T2] ; cSD = (S -35)(3,36.10-5D - 4,55.10-9) ; cTD = D(-1,19.10-6T2 + 6,35.10-8T3 + 4,1.10-10T4) + + T(6,95.10-6D - 5,27.10-9 D2 + 2,7.10-14D3). Theo Del Grosso [4] thỡ c0,35,0 = 1.448,6 m/s. [...]... lý ca nú c th hin trờn hỡnh 2.3.4 Hỡnh 2.3.4 S nguyờn lý bin i in t 30 2.4 S in tng ng ca cỏc kiu bin i Trờn thc t cỏc b bin i va trỡnh by trờn õy luụn nm trong mch kt ni vi cỏc phn khỏc c a thiết bị thuỷ âm Do ú, i vi cỏc chuyờn gia nghiờn cu tớnh toỏn cỏc b khuch i thỡ s in tng ng ca cỏc kiu bin i cú ý ngha quan trng Vỡ thế trờn hỡnh 2.4.1 trỡnh by s in tng ng ca cỏc kiu bin i [8] C d 2 m 2 d... bán kính màng rung; S - điện tích hiệu dụng của tấm chắn; s - độ cứng của hệ thống; c - vận tốc âm trong môi trờng; r - trở kháng tổn hao cơ học; K - hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào tính chất và đặc điểm kết cấu của vật liệu; B - cảm ứng từ; l - độ dài hiệu dụng của dây dẫn; d - khe hở giữa màng và cực nam châm; m khối lợng của bộ biến đổi; n - số vòng dây; - từ thông; C - điện dung 2.5 Vt liu thụng dng... trong nm), nhng trờn c tuyn phõn b vn tc õm cú th tỏch on cú gradien õm (n trc kờnh õm ngm) v on cú gradien dng sau ú T hỡnh v ta thy c tớnh ca bc tranh tia ph thuc vo v trớ ca nguồn âm so vi trc kờnh õm ngm Khi dch chuyn nguồn âm gn trc 20 kờnh õm ngm s xut hin nhúm tia truyn lan trờn c ly ln, m khụng suy gim trong phm vi kờnh Trờn hỡnh 1.6.3.3 biu din s ph thuc ca vn tc õm vo sõu v bc tranh tia, khi... thy cụng cc i c thc hin nu chuyn bin din ra mt cỏch thun nghch (tc l khụng thay i entrụpie) v bng: Ecụhoc = E0 E (S ) (1.4.1) trong ú: E0 l giỏ tr nng lng ban u ca sóng âm, cũn E(S) l nng lng trng thỏi cõn bng vi entrụpie S, m sóng âm cú t u Vi phõn (1.4.1) theo thi gian ta c: Ecụhoc = E (S ) = S E (S ) t S t Hay: Ecohoc = T0 S t Kt qu tớnh toỏn [1] cho thy nng lng tn mỏt trong cht lng chu nộn... 1) (1.5.2) Nh vậy: Ehấp thụ f 1/2 (1.5.3) Ta thu đợc biu thc (1.5.3) với giả thiết biờn súng ti v súng phn x nh nhau, tức khi khác xa /2 Trong [6] có dẫn biu thc tớnh hp th õm khi phn x gúc bt k, theo ú hp th súng õm trờn b mt rn l rt ln 1.6 Đặc trng lan truyn súng õm trong nc biển 1.6.1 Đặc trng lan truyền sóng âm trong điều kiện đẳng nhiệt - Trong lp nc ng nhit vn tc õm tng theo sõu, bi vỡ... to sao cho b mt phn x trựng vi b mt x=0, cũn b mt ti ca súng õm l (x, y) Ký hiu gúc ti v gúc phn x l Mc thay i t trng trong súng ti mt im no ú (thớ d, ti im x=y=0) trờn b mt s l: 1' = A.e i. t Giả thiết rằng súng phn x và sóng tới có biên độ nh nhau Khi đó trờn b mt phõn cỏch: 1 ' = 2 ' S thay i thc t ca t trng cht lng, ni lan truyn súng ti v súng phn x, s l: ' = 1 ' + 2 ' = 2 Ae i. t Vn tc... di vựng truyn õm th nht 42ữ52 km, chiu rng t 2 n 6 km Chiu rng vựng truyn õm gn t thỏng 12 n thỏng 2 thay i trong khong t 2 n 4 km; cũn 23 t thỏng 3 n thỏng 11 l 1,6 ữ 4,0 km Đặc điểm phân bố vận tốc âm đợc thể hiện trên hình 1.7.1 và 1.7.2 Hỡnh 1.7.1- c im phõn b vn tc õm trong vựng thu õm th nht Bin ụng Hỡnh 1.7.2 - c im phõn b vn tc õm trong vựng thu õm th hai v th ba Bin ụng Trong bng 1.7.1 trỡnh... c khi hiu sut khụng thay i Do ú, cỏc b bin i thu õm khụng nhng phi cú bn cao, m cũn phi tho món yờu cu ớt thay i ca nhy (hay h s hu ớch) trong di ỏp sut rộng 2.2 Mụ hỡnh bin i in-õm Trong bin i điện âm cũng cú s tham gia ca 4 tham s liờn h cht ch vi nhau, trong ú 2 tham s mụ t nng lng in, 2 tham s mụ t nng lng õm Vỡ th, khi nghiờn cu cỏc b bin i ta ỏp dng khỏi nim b 4 cc thng dựng trong k thut thụng...1.3 Phn x v khỳc x súng õm Khi súng õm gp b mt phõn cỏch gia 2 môi trờng hay 2 lớp nớc khỏc nhau thì bị phn x v khỳc x Khi đó, chuyn ng súng trong mụi trng th nht l kt hp ca súng ti v súng phn x, trong mụi trng th hai - ch cú súng khúc xạ lan truyn Quan h gia 3 súng phụ thuộc vào cỏc iu kin biờn (bo ton... v vn tc õm trờn mức ngang ngun õm, ỏy v mỏy thu; V(d) - h s phn x Tuy nhiờn, tớnh toỏn suy gim trong khụng gian cn phi b sung thờm cỏc h s tng ng cho cỏc biu thc trờn 1.6.3 Đặc trng lan truyền sóng âm trong vùng nớc sâu Trong i dng bao la thng gp hin tng tn ti lp b mt ng nht (ng nhit) hay gradient nhit dng khụng ln, m di ú cú lp nc vi gradient nhit õm Trong nhng iu kin y, tia õm phỏt ra di gúc . quốc phòng." M số: KC.01.24 Quyển III Nghiên cứu thiết kế, chế tạo Thiết bị liên lạc thuỷ âm Chủ nhiệm đề tài: Đại tá-PGS.TS. Bạch Nhật Hồng. PHÁP THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM ...................................................................................45 4.1 Lựa chọn tần số liên lạc
