Đánh giá tổn hao khi truyền sóng âm trong vùng nước nông

Bài báo trình bày về một số phương pháp mô hình truyền sóng âm trong vùng nước nông,đánh giá sự ảnh hưởng của cấu trúc lớp đáy, độ sâu, tần số nguồn phát đến hệ số suy hao trong quá trình truyền sóng âm và mô phỏng kết quả sử dụng Matlab.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Đánh giá tổn hao khi truyền sóng âm trong vùng nước nông Nghiên cứu khoa học công nghệ ĐÁNH GIÁ TỔN HAO KHI TRUYỀN SÓNG ÂM TRONG VÙNG NƯỚC NÔNG Trần Phú Ninh1*, Trịnh Đăng Khánh2, Bùi Ngọc Mỹ3 Tóm tắt: Âm học đã được nghiên cứu rộng rãi trong việc phát hiện các tàu mặt nước, tàu ngầm, địa chấn dưới biển, trong thông tin và y học. Sóng âm có độ nhạy cao trong khoảng tần số thấp. Đối tượng chính của mô hình âm học là mô phỏng sự truyền sóng âm cho một số điều kiện môi trường khác nhau. Một trong những điều kiện môi trường phức tạp được quan tâm là vùng nước nông. Do vùng nước nông bị giới hạn bởi bề mặt và lớp đáy, nên sóng âm trong vùng nước nông sẽ truyền theo nhiều đường phức tạp. Do đó, việc đánh giá sự ảnh hưởng của môi trường đến quá trình truyền sóng âm và mô hình hóa quá trình truyền âm trong vùng nước nông là một thử thách. Bài báo trình bày về một số phương pháp mô hình truyền sóng âm trong vùng nước nông,đánh giá sự ảnh hưởng của cấu trúc lớp đáy, độ sâu, tần số nguồn phát đến hệ số suy hao trong quá trình truyền sóng âm và mô phỏng kết quả sử dụng Matlab. Từ khóa: Mô hình truyền âm, Hệ số tổn hao, Vùng nước nông. 1. GIỚI THIỆU Mô hình sóng âm đã được nghiên cứu, ứng dụng và phát triển trong nhiều lĩnh vực cả trong dân sự và quân sự trong thập kỷ qua. Xây dựng mô hình âm chuẩn là cơ sở cho việc xử lý tín hiệu trong mô hình sonar, dựng mô hình âm phải dựa vào các yếu tố môi trường như hình 1. Việc xây dựng mô hình trong điều kiện môi trường phức tạp như vùng nước nông là một thử thách. Để xây dựng mô hình sóng âm chuẩn, phải biết chi tiết các tham số và cấu trúc các lớp của môi trường. Do đặc điểm của các vùng biển khác nhau, sự liên quan đến vấn đề an ninh nên và vấn đề chi phí cũng như thời gian đo đạc nên việc biết hết các tham số về môi trường là một thách thức. Mô hình Sonar Xử lý tín hiệu Mô hình âm cơ bản Nhiễu Tiếng dội Truyền sóng Mô hình môi trường Bề mặt Tham số môi trường Đáy Hình 1. Mối liên hệ giữa môi trường, mô hình âm và môi hình sonar. Không giống như sự phát xạ sóng điện từ, sự truyền sóng âm phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện môi trường và các tham số của nó như: Nhiệt độ, độ mặn, vận tốc âm, mật độ của môi trường và cấu trúc của các lớp [1]. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về các ảnh hưởng của các môi trường đến quá trình truyền âm [1], [2], [3] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 81  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trong bài báo này, trình bày về một số mô hình toán học về quá trình truyền sóng âm, khái niệm cơ bản về vùng nước nông. Phần tiếp theo mô mỏng đánh giá sự ảnh hưởng cấu trúc lớp đáy đến số lượng và hình dạng mode trong phương pháp mode chuẩn với 2 môi trường có cấu trúc lớp đáy khác nhau; đồng thời đánh giá mức tổn hao truyền âm trong vùng biển nông theo một số thông số môi trường và địa lý lớp đáy, một số mô hình biển điển hình và đánh giá ảnh hưởng chi phối của lớp đáy tới tổn hao trong quá trình truyền âm vùng biển nông. 2. SỰ TRUYỀN SÓNG ÂM TRONG VÙNG NƯỚC NÔNG 2.1. Công thức sóng Phương trình truyền sóng: 1  2  2  (1) c 2 t 2 Ở đây  2 là toán tử Laplacian;  là hàm thế năng, c là vận tốc của âm và t là thời gian.  it Với tín hiệu điều hòa tần số đơn    e . Khi đó phương trình trở thành một dạng đơn giản hơn được gọi là phương trình Helmholtz.  2  k 2  0 (2)  2 Với k   là số sóng và  là bước sóng. c  Trong hệ tọa độ trụ công thức (2) trở thành:  2 1   2 2   2  k 2 ( z )  0 (3) r r r z Giải phương trình 3, sẽ tính được trường áp suất âm . Có nhiều phương pháp khác nhau để giải (3), một số phương pháp điển hình được trình bày trong phần 3. 2.2. Hệ số suy hao âm Thông thường người ta không vẽ trường áp suất âm mà quan tâm đến sự tổn hao trong quá trình truyền âm. Sự tổn hao đó được đánh giá bằng hệ số suy hao âm (Tranmission Loss -TL). 2 I  TL  10 log10 ref  10 log10 0 2  20 lg 0  20 lg  (4) I  Với Iref là cường độ tham chiếu và 0 là áp suất tương ứng với Iref. Nếu ta xem 0  1Pa thì tổn hao truyền sẽ là: TL  20lg  (5) Hệ số suy hao âm đặc trưng cho sự tiêu hao sóng âm bởi quá trình truyền âm trong môi trường, được tính theo đơn vị dB. Dựa trên cơ sở hệ số suy hao âm, có thể đánh giá tương đối đầy đủ sự ảnh hưởng các tham số môi trường đến quá trình truyền âm, cũng như đánh giá hiệu quả của mô hình âm. 82 T.P. Ninh, T.Đ. Khánh, B.N. Mỹ, “Đánh giá tổn hao khi truyền sóng âm… nước nông.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 2.3. Khái niệ ...