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 dưới nước phục vụ kinh tế-xã hội, an ninh-quốc phòng - Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo độ chụm đạn pháo

Bé quèc phßng

trung t©m khoa häc kü thuËt & c«ng nghÖ qu©n sù

----------***----------

b¸o c¸o tæng kÕt khoa häc vµ kü thuËt

§Ò tµi:

"Nghiªn cøu øng dông mét sè c¶m biÕn siªu ©m ®Ó thiÕt kÕ chÕ t¹o

hÖ thèng ph¸t hiÖn, ®o ®¹c c¸c tham sè vËt bay trªn kh«ng vµ thiÕt bÞ truyÒn

tin d−íi n−íc phôc vô kinh tÕ - x∙ héi, an ninh - quèc phßng"

M∙ sè: KC.01.24

QuyÓn II

Nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o

ThiÕt bÞ ®o ®é chôm ®¹n ph¸o phßng kh«ng

Chñ nhiÖm ®Ò tµi: §¹i t¸-PGS.TS. B¹ch NhËt Hång

6213-1

25/11/2006

Hµ néi, 5-2006

Môc lôc

Ch−¬ng 1. mét sè kh¸i niÖm vÒ sãng ©m vµ kh¶ n¨ng øng dông.........1

Ch−¬ng 2. Lý thuyÕt vÒ c¸c d¹ng sãng h×nh thµnh khi b¾n ph¸o...7

2.1. C¸c sãng h×nh thµnh khi b¾n ph¸o.............................................................7

2.2. Sù h×nh thµnh vµ c¸c ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn sãng va ®Ëp.........................9

2.3. Sù lan truyÒn cña sãng va ®Ëp..................................................................15

2.4. ¶nh h−ëng cña m«i tr−êng ®Õn sù lan truyÒn sãng va ®Ëp......................19

Ch−¬ng 3. Kh¶o s¸t c¸c ®Æc tr−ng cña sãng va ®Ëp...............................23

3.1. C¸c kh¶o s¸t tiÕn hµnh víi sóng bé binh.................................................24

3.2. Kh¶o s¸t nhiÔu cña tiÕng næ ®éng c¬.......................................................33

3.3. C¸c kh¶o s¸t tiÕn hµnh víi ph¸o phßng kh«ng........................................36

3.4. Mét sè kÕt luËn........................................................................................40

Ch−¬ng 4. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ thèng..............................................................41

4.1. C¸c yªu cÇu ®Æt ra cña hÖ thèng...............................................................41

4.2. S¬ ®å khèi vµ nguyªn lý lµm viÖc chung..............................................43

4.3. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o tr¹m trªn kh«ng........................................................45

4.3.1. ChÕ t¹o ®Çu thu.....................................................................46

4.3.2. Khèi xö lý tÝn hiÖu.....................................................................49

4.3.2.1. Xö lý tÝn hiÖu t−¬ng tù.................................................49

4.3.2.2. Xö lý tÝn hiÖu sè...........................................................50

4.3.3. §−êng truyÒn d÷ liÖu.................................................................55

4.3.3.1. Bé ®Öm vµ ®iÒu khiÓn ph¸t..........................................56

4.3.3.2. Modem thu ph¸t..........................................................61

4.3.3.3. ThiÕt bÞ thu ph¸t v« tuyÕn ®iÖn....................................72

4.4. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o tr¹m mÆt ®Êt............................................................73

4.4.1. Modem thu nhËn d÷ liÖu............................................................74

4.4.2. PhÇn mÒm qu¶n lý vµ hiÓn thÞ kÕt qu¶.......................................75

4.4.3. ThiÕt bÞ ®o tham sè khÝ t−îng. ..................................................77

4.5. KiÓm tra ®¸nh gi¸ ho¹t ®éng cña thiÕt bÞ..........................................86

Lêi c¶m ¬n...........................................................................................................90

tµi liÖu tham kh¶o.........................................................................................91

Phô lôc

Phô lôc A: Mét sè h×nh ¶nh vÒ thiÕt bÞ vµ ho¹t ®éng thö nghiÖm.

Phô lôc B: Mét sè ®Æc tr−ng cña c¸c linh kiÖn chÝnh dïng trong thiÕt bÞ.

Phô lôc C: C¸c b¶n vÏ c¬ khÝ cña hÖ thèng thiÕt bÞ.

Phô lôc D: Mét sè ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm cña hÖ thèng.

Phô lôc E: TÝnh n¨ng kü thuËt hÖ thèng MAE-15M cña SECAPEM do Céng

hoµ Ph¸p s¶n xuÊt.

1

ch−¬ng 1

Mét sè kh¸i niÖm vÒ sãng ¢m vµ kh¶ n¨ng øng dông

Trong thiªn nhiªn tån t¹i hai d¹ng sãng c¬ b¶n lan truyÒn ®−îc trong kh«ng

gian ®ã lµ sãng ®iÖn tõ vµ sãng ®µn håi.

Sãng lµ qu¸ tr×nh thay ®æi tr¹ng th¸i cña m«i tr−êng trong kh«ng gian vµ thêi

gian theo chu kú nhÊt ®Þnh. §iÓm kh¸c biÖt c¬ b¶n cña hai d¹ng sãng nµy nh− sau:

§Ó lan truyÒn sãng ®iÖn tõ kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i cã liªn hÖ ®µn håi gi÷a c¸c h¹t vËt

chÊt. Trong khi ®ã sù lan truyÒn cña sãng ®µn håi phô thuéc vµo tÝnh chÊt ®µn håi

cña m«i tr−êng.

Tai ng−êi cã thÓ c¶m nhËn ®−îc dao ®éng ®µn håi trong d¶i tÇn sè ®ñ thÊp

kho¶ng tõ 16 Hz ®Õn 16 Khz. D¶i tÇn sè nµy ®−îc gäi lµ d¶i nghe thÊy. Tr−íc ®©y,

ng−êi ta chØ biÕt d¶i tÇn nµy nªn tÊt c¶ c¸c nghiªn cøu th−êng tËp trung ë ®©y.

Sau nµy, ng−êi ta ph¸t hiÖn ra c¸c d¶i dao ®éng d−íi vµ trªn d¶i nghe thÊy vµ

cã thÓ chia sãng ©m ra c¸c d¶i sãng nh− sau:

- D¶i h¹ ©m, cã tÇn sè d−íi 16 Hz.

- D¶i ©m nghe thÊy, cã tÇn sè tõ 16 Hz ®Õn 16 Khz.

- D¶i siªu ©m cã tÇn sè tõ 16 Khz ®Õn 10 Ghz.

- D¶i trªn siªu ©m cã tÇn sè trªn 10 Ghz.

H¹ ©m chiÕm vïng dao ®éng kh«ng nghe thÊy rÊt thÊp. VÝ dô nh− dao ®éng

sinh ra do ®éng ®Êt, cã tªn gäi kh¸c lµ chÊn ®éng. Siªu ©m chiÕm vïng tÇn sè 16

Khz ®Õn 10 Ghz lµ d¶i dao ®éng cã thÓ ghi nhËn ®−îc b»ng nh÷ng thiÕt bÞ c«ng

nghÖ hiÖn ®¹i hiÖn nay.

D¶i trªn siªu ©m cã tÇn sè trªn 10 Ghz hiÖn nay vÉn ch−a cã thiÕt bÞ cã thÓ ghi

nhËn ®−îc, do khã kh¨n vÒ c«ng nghÖ vµ kü thuËt. D¶i dao ®éng nµy n»m trong d¶i

tÇn sè dao ®éng nhiÖt cña ph©n tö trong vËt chÊt.

C¸c dao ®éng ®µn håi ®Òu gi÷ nguyªn tÝnh chÊt vËt lý trong toµn bé d¶i tÇn,

chØ kh¸c nhau ë chç nghe thÊy vµ kh«ng nghe thÊy mµ th«i. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ bøc

x¹ vµ lan truyÒn sãng ®µn håi ®−îc tu©n theo cïng quy luËt sãng ©m, nÕu nh− biªn

®é dao ®éng nhá so víi b−íc sãng th× tÊt c¶ c¸c hiÖn t−îng ®Òu x¶y ra nh− nhau.

2

Còng nh− trong dao ®éng sãng ®iÖn tõ, trong dao ®éng ®µn håi còng cã nh÷ng

kh¸i niÖm chu kú, tÇn sè, vËn tèc sãng,v.v...

Trong m«i tr−êng khÝ vµ chÊt láng, sãng ©m thanh ®−îc lan truyÒn nh− sãng ¸p

suÊt vµ c¸c h¹t chuyÓn ®éng däc theo h−íng truyÒn sãng. Do ®ã trong c¸c m«i

tr−êng nµy chØ cã sãng däc ®−îc lan truyÒn. §iÒu nµy ng−îc l¹i víi sãng ®iÖn tõ lµ

trong c¸c m«i tr−êng nµy, chñ yÕu lan truyÒn sãng ngang. VËn tèc truyÒn sãng ©m

thanh kh¸c víi vËn tèc lan truyÒn sãng ®iÖn tõ. T−¬ng øng víi mçi m«i tr−êng kh¸c

nhau, vËn tèc ©m còng kh¸c nhau.

- Trong kh«ng khÝ, vËn tèc ©m xÊp xØ 330 m/s

- Trong n−íc, vËn tèc ©m xÊp xØ 1450 m/s

- Trong s¾t, vËn tèc ©m xÊp xØ 5000 m/s

Trong sãng ©m thanh tån t¹i ba d¹ng sãng lan truyÒn lµ sãng cÇu, sãng trô vµ

sãng ph¼ng. ë cù ly lín tõ nguån sãng th× sãng trô vµ sãng cÇu cã thÓ xem gÇn ®óng

nh− sãng ph¼ng.

Nh− ®· thÊy, sãng ©m thanh chÝnh lµ sãng däc trôc, tøc lµ h−íng dao ®éng vµ

h−íng truyÒn sãng trïng nhau. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ sãng ©m trong chÊt khÝ vµ chÊt

láng lµ lo¹i sãng d·n në. Trong chÊt r¾n cã thÓ cã nh÷ng lo¹i sãng kh¸c lan truyÒn

vÝ dô nh− sãng ngang, sãng co d·n... do chóng cã tÝnh chÊt ®µn håi h×nh d¹ng, mµ

chÊt khÝ vµ chÊt láng kh«ng cã. Phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña dao ®éng, h×nh d¹ng

cña vËt thÓ vµ kÝch th−íc so víi b−íc sãng sÏ xuÊt hiÖn c¸c lo¹i sãng t−¬ng øng.

Trong mét ®iÒu kiÖn cô thÓ, cã thÓ tån t¹i nhiÒu lo¹i sãng. D−íi ®©y liÖt kª mét sè

lo¹i sãng c¬ b¶n:

- Sãng thuÇn däc trôc trong kh«ng gian v« h¹n

- Sãng thuÇn ngang

- Sãng bÞ uèn cong trong m«i tr−êng

- Sãng lín trong m«i tr−êng giíi h¹n mét mÆt

- Sãng mÆt trong m«i tr−êng giíi h¹n mét mÆt

- Sãng däc xuyªn t©m trong m«i tr−êng giíi h¹n mét trong hai phÝa.

Khi lan truyÒn sãng ©m d¹ng cÇu, c¸c ®¹i l−îng nh− vËn tèc, ¸p suÊt dÞch

chuyÓn vµ gia tèc bÞ thay ®æi tØ lÖ nghÞch víi b¸n kÝnh. Cßn c−êng ®é th× tØ lÖ nghÞch

víi b×nh ph−¬ng b¸n kÝnh. §©y lµ kÕt luËn rÊt quan träng khi nghiªn cøu lan truyÒn

3

sãng ©m trong c¸c m«i tr−êng kh¸c nhau. §èi víi sãng ©m ph¼ng th× ®iÒu ®ã kh«ng

x¶y ra v× khi rêi xa nguån ph¸t, n¨ng l−îng ®−îc ph©n bè theo bÒ mÆt ë mäi thêi

®iÓm lµ b»ng nhau.

Dùa trªn c¬ së nµy, trong m«i tr−êng kh«ng giíi h¹n theo h−íng lan truyÒn,

sãng ph¼ng d−êng nh− lan truyÒn xa v« h¹n kh«ng tæn hao, nh−ng ®iÒu ®ã lµ kh«ng

thÓ tån t¹i. Mét m«i tr−êng bÊt kú ®Òu cã tiªu hao mét phÇn n¨ng l−îng ©m thanh

b»ng c¸ch chuyÓn thµnh nhiÖt n¨ng hoÆc lµm thay ®æi cÊu tróc vËt chÊt mµ kh«ng

lan truyÒn tiÕp theo. V× vËy n¨ng l−îng vµ c−êng ®é sãng bÞ suy gi¶m khi t¨ng

kho¶ng c¸ch lan truyÒn. §iÒu nµy ®óng c¶ cho sãng ph¼ng, sãng trô vµ sãng cÇu.

Biªn ®é dÞch chuyÓn ©m trong sãng ph¼ng trªn kho¶ng c¸ch tû lÖ nghÞch víi

kho¶ng c¸ch theo quy luËt hµm mò gi¶m (chØ sè ©m) cßn c−êng ®é ©m phô thuéc

vµo b×nh ph−¬ng biªn ®é.

ChØ sè ©m cña hµm mò cho thÊy suy gi¶m chØ x¶y ra nh− nhau trªn nh÷ng ®o¹n

®−êng b»ng nhau. Suy gi¶m sãng ©m kh«ng chØ phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña m«i

tr−êng mµ cßn phô thuéc vµo tÇn sè ©m.

Toµn bé c¸c qu¸ tr×nh ©m häc ®Òu liªn quan chÆt chÏ víi vËt chÊt mµ sãng ©m

truyÒn trong ®ã. §−êng ®i cña sãng ©m phô thuéc vµo d¹ng cña m«i tr−êng vµ tÝnh

chÊt ©m häc cña nã. C¸c quy luËt ph¶n x¹, khóc x¹, t¸n x¹ sãng ©m còng t−¬ng tù

nh− sãng ¸nh s¸ng.

M«i tr−êng truyÒn ©m cã thÓ lµ chÊt r¾n, chÊt láng hay chÊt khÝ. C¸c ®Æc tr−ng

©m häc c¬ b¶n cña vËt chÊt lµ vËn tèc (x¸c ®Þnh dùa trªn mËt ®é vµ tÝnh ®µn håi cña

m«i tr−êng ), ®iÖn trë sãng riªng (tÝch cña mËt ®é m«i tr−êng vµ vËn tèc ©m) vµ hÖ

sè suy gi¶m ©m. Do c¸c ®¹i l−îng nµy kh¸c nhau nhiÒu trong c¸c m«i tr−êng kÓ

trªn mµ ®Æc tr−ng lan truyÒn sãng ©m còng rÊt kh¸c nhau. Ng−êi ta ph©n biÖt nghiªn

cøu lan truyÒn sãng ©m theo c¸c m«i tr−êng truyÒn ©m riªng biÖt (láng, khÝ, r¾n).

VËn tèc lan truyÒn sãng ©m chÝnh lµ vËn tèc lan truyÒn sãng ®µn håi, chÝnh x¸c

h¬n lµ vËn tèc lan truyÒn mét pha nµo ®ã cña dao ®éng, vÝ dô nh− biªn ®é dÞch

chuyÓn. V× vËy, nã chÝnh x¸c lµ vËn tèc pha. Ngoµi vËn tèc pha cßn ®−a vµo vËn tèc

mÆt ®Çu sãng vµ vËn tèc nhãm (thay ®æi bã sãng). NÕu m«i tr−êng lµ kh«ng t¸n s¾c

th× tÊt c¶ c¸c vËn tèc nµy lµ b»ng nhau vµ nãi chung lµ kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè.

4

Sù suy gi¶m sãng ©m khi lan truyÒn trong m«i tr−êng ®· cho, do cã phÇn n¨ng

l−îng chuyÓn thµnh nhiÖt, mét phÇn ®Ó lµm biÕn d¹ng vËt chÊt hoÆc lµ t¸n x¹ do tÝnh

chÊt bÊt ®ång nhÊt cña m«i tr−êng.

Gi¸ trÞ suy hao ë nh÷ng vËt chÊt kh¸c nhau lµ kh¸c nhau. Nã phô thuéc vµo

tÝnh chÊt cña vËt chÊt vµ vµo tÇn sè ©m. B»ng lý thuyÕt, ng−êi ta ®· chøng minh

®−îc r»ng tiªu hao sãng ©m tû lÖ víi b×nh ph−¬ng tÇn sè. Nh−ng trong thùc tÕ cã

nh÷ng tÇn sè tiªu hao tû lÖ víi tÇn sè theo quy luËt tuyÕn tÝnh.

Sãng ©m ®−îc bøc x¹ bëi mét nguån ©m ph©n bè trong kh«ng gian bao quanh

nguån ©m. Tr−êng ©m thanh lµ vïng chøa sãng ©m.

Ta h·y xem c¸c ®¹i l−îng ®Æc tr−ng cho h×nh d¹ng h×nh häc cña tr−êng ©m

thanh vµ ®é kÐo dµi cña nã trong kh«ng gian.

Tr−êng sãng ©m ®−îc x¸c ®Þnh b»ng lý thuyÕt chØ cho kÕt qu¶ gÇn ®óng. §Ó

x¸c ®Þnh chÝnh x¸c h×nh d¹ng tr−êng sãng ©m chØ cã thÓ b»ng thùc nghiÖm.

§Æc tr−ng quan träng nhÊt cña tr−êng sãng ©m lµ tÝnh chÊt h−íng, nã x¸c ®Þnh

giíi h¹n h×nh häc cña tr−êng ©m vµ ph©n bè n¨ng l−îng trong tr−êng. §Æc tr−ng

h−íng ®−îc x¸c ®Þnh bëi tû sè kÝch th−íc cña chÊn tö bøc x¹ so víi b−íc sãng vµ

h×nh d¹ng cña nã.

Tuú thuéc vµo h×nh d¹ng cña chÊn tö ph¸t x¹ ©m mµ cã ®−îc c¸c lo¹i sãng cÇu,

trô, ph¼ng.

Trong d¶i siªu ©m, do b−íc sãng nhá, ng−êi ta th−êng sö dông chÊn tö bøc x¹

©m d−íi d¹ng vËt r¾n bøc x¹ trªn bÒ mÆt vÒ mét phÝa hoÆc c¶ hai phÝa, ®ã lµ nh÷ng

vËt liÖu ¸p ®iÖn.

NÕu kÝch th−íc bÒ mÆt cña mét chÊn tö nhá so víi b−íc sãng th× cã thÓ xem

nh− mét nguån ®iÓm bøc x¹ trong mét gãc khèi 1800

vµ mÆt ®Çu sãng cã d¹ng nöa

h×nh cÇu. Khi kÝch th−íc ngang cña chÊn tö t¨ng lín h¬n b−íc sãng th× gãc khèi

kh«ng gian sÏ hÑp dÇn.

Nghiªn cøu d¹ng tr−êng sãng ©m, ng−êi ta nhËn thÊy r»ng tr−êng sãng ©m

®−îc t¹o nªn bëi chÊn tö cã kÝch th−íc ngang lín h¬n b−íc sãng sÏ cã phÇn h×nh

chãp ph©n kú kh«ng ph¶i b¾t ®Çu ngay taÞ mÆt chÊn tö mµ trªn mét kho¶ng c¸ch nµo

®ã. GÇn chÊn tö, d¹ng tr−êng cã d¹ng h×nh trô. Vïng nµy ®−îc gäi lµ vïng gÇn hay

vïng Frenel. Vïng mµ b¾t ®Çu tr−êng ph©n kú gäi lµ vïng xa hay vïng Fraunfer.

Nh÷ng kh¸i niÖm nµy, còng gièng nh− trong tr−êng ®iÖn tõ.

5

Kho¶ng c¸ch quy ®Þnh vïng gÇn vµ vïng xa ®−îc tÝnh theo c«ng thøc:

λ

λ

λ

λ

4. 4.

2 2 2

0

− ≈ − = D D Z

Gãc më cña h×nh chãp ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau:

- §èi víi chÊn tö mÆt h×nh trßn:

arcsin(1,22 ) D

λ

α =

- §èi víi chÊn tö mÆt h×nh vu«ng:

arcsin(1,22 )

A

λ

α =

Trong ®ã A lµ chiÒu dµi c¹nh cña chÊn tö.

Trong sãng ©m thanh, mét d¶i sãng ®−îc ®Æc biÖt chó ý, ®ã lµ siªu ©m, do

nh÷ng tÝnh chÊt −u viÖt cña d¶i sãng nµy. §ã lµ b−íc sãng nhá vµ biªn ®é sãng h÷u

h¹n. C¸c quy luËt bøc x¹ vµ lan truyÒn sãng siªu ©m rÊt gièng víi c¸c quy luËt

quang häc. Trong d¶i sãng nµy còng cã mét lo¹t tÝnh chÊt míi mµ kh«ng cã trong

d¶i ©m nghe thÊy.

Do cã b−íc sãng nhá mµ siªu ©m th−êng ®−îc dïng trong c¸c kü thuËt ®o ®¹c,

c¸c thiÕt bÞ thu ph¸t sãng siªu ©m sÏ dÔ dµng ®¹t ®−îc ®Þnh h−íng lín nh»m tËp

trung n¨ng l−îng vµo mét h−íng hÑp, kÐo dµi b¸n kÝnh ho¹t ®éng cña sãng ©m b»ng

c¸c vËt ph¶n x¹, khóc x¹ sãng nh− trong kü thuËt anten sãng ®iÖn tõ

§Ó biÕn ®æi sãng ©m thµnh ®¹i l−îng ®iÖn ng−êi ta sö dông c¸c lo¹i ®Çu c¶m

biÕn ©m vµ siªu ©m.

C¸c lo¹i ®Çu c¶m biÕn th−êng dïng lµ:

- C¸c chÊn tö lo¹i ¸p ®iÖn: Ng−êi ta sö dông hiÖu øng ¸p ®iÖn ng−îc cña c¸c vËt

liÖu nh− th¹ch anh, titanatbari, segnhet..... C¸c c¶m biÕn lo¹i nµy ®−îc dïng trong

d¶i siªu ©m. §Ó bøc x¹ c«ng suÊt ©m lín hoÆc thu ®Þnh h−íng sãng siªu ©m, ng−êi

ta cã thÓ ghÐp nèi tiÕp hoÆc song song mét sè l−îng theo yªu cÇu c¸c ®Çu c¶m biÕn

riªng biÖt theo mét kh«ng gian nhÊt ®Þnh.

- C¸c ®Çu c¶m biÕn lo¹i tõ gi¶o dùa vµo sù biÕn d¹ng cña c¸c thanh vËt liÖu tõ

khi ®Æt däc trong tõ tr−êng.

6

- C¸c ®Çu c¶m øng ®iÖn ®éng dïng cuén d©y ®iÖn ®éng ®Æt trong mét khe tõ

tr−êng th−êng ®−îc dïng trong d¶i ©m nghe thÊy víi −u ®iÓm lµ d¶i th«ng réng, vÝ

dô nh− c¸c microphone, loa, tai nghe.....

Víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt, c¸c ®Çu c¶m biÕn siªu ©m ®−îc øng

dông hiÖu qu¶ vµo tÊt c¶ c¸c ngµnh khoa häc kü thuËt vµ c«ng nghÖ trong ®êi sèng

d©n sinh còng nh− trong quèc phßng.

§Æc biÖt cã hiÖu qu¶ lµ trong kü thuËt ®o ®¹c, x¸c ®Þnh ®èi t−îng trªn kh«ng vµ

d−íi n−íc.

C¸c c¶m biÕn ©m vµ siªu ©m ®−îc dïng ®Ó biÕn ®æi nh÷ng ®¹i l−îng sãng ©m

thµnh ®¹i l−îng ®iÖn ®Ó phôc vô cho nh÷ng thiÕt bÞ ®o l−êng ®iÖn tö ®o c¸c môc tiªu

ph¸t ra sãng ©m nh− tªn löa, m¸y bay, ®¹n, m×n....

Trong m«i tr−êng n−íc, c¶m biÕn duy nhÊt ®−îc dïng lµ ©m vµ siªu ©m do sãng

®iÖn tõ sÏ bÞ suy gi¶m rÊt nhanh khi truyÒn trong m«i tr−êng n−íc. Trong m«i

tr−êng n−íc, c¸c c¶m biÕn ®−îc dïng trong th«ng tin liªn l¹c d−íi n−íc gi÷a c¸c thî

lÆn víi nhau hoÆc thî lÆn víi trung t©m chØ huy trªn tµu hoÆc tµu ngÇm. C¸c hÖ

thèng cøu hé s«ng biÓn ®· triÓn khai nh÷ng hÖ thèng c¶m biÕn ©m vµ siªu ©m rÊt

phøc t¹p trªn ph¹m vi lín. HÖ thèng nµy còng cã thÓ phôc vô c¶nh giíi x©m nhËp

cña tµu ngÇm, ph¸t hiÖn c¸c vËt b¬i d−íi n−íc nh− ng− l«i, ®µn c¸ v.v...

Sù lan truyÒn sãng ©m trong chÊt r¾n ®−îc sö dông ®o ®¹c ®é khuyÕt tËt cña vËt

liÖu nh− c¸c kÕt cÊu s¾t, thÐp, bª-t«ng, c¸c c¶m biÕn ®−îc dïng ®Ó ph¸t x¹ sãng siªu

©m vµ thu håi sãng ph¶n x¹ biÕn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn cho thiÕt bÞ ®o.

Trong y häc, ng−êi ta sö dông c¸c m¸y trÞ liÖu siªu ©m, m¸y soi siªu ©m ®Ó ph¸t

hiÖn vµ ®iÒu trÞ mét sè lo¹i bÖnh cho con ng−êi vµ ®éng thùc vËt.

Tãm l¹i, ©m thanh lµ d¶i sãng ®−îc khai th¸c sö dông hiÖu qu¶ trong mäi lÜnh

vùc khoa häc phôc vô ®êi sèng kinh tÕ quèc d©n, quèc phßng. Th©m chÝ ë mét sè

lÜnh vùc sãng ©m ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh trong viÖc gi¶i quyÕt c¸c nhiÖm vô kü

thuËt dÆt ra, mµ c¸c lo¹i h×nh sãng kh¸c kh«ng thÓ ®¸p øng.V× vËy n¾m ch¾c vµ lµm

chñ kü thuËt chuyÓn ®æi sãng ©m , lan truyÒn sãng ©m vµ kh¶ n¨ng øng dông hiÖu

qu¶ c¸c c¶m biÕn ©m vµ siªu ©m lµ mét nhiÖm vô quan träng trong bèi c¶nh ph¸t

triÓn khoa häc c«ng nghÖ nãi chung cña ®Êt n−íc.

7

Ch−¬ng 2

Lý thuyÕt vÒ c¸c d¹ng sãng h×nh thµnh khi b¾n ph¸o

2.1 C¸c sãng ©m xuÊt hiÖn khi b¾n.

Qu¸ tr×nh b¾n ph¸o sÏ h×nh thµnh c¸c lo¹i sãng sau: Sãng næ ®Çu nßng, sãng va

®Ëp khi viªn ®¹n bay trong kh«ng khÝ, tiÕng ®¹n ch¹m môc tiªu vµ tiÕng næ cña ®Çu

®¹n. Dao ®éng g©y ra c¸c lo¹i sãng nµy lµ c¸c dao ®éng phøc t¹p, ®−îc h×nh thµnh

tõ ®ång thêi mét lo¹t c¸c chuyÓn dÞch dao ®éng ®¬n gi¶n cã biªn ®é vµ tÇn sè kh¸c

nhau, tøc c¸c sãng nµy cã phæ phøc t¹p.

a) TiÕng næ ®Çu nßng.

Khi b¾n, ®Çu ®¹n bÞ l−îng khÝ t¹o thµnh do thuèc sóng ch¸y nhanh, ®¹t ®Õn ¸p

suÊt lín (trªn 3000 atmotphe), ®Èy ra khái nßng ph¸o. C¸c khÝ nµy dån theo ®Çu ®¹n

vµ khi ra khái nßng ph¸o, chóng ®Èy c¸c phÇn tö khÝ ë phÝa tr−íc nßng ph¸o, g©y ra

sù t¨ng mËt ®é.

C¸c khÝ thuèc phôt ra khái nßng ph¸o chøa c¸c s¶n phÈm ch−a ch¸y hÕt cã

nhiÖt ®é rÊt cao, kÕt hîp víi oxy ngoµi kh«ng khÝ t¹o thµnh hçn hîp næ, g©y næ ë

®Çu nßng ph¸o. C¸c dao ®éng lín nhÊt cña tiÕng næ ®Çu nßng tËp trung ë vïng tÇn

sè thÊp. Sãng næ ®Çu nßng cã d¹ng h×nh cÇu, t©m cña nã n»m kho¶ng 2-5 m phÝa

tr−íc nßng ph¸o.

H×nh 2.1. Sãng næ ®Çu nßng vµ sãng hµnh

tr×nh khi ®¹n bay khái nßng ph¸o

H×nh 2.2. B¨ng ghi sãng næ ®Çu nßng

8

Kho¶ng c¸ch truyÒn lan cña sãng næ ®Çu nßng phô thuéc vµo cì ph¸o, träng

l−îng ®¹n vµ tr¹ng th¸i khÝ quyÓn. Trong cïng mét ®iÒu kiÖn thêi tiÕt, sãng næ ®Çu

nßng lan truyÒn cµng xa khi kÝch th−íc viªn ®¹n cµng lín. Biªn ®é, ¸p suÊt cña sãng

næ ®Çu nßng phÝa tr−íc ph¸o lín h¬n mét vµi lÇn so víi biªn ®é ¸p suÊt sãng næ ®Çu

nßng phÝa sau ph¸o. N¨ng l−îng cña sãng næ ®Çu nßng lín nhÊt vµ lan truyÒn ®−îc

xa nhÊt trªn h−íng b¾n.

Sãng næ ®Çu nßng mang th«ng tin vÒ h−íng vµ kho¶ng c¸ch cña ho¶ lùc ®Õn

môc tiªu. Do ®ã, trong qu©n sù, sãng næ ®Çu nßng ®−îc sö dông ®Ó ®Þnh vÞ ho¶ lùc

®èi ph−¬ng.

b) Sãng va ®Ëp (Hay cßn gäi lµ sãng hµnh tr×nh).

Sãng va ®Ëp xu©t hiÖn lóc ®¹n bay khi vËn tèc bay cña ®¹n lín h¬n vËn tèc ©m

thanh. Khi viªn ®¹n bay víi tèc ®é v−ît trªn tèc ®é ©m sÏ nÐn c¸c phÇn tö kh«ng khÝ

trªn ®−êng ®i cña chóng t¹o ra qu¸ tr×nh dao ®éng. C¸c dao déng nµy ®−îc gäi lµ

sãng va ®Ëp hay sãng hµnh tr×nh, chóng mang th«ng tin vÒ quü ®¹o chuyÓn ®éng vµ

vÞ trÝ cña viªn ®¹n so víi ®iÓm quan s¸t. Sãng va ®Ëp ®−îc øng dông nhiÒu trong

thùc tÕ nh−: x¸c ®Þnh quü ®¹o chuyÓn ®éng cña viªn ®¹n, nhËn d¹ng vµ ®Þnh vÞ ho¶

lùc cña ®èi ph−¬ng,....

§Ó ®o vµ tÝnh to¸n ®é chôm cña ®¹n ph¸o phßng kh«ng, ®Ò tµi sö dông biÖn

ph¸p thu ghi tÝn hiÖu sãng va ®Ëp t¹o ra khi ®Çu ®¹n bay qua ®Çu thu, b»ng c¸c

ph−¬ng ph¸p xö lÝ t−¬ng tù vµ xö lý sè tÝn hiÖu thu ®−îc ®Ó x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch

gÇn nhÊt tõ quü ®¹o cña ®¹n ®Õn ®Çu thu.

c) Sãng ch¹m môc tiªu vµ tiÐng næ ®Çu ®¹n.

Sãng ch¹m môc tiªu vµ tiÕng næ cña ®Çu ®¹n h×nh thµnh khi ®Çu ®¹n ch¹m môc

tiªu vµ næ. Th−êng c¸c sãng nµy cã tÇn sè thÊp. C−êng ®é cña nã phô thuéc vµo tÝnh

chÊt cña ®Çu ®¹n vµ môc tiªu. C¸c lo¹i ph¸o phßng kh«ng th−êng sö dông ®Çu ®¹n

ch¹m næ nªn khi tróng môc tiªu sÏ t¹o ra tiÕng næ cña ®Çu ®¹n. C¸c lo¹i ph¸o phßng

kh«ng sö dông ®Çu ®¹n kh«ng cã ngßi næ (nh− 14,5mm, 12,7mm) khi b¾n tróng

môc tiªu chØ xuÊt hiÖn sãng ch¹m môc tiªu cña ®Çu ®¹n. Sãng ch¹m môc tiªu

th−êng cã biªn ®é rÊt nhá suy gi¶m nhanh khi lan truyÒn trong m«i tr−êng kh«ng

khÝ. TiÕng næ ®Çu ®¹n cã c−êng ®é lín h¬n vµ lan truyÒn ®−îc xa h¬n. Víi ®¹n ph¸o

37 mm, tiÕng næ ®Çu ®¹n cã thÓ lan truyÒn ®−îc vµi km.

9

Trong thùc tÕ tiÕng næ ®Çu ®¹n kh«ng mang th«ng tin vÒ quü ®¹o còng nh− ®é

chÝnh x¸c cña ph¸t b¾n v× ®¹n ph¸o phßng kh«ng cã ngßi næ sÏ tù næ (huû) ngay c¶

khi kh«ng tróng môc tiªu.

2.2 Sù h×nh thµnh vµ c¸c ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn sãng va ®Ëp.

Khi viªn ®¹n chuyÓn ®éng trong kh«ng khÝ sÏ nÐn c¸c phÇn tö kh«ng khÝ trªn

®−êng ®i cña chóng t¹o ra c¸c dao ®éng. C¸c dao ®éng cña c¸c phÇn tö kh«ng khÝ bÞ

nÐn khi viªn ®¹n chuyÓn ®éng ®−îc m« t¶ gièng nh− mét dßng ch¶y khÝ nÐn, do ®ã

chóng tu©n theo c¸c nguyªn t¾c nhiÖt ®éng häc chÊt khÝ. C¸c ph−¬ng tr×nh ®éng häc

chÊt khÝ cã d¹ng sau:

+ ∇.( ) = 0

∂

∂

v

t

ρ

ρ (2-1)

Pg v v g g

t

v

ρ ησ ζθ ρ ρ + ∇ ⋅ + ⊗ − − = ∂

∂ ( 2 ) ( ) (2-2)

) 2 0

2

1 ) ( 2

1

( 2 2 =⎥

⎦

⎤ ⎢

⎣

⎡ + ∇ ⋅ + + − ⋅ − ⎥

⎦

⎤ ⎢

⎣

⎡ + +

∂

∂

v u v h v v v

t

φ ρ φ ρ ησ ζθ (2-3)

T

sv

t

s 2 2 : ( ) ( ) ησ σ ζθ ρ ρ +

+ ∇ ⋅ = ∂ (2-4)

Trong c¸c ph−¬ng tr×nh trªn, (2-1) lµ ph−¬ng tr×nh b¶o toµn khèi l−îng tæng, (2-

2) lµ ph−¬ng tr×nh b¶o toµn m« men tæng, (2-3) lµ ph−¬ng tr×nh b¶o toµn n¨ng

l−îng tæng vµ (2-4) miªu t¶ sù biÕn ®æi cña entr«pi, vÕ ph¶i cña (2-4) cho thÊy tèc

®é t¨ng cña entr«pi. Ph−¬ng tr×nh (2-4) kh«ng phô thuéc vµo c¸c ph−¬ng tr×nh trªn

vµ c¸c quy luËt nhiÖt ®éng lùc häc. Trong thùc tÕ, ng−êi ta th−êng sö dông ph−¬ng

tr×nh (2-4) thay cho ph−¬ng tr×nh b¶o toµn n¨ng l−îng (2-3).

v: lµ tèc ®é cña viªn ®¹n (v = dt

dζ ) ζ : ®é dÞch chuyÓn cña viªn ®¹n

ρ : mËt ®é kh«ng khÝ

P: ¸p suÊt. u: n¨ng l−îng trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng

s: entropi trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng η : hÖ sè tr−ît.

h: entanpi trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng (h = u + P/ ρ )

σ : tèc ®é tr−ît ®èi xøng dt σ = dΣ , σ :σ lµ c¸ch viÕt gän cña σ ijσ ij

θ : tèc ®é gi·n në. T: nhiÖt ®é K

10

φ : hiÖu thÕ hÊp dÉn Newton.

C¸c ph−¬ng tr×nh trªn ®−îc bæ xung cho ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cã d¹ng

P(ρ,T) hoÆc P(ρ,s). §Ó ®¬n gi¶n, xÐt ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cho khÝ lý t−ëng

trong qu¸ tr×nh ®o¹n nhiÖt cã d¹ng nh− sau:

γ P = K(s)ρ (2-5)

Trong ®ã K(s) lµ mét hµm cña

entropi trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng s.

Hµm nµy kh«ng thay ®æi trong c¶ qu¸

tr×nh ®o¹n nhiÖt nh−ng thay ®æi gi÷a

c¸c mÆt sãng do sù t¨ng entropi trong

mét mÆt sãng. Gi¸ trÞ cña γ phô

thuéc vµo nhiÖt ®é néi t¹i cña c¸c

phÇn tö khÝ. Víi khÝ quyÓn tr¸i ®Êt th×

γ =1,4. Mèi liªn hÖ gi÷a γ vµ T, K cã

d¹ng nh− h×nh vÏ 2.3.

§èi víi chÊt khÝ, chóng ta cã thÓ

sö dông nguyªn lý thø nhÊt cña nhiÖt ®éng lùc häc ®Ó gi¶i thÝch c«ng thøc néi n¨ng

trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng:

(γ −1)ρ = P

u (2-6)

ë ®©y chóng ta gi¶ thiÕt néi n¨ng bÞ triÖt tiªu khi T -> 0. §iÒu nµy chøng tá cã thÓ

biÓu diÔn mËt ®é ρ , néi n¨ng trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng u, vµ enthapi trªn mét ®¬n

vÞ khèi l−îng h theo tèc ®é ©m thanh c.

ρ

γ

ρ

P P

c

s

= ⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

∂

∂ = (2-7)

1/( 1) 2 −

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛ =

γ

γ

ρ K

c , ( 1)

2

− = γ γ

c

u , 1

2

− = + = ρ γ

P c h u (2-8)

Khi ®Çu ®¹n chuyÓn ®éng trong kh«ng gian, tèc ®é chuyÓn ®éng cña ®Çu ®¹n

thay ®æi theo thêi gian do t¸c ®éng cña søc c¶n m«i tr−êng. Ta cã thÓ coi sù h×nh

thµnh sãng va ®Ëp trong tr−êng hîp nµy nh− mét dßng ch¶y khÝ ®éng mét chiÒu phô

thuéc vµo thêi gian. Khi ®ã sù chuyÓn ®éng cña c¸c phÇn tö khÝ ®−îc biÓu diÔn b»ng

ph−¬ng tr×nh Euler mét chiÒu:

H×nh 2.3. Mèi liªn hÖ cña γ vµo

mËt ®é kh«ng khÝ.

11

x

v

dt

d

∂

∂ = −ρ ρ , x

P

dt

dv

∂

∂ = − ρ

1 (2-9)

trong ®ã:

x

v

dt t

d

∂

∂

+

∂

∂ = (2-10)

Khi cho tr−íc ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ®¼ng entropi P = P(ρ) nãi lªn mèi liªn

hÖ gi÷a ¸p suÊt vµ mËt ®é, hai ph−¬ng tr×nh kh«ng tuyÕn tÝnh trªn cã thÓ ®−îc tæ hîp

thµnh mét ph−¬ng tr×nh vi ph©n bËc hai theo tèc ®é. Tuy nhiªn, ®Ó cho s¸ng tá ta

thùc hiÖn víi hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n bËc nhÊt. Víi chÊt khÝ ®¼ng entropi, mËt ®é ρ

vµ tèc ®é ©m thanh c = dP / dρ ®−îc xem nh− mét hµm nhiÖt ®éng häc ®¬n gi¶n,

Tæ hîp tuyÕn tÝnh c¸c ph−¬ng tr×nh vi ph©n (2-9) ta nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh vi ph©n

tõng phÇn t−¬ng ®−¬ng.

0 1 ( ) 1 =⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

∂

∂ ±

∂

∂

+ ±

∂

∂ ±

∂

∂

x

P

x c

v

v c

t

P

t c

v

ρ ρ

(2-11)

Ta cã thÓ viÕt ph−¬ng tr×nh nµy theo l−îng tö Riemann:

∫ ± ≡ ±

c

dP J v

ρ

(2-12)

vµ tèc ®é riªng V ≡ v ± c ± (2-13)

theo c¸ch sau: ⎟ = 0 ⎠

⎞ ⎜

⎝

⎛

∂

∂

+

∂

∂ ± ± J

x

V

t

(2-14)

Ph−¬ng tr×nh (2-14) cho thÊy c¸c l−îng tö Riemann ®−îc b¶o toµn trong suèt

c¸c ®Æc tuyÕn C± . §ã lµ c¸c ®Æc tuyÕn x¶y ra trªn h−íng bay cña ®Çu ®¹n tho¶ m·n:

C± : v c

dt

dx = ± (2-15)

Trong c¸c ph−¬ng tr×nh trªn, c¶ v vµ c ®Òu lµ c¸c hµm cña x vµ t. C¸c ®Æc tuyÕn

C± miªu t¶ sù chuyÓn ®éng cña c¸c nhiÔu lo¹n nhá vÒ phÝa tr−íc hoÆc sau dßng

ch¶y khÝ nÐn ë tèc ®é ©m thanh côc bé. Cã hai biÕn cè x¶y ra ®éc lËp víi nhau trong

miÒn thêi gian ∆t vµ kh«ng gian ∆x bªn trong dßng ch¶y khÝ nÐn trong ®Æc tuyÕn

C± cã tèc ®é nhá vµ vi ph©n ¸p suÊt tho¶ m·n ∆v = −∆P / ρc (nhËn ®−îc tõ c«ng thøc

2-9 khi thay v = 0 , d / dt = ∂ / ∂t vµ c dP / dρ 2 = ). Víi c¸c sãng ©m tuyÕn tÝnh, ∆v vµ

∆P suy gi¶m kh«ng ®ång thêi trong qóa tr×nh lan truyÒn theo h−íng d−¬ng cña trôc

x. Tuy nhiªn, víi sãng ©m kh«ng tuyÕn tÝnh, chØ cã tæ hîp ∆J = ∆v + ∆P / ρc + bÞ triÖt

tiªu trªn ®Æc tuyÕn C+. LÊy tÝch ph©n trªn mét kho¶ng thêi gian h÷u h¹n chóng ta

nhËn ®−îc h»ng sè J+ cña ®Æc tuyÕn C+.

12

H×nh 2.4. C¸c ®Æc tuyÕn cña dßng ch¶y khÝ nÐn

mét chiÒu, ®o¹n nhiÖt cña chÊt khÝ ®¼ng entropi.

H×nh 2.4 cho thÊy c¸c ®Æc tuyÕn cña dßng ch¶y khÝ nÐn mét chiÒu, ®o¹n nhiÖt cña

chÊt khÝ ®¼ng entropi. H−íng chuyÓn ®éng cña c¸c phÇn tö khÝ ®−îc biÓu diÔn bëi

c¸c nÐt liÒn, dÇy. Gi¸ trÞ khëi t¹o gi¶ thiÕt lµ gi¸ trÞ danh ®Þnh trªn kho¶ng ∆S cña x

ë thêi ®iÓm t = 0 . L−îng tö Riemann J+ lµ h»ng sè trªn suèt ®Æc tuyÕn C+ (c¸c

®−êng ®øt, m¶nh) do ®ã, ë ®iÓm P nã cã gi¸ trÞ kh«ng ®æi, gièng nh− gi¸ trÞ cña nã ë

thêi ®iÓm khëi t¹o t¹i ®iÓm A . T−¬ng tù nh− vËy, l−îng tö J- trªn suèt ®Æc tuyÕn C-

(c¸c ®−êng liÒn, m¶nh) cã gi¸ trÞ nh− nhau ë c¸c ®iÓm P vµ B.

L−îng tö Riemann ®−a ra

mét ph−¬ng ph¸p chung ®Ó nhËn

®−îc chi tiÕt c¸c m« t¶ cña dßng

ch¶y khÝ ®éng tõ c¸c ®iÒu kiÖn

ban ®Çu. Gi¶ sö tèc ®é dßng

ch¶y khÝ ®éng vµ c¸c biÕn nhiÖt

®éng ®· x¸c ®Þnh trong mét

kho¶ng x, gäi lµ ∂S , ë thêi ®iÓm

ban ®Çu t = 0 (h×nh 2.4). §iÒu ®ã

cã nghÜa lµ ± J còng ®−îc x¸c

®Þnh trªn kho¶ng nµy. Khi ®ã,

chóng ta cã thÓ x¸c ®Þnh ± J t¹i mét ®iÓm P bÊt k× trong vïng ∂S . Tõ c¸c gi¸ trÞ ± J

nhËn ®−îc nµy chóng ta cã thÓ t×m ra c¸c biÕn cña dßng ch¶y khÝ ®éng (v,P, ρ ...) t¹i

P b»ng ph−¬ng ph¸p ®¹i sè.

Trong thùc tÕ chóng ta kh«ng thÓ biÕt râ rµng c¸c ®Æc tuyÕn C± trõ khi chóng

ta ®· t×m ra c¸c biÕn cña dßng ch¶y khÝ ®éng do ®ã chóng ta ph¶i t×m ra c¸c ®Æc

tuyÕn nµy nh− mét phÇn cña qu¸ tr×nh t×m lêi gi¶i, b»ng c¸c biÕn ®æi ®¹i sè ph−¬ng

tr×nh tr¹ng th¸i vµ c¸c mèi quan hÖ ∫ J ± = v ± dP / ρc vµ c¸c ®Þnh luËt b¶o toµn mµ

± J kh«ng ®æi trªn suèt C± . C¸c biÕn ®æi ®¹i sè nµy nh»m môc ®Ých suy ra c(x,t) vµ

v(x,t) tõ c¸c ®iÒu kiÖn ban ®Çu trªn ∂S .

C¸c nguyªn t¾c b¶o toµn trªn lµ c¬ së h×nh thµnh c¸c mÆt sãng. Cã hai thµnh

phÇn mÆt sãng mµ chóng ta quan t©m ®ã lµ mÆt sãng tr−íc vµ mÆt sãng sau cã d¹ng

nh− trªn h×nh 2.5. C¸c mÆt sãng nµy chia vïng kh«ng gian trªn ®−êng bay cña viªn

®¹n thµnh hai vïng 0 vµ 1. MÆt sãng tr−íc lµ vïng kh«ng khÝ phÝa tr−íc ®Çu ®¹n, cã

nhiÖt ®é thÊp h¬n vµ di chuyÓn vÒ phÝa ®Çu ®¹n víi tèc ®é b»ng tèc ®é bay cña ®Çu

®¹n, nÕu lÊy hÖ quy chiÕu g¾n víi ®Çu ®¹n. MÆt sãng sau lµ vïng kh«ng khÝ cã nhiÖt