Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị liên lạc thủy âm ( Quyển III)
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 1 M 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 2 Chương 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 ng i 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 c ng 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 t c 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 truyề n 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 4 hiện 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 nhi u 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 ' 0 ppp += , ' 0 += ( 1.1.1) trong ú: 0 , p 0 - t trng v ỏp sut cõn bng ca cht lng, cũn , p - lng thay i ca chỳng trong súng õm (<< 0 ; p<< p 0 ). Khi ú phng trỡnh liờn tc cú dng: () 0=+ vdiv t Thay cỏc giỏ tr (1.1.1) vo phng trỡnh trờn v b qua cỏc giỏ tr nh bc 2, ta cú: 0)( 0 , =+ vdiv t (1.1.2 ) Phng trỡnh -ler trong trng hp gn ỳng ny có dạng : 0 1 ' = p pt (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 S pp 0 '' = (1.1.4 ) Thay (1.1.4) vo (1.1.2) ta cú: () 0 0 0 ' = + vdivp t S (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: t p = ' ( 1.1.6 ) ( ở đây cng nh v sau, n gin, ta b ch s p 0 v 0 ). Kt hp (1.1.6) v (1.1.5), ta cú: 0 2 2 2 = c t (1.1.7 ) trong ú: S p p c 0 = (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: 0 1 2 2 22 2 = tcx ( 1.1.9 ) Nếu t: 7 tcx .= ; 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, f 1 (x - c.t) l súng phng, lan truyn theo chiu dng trc x, còn f 2 (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: S T p pT = '' P p S V T T c T p = 1 Thay vo (1.1.11) ta c biểu thức xác định nhiệt độ chất lỏng khi có sóng âm chạy qua: vTc c T p 1 ' = ( 1.1.12 ) trong ú: P V TV = 1 l h s n nhit của chất lỏng . 8 1.2. 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 [ o C], mn S [phn nghỡn] v sõu D [cm hoặc m]. Thí dụ , theo [2] thì: c=141000 + 412.T - 3,7.T 2 + 110.S + 0,18.D (cm/s) Hay c = 1445,5 + 4,62.T - 0,452.T 2 + (1,32 - 0,007T)(S + 0,35) (m/s). Hoc theo [3] thì: c TSD = c 0,35,0 + c T + c S + c D + c + c TSD trong ú: c TSD - vn tc [m/s] ở nhiệt độ T, độ mặn S, độ sâu D ; c 0,35,0 - vn tc 0 o C, mn 3,5 %, ỏp sut khớ quyn; c T = 4,6374T-5,383.10 -2 T 2 +2,543.10 -4 T 3 ; c S = 1,307(S-35) - 1,5.10 -4 (S-35) 2 ; c D = 1,815.10 -2 D - 5,291.10 -12 D 3 ; [D] = m c = 1,50.10 -6 D(-35) + 0,94.10 -12 D 2 (-35) 2 - 2,94.10 -18 D 3 (-35) 3 c TSD = c TS + c SD + c TD , trong ú: c TS = (S -35)[-1,07.10 -2 T+(5.10 -5 - 4,1.10 -8 D)T 2 ] ; c SD = (S -35)(3,36.10 -5 D - 4,55.10 -9 ) ; c TD = D(-1,19.10 -6 T 2 + 6,35.10 -8 T 3 + 4,1.10 -10 T 4 ) + + T(6,95.10 -6 D - 5,27.10 -9 D 2 + 2,7.10 -14 D 3 ). Theo Del Grosso [4] thỡ c 0,35,0 = 1.448,6 m/s. [...]... 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 v cú tớnh dn nhit là: Ecohoc = T I1 2 I2 I3 (1 .4.2)... c 2 p 3 v (1 .4 5) Nng lng ton phn ca súng õm l: E = 1 v 2 0 V0 2 (1 .4.6 ) i vi súng phng, cng suy gim theo quy lut exp(-2x), cũn biờn suy gim theo quy lut exp(-x), trong ú l h s hp th, c nh ngha nh sau: = Ecohoc 2.c.E (1 .4.7 ) Thay (1 .4.5) v (1 .4.6) vo (1 .4.7) ta cú biu thc cui cựng cho h s hp th nng lng súng õm: = 1 1 2 4 + + c c 2. c 3 3 p v (1 .4.8 ) Biu thc (1 .4.8) ch rừ ... . 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. Phân tích thiết kế mạch xử lý tín hiệu...................................................51 Chương 5 - HỒ SƠ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM ..............53
