Máy đo sâu hồi âm là một công cụ quan trọng trong lĩnh vực khảo sát thủy đạc. Nguyên lý tạo và thu sóng siêu âm đóng vai trò chủ chốt trong việc xác định độ sâu của đáy biển. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về tần số sóng siêu âm, cấu trúc và nguyên lý tạo và thu sóng siêu âm của máy đo sâu hồi âm.
Tần số sóng siêu âm sử dụng để đo sâu
Tần số sóng siêu âm được sử dụng trong quá trình đo sâu nhờ vào những đặc điểm nổi bật sau:
- Khả năng tập trung năng lượng cao: Sóng siêu âm phát ra dưới dạng búp hẹp, cho phép tập trung năng lượng một cách hiệu quả. Điều này giúp giảm công suất phát, từ đó cho phép sử dụng nguồn nuôi nhỏ hơn. Đặc biệt, tần số cao mang lại tính định hướng tốt hơn cho sóng âm.
- Khả năng tránh nhiễu ồn: Việc sử dụng sóng siêu âm giúp giảm thiểu tác động của nhiễu ồn từ các thiết bị khác. Tuy nhiên, nếu tần số quá cao, bước sóng sẽ giảm, dẫn đến tổn hao năng lượng lớn trong quá trình truyền sóng, làm giảm khả năng đo độ sâu lớn.
- Tần số thấp và tạp âm: Tần số sóng âm thấp thường dễ bị lọt tạp âm, với búp phát lớn không thể tập trung năng lượng hiệu quả, dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao hơn.
Trong các máy đo sâu hiện nay, tần số thường được lựa chọn dao động từ 50kHz đến 200kHz, tùy thuộc vào mục đích sử dụng cụ thể.
>>> Xem thêm: Tính năng đa tần số của hệ thống đo sâu đa tia có ý nghĩa gì?
Nguyên lý tạo và thu sóng siêu âm của máy đo sâu hồi âm
Âm năng được tạo ra từ việc chuyển đổi các dạng năng lượng khác thông qua một cấu trúc đặc biệt gọi là máy biến đổi. Trong lĩnh vực sóng âm, máy biến đổi là thiết bị chủ yếu để chuyển đổi giữa âm năng và các dạng năng lượng khác, như điện năng.
Máy biến đổi sóng âm, hay còn gọi là máy dao động, được chia thành hai loại: máy phát và máy thu. Quá trình chuyển đổi không diễn ra trực tiếp mà thông qua một dạng năng lượng trung gian, ví dụ như cơ năng trong hệ thống máy biến đổi (Transducer).
Nguyên lý hoạt động:
Máy biến đổi hoạt động dưới tác động của các yếu tố bên ngoài. Đối với máy phát, yếu tố này là xung điện từ một nguồn phát riêng. Trong khi đó, ở máy thu, lực cơ gây dao động của hệ thống được tạo ra từ sóng âm. Dao động cơ này sau đó được chuyển đổi thành dao động điện.
Hiện nay, có hai loại màng dao động phổ biến: Màng dao động kiểu điện áp và kiểu co giãn từ.
– Màng dao động kiểu điện áp
Một số tinh thể như thạch anh, hợp kim Bari-Titan, và hợp kim chì-kẽm có khả năng phát sinh điện tích khi bị tác động bởi ứng suất cơ học. Khi ứng suất thay đổi từ nén sang kéo, điện tích trên các bề mặt của tinh thể cũng thay đổi. Khi tạo ra rung chấn cơ học, điện áp xoay chiều được phát ra giữa hai bề mặt.
Khi đặt điện áp giữa hai bề mặt tinh thể, nó sẽ thu hẹp hoặc mở rộng tùy thuộc vào điện tích. Tinh thể được kẹp giữa hai tấm thép, và khi điện thế xoay chiều được áp dụng, các tấm thép sẽ dao động, tạo ra dao động mạnh mẽ do tính chất vang âm. Tần số điện áp được điều chỉnh để khớp với tần số riêng của tinh thể và tấm thép, từ đó gia tăng cường độ dao động.
Máy biến đổi sử dụng màng dao động kiểu điện áp.
Mặt dưới của các tấm thép tiếp xúc với nước, tạo ra dao động trong môi trường nước. Các dao động này chủ yếu phát ra theo hướng vuông góc, vì vậy các tấm thép thường được lắp đặt ngang ở đáy tàu. Tinh thể được mạ lớp Zirconate chì (PbZrO) và Titanate chì (PbTiO), tạo thành chất gọi là PZT. Thường thì trên tàu, người ta lắp đặt một màng dao động áp điện duy nhất để thực hiện cả chức năng phát và thu.
Màng dao động thạch anh ít được sử dụng do giá thành cao và độ bền kém, cùng với yêu cầu điện áp lớn để đạt được độ biến dạng cần thiết.
Cấu tạo màng dao động áp điện thực hiện cả chức năng phát và thu sóng siêu âm.
– Màng dao động kiểu co giãn từ
Khi đặt một thanh sắt từ vào trong một từ trường, chiều dài của thanh sẽ thay đổi. Các vật liệu từ tính, đặc biệt là Niken, thể hiện tính co giãn từ rõ rệt. Khi thanh Niken được đặt trong cuộn dây có dòng điện xoay chiều, chiều dài của thanh sẽ giảm theo chu kỳ do tác động của từ trường.
Thanh Niken đặt trong cuộn dây có dòng điện xoay chiều.
Khi dòng điện và từ trường bằng 0, thanh trở về chiều dài ban đầu. Tuy nhiên, khi dòng điện hiện hữu, thanh sẽ dao động với tần số gấp đôi tần số dòng điện. Nếu kích thước của thanh và tần số dòng điện được tính toán đúng, thanh sẽ dao động với tần số riêng, tạo ra dao động mạnh nhất. Các dao động này sẽ được bức xạ vào vùng nước xung quanh.
Ngược lại, việc thay đổi chiều dài của thanh qua cơ học cũng có thể tạo ra từ trường xoay chiều, dẫn đến việc hình thành điện áp xoay chiều trong cuộn dây. Hiệu ứng này được tận dụng để chế tạo màng dao động phát.
Khi thanh kim loại được làm cho rung lên thì một từ trường xoay chiều sẽ xuất hiện phía bên trong các vòng của cuộn dây, dẫn đến việc một điện áp xoay chiều được hình thành trong cuộn dây.
Nguyên lý tạo và thu sóng siêu âm của máy đo sâu hồi âm là một quá trình phức tạp nhưng rất hiệu quả trong khảo sát thủy đạc. Việc hiểu rõ về tần số sóng siêu âm, cấu trúc máy biến đổi và các loại màng dao động sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc xác định độ sâu của đáy biển.
Bằng cách sử dụng máy đo sâu hồi âm, các nhà khảo sát có thể thu thập dữ liệu một cách nhanh chóng và đáng tin cậy, hỗ trợ cho các dự án nghiên cứu và phát triển bền vững trong ngành khảo sát thủy đạc. Để được tư vấn thêm thông tin chi tiết về máy đo sâu hồi âm, hãy liên hệ ngay đến HOTLINE 0903 825 125, Đất Hợp luôn sẵn sàng hỗ trợ quý khách hàng!
>>> Xem thêm: Phân loại 2 máy đo sâu hồi âm trong khảo sát thủy đạc
