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

chiến trên biển. Nhưng vì nước là môi trường dẫn nên sóng vô tuyến lan truyền trong nước rất kém; dù có tăng công suất lớn đến đâu nó cũng không thể th©m nhËp sâu được. Để giải quyết mâu thuẫn đó người ta thay thế liên lạc vô tuyến điện bằng liên lạc thuỷ âm chuyên dụng, có khả năng chuyển tín hiệu thoại theo thời gian thực. Các phương tiện kỹ thuật ứng dụng hiện tượng lan truyền sóng âm trong nước gọi là thiết bị thuỷ âm, hay còn gọi là sonar. Hiện nay, các thiết bị thuỷ âm trở thành trang bị không thể thiếu trên các tàu hải quân và có vai trò trọng yếu trong cuộc chiến giữa tàu chiến với tàu ngầm cũng như giữa các tàu ngầm với nhau. Có thể nói không quá rằng, trong cuộc chiến trên biển phần thắng sẽ thuộc về ng−êi có phương tiện thuỷ âm vượt trội. Theo tính năng kỹ-chiến thuật người ta phân các thiết bị thuỷ âm thành các nhóm sau đây: - Sonar chủ động: vừa phát, vừa thu tín hiệu; - Sonar thụ động: chỉ thu tín hiệu (tiếng ồn) từ mục tiêu. Theo vị trí bố trí thì thiết bị thuỷ âm được phân loại như sau: - Sonar trên tàu chiến; - Sonar trên tàu ngầm; - Sonar không quân kiểu thả, kéo; - Sonar không quân kiểu phao; - Sonar cố định; - Sonar dò thuỷ lôi; - Sonar dùng trong ngư lôi - Sonar chuẩn để kiểm tra các thiết bị thuỷ âm khác. 37 3.3. Các hướng ưu tiên trong nghiên cứu phát triÓn thiÕt bị thuỷ âm Mỹ và Nga là hai quốc gia có Hải Quân phát triển bậc nhất thế giới. Các thiết bị thuỷ âm của họ luôn được nghiên cứu cải tiến và hiện đại hoá theo hướng nhất thể hoá về tổ chức, chuẩn hoá về chức năng và tối ưu hoá về kết cấu, để phù hợp với mục đÝch sử dụng. 3.3.1. Phát triển thuỷ âm trên tàu ngầm Phát triển thuỷ âm trên tàu ngầm theo các hướng sau: - Tăng tầm (độ nhạy) của các đài thuỷ âm ở chế độ định vị thu; - Hoàn thiện hệ thống định vị và dẫn đường cho thuỷ lôi trong điều kiện nhiễu cao; - Hoàn thiện các thiết bị tự động phân giải mục tiêu và khí tài dưới nước; - Nâng cao khả năng chống nhiễu của thiết bị cũng như khả năng tàng hình của tàu mang. 3.3.2. Phát triển thuỷ âm trên tàu chiến - Khi nghiên cứu chế tạo các ra-đa thuỷ cho tàu chiến hiện nay hướng chủ yếu nhắm vào vùng tần số thấp hơn, nhằm giảm thiểu tổn hao năng lượng khi sóng âm lan truyền trong nước biển. Hầu hết các đài thuỷ âm của Mỹ hiện nay đều không sử dụng dải tần siêu âm, mà sử dụng dải tần tần từ 3,5 đến 15kHz. Còn đa phần các trạm thuỷ âm của NATO đều sử dụng sóng mang với tần số chuẩn là 80875Hz. Tín hiệu thuỷ âm được điều chế theo phương pháp một vế. Lợi thế của việc sử dụng tín hiệu một vế cã kh¶ năng chống nhiễu cao vµ dÔ t¸ch. - Tăng kích thước của an-ten nhằm thu được tính định hướng cao ở tần số thấp; 38 - Ở chế độ thụ động nên tách riêng an-ten phát và an-ten thu, trong đó phần thu được sử dụng cả khi dò tìm theo nguyên lý tiếng vọng từ mục tiêu, cả khi dò tìm theo nguyên lý tiếng ồn mục tiêu. - Tập trung chú ý vào việc hoàn thiện các phương pháp tách tín vọng và tiếng ồn từ tàu ngầm trên nền nhiễu tự nhiên trong nước và cải thiện các đặc trưng của các bộ biến đổi. - Để tăng tầm của ra-đa thuỷ có thể áp dụng các giải pháp: * Sử dụng các nguồn thuỷ âm công suất lớn với giản đồ hướng hẹp; * Giảm tần số công tác. §Ó t¨ng tÇm liªn l¹c giải pháp chọn tần số thấp được các chuyên gia quân sự Mỹ khai thác một cách triệt để. Hiện nay, thay vì sử dụng dải tần siêu âm họ sử dụng dải âm tần trong khoảng 3,5÷15kHz. Theo quan điểm của nhiều chuyên gia nước ngoài thì hướng phát triển trong giai đoạn hiện nay của các trạm thuỷ âm chuyển dịch từ tần số thấp xuống tần số rất thấp và siêu thấp. Việc sử dụng tần siêu thấp cho phÐp n©ng cao cự ly phát hiện tàu ngầm. ThiÕt bÞ thuû ©m cho ng−êi nh¸i, th× ph¶i t¨ng tÇn sè ®Ó gi¶m träng l−îng. - Hoàn thiện kết cấu an-ten thuỷ âm cũng là một hướng rất quan trọng. Kết cấu của an-ten có vai trò rất lớn trong việc nâng tầm phát hiện tàu ngầm và độ chính xác xác định toạ độ của nó. Biện pháp là sử dụng các an-ten thẳng, độ dài lớn. Có ý tưởng là sử dụng luôn phần thành tàu ngập trong nước hay thiết bị dạng sống chuyên dụng làm an-ten (gọi là an-ten sống). Dùng an-ten kéo dài sẽ dễ dàng hạ tần công tác. An-ten dạng này được gọi là an-ten lưới phẳng. Gai đoạn tiếp theo của phát triển an-ten tần thấp là các an-ten bảo giác có cấu hình trùng với đường bao vỏ tàu (trừ các chỗ lồi ra). 39 - Nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới trong công nghệ chế tạo các bộ biến đổi, đặc biệt là kênh chất lỏng để truyền năng lượng âm từ phần tử phát sang chất lỏng xung quanh. Vai trò của chất lỏng đó trước đây là dầu thầu dầu, nay được thay bằng polyalkylenglycol (ĐC-510). Vật liệu mới này ở trạng thái nguội có độ nhớt cao, nên trước khi đổ vào bộ biến đổi cần phải sấy nóng. Tuy giá của nó đắt gấp mười lần dầu thầu dầu, nhưng bù lại nó được các chuyên gia đánh giá là chất lỏng hiệu quả nhất và giá cả chấp nhận được cho mục đích truyền dẫn năng lượng. - Thiết kế chế tạo các bộ biến đổi làm việc ở độ sâu lớn. Mỹ đã có bộ biến đổi như vậy, được gọi là APPRES. Bộ biến đổi này có cấu tạo phù hợp với độ sâu và làm việc ở các tần số dưới 50Hz với công suất phát gần 5 kW. Khâu chủ yếu của thiết kế này là van phân cách chất lỏng thuỷ lực công tác và không khí nén của hệ thống bù trừ áp suất bên ngoài. 3.4. Một số thiết bị thuỷ âm của Mỹ và Nga 3.4.1. Thiết bị thuỷ âm trên tàu chiến (Mỹ) Các trạm thuỷ âm trên tàu chiến của Mỹ có mức độ nhất thể hoá rất cao. Hiện nay Mỹ có 2 kiểu thiết bị thuỷ âm chính trang bị trên tàu chiến là AN/SQS-23 và AN/SQS-26 [10]. Kiểu AN/SQS-23 được bố trí trên phần lớn các tàu rải mìn và các tàu chống ngầm. Kiểu AN/SQS-26 được bố trí trên các tàu nguyên tử, tàu thả mìn, tàu tuần tiểu thế hệ mới. Mỗi một trạm thuỷ âm các kiểu nói trên là thành phần của tổ hợp tên lửa chống tàu “Asroc”. Tuy nhiên sử dụng phổ biến nhất vẫn là kiểu AN/SQS-23. Hệ thống này được trang bị trên các tàu Hải Quân của Mỹ và nhiều nước khác trong thế giới tư bản. 40 Tầm hoạt động của trạm nµy là 10 hải lý. Nếu không bị cản che thì tầm hoạt động có thể lên đến 48÷54km. Hạn chế chủ yếu của trạm là tồn tại vùng tối âm, trong ®ã không thể “nhìn thấy” mục tiêu. 3.4.2. Thiết bị thuỷ âm trên tàu ngầm (Mỹ) Tàu ngầm được trang bị thiết bị thuỷ âm công dụng khác nhau: nghe ngóng và định vị nguồn tiếng ồn, phát hiện tiếng dội của các đối tượng dưới nước, liên lạc thuỷ âm, định vị dưới nước và dưới băng, chỉ mục tiêu cho vũ khí, chống lại trinh sát bằng thuỷ âm của đối phương. Thiết bị thuỷ âm cho phép tàu ngầm định hướng một cách tự do trong nước, phát hiện và chọn mục tiêu, và khi cần thì tránh sự theo dõi của đối phương. Tàu ngầm nguyên tử phóng ngư lôi của Mỹ được trang bị tổ hợp thuỷ âm AN/BQQ-2. Thành phần của tổ hợp bao gồm: * Trạm thuỷ âm AN/BQS-6 là thành phần cơ bản của tổ hợp, có nhiệm vụ dò tìm và phát hiện mục tiêu, cung cấp các dữ liệu cho việc dẫn vũ khí. Trạm làm việc ở chế độ tích cực và thụ động, tần số thấp. An-ten của trạm dạng cầu, đường kính 3÷4,5m, tạo bởi 1245 bộ biến đổi áp điện ziriconat chì. * Trạm định vị nhiễu AN/BQR-7 cũng là một trong những thành phần chủ yếu của tổ hợp. Công dụng chủ yếu là phát hiện mục tiêu gây ồn ở cự ly lớn. Nó có an-ten hình móng ngựa ôm vào hai bên vỏ phần mũi tàu ngầm. An-ten có 156 đầu thu, được bố trí thành 3 dãy ngang, dọc theo thân tàu, cách mỗi mạn tàu 15m. * Trong tổ hợp còn có trạm thuỷ âm phân loại mục tiêu AN/BQQ-3. Trạm này được sử dụng để thu và phân tích, sau đó phân loại tiếng ồn và ghi lên băng từ. Thành phần của trạm còn bao gồm thiết bị kiểm tra và phân tích ồn nội. 41 Sơ đồ bố trí các an-ten của tổ hợp thuỷ âm AN/BQQ-2 trên tàu ngầm của Mỹ có thể tham khảo tại [10]. 3.4.3. Các thiết bị thuỷ âm không quân kiểu thả, kéo (Mỹ) Để phát hiện tàu ngầm dưới lớp nhảy bước nhiệt độ trên các tàu chiến của Mỹ và Phương Tây còn được sử dụng các trạm thuỷ âm neo ở các độ sâu khác nhau. Các thiết bị thuỷ âm thả là phương tiện chống ngầm hữu hiệu. Chúng được máy bay thả xuống biển hoặc máy bay trực thăng kéo lê. Các trạm thuỷ âm do trực thăng kéo lê về bản chất không khác gì các trạm thủy âm bố trí trên chiến hạm. Khác biệt duy nhất ở đây là an-ten thuỷ âm được thả xuống nước bằng cáp treo, các phần còn lại của thiết bị được bố trí trên trực thăng. Thế mạnh của phương pháp này là ở chỗ loại trừ được tiếng ồn của phương tiện mang và quan trọng nhất là có tính cơ động cao, tạo điều kiện mở rộng vùng rà tìm tàu ngầm-mục tiêu. Về kết cấu, an-ten thuỷ âm kiểu thả hay kiểu kéo đều giống nhau. Chúng có cấu tạo từ 2 khối: khối an-ten thả xuống biển và khối thiết bị chỉ thị bố trí trên vật mang. Mỹ có một số thiết bị thuỷ âm kéo thả hiện đại ký hiệu là AN/AQS- 10, -13, -13A. AN/AQS-10 sử dụng chế độ xung với độ dài 35ms, 3 tần số công tác (9,25; 10; 10,75kHz), công suất xung 5kW, cự ly phát hiện tàu ngầm 5- 6km. Trạm này sử dụng bộ chỉ thị quan sát vòng quanh. AN/AQS-13 là biến thể của AN/AQS-10, hiện đại hơn, đa mục tiêu. Nó được thả đến độ sâu 137m, trọng lượng 227kg và còn có thể được giảm xuống còn 160kg. Kết quả của việc hoàn thiện tiếp theo là sự ra đời của trạm phát hiện tầm xa AN/AQS-13B. Nó có khả năng phân loại, xác định hướng và vận tốc của mục tiêu. 42 3.4.4. Các thiết bị thuỷ âm không quân kiểu phao (Mỹ) Để phát hiện tàu ngầm người ta còn sử dụng các phao thuỷ âm, được thả từ máy bay hoặc máy bay trực thăng xuống các vùng nghi là có tàu ngầm hoạt động. Các phao thuỷ âm được tạo bởi các đầu thu âm, bộ khuếch đại, máy phát vô tuyến, nguồn nuôi và thiết bị thu. Các phao thuỷ âm thường được sử dụng một cách tổ hợp, có khi đến hàng chục phao trong mỗi tổ hợp. Hàng rào phao thuỷ âm thường được bố trí tại các lối vào căn cứ và hải cảng, trong các vùng neo đậu của các hạm đội và trên các tuyến tình nghi có sự lưu thông của các tàu ngầm. Các phao thuỷ âm có thể hoạt động theo chế độ liên tục hay chế độ luân phiên (chế độ trực). Khi nguồn năng lượng dự trữ cạn thì phao tự đánh chìm. Có 2 loại phao thuỷ âm: tích cực và thụ động. Loại tích cực không chỉ phát hiện tiếng ồn, mà còn xác định được cự ly đến mục tiêu, thậm chí phân biệt được cả mục tiêu giả. Các phao loại này được thả xuống độ sâu nhất định. Loại phao thụ động cũng có thể được sử dụng như phao tích cực, nếu nó đi kèm với thủ thuật kích nổ dưới nước, để tạo sóng âm phát đi và thu sóng âm phản xạ ngược lại từ mục tiêu. Không quân Mỹ được trang bị các phao thuỷ âm kiểu AN/SSQ-23, - 41, -53 với hệ thống chỉ thị bố trí trên vật mang là AN/AQA-7. Hạn chế đáng kể của phao thuỷ âm là chỉ sử dụng được một lần, tuổi thọ thấp. Để khắc phục các hạn chế đó các chuyên gia đã sử dụng tần số thấp, thậm chí đến tần số hạ âm để tăng tầm tác động, kéo dài tuổi thọ, giảm kích thước và trọng lượng, mà không ảnh hưởng đến các tính năng chiến-kỹ thuật. 3.4.5. Các trạm thuỷ âm cố định (Mỹ) Các trạm thuỷ âm cố định thường được bố trí ở các lối vào căn cứ, bến cảng, tại những nơi neo đậu phương tiện hay dọc theo bờ biển. Chúng là thành phần không thể thiếu của Phòng thủ chống hạm. 43 Khác với các kiểu bố trí trên hạm, trên tàu ngầm, kiểu thả kéo hay kiểu phao, các trạm thuỷ âm tĩnh được bố trí một phần trên bờ, một phần dưới đáy biển. An-ten được bố trí dưới đáy biển, các thiết bị còn lại được bố trí cố định trên bờ. Hai phần này được kết nối với nhau bởi đường cáp đặc biệt. Các trạm thuỷ âm cố định làm việc ở chế độ dò âm (thụ động) và chế độ dò vang (tích cực). Khi đã phát hiện được mục tiêu nhờ phương pháp dò âm thì hệ thống chuyển ngay sang chế độ dò vang để định vị mục tiêu. Mỹ đã có từ lâu hệ thống thuỷ âm cố định tầm xa phát hiện tàu ngầm “Ceasar”, hoạt động ở chế độ thụ động và hệ thống “Artemis”, hoạt động ở chế độ tích cực. 3.4.6. Thiết bị thuỷ âm dùng cho ngư lôi (Nga) Chúng ta không có nhiều thông tin về thiết bị thuỷ âm của Liên Xô (cũ). Chỉ biết rằng Liên Xô (cũ) có đầu tự dẫn ngư lôi СЭТ -53M và trạm liên lạc thuỷ âm МГ-16. Hai thiết bị thuỷ âm này hiện có trong trang bị của các tàu hải quân Việt nam. Sau nhiều năm đưa vào vận hành chúng đã xuống cấp nghiêm trọng và đã nhiều lÇn sửa chữa. 1. Theo thuyết minh kỹ thuật đi kèm thiết bị thì trạm liên lạc thuỷ âm МГ-16 được dùng để trang bị cho các tàu chiến, bảo đảm cho chúng liên lạc ngầm hai chiều đẳng hướng với nhau và cả với các tàu ngầm, đo cự ly giữa hai tàu chiến, giữa tàu chiến với tàu ngầm. Việc liên lạc đẳng hướng được đảm bảo bằng hệ thống âm bố trí trong thiết bị nâng-hạ HK. Trạm làm việc ở chế độ tín và thoại và tự động truyền tín hiệu ở chế độ đo xa. Liên lạc tín và thoại thực hiện khi trạm làm việc ở một tần số. Đo xa được tiến hành ở 2 tần số. 44 Trạm sử dụng nguồn nuôi xoay chiều một pha 220V/50Hz, dao động điện lưới không lớn hơn ±5%, dao động tần số không quá ±3% giá trị định mức. Công suất tiêu thụ ở chế độ thu không quá 150W, ở chế độ phát không quá 1500W. Thời gian đưa trạm vào trạng thái sẵn sàng chiến đấu không quá 2 phút. Trạm chỉ cần một nhân viên phục vụ. Thành phần của trạm gồm có: - Hệ thống âm học đẳng hướng; - 2 máy phát, - Bàn điều khiển; - Thiết bị chuyển mạch; - Vị trí liên lạc; - Loa; - Hộp cáp. 2. Đầu tự dẫn ngư lôi СЭТ-53M được sử dụng để phát hiện tàu ngầm theo trường âm thanh do tàu ngầm phát ra và dựa vào đó để hiệu chỉnh ngư lôi trong 2 mặt phẳng vuông góc, đảm bảo cho ngư lôi đánh trúng tàu ngầm. Đầu tự dẫn ngư lôi СЭТ -53M có các chức năng sau đây: - Thực hiện tìm kiếm, phát hiện và bám sát tàu ngầm; - §ịnh vị tàu ngầm-mục tiêu trong mặt phẳng ngang và mặt phẳng đứng; - Ngắt lệnh điều khiển chuyển động của ngư lôi trong mặt phẳng ngang khỏi hệ thống con quay và ngắt lệnh điều khiển theo mặt phẳng đứng khỏi phần thuỷ lực của hệ thống xi-fông con lắc sau khi đã bắt được tín hiệu mục tiêu để tự mình tìm đến mục tiêu; - Liên tục kiểm tra sự tồn tại của mục tiêu trong suốt hành trình của ngư lôi và điều chỉnh hành trình khi cần thiết. - Thực hiện tìm lại mục tiêu trong mặt phẳng ngang, nếu bị mất mục tiêu. 45 Chương 4 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM Mục tiêu cơ bản cũng là yêu cầu cho các máy liên lạc thủy âm đề tài đã đặt ra là tổ chức liên lạc giữa người lặn với người lặn, giữa người lặn với máy đặt trên các phương tiện nổi (tàu, thuyền,...). Vì vậy hai loại máy cần làm việc trên cùng dải tần và cùng nguyên lý. 4.1 Lựa chọn tần số liên lạc H×nh 1.2.1 mục 1.2 cho thÊy trong lớp nước gần bề mặt vận tốc âm giảm theo độ sâu, t−¬ng tù thay đổi nhiệt độ. ë ®é sâu ∼1000m (nơi nhiệt độ gần như không đổi) vận tốc âm có giá trị nhỏ nhất. Cïng víi sù gia t¨ng ®é s©u, vận tốc âm lại bắt đầu tăng, do tăng áp suất tĩnh. Tốc độ truyền sóng âm trong nước biển phụ thuộc vào độ sâu và thay đổi trong khoảng 1400m/giây đến 1570m/giây. Kết quả nhận được từ 1.4 và 1.5 cho thấy, tổn hao năng lượng do hấp thụ trong lòng chất lỏng và trên bề mặt vật rắn tỷ lệ với căn bậc 2 của tần số liên lạc. Biểu thức (1.5.2) đúng chừng nào nó còn nhỏ, bởi vì khi dẫn giải chúng ta giả thiết rằng biên độ sóng tới và sóng phản xạ như nhau. Điều kiện này có nghĩa là góc tới θ không được quá gần với π/2 . Biểu thức tính hấp thụ âm khi phản xạ ở góc bất kỳ cho thấy hấp thụ sóng âm trên bề mặt rắn là rất lớn. Nguyên nhân của hiện tượng này được giải thích như sau: Trong sóng âm không những tỷ trọng và áp suất mà nhiệt độ cũng thực hiện dao động quanh giá trị trung bình của mình. Vì thế, trong vùng sát bề mặt rắn tồn tại hiệu nhiệt độ giữa chất lỏng và bề mặt rắn, ngay cả khi nhiệt độ trung bình của chất lỏng bằng nhiệt độ bề mặt. Độ lớn của hiệu nhiệt độ này thay đổi một cách tuần hoàn. Trong khi đó ngay trên bề mặt nhiệt độ của chất lỏng tiếp xúc bề mặt và nhiệt độ của chính bề mặt phải 46 bằng nhau. Kết quả là trong lớp chất lỏng sát bề mặt rắn xuất hiện gradient nhiệt độ lớn; nhiệt độ thay đổi nhanh từ giá trị của mình trong sóng âm đến giá trị nhiệt độ bề mặt. Sự tồn tại gradient nhiệt độ lớn cũng là nguyên nhân tản mát năng lượng cao do quá trình dẫn nhiệt. Chính độ nhớt của chất lỏng dẫn đến hấp thụ lớn khi sóng tới nghiêng (không vuông góc với mặt rắn) cũng được giải thích một cách tương tự: Khi sóng tới nghiêng vận tốc chất lỏng trong sóng (hướng theo hướng lan truyền sóng) có thành phần tiếp tuyến với bề mặt rắn khác không. Trong khi đó, ngay trên bề mặt vật rắn chất lỏng bị “dính” hoàn toàn. Vì thế, trong lớp bề mặt của chất lỏng xuất hiện gradient lớn của thành phần tiếp tuyến của vận tốc, dẫn đến tổn hao năng lượng do nhớt sẽ lớn, như đã trình bày trên đây. Thành phần pháp tuyến của vận tốc trên bề mặt bằng không, do điều kiện biên của chất lỏng lý tưởng. Môi trường nước biển thuận lợi nhất đối với năng lượng âm, có nghĩa là sóng âm lan truyền trong nước biển thuận lợi hơn các sóng khác. Như đã chứng minh ở các phần trên mức độ tổn hao của sóng âm khi lan truyền trong nước tăng theo bình phương tần số. Ngoài ra, các đặc trưng lan truyền của sóng âm trong đại dương phụ thuộc vào một loạt thông số như phân bố nhiệt độ theo độ sâu, trạng thái bề mặt, độ sâu nơi bố trí thiết bị, đặc trưng của đáy biển, vị trí và cấu trúc của các tầng tán xạ sâu. Khả năng thu phát tín hiệu của thiết bị thông tin thủy âm được xác định bởi mức tín hiệu và độ ồn môi trường xung quanh. Mức tín hiệu lại phụ thuộc vào công suất phát, điều kiện lan truyền sóng âm. Mức ồn phụ thuộc vào trạng thái của biển, vận tốc gió, độ dày lớp nước và các yếu tố có nguồn gốc sinh học trong vùng bố trí thiết bị liên lạc. Thông tin về trạng thái nước biển và đáy biển là vô cùng quan trọng. Chúng cho phép dự báo chính xác đặc trưng lan truyền sóng âm trong nước và xác định các khả năng của thiết bị thuỷ âm cần thiết cho việc bố trí và tổ chức thông tin. 47 Độ sâu của đại dương thay đổi trong dải rất rộng, có nơi chỉ mấy mét, có nơi đến hàng chục km. Độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và các lớp nước sâu có thể tới hàng chục độ. Lớp nước bề mặt còn bị ảnh hưởng bởi sóng. Độ mặn của nước biển ở các khu vực khác nhau không chênh nhau đáng kể và dao động quanh 3,5%. áp suất trong nước biển tăng theo độ sâu, khoảng 1kG/cm2 trên 10m sâu, vì thế càng xuống sâu áp lực nước càng lớn. Một đặc điểm nữa là nhiệt độ càng cao, áp lực càng lớn, độ mặn càng tăng thì vận tốc âm trong nước biển càng lớn. Mặc dầu sự thay đổi giá trị tuyệt đối của vận tốc âm không đáng kể, nhưng nó lại có vai trò đáng kể khi lan truyền sóng âm diễn ra do khúc xạ tia âm. Khi lan truyền trong nước biển một phần năng lượng sóng âm tán xạ trên các bất đồng nhất của nước, một phần bị hấp thụ và chuyển thành nhiệt năng. Nhìn chung, sự hấp thụ năng lượng sóng âm của nước biển mạnh hơn của nước ngọt vì trong nước biển có muối hoà tan. Trên hình 4.1.1 thể hiện sự phụ thuộc của hấp thụ âm vào tần số ở điều kiện nhiệt độ không đổi. Độ suy hao (α) của sóng âm trong nước được tính theo công thức: ( )mdBf /.0173.0 σα = Trong đó: f là tần số (Hz); σ là độ dẫn (mhos/met) Hình 4.1.1 cho thấy độ suy hao là một hàm của tần số và độ dẫn của nước. Nước ở dạng nguyên chất là một chất cách điện, nhưng trong nước biển nó hòa tan rất nhiều muối và những tạp chất khác, do vậy nó trở thành một chất có độ dẫn cao. Độ dẫn (σ) của nước lại phụ thuộc vào nồng Hình 4.1.1 Sự phụ thuộc của suy hao đường truyền vào tần số 48 độ muối và nhiệt độ. Nước biển có lượng muối cao nên có độ dẫn cao, thông thường có giá trị từ 2 mhos/met ở vùng cực lạnh đến 8 mhos/met ở vùng ấm và mặn (như Biển Đỏ). Độ dẫn trung bình ở nước biển thường là 4 mhos/met (có nghĩa là 1 m3 của nước biển có độ dẫn là 4 mhos/met hay là có trở kháng ¼ ôm). Độ suy hao trong nước biển rất lớn do vậy để có thể liên lạc ở các độ sâu khác nhau có hiệu quả, người ta thường dùng tần số rất thấp (từ 10 dến 30 Khz), ở đây độ suy hao chỉ ở mức khoảng 3,5 đến 5 dB/met. Còn liên lạc ở băng tần số 1,8Mhz thì độ suy hao tăng lên ở mức khoảng 46 dB/met. Đối với nước không mặn thì độ suy giảm tại tần số 10Khz chỉ khoảng 0,4dB/met, còn ở tần số 1,8Mhz độ suy hao cũng chỉ ở mức khoảng 5,4 dB/met. Như vậy tần số càng thấp thì sự suy giảm trong nước biển càng thấp có nghĩa là việc liên lạc càng tốt hơn. Tuy nhiên tần số thấp kéo theo kích thước cảm biến siêu âm cũng như các linh kiện sử dụng trong bộ xử lý tín hiệu đều tăng. Đề tài đã chọn các đầu thu phát siêu âm là gốm áp điện, ưu tiên cho mục tiêu kích thước nhỏ, khối lượng nhẹ, tiêu thụ ít điện năng nhằm kéo dài thời gian hoạt động an toàn dưới nước cho người lặn. 4.2. Phân tích lựa chọn bộ cảm biến siêu âm 4.2.1. Hiệu suất biến đổi Đối với đầu thu phát thì hiệu suất có vai trò quyết định. Nếu hiệu suất nhỏ thì phải tăng kích thước nguồn nuôi và bộ khuếch đại công suất. Tuy nhiên, khi tăng công suất đưa đến đầu phát thì lại xuất hiện vấn đề có ý nghĩa quan trọng là làm nguội. 49 Để đạt được hiệu suất chuyển đổi cao các bộ biến đổi thuỷ âm phải làm việc ở chế độ cộng hưởng. Quá trình chuyển đổi từ năng lượng điện sang năng lượng sóng âm phải tuần tự qua 2 bước: Năng lượng điện → Năng lượng cơ học → Năng lượng sóng âm. Do đó, hiệu suất toàn phần của quá trình chuyển đổi điện - âm sẽ là: η = ηđ-c.ηc-â , trong đó: η - hiệu suất toàn phần; ηđ-c- hiệu suất biến đổi điện-cơ; ηc-â - hiệu suất biến đổi cơ-âm. Hiệu suất biến đổi cơ-âm được tính theo biểu thức: ηc-â = 2ρc / δρ1c1 , ở đây: ρ, c (ρ1,c1) là tỷ trọng và vận tốc truyên âm của nước (vật liệu biến tử); δ = π∆f0/f0 là giá trị lệch cộng hưởng làm cho biên độ dao động giảm đến giá trị 2 maxA . 4.2.2. Độ bền của bộ biến đổi Độ bền khối máy là nguyên nhân hạn chế sử dụng đầu thu phát ở độ sâu lớn. Để khắc phục yếu tố này người ta chế tạo các an-ten ngâm trong chất lỏng, nhằm tạo cân bằng áp suất bên trong và bên ngoài. 4.2.3. Kết cấu của bộ biến đổi Về kết cấu, các đầu thu phát thường được chế tạo dưới dạng lưới nhiều phần tử. Kích thước của mỗi phần tử được xác định bằng tần cộng hưởng. Số lượng và cách bố trí của các phần tử được xác định bằng tính định hướng cần thiết. Tính định hướng của bộ biến đổi dạng này ở tần số xác định tăng theo kích thước thẳng. Tính định hướng của an-ten tròn 50 phẳng không che chắn gièng tính định hướng của pit-tông, tức là 4π S2/λ2, trong đó S là diện tích pit-tông. Nếu với mục đích giảm mức của các búp sườn mà ta che chắn bộ biến đổi thì hệ số định hướng sẽ bị giảm. Nếu cần có bộ biến đổi không định hướng thì phải thiết kế sao cho kích thước của nó nhỏ hơn bước sóng. Do đó, muốn phát tín hiệu không định hướng từ an- ten cần máy phát có khả năng phát huy mật độ công suất cao ở an-ten. 4.3. Kết cấu vỏ chịu áp lực và chống nước Về khả năng chống nước và chịu áp lực cho các máy người lặn. Đây cũng là bài toán khó khi cần có một mẫu máy nhỏ, nhẹ. Trước mắt các sản phẩm thử nghiệm đang dùng vỏ đúc bằng composite, gồm hai phần lồng nhau: phần chống nước được thiết kế riêng biệt cho các khối chức năng (cảm biến và liên kết cảm biến - máy thu phát, khối nguồn) nằm trong và phần chịu va đập, áp lực bao ngoài. (Hình 4.3.1) Hình 4.3.1. Cấu trúc vỏ 2 lớp của máy thông tin dùng cho người lặn 51 4.4 Phân tích thiết kế mạch xử lý tín hiệu Sơ đồ khối của thiết bị thông tin được trình bày trên hình vẽ sau đây: Hình 4.2.1 Sơ đồ khối máy liên lạc thủy âm Nguồn nuôi đơn cực (pin hoặc acquy) 12-14v qua bộ biến đổi điện áp tạo ra điện áp có độ ổn định cao +3,3v và ±9v nuôi các khối chức năng, trừ hai khối công suất phát và công suất âm tần trong máy mặt nước. Hai khối này do tiêu thụ công suất lớn nên được nuôi trực tiếp từ nguồn vào không ổn định 12-14v. Ở chế độ thu, siêu âm qua cảm biến (transducer) được chuyển thành tín hiệu điện, qua bộ tiền khuếch đại để đạt được mức biên độ cần thiết cho các khối lọc thông dải, tách sóng, khôi phục biên và lọc tạp âm. Do tín hiệu thu được là tín hiệu đã bị nén dải khi phát nên tại đây, ngoài việc lọc các tạp âm không cần thiết còn có quá trình làm giầu hài để tăng độ trung thực của tiếng nói. Sau đó tín hiệu được khuyếch đại tới mức cần thiết để đưa ra tai nghe cho máy người lặn hoặc loa cho máy mặt nước. 52 Ở chế độ phát, tín hiệu từ microphone được xử lý sơ bộ qua tiền khuếch đại và lọc thông dải âm tần. Sau đó được đưa sang điều chế đơn biên và nén dải (SSB). Đây là khối xử lý quan trọng nhằm đưa độ rộng dải tín hiệu xuống dưới 750Hz, một biên. Sau SSB tín hiệu được khuyếch đại tới mức công suất cần thiết để nuôi cho Transducer. Toàn bộ hoạt động của máy được điều khiển qua bộ điều khiển số. Máy người lặn có 4 chức năng điều khiển sau đây: + Chuyển mạch Thu – Phát; + Thay đổi âm lượng; + Chuyển kênh; + Lọc nhiễu. Do đặc thù làm việc trong môi trường nước, người lặn cần thao tác dễ dàng, tin cậy, các thao tác vận hành điều khiển máy thông tin phải đơn giản. Do vậy các chức năng điều khiển đều thông qua một nút nhấn duy nhất. Hơn nữa, khi buông tay khỏi nút điều khiển, máy tự động chuyển về chế độ thường trực thu sau một thời gian đủ ngắn. Về phân phối kênh. Để tổ chức thành mạng thông tin giữa máy mặt nước với các nhóm người lặn khác nhau, giữa các máy mặt nước với nhau, máy thủy âm được thiết kế làm việc trên các kênh khác nhau, có dải tần làm việc phù hợp với dải tần các máy thông dụng trên thế giới. Vì vậy khoảng cách giữa các kênh rất hẹp (dưới 1 kHz). Để thực hiện cả hai mục tiêu: điều khiển đơn giản và phân kênh dải hẹp, máy được thiết kế theo nguyên lý điều chế đơn biên, sử dụng cả hai biên làm hai kênh (trên cơ sở chấp nhận mức nhiễu xuyên kênh đủ nhỏ). 53 Chương 5 - HỒ SƠ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LIÊN LẠC THỦY ÂM Nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu thiết kế chế tạo hai loại thiết bị liên lạc thủy âm: + máy dùng cho người lặn, có ký hiệu là TA-00DN, + máy đặt trên các phương tiện nổi, có ký hiệu là TA-00MN với mục đích tổ chức thông tin giữa máy mặt nước (thông thường là máy chỉ huy) với các máy người lặn và giữa các máy người lặn với nhau. Hai loại thiết bị trên có cùng thiết kế nguyên lý trong các khối: tổng hợp tần số, các bộ khuyếch đại tín hiệu, khuyếch đại đệm, tiền khuyếch đại công suất, các bộ lọc, điều chế và giải điều chế SSB... Do điều kiện khai thác khác nhau ở hai loại máy, máy mặt nước có các nút điều khiển chọn kênh, chế độ thu phát, điều chỉnh âm lượng và lọc nhiễu độc lập nhau, còn với máy người lặn, tất cả đều qua một nút nhấn. Với khối công suất phát, máy mặt nước có công suất ra đạt 8 watt trên tải 250 Ohm, máy người lặn công suất ra được giới hạn ở mức 3 watt trên tải 250 Ohm. Trên cơ sở các phân tích ở chương 4, đề tài xây dựng chỉ tiêu kỹ thuật của hai loại máy, chi tiết được trình bày trong mục 5.1. Mục 5.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của các khối xử lý tín hiệu dùng chung cho cả hai loại thiết bị. Mục 5.3 giới thiệu mạch điều khiển chức năng một nút nhấn cho máy người lặn sử dụng vi xử lý 89C51. 54 5.1 Đặc trưng kỹ thuật máy thông tin thủy âm 5.1.1 Tính năng kỹ thuật máy mặt nước Model TA-00MN (SN: 0512361, 0512362) Cự ly liên lạc (m) Sông hồ hoặc biển lặng: không nhỏ hơn Sóng biển cấp 6: không nhỏ hơn 2500 250 Công suất âm phần phát (Oát) 8 Dải thông kênh âm tần (Hz) 300-4000 Độ nhạy phần thu (dBm) -110 Tự động điều chỉnh hệ số KĐ (dB) 120 Dải tần công tác (kHz) 31-33 Thăng giáng tần số phát (fmax- fmin), (Hz), không lớn hơn 10 Nguồn nuôi (vôn) 12 Công suất tiêu thụ (Oát) không lớn hơn: Chế độ chờ, nghe: Chế độ phát: 2 20 Cảnh báo nguồn yếu: Chuông Cảm biến Thu-Phát Trở kháng (Om) Vật liệu: Độ sâu tối đa (m): 250 Gốm 50 Vỏ máy Kích thước (D x R x C) mm: Vật liệu: 350 x 235 x160 Composite Khối lượng (kg): Pin: Acquy: 5,5 6,25 Điều kiện công tác Nhiệt độ (0C): Độ ẩm tương đối (trong khoang linh kiện) (%): 0-60 40-98 55 5.1.2 Tính năng kỹ thuật máy mặt người lặn Model TA-00DN (SN: 0512363, 0512364) Cự ly liên lạc (m) Sông hồ hoặc biển lặng: Sóng biển cấp 6: 2000 200 Công suất âm âm phần phát (Oát) 3 Dải thông kênh âm tần (Hz) 300-4000 Độ nhạy phần thu (dBm) -110 Tự động điều chỉnh hệ số KĐ (dB) 120 Dải tần công tác (kHz) 31-33 Thăng giáng tần số phát (fmax- fmin), (Hz), không lớn hơn 10 Nguồn nuôi (vôn) 12 Công suất tiêu thụ (Oát) không lớn hơn: Chế độ chờ, nghe: Chế độ phát: 1,5 15 Cảnh báo nguồn yếu: Chuông Cảm biến Thu-Phát Trở kháng (Om) Vật liệu: Độ sâu tối đa (m): 250 Gốm 50 Vỏ máy Kích thước (D x R x C) mm: Vật liệu: 165 x 130 x 70 Composite Khối lượng (kg): Pin: Acquy: 1,75 1,8 Điều kiện công tác Nhiệt độ (0C): Độ ẩm tương đối (trong khoang linh kiện) (%): 0-60 40-98 56 5.2 Sơ đồ mạch điện S¬ ®å tiÒn khuyÕch ®¹i siªu ©m d¶i 25-35 KHz (bé tiÒn khuyÕch ®¹i d¶i réng) Bé läc tÇn sè thu - ®iÒu khiÓn sè C3 0.22uF C2 0.22uF C1 0.22uF DC V NO DATA Q3 BC109BP Q2 BC109BP +V V3 0V 25kHz V2 -1m/1mV +V V1 9V Q1 BC109BP + - BZ1 R1222k R11 1k R10 330k R9 10k R8 6.8k R7 1k R6 330k R5 10k R4 330k R3 330k R210k R1 390k Tien KDai 25.0KHz 27.0KHz 29.0KHz 31.0KHzC41uF T5 1TO1 C3 1uF T4 1TO1 T3 1TO1 C2 1uF C1 1uF T21TO1 T1 10TO1C5 480pF Switch 4066 Io0 Io0 Io1 Io1 E1 E2 Vss Io2 Io2 Io3 Io3 E3 E0 Vdd U1 41.0KHz 39.0KHz 37.0KHz 33.0KHz C6 1uF T6 1TO1 C7 1uF T8 1TO1 T9 1TO1 C8 1uF C9 1uF T101TO1 Switch 4066 Io0 Io0 Io1 Io1 E1 E2 Vss Io2 Io2 Io3 Io3 E3 E0 Vdd U1 Tachsong 57 Thu siªu ©m- K§ t¸ch sãng mang, t¸i t¹o ©m thanh Thu, KD Sieu Am 20--35 KHz,khoang cach 1 mile, chuyen sang am tan nguoi nghe dwoc Q2 BC109BP DC~V NO DATA 2 5 k H z V1 0/2V C19 0.22uF C18 50uF C17 50uF C16 .022uF C15 100uF + V3 9V C14 10uF R18 10k 40% C13 10uF C12 .0022uF C11 .022uF C10 .0047uF C9 30uF C8 0.22uF Q8 BC109BP Q7 BC109BPQ6BC109BP Q5 BC109BPQ4 BC109BP C7 72uF C6 470pF C5 820pF C4 0.22uF L2 1mH L1 1mH C3 0.22uF C2 0.22uF C1 0.22uF Q3 BC109BP Q1 BC109BP R28 5.1K R25 5.1K R27 75 R26 240 R24 220 R23 240 R22 110 R21 5.1kR20 30k R19 5.1k R17 1k R16 1k R15 1k R14 1k R13 1k R12 4.7k R11 22k R10 22k R9 2.2k R7 11k R8 1k R6 22k R5 11k R4 56k R3 2.4k R2 5.1 R1 11k 58 thu siªu ©m – k® t¸ch sãng mang, t¸i t¹o ©m thanh (tiÕp theo trang 57) DC~V NO DATA C18 50uF C17 50uF C16 .022uF C15 100uF + V3 9V C14 10uF R18 10k 40% C13 10uF C12 .0022uF C11 .022uF Q8 BC109BP Q7 BC109BPQ6BC109BP Q5 BC109BP R28 5.1K R25 5.1K R27 75 R26 240 R24 220 R23 240 R22 110 R21 5.1kR20 30k R19 5.1k R17 1k R16 1k R15 1k R14 1k 59 S¬ ®å ®iÒu chØnh ©m l−îng sè (m¸y mÆt n−íc) 4011 4049 Aud IN Aud Out Up Dow o Audio R14 100k +V V3 -9V R13 100k +V V1 9V R12 100k R11 100kR1010k R9 10k C2 0.1uF C1 0.1uF U1D U1C U1B S2 Switch 4066 Io0 Io0 Io1 Io1 E1 E2 Vss Io2 Io2 Io3 Io3 E3 E0 Vdd U4 S1 4516 P3 P2 P1 P0 PL CP CE U/D MR TC Q0 Q1 Q2 Q3 U3 U2B U2A U1A Switch 4066 Io0 Io0 Io1 Io1 E1 E2 Vss Io2 Io2 Io3 Io3 E3 E0 Vdd U4 R8 1k R7 1k R6 1k R5 1k R4 1k R3 1k R2 1k R1 1k 60 S¬ ®å m¹ch khuyÕch ®¹i d¶i th«ng 10 KHz, t¸i t¹o ©m thanh Co2 2uF CE2 10uF CT2 10uF LT2 100mH NPN B Ci1 .22uF Ci3 100pF Co1 10uF Ci2 .002uF A NPN LT1 150mH CT1 10uF CE1 0.2uF Co 0.2uF Ci .22uF CE 1uF CT 2uF LT 200mH NPN Vcc +9V 2kHz V1 -1/1V RE51k RE41k Rs2 6.3 RE3 1kR633k R5 18k RE2 1k R4 18k R3 33k RE1 1k Rs1 6.3 Rs 6.3 RE 1kR233k R1 18k 61 TiÒn khuyÕch ®¹i ©m thanh, läc th«ng thÊp tÇn sè 300hz ®Õn 3KHz. A 10kHz V5 -1/1V +V V3 -9V +V V29V +V V1 9V R12 100k 40% R9 100k 40% R5100k 40% C6 4.7n C5 22n C4 4.7n C3 56n C2 1n C1 2.2uF + U1B LM833 + U1A LM833 R13 1.8k R11 1.8k R10 3.6k R8 3.6k R7 10k R6 10k R4 10k R3 50k R2 10k R1 10k 62 S¬ ®å bé ®iÒu chÕ sãng siªu ©M d¶i sãng mang 25 – 39 KHz AM Modulator KDsieuam A 1.5kHz -100m/100mV 25kHz -100m/100mV +9V .1uF .1uF 50k MC1496 G Vc Vc Vs Vs Vee Bias Out Out G 1k 51 1k 1k 3.9k 3.9k 6.8k5151750750 63 Tæng hîp tÇn sè 10 KHz ®Õn 999 KHz 64 M¹ch t¹o sãng mang siªu ©m tÇn sè 25 KHz ®Õn 39 KHz ( T¹o sãng mang cã tÇn sè t−¬ng øng víi bé tæng kîp tÇn sè ) 65 Bé khuyÕch ®¹i c«ng suÊt SI£U ©M 3-8Watt, tÇn sè 25 ®Õn 39 KHZ 66 5.3 Mạch điều khiển vi xử lý cho máy người lặn • Đầu vào: Một Nút nhấn ( Kiểu nút nhấn nhả ) • Kiểu điều khiển: Số lần nhấn ;Thời gian nhả. • Đầu ra: 1. Chuyển trạng thái logic (TTL) của 8 dây tín hiệu: + 1 dây cho đ/k Thu / Phát: Mức ‘0’ = Thu, Mức ‘1’ = Fat; + 3 dây cho đ/k Âm lượng: Điều khiển được 8 mức âm lượng; + 3 dây cho đ/k Chuyển kênh; Chọn được 8 kênh + 1 dây cho đ/k Lọc nhiễu. 2. Thông báo bằng âm thanh về trạng thái trước và sau khi điều khiển của các tín hiệu . • Sai số: Có thông báo lỗi bằng âm thanh (Khi vào số liệu không đúng cách, hoặc nhấn quá nhiều, sẽ thông báo băng 5 tuýt liên tục) • Các trạng thái: 1: Nhấn ; 0: Nhả ; 000… Nhả lâu (khoảng 1s, sau đó nghe thông báo về trạng thái của Âm lượng, hoặc Kênh trước khi thay đổi chúng ) 67 Bảng trạng thái các chức năng điều khiển máy người lặn ĐIỀU KHIỂN GIẢN ĐỒ THỜI GIAN TRẠNG THÁI CHỨC NĂNG Thu / Phát Thu Phát Mặc định ở chế độ Thu; hoặc sau khi Nhấn và giữ để Phát xong , Nhả nút trả về chế độ Thu 0000….. 1111….. x.xxx.xxx.0 x.xxx.xxx.1 Thu Phát Âm lượng Vào số liệu mới 1-0-1- 000… Nghe thông báo: 6 tuýt,( Âm lượng ở mức 6) 1-0-1-0-1-0-1-000… Nghe thông báo: 3 tuýt, âm lượng ở mức 3 Vdụ Âm lượng ở mức 6 0.101.xxx.x 0.011.xxx.x Vào Mode điều chỉnh âm lượng Thiết lập Âm lượng ở mức 3 Chuyển kênh Vào số liệu mới 1-0-1-0-1-000…Nghe thông báo: 2 tuýt,(Máy đang ở Kênh 2) . 1-0-1-0-1-0-1-000… Nghe thông báo: 4 tuýt, Kênh 4 đã được chọn. 0.xxx.001.x 0.xxx.011.x Vào Mode Chuyển kênh Chuyển kênh 2 sang kênh 4 Lọc nhiễu Tắt→Bật Bật→Tắt 1-000… 1-000… 0.xxx.xxx.0 0.xxx.xxx.1 0.xxx.xxx.0 Tắt/Bật bộ lọc Bộ lọc Tắt Bật bộ lọc Tắt bộ lọc 68 phÇn mÒm ®iÒu khiÓn chøc n¨ng cho m¸y ng−êi lÆn ;Chuong trinh Dieu khien cho MNL ;******************************** ;OutData EQU 60H ;2 Bytes for data + ID ;PreData equ 61h Time equ 62h Wide equ 64h Wide2 equ 5fh Wide1 equ 5eh Wide0 equ 5dh Time2 equ 5ch Time1 equ 5bh Time0 equ 5ah Tempo2 equ 59h Tempo1 equ 58h Tempo0 equ 57h Vollum equ 56h Chane equ 55h Mode equ 54h PulCnt equ 53h ;---------------------- BybitCmd equ 22h SPTR equ 08h ;Stack=8-$1f ;---Use 4 bit low IdCmdLow ---------- Flg_Int0 Bit 0 ;Co bao yeu cau Flg_Talk bit 1 ;Co bao gui TT Flg_T0 bit 2 ;Co bao nhan Msg Flg_T1 bit 3 ;Co bao nhan Mic Flg_Mode bit 4 Flg_Res bit 5 Flg_TiOv bit 6 Flg_OvWi bit 7 ;FlagSi bit 8 ;Co bao nhan lenh tu CC ;----Data constant---------------- cWide EQU 7 ;7*65ms=455ms cTime EQU 15 ; ;--Use Ports----------------------- pPuToTalk equ p1.7 pStateSQ equ p1.6 pChaneB2 equ p1.5 pChaneB1 equ p1.4 pChaneB0 equ p1.3 pVollB2 equ p1.2 pVollB1 equ p1.1 pVollB0 equ p1.0 pDkData equ p1 pDkBeep equ p3.0 69 pKeyDk equ p3.2 pIndLed equ p3.5 ;------------------------------------ ORG 0000h LJMP Start ;-----External IE0 INTR-------------- ORG 0003h Ljmp Intr0 ;-----Timer0 OverFlow Intr----------- ORG 000bh Ljmp Timer0 ;-----Timer1 OverFlow Intr----------- ORG 001bh Ljmp Timer1 ;------------------------------------ ORG 0100h Start: mov SP,#SPTR ;08h-$1f mov IE,#00 ;%10010001:ea,es,ex0=1 clr RS0 ;bank0 clr RS1 ;-------Init Timer0 & Timer1------- mov TMOD,#11h ;Chon Timer 16bit & Active Timer by TRx=1 mov TH0,#3ch ;T0 for Puls_Wide mov TL0,#0b0h mov TH1,#3ch ;T1 for Puls_Time mov TL1,#0b0h mov IE,#8ah ;Intr Enable: EA=1, ET1=1, ET0=1, EX0=1 ;--- Init RS-232 Internal clk ---- ; Crystal 24Mz-9600baud ; MOV SCON,#50h ; MOV TMOD,#20h ;20h ; MOV TH1,#243 ;0F3h ; ORL PCON,#80h ; SETB TR1 ;Start timer1 ;------------------------------------- ;Set cac gia tri khoi dau( StartUp) mov p1,#0h ;Voll=5, Chane=0, SQ=Off, Talk=0 mov Vollum,#5 mov a,Vollum lcall SetVoll mov Chane,#1 lcall SetChane Reset: setb pIndLed setb pDkBeep lcall Dl250ms clr pDkBeep clr Flg_Int0 70 clr Flg_Talk clr Flg_T0 clr Flg_T1 clr Flg_Mode clr Flg_TiOv clr TR1 mov Time0,#0 mov Time1,#0 mov Wide0,#0 mov Mode,#0 mov PulCnt,#0 setb Flg_T1 WaitKeyA: jb Flg_TiOv,Reset ;Sau 5 phut khong an tro ve Reset jb Flg_Mode,ReadKey mov a,Time0 ;Xet Time > 200ms anl a,#0f0h ; jnz TestMode ReadKey: mov c,pKeyDk jc WaitKeyA jnb Flg_T1,WaitKeyA ;When Key An clr pIndLed setb pDkBeep mov TH0,#3ch mov TL0,#0b0h mov Wide0,#0 mov Wide1,#0 clr Flg_T0 setb TR0 ;Start T0 tinh Wide clr TR1 ;Stop T1 mov a,TH1 clr c subb a,#1eh jnc TestKeyN inc Time0 mov a,Time0 jz OverTime TestKeyN: mov R7,#25 lcall Dll ;TestKeyN: jb Flg_Mode,WaitKeyN mov a,PulCnt jnz WaitKeyN ; jnz TestMode ;TestToTalk: jb Flg_Talk,WaitKeyN mov a,Wide0 ;Test a>1s anl a,#0f8h ; xrl a,#0 jz WaitKeyN ;Time=32ms-> set Flag_T0 setb pPuToTalk setb Flg_Talk clr pDkbeep ajmp WaitKeyN 71 OverTime: mov Time0,#17 ajmp TestKeyN TestMode: mov a,PulCnt cjne a,#2,TestM1 mov Mode,PulCnt setb Flg_Mode ajmp ReadKey TestM1: cjne a,#3,ReadKey mov Mode,PulCnt setb Flg_Mode mov a,Chane jz ReadKey mov R0,Chane OutBeep: setb pDkBeep lcall Dl251ms clr pDkBeep lcall Dl251ms djnz R0,OutBeep ljmp ReadKey WaitKeyN: mov c,pKeyDk jnc TestKeyN jnb Flg_T0,TestKeyN ;Ket thuc 1 lan An Fim inc PulCnt setb pIndLed ; Chi dung trong khi thu nghiem clr pDkBeep ; Start T1 mov TL1,#0b0h mov TH1,#03ch mov Time0,#0 mov Time1,#0 clr Flg_T1 setb TR1 ;Stop T0 -> clr TR0 mov a,TH0 clr c subb a,#9eh jnc Xettiep inc Wide0 mov a,Wide0 jz OverWide Xettiep: jb Flg_Talk,Reset0 mov a,Wide0 ;Test a>1s anl a,#0f8h jnz Reset1 ljmp WaitKeyA ;An lau: Ket thuc viec thiet lap mode OverWide: mov Wide0,#0f0h ljmp Xettiep Reset0: clr pPuToTalk clr Flg_Talk 72 ljmp Reset Reset1: mov a,PulCnt cjne a,#2,TestM2 ;Vao SQ: Bam 1+ 1dai cpl pStateSQ ljmp Reset TestM2: mov a,Mode cjne a,#2,TestM3 ;Mode=2:Thay doi Vollume dec PulCnt ; PulCnt-3=Voll dec PulCnt ; Voll= bit 0-2 dec PulCnt mov a,Wide0 anl a,#0f0h jnz GiamVoll mov a,Vollum add a,PulCnt mov Vollum,a anl a,#0f8h jnz MaxVollum OutVoll: lcall SetVoll jmp Reset MaxVollum: mov Vollum,#7 ajmp OutVoll GiamVoll: clr c mov a,Vollum subb a,PulCnt jc ErrVll mov Vollum,a ajmp OutVoll ErrVll: mov Vollum,#0 lcall Nhay ajmp OutVoll TestM3: cjne a,#3,BaoLoi ; Mode=3:Chon Channel dec PulCnt ; PulCnt-4 = Chane dec PulCnt dec PulCnt dec PulCnt mov a,Wide0 anl a,#0f0h jnz GiamChane mov a,Chane add a,PulCnt mov Chane,a anl a,#0f8h jnz MaxChane OutChane: lcall SetChane ljmp Reset MaxChane: 73 mov Chane,#7 ajmp OutChane GiamChane: clr c mov a,Chane subb a,PulCnt jc ErrChane mov Chane,a ajmp OutChane ErrChane: mov Chane,#1 lcall Nhay ajmp OutChane Baoloi: lcall Nhay lJmp Reset ;----------------------------------- ; Interrupt Routine of Int0 ;----------------------------------- Intr0: clr EX0 ;Cam all Intrr setb Flg_Int0 mov TH0,#0ffh mov TL0,#0ffh setb TR0 clr TR1 mov Time,TH1 mov Time+1,TL1 setb EX0 reti ;----------------------------------- ; Interrupt Routine of Timer0 ;----------------------------------- Timer0: clr ET0 push Acc setb Flg_T0 mov TH0,#0 ;3ch mov TL0,#0 ;b0h inc Wide0 mov a,Wide0 jnz ToEsc0 mov Wide0,#17 ToEsc0: pop acc setb ET0 reti ;----------------------------------- ; Interrupt Routine of Timer1 ;----------------------------------- Timer1: clr ET1 push Acc setb Flg_T1 mov TH1,#0 ;3ch mov TL1,#0 ;b0h inc Time0 mov a,Time0 74 jnz ToEsc1 mov Time0,#17 inc Time1 mov a,Time1 xrl a,#25 jnz ToEsc1 setb Flg_TiOv mov Time1,#0 ToEsc1: pop acc setb ET1 reti ;----------------------------------- ; Sub tao delay 100 ms ;----------------------------------- Dlay1s: mov R5,#4 Dlay: call Dl250ms djnz R5,Dlay ret Dl251ms: mov R7,#250 ajmp Dll Dl250ms: mov R7,#135 Dll: call Dl1ms djnz R7,Dll ret Dl1ms: mov R6,#250 Dl4us: nop nop djnz r6,dl4us ret ;------------------------------------ Nhay: mov R3,#3 Nhay1: setb pIndLed setb pDkBeep lcall Dl250ms clr pIndLed clr pDkBeep lcall Dl250ms djnz R3,Nhay1 ret ;------------------------------------- SetVoll: mov a,Vollum mov c,acc.0 mov pVollB0,c mov c,acc.1 mov pVollB1,c mov c,acc.2 mov pVollB2,c ret ;--------------------------------------- SetChannel: mov a,Chane mov c,acc.0 mov pChaneB0,c mov c,acc.1 75 mov pChaneB1,c mov c,acc.2 mov pChaneB2,c ret ;-------------------------------------- END 76 Chương 6 - KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 6.1 Xác định các tham số kỹ thuật cơ bản của máy thông tin thủy âm 6.1.1 Các tham số điện + Độ ổn định tần số công tác. Do thiết bị làm việc ở chế độ đơn biên, dải thông hẹp nên để đảm bảo độ trung thực tốt nhất cho âm thanh tái tạo sau tách sóng và giải điều chế, độ ổn định tần số càng cao càng tốt. Với điều kiện sử dụng ổn tần thạch anh có độ ổn định 10-6 - 10-7 và varicap với các tham số: RS=0.25, CJO=30.186E-12 độ ổn định tần số phát (đo tại chân Transducer) không vượt quá 10Hz trong cả phiên bật máy 60 phút. Tần số được đo bằng máy.... + Công suất tiêu thụ. Tham số này đặc biệt có ý nghĩa cho máy người lặn. Để đảm bảo cự ly liên lạc 2000m (ở điều kiện lặng sóng) và máy thu có độ nhạy cỡ -110dBm, ở điện áp nguồn nuôi 12v, công suất tiêu thụ ở chế độ chờ đo được 1,5W và 15W ở chế độ phát. Ở mức tiêu thụ này và tỷ lệ thời gian thoại trên thời gian trực canh không quá 1/5, thời gian làm việc liên tục khi dùng 8 pin cỡ AA (Energizer) có thể kéo dài tối thiểu 60 phút. Công suất tiêu thụ được xác định thông qua dòng tiêu thụ ở các chế độ công tác khác nhau khi điện áp nuôi bằng 12v. + Độ nhạy phần thu. Độ nhạy phần thu được xác định bằng mức công suất tín hiệu tác động lên đầu thu của bộ tiền khuyếch đại khi công suất tín hiệu thu được ở đầu ra (S) bằng công suất tạp âm (N). Khi đó (SNR) dB = 10log 10 (S/N) dB = 0. Với sơ đồ tiền khuyếch đại như mô tả trên hình 5.2.1, độ nhạy phần thu đạt xấp xỉ -110 dBm. 77 6.1.2 Các tham số cơ học Đối với máy người lặn, yêu cầu máy phải gọn, nhẹ. Tuy nhiên, với mô hình hiện tại các tham số này chưa đạt được so với nhiều mẫu tương đương của nước ngoài. Tuy nhiên, khối lượng của thiết bị tập trung chủ yếu ở phần vỏ hộp. Với vật liệu vỏ composite, có kích thước 165x130x70 (mm), khối lượng của máy người lặn đo được là 1750g khi nạp pin AAA và 1800g khi dùng acquy. 6.1.3 Các tham số liên quan đến môi trường Nhiệt độ công tác 0-600C. (Điều kiện này được xác định đối với bảng mạch khi các tham số điện không dao động quá 5%) Độ ẩm tương đối 40-98%. Tương tự phần thử nhiệt độ, độ ẩm tương đối được xác định với bảng mạch khi chưa nạp vào vỏ. Tuy nhiên, có thể nói điều kiện đọng nước khi máy làm việc sẽ không xảy ra do nhiệt độ trong máy cao hơn nhiệt độ môi trường. 6.2 Thử nghiệm 6.2.1 Thử nghiệm kín nước trong điều kiện áp lực cao Thử nghiệm kín nước được thực hiện trên thiết bị Áp lực: 2,5Kg/cm2 (tương đương độ sâu khoảng 25m) Thời gian chịu áp lực: 60 phút Kết quả: máy hoạt động bình thường. 6.2.2 Thử nghiệm cự ly liên lạc Các mẫu đã được đo đạc thử nghiệm trong các điều kiện sau: i. Tổ chức thông tin người lặn – người lặn; người lặn – mặt nước; mặt nước – mặt nước ii. Thông tin nước ngọt (sông, hồ) iii. Biển sâu, biển nông; biển lặng, biển động (sóng tới cấp 6). Ngoài các thử nghiệm phục vụ điều chỉnh tham số cho thiết bị, đề đã tài thực hiện 2 đợt thử nghiệm chính thức có giám sát của các cơ quan khác. 78 Đợt 1 thực hiện tại biển Nha Trang vào ngày 26 tháng 12 năm 2006 có kết hợp cùng Phòng Đào tạo, Trường SQ CHKT Thông tin Nha Trang. Đợt 2 thực hiện ngày 1 tháng 3 năm 2006 tại Hồ Tây, Hà Nội với sự giám sát của Ban kế hoạch Viện Điện tử Viễn thông, Phòng Kế hoạch Trung tâm KHKT CNQS và Trung tâm Thử nghiệm Chất lượng, Cục TCĐLCL. (Kết quả thử nghiệm ghi trong Biên bản có kèm theo Tài liệu này và trong Quyển 1, Báo cáo kết quả thực hiện đề tài) Kết quả thử nghiệm cho thấy: a. Các thiết bị chịu được nước biển, áp lực, va đập và kín nước; b. Thời gian làm việc phụ thuộc nguồn nuôi. Khi dùng pin size AA (Energizer) máy người lặn đáp ứng được yêu cầu cho các ca lặn trung bình 60 phút. Thời gian làm việc kéo dài gấp đôi nếu dùng acquy dung lượng 1.65Ah. c. Cự ly liên lạc tin cậy khi tổ chức thông tin giữa người lặn với nhau và với máy chỉ huy (mặt nước) không nhỏ hơn 200m ở điều kiện biển động (sóng cấp 6) và trên 1500m ở điều kiện biển lặng hoặc sông hồ. d. Các chỉ tiêu cơ bản khác đạt được như dự kiến (xem Bảng đặc trưng kỹ thuật trang 54-55 và các biên bản đo lường thử nghiệm thực địa). 79 80 81 82 83 TRƯỜNG SQ CH-KT THÔNG TIN NHA TRANG CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BIÊN BẢN THỬ NGHIỆM Hôm nay, tại Biển Nha Trang, hồi 9 giờ, ngày 26 tháng 12 năm 2005, theo yêu cầu của của chủ trì đề tài cấp Nhà nước KC0124, các thành viên của nhánh “máy liên lạc thủy âm” đã kết hợp với một số cán bộ đang công tác tại Ban Công nghệ thông tin, Phòng Đào tạo, Trường Sĩ quan Chỉ huy – Kỹ thuật Thông tin tiến hành thử nghiệm một số thiết bị liên lạc thủy âm, là sản phẩm do đề tài nghiên cứu thiết kế, lắp ráp với các nội dung cụ thể sau đây: Tham gia thử nghiệm gồm: A. Các cán bộ và thành viên của đề tài: 1. Vũ Ba Đình, chủ trì đề tài nhánh 2. Nguyễn Văn Quân, Thành viên của đề tài 3. Vũ Văn Biều, Thành viên của đề tài B. Các cán bộ tham gia thử nghiệm 1. Nguyễn Ánh Việt, Ban CNTT, Phòng Đào tạo, trường SQ-CHKT Thông tin Nha Trang. 2. Lưu Tôn Ngọc, Ban CNTT, Phòng Đào tạo, trường SQ-CHKT Thông tin Nha Trang. Mẫu thử nghiệm: 1. Máy liên lạc thủy âm dùng trên mặt nước: 02 chiếc. 2. Máy cho người lặn: 02 chiếc. Nội dung và kết quả thử nghiệm 84 Điều kiện thử nghiệm: Trời nắng nhẹ, sóng nhỏ STT NỘI DUNG MÔ TẢ THỬ NGHIỆM KẾT QUẢ 1 Thử độ kín nước cho 02 máy người lặn Toàn bộ máy được nhúng thẳng xuống nước biển sau thời gian 30 phút và kiểm tra lại Máy làm việc bình thường 2 Thử độ kín nước cho 02 máy mặt nước Đổ nước biển lên mặt máy, sau đó kiểm tra lại Máy làm việc bình thường Cự ly 1000m Tốt Cự ly 1500m Tốt Cự ly 2500m Tiếng nhỏ, phân biệt được giọng nói Cự ly 3000m Nghe nói bình thường, bắt đầu chịu ảnh hưởng khi có tầu đi gần 3 Liên lạc giữa hai máy mặt nước Cự ly 3500m Nghe được nhưng khó phân biệt giọng người nói, chịu ảnh hưởng nhiều khi có tầu đi gần Cự ly 500m Tốt Cự ly 1000m Tốt, không phát hiện sự phụ thuộc chất lượng liên lạc vào độ sâu Cự ly 1500m Tiếng nhỏ, phân biệt được giọng nói Cự ly 2500m Nghe nói bình thường, bắt đầu chịu ảnh hưởng khi có tầu đi gần Cự ly 2500m Nghe kém, chịu ảnh hưởng nhiều khi có tầu đi gần 4 Liên lạc giữa máy người lặn với máy mặt nước Cự ly 3000m Khó liên lạc Cự ly 500m Tốt Cự ly 1000m Tốt Cự ly 1500m Tiếng nhỏ, phân biệt được giọng nói 4 Liên lạc giữa hai máy người lặn Cự ly 2000m Nghe nói bình thường, bắt đầu chịu ảnh hưởng khi có 85 tầu đi gần và có phụ thuộc độ sâu (không thấy quy luật) Cự ly 2500m Khó liên lạc Xác nhận của các thành viên tham gia thử nghiệm STT HỌ VÀ TÊN NƠI CÔNG TÁC CHỮ KÝ 1 Nguyễn Ánh Việt Ban CNTT, Phòng Đào tạo, trường SQ-CHKT Thông tin Nha Trang 2 Lưu Tôn Ngọc Ban CNTT, Phòng Đào tạo, trường SQ-CHKT Thông tin Nha Trang 3 Vũ Ba Đình Trung tâm KHKT-CNQS 4 Nguyễn Văn Quân Trung tâm KHKT-CNQS 5 Vũ Văn Biều Trung tâm KHKT-CNQS Xác nhận của cơ quan quản lý Tr−êng sq chkt th«ng tin nha trang ViÖn ®iÖn tö viÔn th«ng 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц, Механика сплошных сред, Москва, 1953. 2. Albers V. M., Underwater Acoustics Instrumentation, 1969. 3. Mackenzie K. V., J. Acoust. Soc. Amer., 32, 100-104,1960. 4. Del Grosso V. A., Naval Res. Lab. Rep. No.6123, Part II, 1965. 5. Tolstoy I., Clay C. S. Ocean acoustics. 6. Б. П. Константинов, ЖТФ 9, 226, 1939. 7. Cremer L. Vorlesungen uber Technische Akustik. Berlin, Springer, 1971. 8. Б. Д. Виноградова и Н. М. Колоярцева, Л. Судостроение, Справочник по технической акустике, Перевод с немецкого, 1980. 9. Finn B. Jensen, William A. Kuperman, Michael B. Portor, Henrik Schmidt, Computational Ocean Acoustics, New York, McGraw-Hill, 2005. 10. Хорбенко, Ультразвук в военном деле 11. Thuyết minh kỹ thuật của đầu tự dẫn ngư lôi СЭТ-53M và Thuyết minh kỹ thuật của trạm liên lạc thuỷ âm МГ-16.