Chương 1: Tổng quan về hệ thống thủy âm Trình bày về sóng âm dưới nước, đặc tính của truyền sóng âm dưới nước và ứng dụng của việc truyền thông tin dưới nước trong thực tế. Chương 2: Xử lý tín hiệu thủy âm Trình bày về phương pháp điều chế, xử lý tín hiệu khi truyền thông tin dưới nước cũng như kiến thức liên quan. Từ lý thuyết đúc kết được, quá trình xử lý tín hiệu sẽ được mô phỏng trực quan trên matlab. Chương 3: Thiết kế hệ thống bộ đàm thủy âm Phân tích, thiết kế hệ thống bộ đàm thủy âm.
Đưa ra bài toán cụ thể, đưa ra yêu cầu thiết kế đối với sản phẩm. Từ đó phân tích để đưa ra giải pháp thiết kế và tiến hành xây dựng sản phẩm. Qua quá trình thí nghiệm, sản phẩm sẽ được phân tích lỗi và đánh giá lại cho đến khi đạt yêu cầu. Chương 4: Kết quả thực nghiệm Trình bày về quá trình thực nghiệm thiết bị, đánh giá kết quả thu được.
Chương 5: Kết luận Kết luận rút ra khi đồ án hoàn thành, đánh giá tổng hợp đề tài và đưa ra phương hướng phát triển. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THỦY ÂM 1.1 Truyền thông tin dưới nước Biển và đại dương bao phủ khoảng 71% bề mặt Trái đất, chứa đựng các nguồn tài nguyên khổng lồ mà phần lớn chưa được khai thác. Biển và đại dương có tầm quan trọng chiến lược về chính trị, quân sự và kinh tế, cũng là nơi cạnh tranh và tranh chấp giữa nhiều quốc gia. Những nguồn lợi về khoáng sản, sinh học, năng lượng của biển và đại dương có một ý nghĩa quan trọng đối với nền kinh tế cũng như hoạt động sống còn của cả hành tinh.
Tuy nhiên, một trong những trở ngại lớn nhất trong việc khai thác nguồn tài nguyên này chính là thông tin liên lạc. Nó có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng như: giám sát môi trường, thăm dò ngoài khơi, thu thập dữ liệu hải dương học và cảnh báo thiên tai… được mô tả như Hình 1. Thay vì phải sử dụng các thiết bị không người lái (UUV - unmanned underwater vehicles) với lộ trình cài sẵn để thu thập thông tin theo định kì thì với công nghệ truyền thông tin dưới nước (UAC - underwater acoustic communication), các nhà nghiên cứu có thể thu thập thông tin liên tục và điều khiển trực tiếp các thiết bị UUV thông qua UAC để khai thác và khám phá đại dương.1 Mô hình thu thập dữ liệu dưới nước bằng công nghệ UAC Mặc dù có nhu cầu rất lớn đối với thông tin liên lạc dưới nước dùng để khám phá đại dương nhưng việc triển khai hệ thống thông tin liên lạc dưới nước khó khăn hơn rất nhiều so với thông tin liên lạc trên cạn. Do bị hạn chế bởi các đặc tính vật lý của nước, 1 các phương tiện truyền thông không phải là sóng âm sẽ bị suy hao nghiêm trọng trong quá trình lan truyền và khúc xạ.
Sóng vô tuyến và sóng ánh sáng có thể truyền tin rất nhanh trong phạm vi rất ngắn dưới nước, nhưng sóng âm vẫn là phương tiện duy nhất được dùng để liên lạc không dây dưới nước ở bất kỳ phạm vi nào. So với các kênh thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến trên mặt đất, các kênh thông tin liên lạc bằng sóng âm dưới nước bị ảnh hưởng bởi: sự suy hao đường truyền lớn, lan truyền đa đường theo thời gian, hiệu ứng doppler, độ trễ truyền cao cũng như băng thông giới hạn và phụ thuộc vào khoảng cách. Những nhược điểm này làm cho việc truyền thông bằng sóng âm dưới nước trở thành một trong những phương thức khó sử dụng nhất. Suy hao lan truyền phụ thuộc vào tần số tín hiệu và khoảng cách truyền.
Do đó, không thể đồng thời đạt được tốc độ dữ liệu cao và khoảng cách liên lạc dài. Với đặc điểm và khó khăn trong việc triển khai hệ thống liên lạc bằng sóng âm dưới nước, một số giải pháp thay thế được đề xuất như: Giao tiếp bằng cáp có thể cung cấp hiệu suất truyền thông mạnh mẽ, nhưng chi phí của nó rất cao và rất khó di chuyển sau khi nó được thiết lập. Sóng vô tuyến thường được sử dụng trong liên lạc trên mặt đất, có độ suy giảm cao, nó sẽ cao hơn rất nhiều khi sử dụng trong đại dương do tính chất dẫn điện của nước muối. Do đó, chúng thường chỉ được sử dụng cho đường truyền tầm ngắn (<100 m) và tầm cực ngắn (<1 m) [1].
Sóng ánh sáng là một phương tiện liên lạc tầm ngắn khác, nhưng chúng bị ảnh hưởng bởi sự tán xạ gây ra bởi các hạt lơ lửng và sinh vật phù du. Ngoài ra, mức độ ánh sáng xung quanh cao cũng là một bất lợi cho truyền thông quang học. So với các phương tiện khác, sóng âm có độ hấp thụ tương đối thấp trong môi trường dưới nước, cho phép truyền thông qua các liên kết tầm xa. Hiện tại, sóng âm là sự lựa chọn hàng đầu cho liên lạc không dây dưới nước.
Mặc dù mô hình kênh âm thanh là cần thiết để phát triển và cần phải đánh giá các kỹ thuật UAC, nhưng không có mô hình kênh âm thanh dưới nước được chấp nhận rộng rãi do sự phức tạp và có quá nhiều sự khác biệt của các kênh âm thanh thực tế. Để có thể triển khai được hệ thống UAC thì việc tìm hiểu đặc tính của sóng âm khi lan truyền dưới nước là việc cần làm đầu tiên.2 Sóng âm trong truyền thông dưới nước Sóng âm là những sóng cơ có thể truyền trong cả môi trường rắn, lỏng khí. Quá trình truyền âm là quá trình làm lan truyền dao động âm. Tính chất truyền sóng được thể hiện trong 2 yếu tố: Trong mỗi môi trường đồng tính thì sóng âm truyền đi với tốc độ không đổi Tốc độ truyền âm phụ thuộc vào tính chất của của môi trường (bản chất, tính đàn hồi, mật độ, nhiệt độ,…).
Nói chung tốc độ âm trong chất rắn lớn hơn trong chất lỏng, trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí: 𝑣 ắ > 𝑣 ỏ >𝑣 í. Vận truyền âm trong không khí khoảng 343.2 m/s, đối với nước biển là 1500m/s và đối với sắt là 6000 m/s [2]. Dựa theo tần số, sóng âm được chia ra làm 3 loại: Hạ âm là những âm có tần số nhỏ hơn 16Hz, tai người không nghe được. Âm nghe được có tần số từ 16Hz đến 20kHz và gây ra cảm giác âm ở tai người.
Siêu âm là âm có tần số lơn hơn 20kHz, tai người không nghe được. Trong môi trường nước, âm thanh có tần số càng cao càng bị suy hao. Nhưng tần số thấp của âm thanh lại bị can nhiễu bởi môi trường. Vì vậy, tùy vào mục đích sử dụng mà tần số sóng mang được lựa chọn kĩ lưỡng.3 Một số ảnh hưởng của môi trường nước với việc truyền sóng âm Hệ số hấp thụ sóng âm ở trong nước có thể ít hơn ở trong không khí đến 1.
Tuy nhiên, bên cạnh đó môi trường nước lại có những trở ngại ảnh hưởng đến truyền sóng: Tạp âm và nhiễu: tạp âm nền được tạo ra từ nhiều nguồn do tự nhiên (độ sâu, thành phần nước,…) và nhân tạo (tàu thuyền, động vật,…). Băng thông bị giới hạn: Trong môi trường nước, âm thanh có tần số càng cao càng bị suy hao. Nhưng tần số thấp của âm thanh lại bị can nhiễu bởi môi trường. Do đó độ rộng băng tần của âm thanh phụ thuộc vào tạp âm, nhiễu, suy hao.
Tốc độ truyền nhỏ: Vận tốc truyền lan trung bình của sóng điện từ trong môi trường là 3 × 10 m/s. Trong khi đó sóng âm thanh truyền dưới nước có vận tốc trung bình 1500m/s là rất nhỏ so với sóng điện từ. 3 Truyền đa đường: Sóng âm thanh lan truyền trong môi trường nước bị phản xạ lại do tiếp xúc với mặt đáy, vật thể, hay do mặt phân cách giữa nước và không khí. Mỗi đường phản xạ có trễ riêng về mặt thời gian, điều đó gây ra hiện tượng nhiễu đa đường bởi sự chồng lấn âm thanh.4 Đặc trưng của kênh thông tin thủy âm 1.1 Sự suy hao của kênh thông tin thủy âm 1.1 Suy hao trải hình học Những yếu tố về môi trường như độ sâu, khoảng cách truyền có nhiều ảnh hưởng tới suy hao tín hiệu.
Để có thể đánh giá ảnh hưởng của suy hao một cách chính xác nhất, người ta chia suy hao thành các loại khác nhau. Có hai hình thức suy hao đường truyền là suy hao do phân bố hình cầu và hình trụ. Suy hao do trải hình học bị gây ra khi sóng âm phát đi bị giới hạn về năng lượng. Nó làm mất những tín hiệu do hiệu ứng hội tụ và phân kì gây ra bởi sự truyền của những sóng âm thanh trong nước như là kết quả của sự khúc xạ, phản xạ và các hiện tượng khác.
- Mô hình suy hao cầu: Mô hình suy hao cầu được áp dụng trong những vùng nước sâu. Trong mô hình này mật độ phổ năng lượng được xác định như sau: r Gsphere ( r ) 20log [dB] (1.1) r0 Trong đó: 𝑟 ∶ Khoảng cách cẩn tính. 𝑟 ∶ Khoảng cách tham chiếu. Như vậy, với suy hao theo phân bố hình cầu, mật độ năng lượng tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc 2 của khoảng cách.
4 - Suy hao phân bố hình trụ Suy hao trụ xuất hiện trong môi trường nước nông, khoảng cách truyền lớn, khi đó năng lượng sóng âm có xu hướng bị giới hạn bởi mặt phẳng nước và mặt đáy. Khoảng cách này là h, yêu cầu thỏa mãn điều kiện lớn hơn khoảng 10 lần bước sóng của sóng âm (h > 10λ).2) r0 Trong đó: 𝑟 ∶ Khoảng cách cẩn tính. 𝑟 ∶ Khoảng cách tham chiếu. Ta rút ra được mối quan hệ giữa mật độ công suất với khoảng cách r là tỉ lệ nghịch.2 Suy hao do hấp thụ Khi lan truyền ra xa dần nguồn phát, năng lượng sóng âm bị hấp thụ thể hiện ở sự chuyển đổi năng lượng sang nhiệt năng do ma sát với môi trường hoặc do hiện tượng phục hồi ion.
Sự hấp thụ năng lượng được mô hình hoá bằng phương trình dưới đây: PLhthu (r , f )( dB ) 10log( ( f )).3) Trong đó: 𝛼 ∶ là hệ số hấp thụ phụ thuộc vào tần số 𝑓. 𝑟 ∶ là khoảng cách xét lượng hấp thu thay đổi. Khi tần số tăng thì hệ số hấp thụ 𝛼 tăng và khi độ sâu tăng thì 𝛼 giảm. Trong nước biển hệ số 𝛼 lớn hơn so với vùng nước ngọt do hệ số phục hồi ion.
Giá trị 𝛼 còn phụ thuộc vào nhiệt độ của nước biển, áp suất hoặc độ sâu.