Luận án TS: Nghiên cứu vận tốc âm, hoàn thiện quy trình lấy mẫu phục vụ thiết bị thủy âm - ĐH Mỏ - Địa chất

Luận án phân tích quy luật biến đổi vận tốc âm trong nước biển vịnh Bắc Bộ Việt Nam và đề xuất quy trình lấy mẫu hiệu quả để phục vụ khai thác tối ưu các thiết

• Tác giả: Nguyễn Văn Cương
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Nam Chinh
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa - bản đồ
• Đề tài: Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực vịnh Bắc Bộ Việt Nam phục vụ khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vận tốc âm trong môi trường nước biển

Vận tốc âm trong môi trường nước biển là tham số quan trọng bậc nhất trong lĩnh vực thủy âm học. Giá trị này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của các phép đo bằng thiết bị thủy âm. Nghiên cứu về vận tốc âm đã được tiến hành từ nhiều thập kỷ trên toàn thế giới. Các công thức thực nghiệm của Medwin, Chen-Millero, Mackenzie đã được xây dựng và áp dụng rộng rãi. Tại Việt Nam, nghiên cứu này đặc biệt quan trọng do điều kiện biển nhiệt đới có những đặc thù riêng. Khu vực Vịnh Bắc Bộ có độ sâu trung bình từ 50-100 mét. Nhiệt độ, độ mặn biến đổi theo mùa rõ rệt. Các yếu tố này tác động mạnh đến phân bố vận tốc âm theo độ sâu. Việc hiểu rõ quy luật biến đổi giúp tối ưu hóa hiệu suất thiết bị thủy âm.

1.1. Lịch sử phát triển công nghệ thủy âm và vận tốc âm

Công nghệ thủy âm phát triển mạnh từ đầu thế kỷ XX. Năm 1975, Medwin đưa ra công thức tính gần đúng vận tốc âm áp dụng cho độ sâu đến 1000 mét. Năm 1977, Chen và Millero công bố công thức áp dụng cho vùng biển sâu với áp suất lớn. Năm 1981, Mackenzie đề xuất công thức chín thành phần cho đại dương. Mỗi công thức có ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng điều kiện biển cụ thể. Các nghiên cứu sau này đều dựa trên cơ sở các công thức thực nghiệm này.

1.2. Tình hình nghiên cứu vận tốc âm tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu về vận tốc âm đã được triển khai từ nhiều năm. Trường Đại học Mỏ - Địa chất là đơn vị tiên phong trong lĩnh vực này. Luận án tiến sĩ của Nguyễn Văn Cương năm 2021 tập trung vào khu vực Vịnh Bắc Bộ. Nghiên cứu áp dụng công thức Medwin theo Thông tư 27/2011/TT-BTNMT. Các kết quả cho thấy vận tốc âm biến đổi đáng kể theo mùa và độ sâu. Sai số tổng hợp bao gồm sai số từ nhiệt độ, độ mặn và độ sâu.

II. Phân tích quy luật biến đổi vận tốc âm ở Vịnh Bắc Bộ

Vịnh Bắc Bộ có đặc điểm hải văn phức tạp. Nhiệt độ nước bề mặt dao động từ 18°C mùa đông đến 30°C mùa hè. Độ mặn biến đổi trong khoảng 30-33‰ tùy vị trí và thời điểm. Các yếu tố này tạo nên cấu trúc vận tốc âm phân tầng rõ rệt. Vào mùa hè, lớp bề mặt ấm tạo ra vùng giảm tốc độ âm. Mùa đông, sự phân tầng yếu hơn dẫn đến phân bố vận tốc đồng đều hơn. Áp suất tăng theo độ sâu làm tăng tuyến tính vận tốc âm. Công thức Medwin được sử dụng phổ biến với độ sâu đến 1000 mét. Kết hợp các tham số hải văn giúp xây dựng mô hình vận tốc âm chính xác. Mô hình này phục vụ lập kế hoạch đo đạc và khai thác thiết bị thủy âm hiệu quả.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ mặn đến vận tốc âm

Nhiệt độ là yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến vận tốc âm trong nước biển. Khi nhiệt độ tăng 1°C, vận tốc âm tăng khoảng 4-5 m/s. Độ mặn cũng tác động tích cực đến vận tốc âm. Tăng 1‰ độ mặn làm tăng vận tốc khoảng 1,3 m/s. Tại Vịnh Bắc Bộ, biến thiên nhiệt độ theo mùa lớn hơn biến thiên độ mặn. Do đó, nhiệt độ đóng vai trò chi phối cấu trúc vận tốc âm. Mùa hè vận tốc bề mặt cao hơn đáy do hiệu ứng nhiệt.

2.2. Tác động của áp suất và độ sâu đến vận tốc âm

Áp suất tăng tuyến tính theo độ sâu. Mỗi 100 mét tăng thêm làm tăng vận tốc âm khoảng 1,7 m/s. Tại Vịnh Bắc Bộ, độ sâu trung bình 50-100 mét. Biến đổi vận tốc do áp suất không lớn như do nhiệt độ. Tuy nhiên, tổng hợp cả hai yếu tố tạo nên gradient vận tốc phức tạp. Việc lấy mẫu theo độ sâu cần đảm bảo mật độ phù hợp. Các phép đo nên cách nhau 5-10 mét ở vùng có biến đổi mạnh.

III. Hoàn thiện quy trình lấy mẫu xác định vận tốc âm

Quy trình lấy mẫu vận tốc âm cần tuân thủ nghiêm ngặt các bước kỹ thuật. Sử dụng máy đo vận tốc âm SVM (Sound Velocity Meter) là phương pháp trực tiếp. Phương pháp bar check giúp kiểm chuẩn thiết bị tại hiện trường. Kết hợp đo trị đo hải văn gồm nhiệt độ, độ mặn, độ sâu. Áp dụng công thức thực nghiệm để tính toán vận tốc âm lý thuyết. So sánh giá trị đo được với giá trị tính toán để đánh giá sai số. Thông tư 27/2011/TT-BTNMT quy định sử dụng công thức Medwin. Quy trình cần được chuẩn hóa cho điều kiện Vịnh Bắc Bộ. Mật độ lấy mẫu theo độ sâu phải phù hợp với cấu trúc nước. Thời gian lấy mẫu cần đại diện cho biến động thủy triều.

3.1. Phương pháp sử dụng công thức thực nghiệm

Công thức Medwin áp dụng cho độ sâu dưới 1000 mét rất phù hợp với Vịnh Bắc Bộ. Đầu vào gồm ba tham số: nhiệt độ (T), độ mặn (S), độ sâu (Z). Sai số tổng hợp tích lũy từ sai số của từng tham số đo. Nhiệt độ cần đo chính xác đến 0,1°C. Độ mặn cần đo chính xác đến 0,1‰. Độ sâu cần xác định chính xác đến 1 mét. Việc hiệu chuẩn thiết bị trước mỗi đợt đo rất quan trọng.

3.2. Kỹ thuật lấy mẫu và kiểm chuẩn thiết bị

Máy SVM cần được kiểm chuẩn bằng phương pháp bar check. Thanh chuẩn đặt cách đầu dò khoảng cách cố định. Giá trị đo phải khớp với khoảng cách đã biết trong sai số cho phép. Lấy mẫu theo độ sâu sử dụng hệ thống cáp có đánh dấu. Mỗi điểm đo ghi lại tọa độ GPS và thời gian. Dữ liệu cần được kiểm tra tính nhất quán trước khi xử lý. Lưu mẫu nước để đối chiếu khi cần.

IV. Ứng dụng và kết luận nghiên cứu vận tốc âm

Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm có ý nghĩa thực tiễn lớn. Kết quả áp dụng trực tiếp cho hoạt động đo đạc bản đồ biển. Thiết bị thủy âm như đo sâu đa tia cần bù vận tốc âm chính xác. Sonar phát hiện mục tiêu cũng phụ thuộc vào mô hình vận tốc âm. Bản đồ phân bố vận tốc âm theo mùa giúp lập kế hoạch đo đạc. Kết luận cho thấy Vịnh Bắc Bộ có đặc thù hải văn riêng biệt. Công thức Medwin phù hợp cho điều kiện độ sâu khu vực này. Quy trình lấy mẫu được đề xuất giúp giảm sai số đo đạc. Nghiên cứu mở hướng cho các vùng biển khác của Việt Nam. Ứng dụng trong khai thác tài nguyên biển và quốc phòng an ninh.

4.1. Ứng dụng trong đo đạc bản đồ biển

Thiết bị đo sâu đa tia sử dụng vận tốc âm để tính toán độ sâu. Sai số 1% vận tốc âm gây sai số 1% độ sâu đo được. Tại vùng sâu 50 mét, sai số này lên đến 0,5 mét. Việc áp dụng mô hình vận tốc âm cải thiện giúp tăng độ chính xác. Bản đồ đáy biển từ đó có chất lượng cao hơn. Hoạt động nạo vét cảng và luồng lạch cũng được hưởng lợi.

4.2. Ý nghĩa đối với nghiên cứu và khai thác thủy âm

Hiểu biết về vận tốc âm giúp tối ưu hóa vùng phủ sóng sonar. Tính toán thời gian truyền âm chính xác cải thiện phát hiện mục tiêu. Trong khai thác hải sản, sonar dò cá hoạt động hiệu quả hơn. Nghiên cứu môi trường biển cũng cần dữ liệu vận tốc âm đáng tin cậy. Kết quả nghiên cứu đóng góp vào cơ sở dữ liệu hải văn quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về vận tốc âm và ứng dụng thiết bị thủy âm trong môi trường nước biển Chương 2. Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm, phương pháp xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển. Ảnh hưởng của vận tốc âm đến độ chính xác của các thiết bị đo thủy âm, quy luật biến đổi vận tốc âm tại Vịnh Bắc Bộ Chương 4.

Xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm khu vực Vịnh Bắc Bộ cho các thiết bị thủy âm và thực nghiệm CSDL. (3) Phần kết luận và kiến nghị. Cơ sở tài liệu - Tài liệu của luận án sử dụng các tài liệu chuyên ngành tại Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam. Bên cạnh đó nghiên cứu sinh cũng sử dụng nguồn tài liệu tại Thư viện Quốc gia Việt Nam và Thư viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

Các số liệu điều tra khảo sát sử dụng số liệu trong nhiều năm tại Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển. - Tài liệu tham khảo trên Internet. Lời cảm ơn Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Nam Chinh, các thầy cô giáo trong Bộ môn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tận tình giúp đỡ, góp ý và tạo những điều kiện tốt nhất để nghiên cứu sinh có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình. Trân trọng cảm ơn ban Lãnh đạo Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển - Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam - Bộ Tài nguyên và Môi trường, các đồng nghiệp, các nhà khoa học đã quan tâm, đóng góp ý kiến để nghiên cứu sinh hoàn thiện tốt hơn bản luận án của mình.

Đặc biệt gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình đã dành những điều kiện tốt nhất về tinh thần và vật chất để tôi có thể hoàn thành tốt nhất khóa học của mình. TỔNG QUAN VỀ VẬN TỐC ÂM VÀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ THỦY ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN 1. Các công trình nghiên cứu trên thế giới về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển. Lịch sử phát triển ứng dụng công nghệ thủy âm Ngay từ những năm trước Công nguyên, nhà triết học Hy Lạp Aristotle (384- 322), đã có nhận định rằng, âm thanh lan truyền trong môi trường nước tốt hơn lan truyền trong không khí.

Sau đó cũng có một số nghiên cứu về sự lan truyền âm thanh trong môi trường nước như các nghiên cứu của Leonardo Da Vici (1452- 1519) và Francis Bacon (1561-1626). Cho đến thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX, có một số nhà khoa học như J. Nollet (1700-1770), Alexander Monro (1733-1817) mới thực sự nghiên cứu, tiến hành thử nghiêm xác định vận tốc âm trong môi trường nước để ứng dụng vào một số mục đích khác nhau. Trong các nghiên cứu này, người ta đã sử dụng nguồn âm là tiếng chuông (bell) phát dưới nước.

Năm 1826, nhà vật lý người Thụy sĩ J. Calladon (1802-1893) và nhà toán học người Pháp là J. Sturm (1803-1855) đã triển khai thực nghiệm xác định vận tốc âm tại hồ Geneva (Thụy Sĩ) ở nhiệt độ nước là 8oC. Giá trị vận tốc âm xác định được lúc bấy giờ là 1435m/s, chỉ sai khác với giá trị vận tốc âm xác định hiện nay cỡ 3m/s.

Trong khoảng những năm 1830-1860 đã có một số nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng sóng âm trong môi trường nước với mục tiêu là để xác định độ sâu lớp nước và xác định khoảng cách giữa các con tàu trên biển, hình thành kỹ thuật thủy âm. Thời gian tiếp theo, các nhà khoa học cũng quan tâm nghiên cứu để hoàn thiện dần các thiết bị kỹ thuật thủy âm như chế tạo các nguồn sóng âm và chế tạo các ống thu âm. Sự kiện chìm tàu Titanic do con tàu cỡ lớn này va vào tảng băng trôi khổng lồ trên Đại Tây Dương vào tháng 4 năm 1912 đã hối thúc các nhà khoa học tích cực triển khai nghiên cứu phương pháp dò thủy âm (Hydroaucoustic Sonar) sử dụng sóng âm. Nhờ các cố gắng của các nhà khoa học, đến năm 1914, bằng thiết bị dò thủy âm người ta đã có thể phát hiện được các tảng băng trôi ở khoảng cách 3,2 km 8 [2].

Trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất (1914-1918), nước Đức đã bắt đầu chế tạo tàu ngầm, từ đó các ứng dụng kỹ thuật thủy âm trong lĩnh vực quân sự bắt đầu phát triển. Trong thời gian này các nhà kỹ thuật ở Pháp, Anh, Hoa Kỳ cũng phát triển ứng dụng kỹ thuật thủy âm trong quân sự và đã đạt được những thành tựu quan trọng, trong đó phải kể đến Paul Langevin (Pháp), Robert W. Lichte (Đức) đã khái quát được mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ, độ muối và áp suất tĩnh đến vận tốc lan truyền sóng âm trong nước. Dựa trên những nghiên cứu và kỹ thuật đạt được trước đó, trong khoảng thời gian sau Chiến tranh Thế giới thứ I đến Chiến tranh Thế giới thứ II, người ta vẫn tiếp tục phát triển ứng dụng kỹ thuật thủy âm trong chế tạo thiết bị thủy âm phục vụ quân sự và dân sự.

Những năm tiếp theo, kỹ thuật dò thủy âm đã phát triển khá mạnh nhờ sự phát triển của các kỹ thuật khác như sự ra đời của đồng hồ thạch anh (1927), vật liệu từ giảo, đầu phát biến áp điện, đầu phát biến điện giảo vv. Kỹ thuật dò thủy âm (sonar) được chia thành hai nguyên lý là kỹ thuật (sonar) chủ động và (sonar) thụ động. Trong kỹ thuật chủ động, người ta tạo tín hiệu âm phát đi và thu tín hiệu phản hồi từ đó xác định được khoảng cách và phương hướng tới đối tượng phản xạ, còn trong kỹ thuật thụ động người ta chỉ thu tín hiệu tới từ nguồn phát nào đó. Trong những năm 1970 hệ thống đo sâu đơn tia chính xác (singlebeam echosounder) và hệ thống dò thuỷ âm quét sườn (Side-Scan Sonar) được chế tạo.

Những năm 1980 người ta đã chế tạo ra máy đo sâu hồi âm 2 tần số. Năm 1984 người ta đã chế tạo được máy đo sâu hồi âm đa tia (multibeam echosounder). Năm 1995 người ta đã sản xuất ra hệ thống đo sâu chùm tia cho vùng nước nông. Từ năm 2000 trở lại đây, xu hướng tích hợp công nghệ cảm biến (sensor) với các thiết bị đo đạc khác được phát triển mạnh mẽ.

Hiện nay, nhờ ứng dụng thành tựu của tin học và kỹ thuật số, các thiết bị thủy âm không ngừng hoàn thiện về độ chính xác, về kích thước và tính tiện dụng trong thực tế. 9 Sự phát triển của đo đạc địa hình dưới nước có liên quan chặt chẽ với việc hoàn thiện không ngừng của phương pháp đo sâu. Trước khi máy đo sâu hồi âm ra đời, việc đo vẽ địa hình dưới nước chỉ dựa vào quả dọi, chì đo sâu, thước đo sâu. Phương pháp đo sâu thủ công này không những độ chính xác rất thấp, tốn công sức và thời gian mà còn cho hiệu suất không cao vì chỉ có thể đo sâu từng điểm khi tàu đứng yên.

Mặt khác, độ sâu đo được lại bị hạn chế nên không thể tiến hành đo vẽ địa hình dưới nước và nghiên cứu sự phát triển của hải dương. Công tác thủy đạc hiện đại sử dụng nhiều loại thiết bị và phần mềm kết nối với nhau. Các thiết bị này có thể được lắp đặt trên nhiều loại tàu, thuyền và các phương tiện không người lái dưới mặt nước UUVs (Unmanned Underwater Vehicles) như AUVs (Autonomous underwater vehicles - robot ngầm tự hành) hay ROVs (Remotely operated underwater vehicles - robot ngầm điều khiển từ xa) hoặc trên các tàu lớn và có thể bao gồm các máy quét sườn, máy đo sâu sóng âm đơn tia hay đa tia. Thêm vào đó, các hệ thống đo sâu sử dụng sóng âm giao thoa (Interferometric sonar systems) có khả năng thu được các dải quét rộng ở các vùng nước nông.

Các tiến bộ của công nghệ dò bằng sóng âm (sonar - Sound Navigation and Ranging) độ mở tổng hợp (synthetic aperture) sẽ cho phép thu nhận được nhiều thông tin hơn về môi trường biển và được lập bản đồ. Công nghệ này có khả năng tạo ra các bộ dữ liệu có độ phân giải cao hơn, mở ra các ứng dụng mới của dữ liệu sonar như giám sát chuyển động của các luồng cá và các quần thể sinh vật [2]. Hiện nay công tác thủy đạc (đặc biệt tại các vùng nước nông - dưới 50m và trong) ngày càng được thực hiện nhiều bằng công nghệ đo sâu bằng sóng laser từ máy bay (Airborne Lidar Bathymetry - ALB). Ưu điểm nổi bật của công nghệ LIDAR là cho phép đo nhanh và với độ chính xác cao nhờ sử dụng các kỹ thuật laser hiện đại.

Sự khác biệt rõ rệt nhất là công nghệ đo sâu bằng sóng âm là tối ưu ở các vùng nước sâu trong khi công nghệ ALB tỏ ra có hiệu quả và an toàn hơn tại các vùng nước với độ sâu không vượt quá 50 m với điều kiện là nước phải tương đối trong. Một ưu điểm nữa của công nghệ ALB là ngoài độ sâu còn đo được cả độ cao của vùng đất ven bờ biển, cho phép thu được khối dữ liệu liên tục độ cao (trên 10 đất liền) - độ sâu (dưới biển). Các nghiên cứu ngoài nước về vận tốc âm và sự biến đổi vận tốc âm Năm 1950 đã công bố tài liệu Địa chất biển của Giáo sư địa chất Ph. Kuenen trường đại học Groningen Hà Lan [26].

Trong tài liệu này đã đề cập tới các đặc tính của nước biển như độ mặn, nhiệt độ, mật độ vật chất trong nước. Đã có các nghiên cứu về sự phân bố của các đặc tính trên tại các vùng như biển Baltic, biển Địa Trung Hải, biển Đen, Hình 1.1 biểu thị các giá trị nhiệt độ độ mặn theo độ sâu tại khu vực biển nói trên.1 Mặt cắt theo độ sâu tại các lưu vực của nhiệt độ, độ mặn, mật độ và oxy hòa tan tại biển Baltic, biển Địa Trung Hải, biển Đen [26]. Kuenen đã đưa ra mối quan hệ giữa lượng mưa, lượng nước bay hơi, độ mặn của nước biển tại vĩ độ 40o N và 50oS, mối tương quan giữa lượng mưa, lượng nước bay hơi, độ mặn được thể hiện trên Hình 1. Tại thời điểm này, các nghiên cứu ban đầu đã đánh giá sự biến đổi vận tốc âm dựa trên các biến đổi theo thời gian, theo vị trí và theo sự biến đổi của thời tiết nhưng chưa có điều kiện đi sâu nghiên cứu về vận tốc âm với các thiết bị thủy âm.