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.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với 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" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Cương, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đặng Nam Chinh tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất (Hà Nội, năm 2021). Luận án thuộc ngành Kỹ thuật trắc địa - bản đồ, mã số chuyên ngành 9520503.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Việt Nam có bờ biển dài khoảng 3.260 km trải dài từ Móng Cái đến Hà Tiên nằm ở phía tây Biển Đông, với mật độ cửa sông trung bình khoảng 23 km có một cửa sông đổ ra biển. Trong công tác thành lập bản đồ địa hình đáy biển, bản đồ chuyên đề và thi công công trình ngầm dưới nước, các thiết bị thủy âm (như máy đo sâu hồi âm đơn tia, đa tia, thiết bị quét sườn, hệ thống định vị thủy âm) được khai thác và ứng dụng phổ biến.

Trong quá trình vận hành thiết bị thủy âm, kết quả đo chịu ảnh hưởng bởi nhiều nguồn sai số: thiết bị định vị GNSS, thiết bị cảm biến cải chính chuyển động tàu, sai số lắp đặt cơ học và đặc biệt là sai số xác định vận tốc truyền sóng âm trong cột nước biển. Vận tốc sóng âm trong môi trường nước biển biến đổi phức tạp theo nhiệt độ, độ mặn và độ sâu (áp suất thủy tĩnh). Khi độ sâu khảo sát tăng lên, sai số xác định vận tốc âm sẽ làm sai số đo sâu tăng dần tương ứng.

Ở nước ngoài, các cơ sở lý thuyết và mô hình vận tốc âm đã được nghiên cứu tương đối toàn diện. Tại Việt Nam, nhiều công trình đã nghiên cứu về vật lý biển, địa chất biển, địa vật lý thềm lục địa nhưng việc nghiên cứu quy luật phân bố vận tốc sóng âm phục vụ trực tiếp cho việc khai thác thiết bị thủy âm còn hạn chế, chủ yếu dừng lại ở các quan sát đại diện trên diện rộng của Biển Đông hoặc các khu vực nước sâu. Vịnh Bắc Bộ là vùng biển nông đặc thù với hệ thống cửa sông dày đặc, biên độ biến thiên nhiệt độ và độ mặn theo mùa rất lớn, song chưa có công trình nào đánh giá chi tiết quy luật biến đổi vận tốc âm đa chiều (theo kinh tuyến, vĩ tuyến, độ sâu và thời gian) để chuẩn hóa quy trình lấy mẫu phục vụ đo vẽ địa hình đáy biển. Do đó, việc nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm và hoàn thiện quy trình lấy mẫu tại khu vực này là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận phân tích, xác định đặc điểm, quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ Việt Nam để hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm phục vụ khai thác hiệu quả thiết bị thủy âm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Cơ sở dữ liệu về nhiệt độ, độ mặn, độ sâu và vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ theo các trường không gian và thời gian.
• Phạm vi không gian: Khu vực vùng biển Vịnh Bắc Bộ Việt Nam.
• Phạm vi nội dung: Nghiên cứu sự biến đổi của các yếu tố hải văn (nhiệt độ, độ mặn, độ sâu/áp suất) tác động đến vận tốc sóng âm; phân tích mức độ ảnh hưởng của biến đổi vận tốc âm đến độ chính xác của các thiết bị thủy âm thông dụng; xây dựng cơ sở dữ liệu và đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm cho công tác khảo sát thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn.

Nội dung nghiên cứu chính

1. Thu thập, phân tích và chuẩn hóa các nguồn số liệu về nhiệt độ, độ mặn, vận tốc âm, mặt cắt âm tại vùng biển Vịnh Bắc Bộ; đề xuất giải pháp bổ sung số liệu ở các vùng còn khuyết.
2. Nghiên cứu đặc tính phân bố và quy luật biến đổi của vận tốc âm theo vùng địa lý, theo mặt cắt cột nước và theo chu kỳ thời gian (tháng, mùa) tại Vịnh Bắc Bộ.
3. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định vận tốc âm trung bình, đánh giá ảnh hưởng của sai số vận tốc âm đến độ chính xác của các hệ thống thiết bị thủy âm theo các tiêu chuẩn quốc tế và quy định hiện hành tại Việt Nam.
4. Xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm Vịnh Bắc Bộ, phát triển công cụ trích xuất dữ liệu, kiểm chứng thực nghiệm và đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm tối ưu cho công tác đo đạc thủy âm.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu về âm học dưới nước bắt đầu từ nhận định sơ khai của Aristotle (384-322 TCN), sau đó là các ghi nhận của Leonardo Da Vinci (1452-1519) và Francis Bacon (1561-1626). Đến thế kỷ XVIII - XIX, J. Nollet và Alexander Monro bắt đầu thử nghiệm nguồn âm dưới nước bằng chuông. Năm 1826, nhà vật lý J. Calladon và nhà toán học J. Sturm thực hiện thí nghiệm đo vận tốc âm tại hồ Geneva (Thụy Sĩ) ở nhiệt độ 8°C, đạt kết quả 1435 m/s (chỉ chênh lệch khoảng 3 m/s so với giá trị chuẩn hiện nay).

Sau sự kiện chìm tàu Titanic năm 1912, công nghệ dò thủy âm (Sonar) được thúc đẩy mạnh mẽ, dẫn đến việc chế tạo thiết bị phát hiện tảng băng trôi ở cự ly 3,2 km vào năm 1914. Trong Thế chiến I và II, các nhà khoa học như Paul Langevin (Pháp) và Robert W. Lichte (Đức) đã khái quát hóa ảnh hưởng của nhiệt độ, độ muối và áp suất thủy tĩnh đến sự lan truyền sóng âm trong nước phục vụ tàu ngầm.

Sự ra đời của đồng hồ thạch anh (1927), đầu phát biến áp điện và điện giảo đã thúc đẩy công nghệ thủy âm phát triển:

• Thập niên 1970: Ra đời hệ thống đo sâu đơn tia chính xác (Singlebeam Echosounder - SBES) và thiết bị dò quét sườn (Side Scan Sonar - SSS).
• Thập niên 1980: Máy đo sâu hồi âm hai tần số và máy đo sâu đa tia (Multibeam Echosounder - MBES, năm 1984) được chế tạo.
• Thập niên 1990 - 2000: Phát triển hệ thống đo sâu chùm tia vùng nước nông (1995), tích hợp cảm biến đa năng, phương tiện lặn không người lái (AUV, ROV), hệ thống giao thoa sonar và công nghệ đo sâu laser từ máy bay (Airborne Lidar Bathymetry - ALB).

Về mặt lý thuyết tính toán vận tốc âm, các công trình quốc tế tiêu biểu gồm:

• Ph. Kuenen (1950): Nghiên cứu đặc tính nhiệt độ, độ mặn, mật độ tại biển Baltic, Địa Trung Hải, Biển Đen và tương quan bốc hơi - lượng mưa tại vĩ độ 40°N - 50°S.
• Wayne D. Wilson (1960, 1990): Xây dựng công thức thực nghiệm tính vận tốc âm theo nhiệt độ, độ mặn và áp suất cho vùng nước sâu.
• V.A. Del Grosso (1974): Đưa ra phương trình vận tốc âm cho môi trường nước tự nhiên trong dải độ sâu từ 0 đến 11.000 m.
• Medwin (1975): Đề xuất công thức tính gần đúng vận tốc âm cho vùng nước có độ sâu đến 1.000 m.
• Chen và Millero (1977): Công bố phương trình vận tốc âm ở áp suất cao (thuật toán UNESCO).
• Mackenzie (1981): Xây dựng công thức 9 số hạng cho các đại dương với dải nhiệt độ 2 - 30°C, độ mặn 25 - 40 ppt, độ sâu 0 - 8.000 m.
• Coppens (1981): Đưa ra công thức tính cho độ sâu 0 - 4.000 m, nhiệt độ 0 - 35°C, độ mặn 0 - 45 ppt.
• C. Leroy và F. Parthiot (1998): Thiết lập công thức chuyển đổi chính xác giữa áp suất thủy tĩnh và độ sâu theo vĩ độ.
• Thomas H. Neighbors III và David Bradley (2017): Hệ thống hóa ứng dụng âm học dưới nước trong đo đạc và định vị.

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu biển được tiến hành từ thập niên 1920 bởi tàu nghiên cứu của Pháp, tiếp đó là các chương trình hợp tác Việt - Trung (1959-1962), Việt - Xô (1960-1961) tập trung vào nguồn lợi hải sản và địa chất thềm lục địa. Từ năm 1988 đến 1995, Bộ Tư lệnh Hải quân triển khai thành lập bản đồ độ sâu tỷ lệ nhỏ vùng ven biển. Từ năm 1999, Bộ Tài nguyên và Môi trường triển khai đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:50.000.

Các công trình nghiên cứu chuyên ngành liên quan gồm:

• Nguyễn Minh Huấn: Giáo trình Vật lý biển, trình bày các phương trình thủy nhiệt động học và âm học biển cơ bản.
• Phạm Văn Huấn (2003): Sách dịch Cơ sở âm học đại dương, cung cấp cơ sở lý thuyết trường âm.
• Dương Quốc Lương (2006): Đề tài cấp Bộ tại Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển (SEAMAP) về Ứng dụng máy đo vận tốc âm trong công tác đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển.
• Phạm Văn Thục (2011): Sách chuyên khảo Âm học biển và trường sóng âm tại khu vực Biển Đông Việt Nam.
• Vũ Hồng Tập (2011): Luận văn Thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc âm đến đo sâu đơn tia.
• Phạm Vũ Vinh Quang (2013): Luận văn Thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng công nghệ dò quét sườn trong đo vẽ địa hình đáy biển.
• Tăng Quốc Cương (2013): Đề tài nghiên cứu hiệu chỉnh độ nghiêng đầu biến âm máy đo sâu đơn tia.
• Các chương trình điều tra KC.09, dự án điều tra nhiệt - mặn Vịnh Bắc Bộ (1999) và dự án Cơ sở dữ liệu biển Quốc gia (2001-2002, hệ CSDL VODC 3).

Vị trí và khoảng trống nghiên cứu của luận án

Các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam chủ yếu tiếp cận theo hướng vật lý biển tổng thể, khảo sát hải sản hoặc áp dụng thiết bị thủy âm đơn lẻ mà chưa đi sâu giải quyết đồng bộ mối quan hệ giữa biến đổi hải văn cục bộ và sai số vận tốc âm trong đo đạc thủy đạc. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: Phân tích toàn diện quy luật phân bố trường vận tốc âm 3D theo không gian và thời gian tại Vịnh Bắc Bộ, từ đó xây dựng cơ sở dữ liệu số và tối ưu hóa quy trình lấy mẫu vận tốc âm nhằm nâng cao độ chính xác, hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cho các thiết bị thủy âm.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết thủy âm học

Sóng âm lan truyền trong môi trường chất lỏng là dạng sóng cơ học dọc, tạo nên dao động áp suất xung quanh trạng thái cân bằng. Áp suất thừa $P_e$ tại một điểm được xác định bởi: $$P_e = P - P_0$$ Trong đó $P$ là áp suất tức thời và $P_0$ là áp suất thủy tĩnh cân bằng.

Độ nén của môi trường $s$ (nghịch đảo của môđun đàn hồi thể tích) biểu diễn mối quan hệ giữa độ biến thiên thể tích $\Delta v / v_0$ và áp suất thừa $P_e$: $$s = \frac{\Delta v / v_0}{P_e}$$

Vận tốc lan truyền sóng âm $v$ trong môi trường phụ thuộc vào hệ số tải trọng $k$ (nghịch đảo của $s$) và mật độ trung bình $\rho_0$: $$v = \sqrt{\frac{k}{\rho_0}} = \sqrt{\frac{1}{s \rho_0}}$$ Trong môi trường nước, với $k = 2,2 \times 10^{-9} \text{ Pa}$ và $\rho_0 = 1000 \text{ kg/m}^3$, vận tốc sóng âm xấp xỉ $1480 \text{ m/s}$ (so với khoảng $330 \text{ m/s}$ trong không khí và $5050 \text{ m/s}$ trong thép).

Mật độ năng lượng sóng âm $W$ (tổng động năng và thế năng trên một đơn vị thể tích) đối với sóng phẳng được xác định qua áp suất âm $P$, mật độ $\rho$ và vận tốc $v$: $$W = \frac{P^2}{\rho v^2}$$

Mức cường độ âm $L$ được tính bằng thang đo Decibel (dB) so với cường độ âm chuẩn $I_0 = 10^{-12} \text{ W/m}^2$: $$L(\text{dB}) = 10 \lg\left(\frac{I}{I_0}\right)$$

Sự phân bố tần số âm theo độ sâu đo đạc trong kỹ thuật thủy âm:

• Vùng nước nông dưới 100 m: Tần số cao trên 200 kHz.
• Vùng nước độ sâu từ 100 m đến 1500 m: Tần số từ 50 kHz đến 200 kHz.
• Vùng nước sâu trên 1500 m: Tần số thấp từ 12 kHz đến 50 kHz.
• Thiết bị khảo sát địa tầng nông / bề mặt đáy biển: Tần số dưới 8 kHz.

Băng tần bộ phát biến $W = f_2 - f_1$ và hệ số phẩm chất $Q = f_0 / W$ có mối quan hệ nghịch đảo. Để truyền năng lượng tối ưu, đầu phát cần hoạt động gần tần số cộng hưởng $f_0$ với băng thông hẹp ($Q$ cao), thỏa mãn điều kiện độ rộng xung $\tau$: $W \ge 1/\tau$.

Phương trình truyền âm tổng quát mô tả sự suy giảm năng lượng do hấp thụ (chủ yếu bởi muối $\text{MgSO}_4$), tán xạ sinh vật (lớp phản xạ sâu DSL) và tổn thất hình học: $$EE = SL - 2TL - (NL - DI) + BS - DT$$ Trong đó: $EE$ là số dư âm thanh; $SL$ là mức nguồn âm; $TL$ là tổn thất truyền lan; $NL$ là mức độ nhiễu; $DI$ là chỉ số hướng; $BS$ là cường độ tán xạ ngược đáy biển; $DT$ là ngưỡng tách sóng.

Các mô hình thực nghiệm tính vận tốc âm

1. Công thức Del Grosso (1974): $$v(S, T, P) = V_{000} + v_T + v_S + v_P + v_{STP}$$ Với $V_{000} = 1402,388 \text{ m/s}$, áp dụng cho dải nhiệt độ 0 - 30°C, độ mặn 30 - 40 ppt, áp suất 0 - 1000 $\text{kg/cm}^2$.

2. Công thức Medwin (1975): $$v = 1449,2 + 4,6T - 0,055T^2 + 0,00029T^3 + (1,34 - 0,010T)(S - 35) + 0,016D$$ Áp dụng cho $0 \le T \le 35^\circ\text{C}$, $0 \le S \le 45\text{ ppt}$, $0 \le D \le 1000\text{ m}$. Đây là công thức được quy định sử dụng trong kiểm nghiệm thiết bị đo đạc biển theo Thông tư 27/2011/TT-BTNMT.

3. Công thức Mackenzie (1981): $$v(D, S, T) = 1448,96 + 4,591T - 5,304 \times 10^{-2}T^2 + 2,374 \times 10^{-4}T^3 + 1,340(S - 35) + 1,630 \times 10^{-2}D + 1,675 \times 10^{-7}D^2 - 1,025 \times 10^{-2}T(S - 35) - 7,139 \times 10^{-13}TD^3$$ Áp dụng cho $T \in [2, 30]^\circ\text{C}$, $S \in [25, 40]\text{ ppt}$, $D \in [0, 8000]\text{ m}$.

4. Mô hình chuyển đổi áp suất sang độ sâu của Leroy và Parthiot (1998): $$D = \frac{9,72659 \times 10^2 P - 2,512 \times 10^{-1} P^2 + 2,279 \times 10^{-4} P^3 - 1,82 \times 10^{-7} P^4}{g(\phi) + \frac{1}{2} \times 2,202 \times 10^{-6} P}$$ Với $g(\phi) = 9,7803 (1 + 5,3 \times 10^{-3} \sin^2\phi - 5,9 \times 10^{-6} \sin^2 2\phi)$.

Bảng mức độ nhạy cảm của vận tốc âm theo sai số tham số đầu vào

Theo công thức Medwin, mức độ ảnh hưởng của sai số đo đạc nhiệt độ, độ mặn và độ sâu đến kết quả tính toán vận tốc âm được tổng hợp như sau:

Đại lượng đo	Sai số thành phần	Biến thiên vận tốc âm $\Delta v$ (m/s)
Nhiệt độ ($T$)	$\pm 0,1^\circ\text{C}$	$\pm 0,46$
	$\pm 1,0^\circ\text{C}$	$\pm 4,55$
Độ mặn ($S$)	$\pm 0,1\text{ ppt}$	$\pm 0,14$
	$\pm 1,0\text{ ppt}$	$\pm 1,34$
Độ sâu ($D$)	$\pm 1,0\text{ m}$	$\pm 0,01$
	$\pm 100,0\text{ m}$	$\pm 1,62$

Ghi chú: Giá trị vận tốc âm ở điều kiện chuẩn ($T = 0^\circ\text{C}$, $S = 35\text{ ppt}$, $D = 0\text{ m}$) là $1449,36\text{ m/s}$.

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp phân tích thống kê số liệu: Phân tích chuỗi số liệu nhiệt độ, độ mặn, vận tốc âm tại Vịnh Bắc Bộ theo không gian 3 chiều và chuỗi thời gian 12 tháng/4 mùa.
• Phương pháp cơ sở dữ liệu: Thiết kế cấu trúc cơ sở dữ liệu quan hệ, chuẩn hóa số liệu từ CSDL Hải dương Quốc tế (WOD) và CSDL GDEMV 3.0 của Viễn Đông Nga, lập trình công cụ phần mềm quản lý và trích xuất mặt cắt vận tốc âm.
• Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện đo kiểm tra trực tiếp ngoài hiện trường bằng thiết bị đo mặt cắt vận tốc âm chuyên dụng SVP 15, phương pháp tấm kiểm tra (bar check), và cảm biến CTD.
• Phương pháp so sánh, đối chuẩn: Tính toán độ lệch giữa số liệu trích xuất từ cơ sở dữ liệu và số liệu đo thực tế tại các trạm; đối chiếu với các chuẩn khảo sát thủy đạc quốc tế (IHO S-44, CHS, IMCA) và tiêu chuẩn Việt Nam.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về vận tốc âm và ứng dụng thiết bị thủy âm trong môi trường nước biển

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển của ngành thủy âm học và các thiết bị khảo sát dưới nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Tác giả phân tích các mốc phát triển công nghệ từ phương pháp đo sâu thủ công (dây rọi, thước chì) đến các thiết bị đo sâu hồi âm đơn tia (SBES), đa tia (MBES), thiết bị quét sườn (SSS), định vị thủy âm dưới nước và công nghệ đo sâu quang học bằng laser (ALB).

Chương này tổng thuật chi tiết các công trình nghiên cứu về trường nhiệt - muối và vận tốc âm tại Biển Đông và Vịnh Bắc Bộ (của Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, Bộ Tư lệnh Hải quân, Tổng cục Biển và Hải đảo, Chương trình KC.09). Tác giả chỉ ra rằng hầu hết các nghiên cứu trước đây chỉ khảo sát ngắn hạn tại một số trạm cố định (như đợt khảo sát 17 trạm trong tháng 12/1998 và tháng 6/1999) hoặc phục vụ nghiên cứu hải sản diện rộng. Chưa có công trình nào mô hình hóa chi tiết quy luật biến đổi vận tốc âm theo đầy đủ các tháng trong năm tại Vịnh Bắc Bộ để phục vụ trực tiếp cho công tác hiệu chỉnh sai số thiết bị đo đạc thủy đạc.

Chương 2. Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm, phương pháp xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển

Chương 2 tập trung thiết lập cơ sở toán - vật lý về sóng âm trong môi trường nước biển. Nội dung phân tích chi tiết:

• Bản chất vật lý của sóng dọc, quan hệ giữa thừa áp $P_e$, lực nén $s$, mật độ $\rho_0$ và môđun đàn hồi thể tích $k$.
• Sự suy giảm năng lượng âm do phân ly ion $\text{MgSO}_4$, hiện tượng tán xạ do bọt khí tầng mặt ($0 - 15\text{ m}$) và các hạt phù du tầng tán xạ sâu (DSL).
• Phân tích so sánh 6 công thức thực nghiệm tính vận tốc âm phổ biến trên thế giới: Wilson (1960), Del Grosso (1974), Medwin (1975), Chen - Millero (1977), Mackenzie (1981) và Coppens (1981).
• Xác định phạm vi ứng dụng: Công thức Medwin (1975) phù hợp nhất với vùng biển nông Việt Nam ($D < 1000\text{ m}$) và được chuẩn hóa trong công tác kiểm nghiệm thiết bị theo quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường.
• Đánh giá ba phương pháp xác định vận tốc âm thực tế:
  1. Đo gián tiếp các thông số hải văn ($T, S, D$) bằng đầu đo CTD và tính toán qua công thức thực nghiệm.
  2. Đo trực tiếp bằng thiết bị đo mặt cắt vận tốc âm (Sound Velocity Profiler - SVP / Sound Velocity Meter - SVM, như SVP 15).
  3. Đo kiểm chuẩn độ sâu bằng tấm phản xạ đáy (bar check).

Chương 3. 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 3 giải quyết hai vấn đề trọng tâm:

1. Đánh giá ảnh hưởng của sai số vận tốc âm đến các thiết bị thủy âm:

• Hiện tượng khúc xạ tia âm theo định luật Snell ($v_1 / \sin\alpha_1 = v_2 / \sin\alpha_2$) làm cong đường truyền âm khi đi qua các lớp nước có gradien vận tốc khác nhau.
• Đối với máy đo sâu đơn tia: Sai số vận tốc âm trung bình $\Delta v$ gây sai số trực tiếp đến độ sâu đo được $\Delta D = \frac{1}{2} \Delta v \cdot t$.
• Đối với máy đo sâu đa tia: Khúc xạ âm làm méo dạng mặt cắt địa hình quét ngang (hiệu ứng "mặt cười" hoặc "mặt cau có" ở các chùm tia ngoài biên).
• Đối với thiết bị quét sườn (Side Scan Sonar) và hệ thống định vị thủy âm (USBL): Làm lệch vị trí tọa độ mặt phẳng $(X, Y)$ và độ sâu đối tượng ngầm.
• Phân tích các tiêu chuẩn độ chính xác khảo sát thủy đạc: Tiêu chuẩn S-44 của Tổ chức Thủy đạc Quốc tế (IHO), tiêu chuẩn Cơ quan Thủy đạc Canada (CHS), Thủy đạc New Zealand, Hiệp hội Nhà thầu Hàng hải Quốc tế (IMCA) và các quy chuẩn kỹ thuật đo vẽ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 của Bộ Tài nguyên và Môi trường.

2. Quy luật biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ:

• Phân tích đặc trưng khí tượng - hải văn: Vịnh Bắc Bộ là vịnh nửa kín, độ sâu trung bình nông, chịu ảnh hưởng của chế độ gió mùa và hệ thống dòng chảy nghịch chuyển giữa mùa hè (tháng 8) và mùa đông (tháng 2).
• Phân tích dữ liệu thực nghiệm tại các trạm quan trắc tiêu biểu (Trạm A, B, C) và trạm Bãi Cháy (Quảng Ninh) trong các năm 2006, 2010.
• Xây dựng hệ thống bình đồ và mặt cắt vận tốc âm theo mạng lưới:
  • 14 mặt cắt theo các vĩ tuyến từ $17^\circ 45'\text{N}$ đến $21^\circ 30'\text{N}$ (khoảng cách $15'$).
  • 11 mặt cắt theo các kinh tuyến từ $105^\circ 45'\text{E}$ đến $108^\circ 15'\text{E}$ (khoảng cách $15'$).
• Phát hiện quy luật: Vận tốc âm tại Vịnh Bắc Bộ biến thiên mạnh theo mùa và theo tháng trong năm, biên độ dao động giá trị vận tốc âm giữa các tháng lên tới 27 m/s, chủ yếu do sự thay đổi nhiệt độ bề mặt và độ mặn vùng cửa sông ven bờ.

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

Chương 4 trình bày giải pháp ứng dụng thực tiễn của luận án:

• Xây dựng CSDL vận tốc âm: Tác giả tích hợp dữ liệu từ Cơ sở dữ liệu Hải dương Quốc tế (World Ocean Database - WOD) và mô hình số môi trường tổng quát GDEMV 3.0 (Cơ sở dữ liệu hải dương học vùng Viễn Đông Nga). Thiết kế mô hình dữ liệu quan hệ, chuẩn hóa các trường thông tin không gian - thời gian, xác định khóa chính và bảng thuộc tính.
• Phát triển chương trình phần mềm khai thác: Xây dựng giao diện cho phép người dùng nhập tọa độ địa lý (kinh độ, vĩ độ), thời gian khảo sát (tháng) và độ sâu để tự động nội suy, trích xuất giá trị vận tốc âm và xuất mặt cắt vận tốc âm chuẩn.
• Thực nghiệm đối chứng và đánh giá độ chính xác:
  • So sánh giá trị vận tốc âm từ CSDL với số liệu đo đạc thực tế bằng thiết bị SVP 15 tại các vị trí khảo sát của Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển.
  • Tính toán độ chênh lệch vận tốc âm và độ lệch độ sâu hiệu chỉnh giữa hai phương pháp.
  • Kết quả chứng minh: Sai số độ sâu khi sử dụng CSDL vận tốc âm hoàn toàn nằm trong giới hạn sai số cho phép theo quy chuẩn thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và các tỷ lệ nhỏ hơn.
• Hoàn thiện quy trình lấy mẫu vận tốc âm: Phân tích bất cập của quy trình lấy mẫu hiện hành (đòi hỏi thả thiết bị đo trực tiếp liên tục gây tốn kém thời gian và chi phí tàu khảo sát). Đề xuất quy trình lấy mẫu mới kết hợp giữa trích xuất CSDL và đo kiểm chứng trực tiếp có chọn lọc theo vùng đặc trưng, giúp tối ưu hóa công tác đo đạc ngoài thực địa.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

1. Luận án đã phân tích, hệ thống hóa và mô hình hóa một cách trực quan quy luật phân bố trường vận tốc sóng âm 3 chiều trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ theo các trục không gian (kinh tuyến, vĩ tuyến, độ sâu) và trục thời gian (12 tháng trong năm).
2. Xác lập mối quan hệ định lượng giữa các yếu tố tự nhiên (nhiệt độ, độ mặn, dòng hải lưu, lượng nước ngọt cửa sông) với sự biến thiên vận tốc âm tại vùng biển nông Vịnh Bắc Bộ, chứng minh biên độ dao động vận tốc âm trong năm đạt tới 27 m/s.
3. Đánh giá toàn diện ảnh hưởng của sự biến đổi vận tốc âm đến độ chính xác của các loại thiết bị thủy âm khác nhau (SBES, MBES, SSS, USBL) dựa trên các tiêu chuẩn thủy đạc quốc tế (IHO S-44, CHS, IMCA) và tiêu chuẩn Việt Nam.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Xây dựng thành công Cơ sở dữ liệu vận tốc âm số hóa cho toàn bộ vùng biển Vịnh Bắc Bộ từ việc tích hợp, chuẩn hóa các nguồn dữ liệu WOD, GDEMV 3.0 và dữ liệu đo đạc thực tế nhiều năm của Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển.
2. Xây dựng phần mềm công cụ hỗ trợ trích xuất nhanh mặt cắt vận tốc âm theo vị trí tọa độ và thời gian khảo sát.
3. Hoàn thiện và đề xuất quy trình lấy mẫu vận tốc âm mới. Việc áp dụng CSDL kết hợp quy trình đề xuất cho phép giảm số lần thả đầu đo trực tiếp ngoài thực địa mà vẫn bảo đảm độ chính xác kỹ thuật đo sâu thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn, nâng cao hiệu suất và giảm chi phí khảo sát biển.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Áp dụng quy trình lấy mẫu vận tốc âm mới và phần mềm CSDL vận tốc âm vào các đơn vị chuyên môn đo đạc bản đồ biển (như Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam, Cục Bản đồ).
• Đề xuất các cơ quan quản lý nhà nước xem xét cập nhật, bổ sung các quy định kỹ thuật về sử dụng CSDL vận tốc âm trong các văn bản quy phạm kỹ thuật đo đạc thủy đạc.
• Mở rộng phương pháp luận của luận án để tiếp tục xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm cho các vùng biển còn lại của Việt Nam (vùng biển Trung Bộ, Nam Bộ và quần đảo Trường Sa - Hoàng Sa).

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Phạm vi dữ liệu và mô hình quy luật trong luận án mới tập trung giải quyết cho khu vực Vịnh Bắc Bộ, chưa bao quát toàn bộ các vùng biển sâu và thềm lục địa phía Nam Việt Nam.
• Độ chính xác của CSDL vận tốc âm hiện tại đã được thực nghiệm chứng minh đáp ứng cho bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn; đối với các công tác khảo sát công trình biển đòi hỏi tỷ lệ siêu lớn (như 1:1.000, 1:2.000 ở sát cửa sông có biến động thủy triều mạnh theo giờ), số liệu CSDL cần kết hợp thêm các phép đo kiểm chuẩn trực tiếp dày đặc hơn.
• Một số khu vực biển xa bờ còn khuyết các chuỗi đo đạc thực tế đồng thời để tăng mật độ kiểm chứng CSDL.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Tiếp tục thu thập, cập nhật số liệu đo sâu và mặt cắt âm thực tế để làm giàu và nâng cao độ phân giải của CSDL vận tốc âm Vịnh Bắc Bộ.
• Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán nội suy không gian nâng cao kết hợp mô hình số trị hải dương để dự báo trường vận tốc âm theo thời gian thực (Real-time Sound Velocity Profile).
• Mở rộng xây dựng CSDL vận tốc âm cho toàn bộ vùng biển đặc quyền kinh tế (EEZ) của Việt Nam.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu có giá trị cho các đối tượng và cơ quan sau:

1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật trắc địa - bản đồ, Địa vật lý biển, Hải dương học, Kỹ thuật công trình biển tại các trường đại học (Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Học viện Kỹ thuật Quân sự).
2. Kỹ sư, kỹ thuật viên đo đạc khảo sát thủy đạc tại các doanh nghiệp, cơ quan chuyên ngành đo đạc biển (Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển - SEAMAP, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam, Bộ Tư lệnh Hải quân, các nhà thầu thành viên IMCA).
3. Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam) trong công tác soát xét, hoàn thiện hệ thống quy chuẩn, thông tư kỹ thuật về hiệu chỉnh thiết bị đo sâu và tiêu chuẩn đo vẽ bản đồ biển.
4. Các nội dung đáng tham khảo đặc biệt:
   • Hệ thống công thức thực nghiệm tính vận tốc âm và bảng phân tích độ nhạy sai số tham số tại Chương 2.
   • Tập bản đồ 25 mặt cắt vận tốc âm theo mạng lưới kinh tuyến và vĩ tuyến phủ trùm Vịnh Bắc Bộ tại Chương 3 và Phụ lục 1.
   • Cấu trúc thiết kế CSDL và quy trình hoàn thiện công tác lấy mẫu vận tốc âm tại Chương 4.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yếu tố nào đóng vai trò chủ đạo chi phối sự biến đổi vận tốc âm tại khu vực Vịnh Bắc Bộ?

Tại Vịnh Bắc Bộ, do đặc điểm địa hình biển nông và có nhiều cửa sông lớn đổ ra, hai yếu tố chi phối mạnh nhất đến quy luật biến đổi vận tốc âm theo không gian và thời gian là nhiệt độ nước biển và độ mặn. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các mùa (đặc biệt là mùa đông tháng 2 và mùa hè tháng 8) kết hợp với sự phân tầng độ mặn do lượng nước ngọt từ lục địa đổ ra tạo nên sự biến thiên vận tốc âm trong cột nước lên tới 27 m/s trong một năm.

2. Vì sao công thức thực nghiệm Medwin (1975) được chọn để ứng dụng trong tính toán kiểm nghiệm vận tốc âm tại Việt Nam?

Công thức Medwin (1975) được thiết lập cho dải tham số: nhiệt độ 0 - 35°C, độ mặn 0 - 45 ppt và độ sâu từ 0 đến 1000 m. Phần lớn vùng biển thềm lục địa và Vịnh Bắc Bộ của Việt Nam có độ sâu nông dưới 1000 m, hoàn toàn tương thích với giới hạn của công thức này. Ngoài ra, công thức Medwin có cấu trúc tính toán đơn giản, độ chính xác cao và đã được Bộ Tài nguyên và Môi trường chuẩn hóa đưa vào Thông tư 27/2011/TT-BTNMT phục vụ kiểm nghiệm, hiệu chỉnh thiết bị đo đạc bản đồ biển.

3. Mức độ ảnh hưởng của sai số đo nhiệt độ, độ mặn và độ sâu đến kết quả xác định vận tốc âm là bao nhiêu?

Theo tính toán lý thuyết từ công thức Medwin:

• Sai số nhiệt độ $0,1^\circ\text{C}$ làm thay đổi vận tốc âm $0,46\text{ m/s}$; sai số $1,0^\circ\text{C}$ làm thay đổi $4,55\text{ m/s}$.
• Sai số độ mặn $0,1\text{ ppt}$ làm thay đổi vận tốc âm $0,14\text{ m/s}$; sai số $1,0\text{ ppt}$ làm thay đổi $1,34\text{ m/s}$.
• Sai số độ sâu $1\text{ m}$ làm thay đổi vận tốc âm $0,01\text{ m/s}$; sai số độ sâu $100\text{ m}$ làm thay đổi $1,62\text{ m/s}$. Nhiệt độ là đại lượng nhạy cảm nhất tác động đến sai số tính toán vận tốc âm.

4. Cơ sở dữ liệu vận tốc âm của luận án được xây dựng từ nguồn dữ liệu nào và đáp ứng yêu cầu đo vẽ bản đồ tỷ lệ bao nhiêu?

Cơ sở dữ liệu vận tốc âm Vịnh Bắc Bộ được tác giả xây dựng từ việc chuẩn hóa, tích hợp hai nguồn dữ liệu quốc tế là Cơ sở dữ liệu Hải dương Quốc tế (World Ocean Database - WOD) và Cơ sở dữ liệu Hải dương học vùng Viễn Đông Nga (GDEMV 3.0), kết hợp với số liệu đo thực tế nhiều năm của Trung tâm Trắc địa và Bản đồ Biển. Qua thực nghiệm đối chứng, CSDL này đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ chính xác đo sâu thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và các tỷ lệ nhỏ hơn.

5. Quy trình lấy mẫu vận tốc âm đề xuất có ưu điểm gì so với quy trình truyền thống?

Quy trình hiện hành đòi hỏi phải thực hiện thả thiết bị đo trực tiếp (SVP/CTD) tại hiện trường với mật độ dày, làm tăng thời gian dừng tàu và chi phí ca máy khảo sát. Quy trình đề xuất của luận án cho phép kết hợp khai thác dữ liệu từ Cơ sở dữ liệu vận tốc âm đã xây dựng với các phép đo kiểm chứng trực tiếp có chọn lọc theo vùng đặc trưng. Phương pháp này giúp giảm đáng kể số lần lấy mẫu trực tiếp ngoài thực địa mà vẫn bảo đảm độ chính xác độ sâu theo đúng các tiêu chuẩn của Tổ chức Thủy đạc Quốc tế (IHO S-44) và quy định của Việt Nam.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Văn Cương đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu xác lập cơ sở khoa học và quy luật biến đổi vận tốc âm trong môi trường nước biển khu vực Vịnh Bắc Bộ. Công trình đã xây dựng thành công Cơ sở dữ liệu vận tốc âm số hóa tích hợp từ các nguồn dữ liệu tin cậy cùng phần mềm khai thác chuyên dụng. Kết quả thực nghiệm khẳng định cơ sở dữ liệu và quy trình lấy mẫu đề xuất đáp ứng yêu cầu kỹ thuật thành lập bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn, góp phần nâng cao hiệu quả kỹ thuật và kinh tế trong khai thác các thiết bị thủy âm tại Việt Nam.

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.