I. Tổng quan về quy luật biến đổi vận tốc âm trong nước biển
Vận tốc âm trong nước biển là tham số quan trọng bậc nhất trong lĩnh vực thủy âm học. Giá trị này không cố định. Nó thay đổi liên tục theo nhiệt độ, độ mặn và áp suất thủy tĩnh. Tại vùng biển Việt Nam nói chung và Vịnh Bắc Bộ nói riêng, sự biến đổi vận tốc âm diễn ra phức tạp. Nguyên nhân do ảnh hưởng của mùa vụ, dòng hải lưu và địa hình đáy biển. Vịnh Bắc Bộ là vùng biển nông, có độ sâu trung bình khoảng 60 mét. Nhiệt độ nước biến đổi rõ rệt giữa mùa đông và mùa hè. Độ mặn cũng thay đổi mạnh do ảnh hưởng của hệ thống sông Hồng đổ ra biển. Các nghiên cứu của Nguyễn Văn Cương (2021) đã chỉ ra rằng vận tốc âm tại Vịnh Bắc Bộ dao động trong khoảng 1.450 đến 1.545 m/s tùy theo thời điểm và vị trí đo. Hiểu rõ quy luật biến đổi này là nền tảng để khai thác hiệu quả các thiết bị thủy âm. Nó phục vụ đánh cá, thăm dò tài nguyên, giám sát môi trường biển và quốc phòng an ninh.
1.1. Khái niệm vận tốc âm và vai trò trong thủy âm học
Vận tốc âm trong nước biển là tốc độ lan truyền của sóng âm qua môi trường nước. Giá trị này phụ thuộc trực tiếp vào ba yếu tố vật lý chính: nhiệt độ, độ mặn và áp suất. Trong thủy âm học, vận tốc âm là tham số đầu vào bắt buộc cho hầu hết mọi phép đo. Thiết bị đo sâu sử dụng sóng âm cần biết chính xác vận tốc để tính khoảng cách đến đáy biển. Sonar phát hiện tàu ngầm dựa vào thời gian truyền âm để xác định vị trí mục tiêu. Sai lệch 1% trong vận tốc âm có thể gây sai số hàng mét trong đo sâu. Do đó, nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm là nhiệm vụ then chốt trong mọi hoạt động thủy âm biển.
1.2. Đặc điểm tự nhiên môi trường nước biển Vịnh Bắc Bộ
Vịnh Bắc Bộ là vùng biển nửa kín, nằm giữa Việt Nam và Trung Quốc. Diện tích khoảng 126.250 km². Độ sâu trung bình chỉ khoảng 60 mét, vùng sâu nhất đạt gần 100 mét. Môi trường nước chịu ảnh hưởng mạnh của gió mùa Đông Bắc vào mùa đông và gió mùa Tây Nam vào mùa hè. Hệ thống sông Hồng đổ lượng nước lớn vào vịnh, đặc biệt mùa mưa từ tháng 6 đến tháng 9. Điều này làm giảm độ mặn tầng mặt đáng kể. Biên độ nhiệt độ nước bề mặt dao động từ 16°C mùa đông đến 30°C mùa hè. Các yếu tố này tạo nên sự biến đổi phức tạp của vận tốc âm theo mùa và theo độ sâu.
II. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc âm tại Vịnh Bắc Bộ
Ba yếu tố chính chi phối vận tốc âm trong nước biển là nhiệt độ, độ mặn và áp suất. Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn nhất. Khi nhiệt độ tăng, vận tốc âm tăng theo. Mỗi độ C tăng thêm làm vận tốc âm tăng khoảng 3 đến 5 m/s. Tại Vịnh Bắc Bộ, nhiệt độ thay đổi lớn theo mùa. Đây là nguyên nhân chính gây biến đổi vận tốc âm theo thời gian. Độ mặn là yếu tố quan trọng thứ hai. Nước mặn hơn truyền âm nhanh hơn. Mùa mưa, nước sông Hồng pha loãng làm giảm độ mặn tầng mặt. Giá trị giảm từ 33‰ xuống còn 25‰ ở một số khu vực gần bờ. Áp suất thủy tĩnh tăng theo độ sâu. Nó làm tăng mật độ nước và tăng vận tốc âm. Tuy nhiên, tại Vịnh Bắc Bộ với độ sâu trung bình 60 mét, ảnh hưởng của áp suất không lớn bằng nhiệt độ và độ mặn. Sự kết hợp đồng thời ba yếu tố tạo nên cấu trúc âm phức tạp theo chiều dọc và chiều ngang của vịnh.
2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ mặn đến vận tốc âm
Nhiệt độ là yếu tố có hệ số ảnh hưởng lớn nhất đến vận tốc âm trong vùng nước nông như Vịnh Bắc Bộ. Công thức Medwin (1975) cho thấy vận tốc âm tăng tuyến tính với nhiệt độ trong khoảng 0 đến 35°C. Tại Vịnh Bắc Bộ, biên độ nhiệt mùa đông-mùa hè đạt 14°C. Điều này tạo ra chênh lệch vận tốc âm lên đến 60 m/s giữa hai mùa. Độ mặn có hệ số ảnh hưởng nhỏ hơn nhưng vẫn đáng kể. Vùng cửa sông Hồng, độ mặn giảm mạnh mùa mưa. Nước ngọt truyền âm chậm hơn nước mặn khoảng 1,3 m/s cho mỗi đơn vị độ mặn tăng. Sự phân tầng nhiệt độ và độ mặn theo mùa tạo ra cấu trúc vận tốc âm dạng phân tầng rõ rệt.
2.2. Ảnh hưởng của áp suất và độ sâu đến lan truyền âm
Áp suất thủy tĩnh tăng tuyến tính theo độ sâu. Công thức Chen và Millero (1977) mô tả mối quan hệ này chi tiết cho vùng nước sâu. Tại Vịnh Bắc Bộ, độ sâu trung bình 60 mét nên biến thiên áp suất tương đối nhỏ. Ảnh hưởng của áp suất lên vận tốc âm chỉ khoảng 0,017 m/s cho mỗi mét tăng độ sâu. Tổng đóng góp của áp suất vào vận tốc âm qua toàn bộ cột nước khoảng 1 m/s. Tuy nhiên, áp suất tương tác với nhiệt độ và độ mặn tạo ra hiệu ứng phức tạp hơn. Vào mùa hè, nước bề mặt nóng hơn đáy. Nhiệt độ giảm theo độ sâu làm giảm vận tốc âm. Áp suất tăng theo độ sâu lại làm tăng vận tốc âm. Hai hiệu ứng ngược chiều này tạo ra vùng âm cực đại ở độ sâu nhất định.
III. Phương pháp xác định và công thức tính vận tốc âm trong nước biển
Có nhiều phương pháp xác định vận tốc âm trong môi trường nước biển. Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng trị đo hải văn kết hợp công thức thực nghiệm. Các nhà khoa học đo ba thông số: nhiệt độ, độ mặn và độ sâu. Sau đó áp dụng công thức để tính ra vận tốc âm. Nhiều công thức thực nghiệm đã được xây dựng. Công thức Leroy (1969) áp dụng cho vùng nước nông đến 8.000 mét. Công thức Medwin (1975) phù hợp cho độ sâu đến 1.000 mét. Công thức Mackenzie (1981) sử dụng cho nhiệt độ 2-30°C, độ mặn 25-40‰. Công thức Chen và Millero (1977) dùng cho vùng nước sâu lớn. Tại Việt Nam, Thông tư 27/2011/TT-BTNMT quy định sử dụng công thức Medwin để kiểm nghiệm thiết bị xác định vận tốc âm. Phương pháp thứ hai là sử dụng máy đo vận tốc âm trực tiếp SVM. Phương pháp thứ ba là kỹ thuật bar check, dùng để hiệu chuẩn thiết bị đo sâu. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện thực tế và yêu cầu độ chính xác.
3.1. Các công thức thực nghiệm tính vận tốc âm
Công thức Medwin (1975) được xây dựng dựa trên hàng nghìn phép đo thực tế. Công thức tính vận tốc âm dựa trên nhiệt độ T (°C), độ mặn S (‰) và độ sâu Z (m). Đây là công thức được quy định sử dụng trong tiêu chuẩn Việt Nam. Công thức Mackenzie (1981) gồm chín hệ số, cho độ chính xác cao hơn ở vùng nhiệt đới. Công thức Leroy (1969) tính được vận tốc âm cho vùng nước có độ sâu lớn từ 0 đến 8.000 mét. Công thức Chen và Millero (1977) phức tạp hơn, phù hợp cho nghiên cứu đại dương sâu. Tại Vịnh Bắc Bộ, các nghiên cứu so sánh cho thấy công thức Medwin cho kết quả phù hợp nhất với điều kiện địa phương. Sai số giữa tính toán và đo thực tế thường dưới 0,5 m/s.
3.2. Thiết bị và kỹ thuật đo vận tốc âm trực tiếp
Máy đo vận tốc âm SVM là thiết bị chuyên dụng đo trực tiếp vận tốc âm trong nước. Thiết bị phát xung âm qua cột nước đo và tính thời gian truyền. Từ thời gian và khoảng cách đã biết, vận tốc âm được tính ra. Phương pháp bar check sử dụng thanh kim loại đặt trước đầu dò. Vận tốc âm trong thanh kim loại đã biết chính xác. Thiết bị đo thời gian âm truyền qua thanh và hiệu chuẩn lại. Kỹ thuật này thường thực hiện trước mỗi đợt đo để đảm bảo độ chính xác. Máy SVM có ưu điểm đo được cấu trúc vận tốc âm theo độ sâu liên tục. Nhược điểm là cần bảo dưỡng thường xuyên và hiệu chuẩn định kỳ. Kết hợp cả hai phương pháp tính từ hải văn và đo trực tiếp giúp tăng độ tin cậy kết quả.
IV. Ứng dụng thủy âm từ nghiên cứu biến đổi vận tốc âm Vịnh Bắc Bộ
Nghiên cứu quy luật biến đổi vận tốc âm tại Vịnh Bắc Bộ có ý nghĩa ứng dụng thực tiễn lớn. Trong đánh bắt hải sản, ngư dân sử dụng máy dò cá dựa trên nguyên lý phản xạ âm. Vận tốc âm chính xác giúp xác định đúng vị trí và mật độ đàn cá. Trong đo đạc bản đồ biển, vận tốc âm là tham số quyết định độ chính xác đo sâu. Sai số vận tốc 1 m/s gây sai số đo sâu khoảng 0,04 mét ở độ sâu 50 mét. Trong quốc phòng, sonar chống ngầm cần mô hình vận tốc âm chính xác để phát hiện mục tiêu. Mô hình vận tốc âm sai lệch làm chùm âm bị lệch hướng, bỏ sót mục tiêu. Trong giám sát môi trường, biến đổi vận tốc âm phản ánh sự thay đổi nhiệt độ và độ mặn nước biển. Dữ liệu này phục vụ cảnh báo biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường biển. Nghiên cứu còn cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng bản đồ vận tốc âm phục vụ quy hoạch không gian biển Vịnh Bắc Bộ.
4.1. Ứng dụng trong khai thác và đánh bắt hải sản
Ngành khai thác hải sản Việt Nam sử dụng rộng rãi thiết bị thủy âm dò cá. Máy dò cá phát sóng âm xuống đáy. Sóng phản xạ từ đàn cá tạo tín hiệu trên màn hình. Để tính chính xác độ sâu và vị trí đàn cá, vận tốc âm phải được cài đặt đúng. Tại Vịnh Bắc Bộ, vận tốc âm thay đổi theo mùa. Nếu sử dụng giá trị cố định 1.500 m/s, sai số có thể lên đến 50 m/s vào mùa đông lạnh. Điều này dẫn đến sai lệch vị trí đàn cá trên màn hình. Ngư dân cần cập nhật giá trị vận tốc âm theo mùa vụ. Nghiên cứu cung cấp bản đồ vận tốc âm theo tháng giúp ngư dân tối ưu hóa hiệu quả đánh bắt.
4.2. Ứng dụng trong đo đạc bản đồ biển và quốc phòng
Trong đo đạc bản đồ đáy biển, vận tốc âm là tham số đầu vào quyết định chất lượng sản phẩm. Thiết bị đo sâu đơn tia và đa tia đều cần mô hình vận tốc âm chính xác. Thông tư 27/2011/TT-BTNMT quy định cụ thể quy trình kiểm nghiệm thiết bị đo sâu bằng phương pháp bar check. Trong lĩnh vực quốc phòng biển, hệ thống sonar phát hiện tàu ngầm phụ thuộc hoàn toàn vào mô hình vận tốc âm. Vịnh Bắc Bộ là vùng biển chiến lược. Việc xây dựng cơ sở dữ liệu vận tốc âm theo mùa giúp nâng cao năng lực giám sát. Kết hợp dữ liệu hải văn thời gian thực với mô hình tính toán cho phép dự báo điều kiện truyền âm phục vụ hoạt động hải quân.
