Báo cáo Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo độ chụm đạn pháo phòng không

Bộ quốc phòng trung tâm khoa học kỹ thuật & công nghệ quân sự ----------***---------- báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài: "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 d−ới n−ớc phục vụ kinh tế - x∙ hội, an ninh - quốc phòng" M∙ số: KC.01.24 Quyển II Nghiên cứu thiết kế, chế tạo Thiết bị đo độ chụm đạn pháo phòng không Chủ nhiệm đề tài: Đại tá-PGS.TS. Bạch Nhật Hồng 6213-1 25/11/2006 Hà nội, 5-2006 Mục lục Ch−ơng 1. một số khái niệm về sóng âm và khả năng ứng dụng.........1 Ch−ơng 2. Lý thuyết về các dạng sóng hình thành khi bắn pháo...7 2.1. Các sóng hình thành khi bắn pháo.............................................................7 2.2. Sự hình thành và các ph−ơng trình biểu diễn sóng va đập.........................9 2.3. Sự lan truyền của sóng va đập..................................................................15 2.4. ảnh h−ởng của môi tr−ờng đến sự lan truyền sóng va đập......................19 Ch−ơng 3. Khảo sát các đặc tr−ng của sóng va đập...............................23 3.1. Các khảo sát tiến hành với súng bộ binh.................................................24 3.2. Khảo sát nhiễu của tiếng nổ động cơ.......................................................33 3.3. Các khảo sát tiến hành với pháo phòng không........................................36 3.4. Một số kết luận........................................................................................40 Ch−ơng 4. Thiết kế, chế tạo hệ thống..............................................................41 4.1. Các yêu cầu đặt ra của hệ thống...............................................................41 4.2. Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc chung..............................................43 4.3. Thiết kế, chế tạo trạm trên không........................................................45 4.3.1. Chế tạo đầu thu.....................................................................46 4.3.2. Khối xử lý tín hiệu.....................................................................49 4.3.2.1. Xử lý tín hiệu t−ơng tự.................................................49 4.3.2.2. Xử lý tín hiệu số...........................................................50 4.3.3. Đ−ờng truyền dữ liệu.................................................................55 4.3.3.1. Bộ đệm và điều khiển phát..........................................56 4.3.3.2. Modem thu phát..........................................................61 4.3.3.3. Thiết bị thu phát vô tuyến điện....................................72 4.4. Thiết kế, chế tạo trạm mặt đất............................................................73 4.4.1. Modem thu nhận dữ liệu............................................................74 4.4.2. Phần mềm quản lý và hiển thị kết quả.......................................75 4.4.3. Thiết bị đo tham số khí t−ợng. ..................................................77 4.5. Kiểm tra đánh giá hoạt động của thiết bị..........................................86 Lời cảm ơn...........................................................................................................90 tài liệu tham khảo.........................................................................................91 Phụ lục Phụ lục A: Một số hình ảnh về thiết bị và hoạt động thử nghiệm. Phụ lục B: Một số đặc tr−ng của các linh kiện chính dùng trong thiết bị. Phụ lục C: Các bản vẽ cơ khí của hệ thống thiết bị. Phụ lục D: Một số ch−ơng trình phần mềm của hệ thống. Phụ lục E: Tính năng kỹ thuật hệ thống MAE-15M của SECAPEM do Cộng hoà Pháp sản xuất. 1 ch−ơng 1 Một số khái niệm về sóng Âm và khả năng ứng dụng Trong thiên nhiên tồn tại hai dạng sóng cơ bản lan truyền đ−ợc trong không gian đó là sóng điện từ và sóng đàn hồi. Sóng là quá trình thay đổi trạng thái của môi tr−ờng trong không gian và thời gian theo chu kỳ nhất định. Điểm khác biệt cơ bản của hai dạng sóng này nh− sau: Để lan truyền sóng điện từ không nhất thiết phải có liên hệ đàn hồi giữa các hạt vật chất. Trong khi đó sự lan truyền của sóng đàn hồi phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của môi tr−ờng. Tai ng−ời có thể cảm nhận đ−ợc dao động đàn hồi trong dải tần số đủ thấp khoảng từ 16 Hz đến 16 Khz. Dải tần số này đ−ợc gọi là dải nghe thấy. Tr−ớc đây, ng−ời ta chỉ biết dải tần này nên tất cả các nghiên cứu th−ờng tập trung ở đây. Sau này, ng−ời ta phát hiện ra các dải dao động d−ới và trên dải nghe thấy và có thể chia sóng âm ra các dải sóng nh− sau: - Dải hạ âm, có tần số d−ới 16 Hz. - Dải âm nghe thấy, có tần số từ 16 Hz đến 16 Khz. - Dải siêu âm có tần số từ 16 Khz đến 10 Ghz. - Dải trên siêu âm có tần số trên 10 Ghz. Hạ âm chiếm vùng dao động không nghe thấy rất thấp. Ví dụ nh− dao động sinh ra do động đất, có tên gọi khác là chấn động. Siêu âm chiếm vùng tần số 16 Khz đến 10 Ghz là dải dao động có thể ghi nhận đ−ợc bằng những thiết bị công nghệ hiện đại hiện nay. Dải trên siêu âm có tần số trên 10 Ghz hiện nay vẫn ch−a có thiết bị có thể ghi nhận đ−ợc, do khó khăn về công nghệ và kỹ thuật. Dải dao động này nằm trong dải tần số dao động nhiệt của phân tử trong vật chất. Các dao động đàn hồi đều giữ nguyên tính chất vật lý trong toàn bộ dải tần, chỉ khác nhau ở chỗ nghe thấy và không nghe thấy mà thôi. Điều đó có nghĩa là bức xạ và lan truyền sóng đàn hồi đ−ợc tuân theo cùng quy luật sóng âm, nếu nh− biên độ dao động nhỏ so với b−ớc sóng thì tất cả các hiện t−ợng đều xảy ra nh− nhau. 2 Cũng nh− trong dao động sóng điện từ, trong dao động đàn hồi cũng có những khái niệm chu kỳ, tần số, vận tốc sóng,v.v... Trong môi tr−ờng khí và chất lỏng, sóng âm thanh đ−ợc lan truyền nh− sóng áp suất và các hạt chuyển động dọc theo h−ớng truyền sóng. Do đó trong các môi tr−ờng này chỉ có sóng dọc đ−ợc lan truyền. Điều này ng−ợc lại với sóng điện từ là trong các môi tr−ờng này, chủ yếu lan truyền sóng ngang. Vận tốc truyền sóng âm thanh khác với vận tốc lan truyền sóng điện từ. T−ơng ứng với mỗi môi tr−ờng khác nhau, vận tốc âm cũng khác nhau. - Trong không khí, vận tốc âm xấp xỉ 330 m/s - Trong n−ớc, vận tốc âm xấp xỉ 1450 m/s - Trong sắt, vận tốc âm xấp xỉ 5000 m/s Trong sóng âm thanh tồn tại ba dạng sóng lan truyền là sóng cầu, sóng trụ và sóng phẳng. ở cự ly lớn từ nguồn sóng thì sóng trụ và sóng cầu có thể xem gần đúng nh− sóng phẳng. Nh− đã thấy, sóng âm thanh chính là sóng dọc trục, tức là h−ớng dao động và h−ớng truyền sóng trùng nhau. Điều đó có nghĩa là sóng âm trong chất khí và chất lỏng là loại sóng dãn nở. Trong chất rắn có thể có những loại sóng khác lan truyền ví dụ nh− sóng ngang, sóng co dãn... do chúng có tính chất đàn hồi hình dạng, mà chất khí và chất lỏng không có. Phụ thuộc vào tính chất của dao động, hình dạng của vật thể và kích th−ớc so với b−ớc sóng sẽ xuất hiện các loại sóng t−ơng ứng. Trong một điều kiện cụ thể, có thể tồn tại nhiều loại sóng. D−ới đây liệt kê một số loại sóng cơ bản: - Sóng thuần dọc trục trong không gian vô hạn - Sóng thuần ngang - Sóng bị uốn cong trong môi tr−ờng - Sóng lớn trong môi tr−ờng giới hạn một mặt - Sóng mặt trong môi tr−ờng giới hạn một mặt - Sóng dọc xuyên tâm trong môi tr−ờng giới hạn một trong hai phía. Khi lan truyền sóng âm dạng cầu, các đại l−ợng nh− vận tốc, áp suất dịch chuyển và gia tốc bị thay đổi tỉ lệ nghịch với bán kính. Còn c−ờng độ thì tỉ lệ nghịch với bình ph−ơng bán kính. Đây là kết luận rất quan trọng khi nghiên cứu lan truyền 3 sóng âm trong các môi tr−ờng khác nhau. Đối với sóng âm phẳng thì điều đó không xảy ra vì khi rời xa nguồn phát, năng l−ợng đ−ợc phân bố theo bề mặt ở mọi thời điểm là bằng nhau. Dựa trên cơ sở này, trong môi tr−ờng không giới hạn theo h−ớng lan truyền, sóng phẳng d−ờng nh− lan truyền xa vô hạn không tổn hao, nh−ng điều đó là không thể tồn tại. Một môi tr−ờng bất kỳ đều có tiêu hao một phần năng l−ợng âm thanh bằng cách chuyển thành nhiệt năng hoặc làm thay đổi cấu trúc vật chất mà không lan truyền tiếp theo. Vì vậy năng l−ợng và c−ờng độ sóng bị suy giảm khi tăng khoảng cách lan truyền. Điều này đúng cả cho sóng phẳng, sóng trụ và sóng cầu. Biên độ dịch chuyển âm trong sóng phẳng trên khoảng cách tỷ lệ nghịch với khoảng cách theo quy luật hàm mũ giảm (chỉ số âm) còn c−ờng độ âm phụ thuộc vào bình ph−ơng biên độ. Chỉ số âm của hàm mũ cho thấy suy giảm chỉ xảy ra nh− nhau trên những đoạn đ−ờng bằng nhau. Suy giảm sóng âm không chỉ phụ thuộc vào tính chất của môi tr−ờng mà còn phụ thuộc vào tần số âm. Toàn bộ các quá trình âm học đều liên quan chặt chẽ với vật chất mà sóng âm truyền trong đó. Đ−ờng đi của sóng âm phụ thuộc vào dạng của môi tr−ờng và tính chất âm học của nó. Các quy luật phản xạ, khúc xạ, tán xạ sóng âm cũng t−ơng tự nh− sóng ánh sáng. Môi tr−ờng truyền âm có thể là chất rắn, chất lỏng hay chất khí. Các đặc tr−ng âm học cơ bản của vật chất là vận tốc (xác định dựa trên mật độ và tính đàn hồi của môi tr−ờng ), điện trở sóng riêng (tích của mật độ môi tr−ờng và vận tốc âm) và hệ số suy giảm âm. Do các đại l−ợng này khác nhau nhiều trong các môi tr−ờng kể trên mà đặc tr−ng lan truyền sóng âm cũng rất khác nhau. Ng−ời ta phân biệt nghiên cứu lan truyền sóng âm theo các môi tr−ờng truyền âm riêng biệt (lỏng, khí, rắn). Vận tốc lan truyền sóng âm chính là vận tốc lan truyền sóng đàn hồi, chính xác hơn là vận tốc lan truyền một pha nào đó của dao động, ví dụ nh− biên độ dịch chuyển. Vì vậy, nó chính xác là vận tốc pha. Ngoài vận tốc pha còn đ−a vào vận tốc mặt đầu sóng và vận tốc nhóm (thay đổi bó sóng). Nếu môi tr−ờng là không tán sắc thì tất cả các vận tốc này là bằng nhau và nói chung là không phụ thuộc vào tần số. 4 Sự suy giảm sóng âm khi lan truyền trong môi tr−ờng đã cho, do có phần năng l−ợng chuyển thành nhiệt, một phần để làm biến dạng vật chất hoặc là tán xạ do tính chất bất đồng nhất của môi tr−ờng. Giá trị suy hao ở những vật chất khác nhau là khác nhau. Nó phụ thuộc vào tính chất của vật chất và vào tần số âm. Bằng lý thuyết, ng−ời ta đã chứng minh đ−ợc rằng tiêu hao sóng âm tỷ lệ với bình ph−ơng tần số. Nh−ng trong thực tế có những tần số tiêu hao tỷ lệ với tần số theo quy luật tuyến tính. Sóng âm đ−ợc bức xạ bởi một nguồn âm phân bố trong không gian bao quanh nguồn âm. Tr−ờng âm thanh là vùng chứa sóng âm. Ta hãy xem các đại l−ợng đặc tr−ng cho hình dạng hình học của tr−ờng âm thanh và độ kéo dài của nó trong không gian. Tr−ờng sóng âm đ−ợc xác định bằng lý thuyết chỉ cho kết quả gần đúng. Để xác định chính xác hình dạng tr−ờng sóng âm chỉ có thể bằng thực nghiệm. Đặc tr−ng quan trọng nhất của tr−ờng sóng âm là tính chất h−ớng, nó xác định giới hạn hình học của tr−ờng âm và phân bố năng l−ợng trong tr−ờng. Đặc tr−ng h−ớng đ−ợc xác định bởi tỷ số kích th−ớc của chấn tử bức xạ so với b−ớc sóng và hình dạng của nó. Tuỳ thuộc vào hình dạng của chấn tử phát xạ âm mà có đ−ợc các loại sóng cầu, trụ, phẳng. Trong dải siêu âm, do b−ớc sóng nhỏ, ng−ời ta th−ờng sử dụng chấn tử bức xạ âm d−ới dạng vật rắn bức xạ trên bề mặt về một phía hoặc cả hai phía, đó là những vật liệu áp điện. Nếu kích th−ớc bề mặt của một chấn tử nhỏ so với b−ớc sóng thì có thể xem nh− một nguồn điểm bức xạ trong một góc khối 1800 và mặt đầu sóng có dạng nửa hình cầu. Khi kích th−ớc ngang của chấn tử tăng lớn hơn b−ớc sóng thì góc khối không gian sẽ hẹp dần. Nghiên cứu dạng tr−ờng sóng âm, ng−ời ta nhận thấy rằng tr−ờng sóng âm đ−ợc tạo nên bởi chấn tử có kích th−ớc ngang lớn hơn b−ớc sóng sẽ có phần hình chóp phân kỳ không phải bắt đầu ngay taị mặt chấn tử mà trên một khoảng cách nào đó. Gần chấn tử, dạng tr−ờng có dạng hình trụ. Vùng này đ−ợc gọi là vùng gần hay vùng Frenel. Vùng mà bắt đầu tr−ờng phân kỳ gọi là vùng xa hay vùng Fraunfer. Những khái niệm này, cũng giống nh− trong tr−ờng điện từ. 5 Khoảng cách quy định vùng gần và vùng xa đ−ợc tính theo công thức: λ λ λ λ .4.4 222 0 −≈−= DDZ Góc mở của hình chóp đ−ợc tính theo công thức sau: - Đối với chấn tử mặt hình tròn: )22,1arcsin( D λα = - Đối với chấn tử mặt hình vuông: )22,1arcsin( A λα = Trong đó A là chiều dài cạnh của chấn tử. Trong sóng âm thanh, một dải sóng đ−ợc đặc biệt chú ý, đó là siêu âm, do những tính chất −u việt của dải sóng này. Đó là b−ớc sóng nhỏ và biên độ sóng hữu hạn. Các quy luật bức xạ và lan truyền sóng siêu âm rất giống với các quy luật quang học. Trong dải sóng này cũng có một loạt tính chất mới mà không có trong dải âm nghe thấy. Do có b−ớc sóng nhỏ mà siêu âm th−ờng đ−ợc dùng trong các kỹ thuật đo đạc, các thiết bị thu phát sóng siêu âm sẽ dễ dàng đạt đ−ợc định h−ớng lớn nhằm tập trung năng l−ợng vào một h−ớng hẹp, kéo dài bán kính hoạt động của sóng âm bằng các vật phản xạ, khúc xạ sóng nh− trong kỹ thuật anten sóng điện từ Để biến đổi sóng âm thành đại l−ợng điện ng−ời ta sử dụng các loại đầu cảm biến âm và siêu âm. Các loại đầu cảm biến th−ờng dùng là: - Các chấn tử loại áp điện: Ng−ời ta sử dụng hiệu ứng áp điện ng−ợc của các vật liệu nh− thạch anh, titanatbari, segnhet..... Các cảm biến loại này đ−ợc dùng trong dải siêu âm. Để bức xạ công suất âm lớn hoặc thu định h−ớng sóng siêu âm, ng−ời ta có thể ghép nối tiếp hoặc song song một số l−ợng theo yêu cầu các đầu cảm biến riêng biệt theo một không gian nhất định. - Các đầu cảm biến loại từ giảo dựa vào sự biến dạng của các thanh vật liệu từ khi đặt dọc trong từ tr−ờng. 6 - Các đầu cảm ứng điện động dùng cuộn dây điện động đặt trong một khe từ tr−ờng th−ờng đ−ợc dùng trong dải âm nghe thấy với −u điểm là dải thông rộng, ví dụ nh− các microphone, loa, tai nghe..... Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các đầu cảm biến siêu âm đ−ợc ứng dụng hiệu quả vào tất cả các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ trong đời sống dân sinh cũng nh− trong quốc phòng. Đặc biệt có hiệu quả là trong kỹ thuật đo đạc, xác định đối t−ợng trên không và d−ới n−ớc. Các cảm biến âm và siêu âm đ−ợc dùng để biến đổi những đại l−ợng sóng âm thành đại l−ợng điện để phục vụ cho những thiết bị đo l−ờng điện tử đo các mục tiêu phát ra sóng âm nh− tên lửa, máy bay, đạn, mìn.... Trong môi tr−ờng n−ớc, cảm biến duy nhất đ−ợc dùng là âm và siêu âm do sóng điện từ sẽ bị suy giảm rất nhanh khi truyền trong môi tr−ờng n−ớc. Trong môi tr−ờng n−ớc, các cảm biến đ−ợc dùng trong thông tin liên lạc d−ới n−ớc giữa các thợ lặn với nhau hoặc thợ lặn với trung tâm chỉ huy trên tàu hoặc tàu ngầm. Các hệ thống cứu hộ sông biển đã triển khai những hệ thống cảm biến âm và siêu âm rất phức tạp trên phạm vi lớn. Hệ thống này cũng có thể phục vụ cảnh giới xâm nhập của tàu ngầm, phát hiện các vật bơi d−ới n−ớc nh− ng− lôi, đàn cá v.v... Sự lan truyền sóng âm trong chất rắn đ−ợc sử dụng đo đạc độ khuyết tật của vật liệu nh− các kết cấu sắt, thép, bê-tông, các cảm biến đ−ợc dùng để phát xạ sóng siêu âm và thu hồi sóng phản xạ biến đổi thành tín hiệu điện cho thiết bị đo. Trong y học, ng−ời ta sử dụng các máy trị liệu siêu âm, máy soi siêu âm để phát hiện và điều trị một số loại bệnh cho con ng−ời và động thực vật. Tóm lại, âm thanh là dải sóng đ−ợc khai thác sử dụng hiệu quả trong mọi lĩnh vực khoa học phục vụ đời sống kinh tế quốc dân, quốc phòng. Thâm chí ở một số lĩnh vực sóng âm đóng vai trò quyết định trong việc giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật dặt ra, mà các loại hình sóng khác không thể đáp ứng.Vì vậy nắm chắc và làm chủ kỹ thuật chuyển đổi sóng âm , lan truyền sóng âm và khả năng ứng dụng hiệu quả các cảm biến âm và siêu âm là một nhiệm vụ quan trọng trong bối cảnh phát triển khoa học công nghệ nói chung của đất n−ớc. 7 Ch−ơng 2 Lý thuyết về các dạng sóng hình thành khi bắn pháo 2.1 Các sóng âm xuất hiện khi bắn. Quá trình bắn pháo sẽ hình thành các loại sóng sau: Sóng nổ đầu nòng, sóng va đập khi viên đạn bay trong không khí, tiếng đạn chạm mục tiêu và tiếng nổ của đầu đạn. Dao động gây ra các loại sóng này là các dao động phức tạp, đ−ợc hình thành từ đồng thời một loạt các chuyển dịch dao động đơn giản có biên độ và tần số khác nhau, tức các sóng này có phổ phức tạp. a) Tiếng nổ đầu nòng. Khi bắn, đầu đạn bị l−ợng khí tạo thành do thuốc súng cháy nhanh, đạt đến áp suất lớn (trên 3000 atmotphe), đẩy ra khỏi nòng pháo. Các khí này dồn theo đầu đạn và khi ra khỏi nòng pháo, chúng đẩy các phần tử khí ở phía tr−ớc nòng pháo, gây ra sự tăng mật độ. Các khí thuốc phụt ra khỏi nòng pháo chứa các sản phẩm ch−a cháy hết có nhiệt độ rất cao, kết hợp với oxy ngoài không khí tạo thành hỗn hợp nổ, gây nổ ở đầu nòng pháo. Các dao động lớn nhất của tiếng nổ đầu nòng tập trung ở vùng tần số thấp. Sóng nổ đầu nòng có dạng hình cầu, tâm của nó nằm khoảng 2-5 m phía tr−ớc nòng pháo. Hình 2.1. Sóng nổ đầu nòng và sóng hành trình khi đạn bay khỏi nòng pháo Hình 2.2. Băng ghi sóng nổ đầu nòng 8 Khoảng cách truyền lan của sóng nổ đầu nòng phụ thuộc vào cỡ pháo, trọng l−ợng đạn và trạng thái khí quyển. Trong cùng một điều kiện thời tiết, sóng nổ đầu nòng lan truyền càng xa khi kích th−ớc viên đạn càng lớn. Biên độ, áp suất của sóng nổ đầu nòng phía tr−ớc pháo lớn hơn một vài lần so với biên độ áp suất sóng nổ đầu nòng phía sau pháo. Năng l−ợng của sóng nổ đầu nòng lớn nhất và lan truyền đ−ợc xa nhất trên h−ớng bắn. Sóng nổ đầu nòng mang thông tin về h−ớng và khoảng cách của hoả lực đến mục tiêu. Do đó, trong quân sự, sóng nổ đầu nòng đ−ợc sử dụng để định vị hoả lực đối ph−ơng. b) Sóng va đập (Hay còn gọi là sóng hành trình). Sóng va đập xuât hiện lúc đạn bay khi vận tốc bay của đạn lớn hơn vận tốc âm thanh. Khi viên đạn bay với tốc độ v−ợt trên tốc độ âm sẽ nén các phần tử không khí trên đ−ờng đi của chúng tạo ra quá trình dao động. Các dao dộng này đ−ợc gọi là sóng va đập hay sóng hành trình, chúng mang thông tin về quỹ đạo chuyển động và vị trí của viên đạn so với điểm quan sát. Sóng va đập đ−ợc ứng dụng nhiều trong thực tế nh−: xác định quỹ đạo chuyển động của viên đạn, nhận dạng và định vị hoả lực của đối ph−ơng,.... Để đo và tính toán độ chụm của đạn pháo phòng không, đề tài sử dụng biện pháp thu ghi tín hiệu sóng va đập tạo ra khi đầu đạn bay qua đầu thu, bằng các ph−ơng pháp xử lí t−ơng tự và xử lý số tín hiệu thu đ−ợc để xác định khoảng cách gần nhất từ quỹ đạo của đạn đến đầu thu. c) Sóng chạm mục tiêu và tiéng nổ đầu đạn. Sóng chạm mục tiêu và tiếng nổ của đầu đạn hình thành khi đầu đạn chạm mục tiêu và nổ. Th−ờng các sóng này có tần số thấp. C−ờng độ của nó phụ thuộc vào tính chất của đầu đạn và mục tiêu. Các loại pháo phòng không th−ờng sử dụng đầu đạn chạm nổ nên khi trúng mục tiêu sẽ tạo ra tiếng nổ của đầu đạn. Các loại pháo phòng không sử dụng đầu đạn không có ngòi nổ (nh− 14,5mm, 12,7mm) khi bắn trúng mục tiêu chỉ xuất hiện sóng chạm mục tiêu của đầu đạn. Sóng chạm mục tiêu th−ờng có biên độ rất nhỏ suy giảm nhanh khi lan truyền trong môi tr−ờng không khí. Tiếng nổ đầu đạn có c−ờng độ lớn hơn và lan truyền đ−ợc xa hơn. Với đạn pháo 37 mm, tiếng nổ đầu đạn có thể lan truyền đ−ợc vài km. 9 Trong thực tế tiếng nổ đầu đạn không mang thông tin về quỹ đạo cũng nh− độ chính xác của phát bắn vì đạn pháo phòng không có ngòi nổ sẽ tự nổ (huỷ) ngay cả khi không trúng mục tiêu. 2.2 Sự hình thành và các ph−ơng trình biểu diễn sóng va đập. Khi viên đạn chuyển động trong không khí sẽ nén các phần tử không khí trên đ−ờng đi của chúng tạo ra các dao động. Các dao động của các phần tử không khí bị nén khi viên đạn chuyển động đ−ợc mô tả giống nh− một dòng chảy khí nén, do đó chúng tuân theo các nguyên tắc nhiệt động học chất khí. Các ph−ơng trình động học chất khí có dạng sau: 0).( =∇+∂ ∂ v t ρρ (2-1) ggvvPg t v ρζθησρρ =−−⊗+⋅∇+∂ ∂ )2()( (2-2) 02) 2 1() 2 1( 22 =⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⋅−++⋅∇+⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ++∂ ∂ vvvhvuv t ζθησρφρφ (2-3) T sv t s 2:2)()( ζθσησρρ +=⋅∇+∂ (2-4) Trong các ph−ơng trình trên, (2-1) là ph−ơng trình bảo toàn khối l−ợng tổng, (2- 2) là ph−ơng trình bảo toàn mô men tổng, (2-3) là ph−ơng trình bảo toàn năng l−ợng tổng và (2-4) miêu tả sự biến đổi của entrôpi, vế phải của (2-4) cho thấy tốc độ tăng của entrôpi. Ph−ơng trình (2-4) không phụ thuộc vào các ph−ơng trình trên và các quy luật nhiệt động lực học. Trong thực tế, ng−ời ta th−ờng sử dụng ph−ơng trình (2-4) thay cho ph−ơng trình bảo toàn năng l−ợng (2-3). v: là tốc độ của viên đạn (v = dt dζ ) ζ : độ dịch chuyển của viên đạn ρ : mật độ không khí P: áp suất. u: năng l−ợng trên một đơn vị khối l−ợng s: entropi trên một đơn vị khối l−ợng η : hệ số tr−ợt. h: entanpi trên một đơn vị khối l−ợng (h = u + P/ ρ ) σ : tốc độ tr−ợt đối xứng dtdΣ=σ , σ :σ là cách viết gọn của σ ijσ ij θ : tốc độ giãn nở. T: nhiệt độ K 10 φ : hiệu thế hấp dẫn Newton. Các ph−ơng trình trên đ−ợc bổ xung cho ph−ơng trình trạng thái có dạng ),( TP ρ hoặc ),( sP ρ . Để đơn giản, xét ph−ơng trình trạng thái cho khí lý t−ởng trong quá trình đoạn nhiệt có dạng nh− sau: γρ)(sKP = (2-5) Trong đó K(s) là một hàm của entropi trên một đơn vị khối l−ợng s. Hàm này không thay đổi trong cả quá trình đoạn nhiệt nh−ng thay đổi giữa các mặt sóng do sự tăng entropi trong một mặt sóng. Giá trị của γ phụ thuộc vào nhiệt độ nội tại của các phần tử khí. Với khí quyển trái đất thì γ =1,4. Mối liên hệ giữa γ và T, K có dạng nh− hình vẽ 2.3. Đối với chất khí, chúng ta có thể sử dụng nguyên lý thứ nhất của nhiệt động lực học để giải thích công thức nội năng trên một đơn vị khối l−ợng: ργ )1( −= Pu (2-6) ở đây chúng ta giả thiết nội năng bị triệt tiêu khi T -> 0. Điều này chứng tỏ có thể biểu diễn mật độ ρ , nội năng trên một đơn vị khối l−ợng u, và enthapi trên một đơn vị khối l−ợng h theo tốc độ âm thanh c. ρ γ ρ PPc s =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂= (2-7) )1/(12 − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= γ γρ K c , )1( 2 −= γγ cu , 1 2 −=+= γρ cPuh (2-8) Khi đầu đạn chuyển động trong không gian, tốc độ chuyển động của đầu đạn thay đổi theo thời gian do tác động của sức cản môi tr−ờng. Ta có thể coi sự hình thành sóng va đập trong tr−ờng hợp này nh− một dòng chảy khí động một chiều phụ thuộc vào thời gian. Khi đó sự chuyển động của các phần tử khí đ−ợc biểu diễn bằng ph−ơng trình Euler một chiều: Hình 2.3. Mối liên hệ của γ vào mật độ không khí. 11 x v dt d ∂ ∂−= ρρ , x P dt dv ∂ ∂−= ρ 1 (2-9) trong đó: x v tdt d ∂ ∂+∂ ∂= (2-10) Khi cho tr−ớc ph−ơng trình trạng thái đẳng entropi )(ρPP = nói lên mối liên hệ giữa áp suất và mật độ, hai ph−ơng trình không tuyến tính trên có thể đ−ợc tổ hợp thành một ph−ơng trình vi phân bậc hai theo tốc độ. Tuy nhiên, để cho sáng tỏ ta thực hiện với hệ ph−ơng trình vi phân bậc nhất. Với chất khí đẳng entropi, mật độ ρ và tốc độ âm thanh ρddPc /= đ−ợc xem nh− một hàm nhiệt động học đơn giản, Tổ hợp tuyến tính các ph−ơng trình vi phân (2-9) ta nhận đ−ợc ph−ơng trình vi phân từng phần t−ơng đ−ơng. 01)(1 =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂±∂ ∂±+∂ ∂±∂ ∂ x P cx vcv t P ct v ρρ (2-11) Ta có thể viết ph−ơng trình này theo l−ợng tử Riemann: ∫±≡± cdPvJ ρ (2-12) và tốc độ riêng cvV ±≡± (2-13) theo cách sau: 0=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂+∂ ∂ ±± Jx V t (2-14) Ph−ơng trình (2-14) cho thấy các l−ợng tử Riemann đ−ợc bảo toàn trong suốt các đặc tuyến ±C . Đó là các đặc tuyến xảy ra trên h−ớng bay của đầu đạn thoả mãn: ±C : cvdt dx ±= (2-15) Trong các ph−ơng trình trên, cả v và c đều là các hàm của x và t. Các đặc tuyến ±C miêu tả sự chuyển động của các nhiễu loạn nhỏ về phía tr−ớc hoặc sau dòng chảy khí nén ở tốc độ âm thanh cục bộ. Có hai biến cố xảy ra độc lập với nhau trong miền thời gian t∆ và không gian x∆ bên trong dòng chảy khí nén trong đặc tuyến ±C có tốc độ nhỏ và vi phân áp suất thoả mãn cPv ρ/∆−=∆ (nhận đ−ợc từ công thức 2-9 khi thay 0=v , tdtd ∂∂= // và ρddPc /2 = ). Với các sóng âm tuyến tính, v∆ và P∆ suy giảm không đồng thời trong qúa trình lan truyền theo h−ớng d−ơng của trục x. Tuy nhiên, với sóng âm không tuyến tính, chỉ có tổ hợp cPvJ ρ/∆+∆=∆ + bị triệt tiêu trên đặc tuyến C+. Lấy tích phân trên một khoảng thời gian hữu hạn chúng ta nhận đ−ợc hằng số J+ của đặc tuyến C+. 12 Hình 2.4. Các đặc tuyến của dòng chảy khí nén một chiều, đoạn nhiệt của chất khí đẳng entropi. Hình 2.4 cho thấy các đặc tuyến của dòng chảy khí nén một chiều, đoạn nhiệt của chất khí đẳng entropi. H−ớng chuyển động của các phần tử khí đ−ợc biểu diễn bởi các nét liền, dầy. Giá trị khởi tạo giả thiết là giá trị danh định trên khoảng S∆ của x ở thời điểm 0=t . L−ợng tử Riemann J+ là hằng số trên suốt đặc tuyến C+ (các đ−ờng đứt, mảnh) do đó, ở điểm P nó có giá trị không đổi, giống nh− giá trị của nó ở thời điểm khởi tạo tại điểm A . T−ơng tự nh− vậy, l−ợng tử J- trên suốt đặc tuyến C- (các đ−ờng liền, mảnh) có giá trị nh− nhau ở các điểm P và B. L−ợng tử Riemann đ−a ra một ph−ơng pháp chung để nhận đ−ợc chi tiết các mô tả của dòng chảy khí động từ các điều kiện ban đầu. Giả sử tốc độ dòng chảy khí động và các biến nhiệt động đã xác định trong một khoảng x, gọi là S∂ , ở thời điểm ban đầu t = 0 (hình 2.4). Điều đó có nghĩa là ±J cũng đ−ợc xác định trên khoảng này. Khi đó, chúng ta có thể xác định ±J tại một điểm P bất kì trong vùng S∂ . Từ các giá trị ±J nhận đ−ợc này chúng ta có thể tìm ra các biến của dòng chảy khí động (v,P, ρ ...) tại P bằng ph−ơng pháp đại số. Trong thực tế chúng ta không thể biết rõ ràng các đặc tuyến ±C trừ khi chúng ta đã tìm ra các biến của dòng chảy khí động do đó chúng ta phải tìm ra các đặc tuyến này nh− một phần của quá trình tìm lời giải, bằng các biến đổi đại số ph−ơng trình trạng thái và các mối quan hệ ∫±=± cdPvJ ρ/ và các định luật bảo toàn mà ±J không đổi trên suốt ±C . Các biến đổi đại số này nhằm mục đích suy ra ),( txc và ),( txv từ các điều kiện ban đầu trên S∂ . Các nguyên tắc bảo toàn trên là cơ sở hình thành các mặt sóng. Có hai thành phần mặt sóng mà chúng ta quan tâm đó là mặt sóng tr−ớc và mặt sóng sau có dạng nh− trên hình 2.5. Các mặt sóng này chia vùng không gian trên đ−ờng bay của viên đạn thành hai vùng 0 và 1. Mặt sóng tr−ớc là vùng không khí phía tr−ớc đầu đạn, có nhiệt độ thấp hơn và di chuyển về phía đầu đạn với tốc độ bằng tốc độ bay của đầu đạn, nếu lấy hệ quy chiếu gắn với đầu đạn. Mặt sóng sau là vùng không khí có nhiệt 13 độ cao hơn, khi các luồng khí đi ra từ các mặt sóng. Trong quá trình "vào-ra" đó, khối l−ợng tổng, mômen tổng và năng l−ợng tổng là không đổi. Ta có thể viết: [ ] 0. =nvρ (2-16) trong đó n là đơn vị trực giao của sóng và và dấu ngoặc vuông nói lên lấy vi phân các giá trị mặt sóng tr−ớc và mặt sóng sau. T−ơng tự nh− thế, mômen tổng T cũng đ−ợc bảo toàn khi không có sự tác động từ bên ngoài. Mômen tổng có hai thành phần: mômen cơ học vvPg ⊗+ ρ và mômen tr−ợt ησζθ 2−− g (xem ph−ơng trình 2-2). Tuy nhiên, thành phần mômen tr−ợt là không đáng kể do đó mômen cơ học phải đ−ợc bảo toàn qua các mặt sóng. Chúng ta có thể viết: ( )[ ] 0. =⊗+ nvvPg ρ (2-17) T−ơng tự nh− vậy ta xét sự bảo toàn năng l−ợng tổng qua các mặt sóng hình thành khi viên đạn chuyển động trong không khí. Có ba nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự thay đổi năng l−ợng đó là: thứ nhất là do các phản ứng lý hoá xuất hiện trong các mặt sóng; thứ hai, khi không khí bị đốt nóng tới nhiệt độ cao sẽ bị mất năng l−ợng do quá trình bức xạ nhiệt; thứ ba, do sự làm nóng lại các phần tử khí đi vào các mặt sóng. Với giả thiết có thể bỏ qua các nguyên nhân trên thì năng l−ợng tổng đ−ợc bảo toàn, khi đó có thể viết: 0. 2 1 2 =⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + nvhv ρ (2-18) Đối với các mặt sóng đoạn nhiệt, các nguyên tắc bảo toàn khối l−ợng, mômen và năng l−ợng đ−ợc biết đến bởi các quan hệ Rankine-Hugoniot có dạng sau: jvv == 0011 ρρ (2-19) 2000 2 111 vPvP ρρ +=+ (2-20) 202 2 11 2 1 2 1 vhvh +=+ (2-21) dP Vùng 0 Vùng 1 Góc α Góc β Hình 2.5. Dạng mặt sóng tr−ớc và sau. H−ớng chuyển động của viên đạn t M 14 ở đây j là khối l−ợng dòng chảy. Các công thức trên có thể đ−ợc viết d−ới dạng dễ hiểu hơn khi thay mật độ không khí ρ bằng thể tích riêng ρ/1≡V và thay giá trị của entanpi bằng các giá trị của P và V: PVuPuh +=+= ρ/ , thực hiện một số biến đổi đại số ta nhận đ−ợc: ( ) )( 2 1 100101 VVPPuu −+=− (2-22) 10 012 VV PPj − −= (2-23) ))(( 100110 VVPPvv −−=− (2-24) Hình 2.6 mô ta mối quan hệ Rankine-Hugoniot, trạng thái nhiệt động của dòng chảy đến mặt sóng là điểm (P0,V0). Đ−ờng nét liền gọi là đ−ờng sóng đoạn nhiệt, là tập hợp tất cả các trạng thái có thể của dòng chảy đi ra khỏi mặt sóng. Đ−ờng sóng đoạn nhiệt này có thể đ−ợc tính toán bằng cách thay công thức (2-22) vào ph−ơng trình trạng thái: ),( VPuu = (2-25) Khi đó sẽ nhận đ−ợc một đ−ờng cong thực tế kéo dài từ (V0,P0) ra hai phía: lên trên sang trái và xuống d−ới sang phải. Chỉ có phần lên trên sang trái là phù hợp với sự tăng entrôpi ngang qua mặt sóng. Phần xuống d−ới sang phải đòi hỏi sự giảm entrôpi, điều này mâu thuẫn với nguyên lý thứ hai của nhiệt động học. Vị trí thực tế (V1,P1) của trạng thái dòng đi ra khỏi mặt sóng trên đ−ờng đoạn nhiệt đ−ợc xác định một cách đơn giản bởi công thức (2-23). Độ dốc của đ−ờng nét đứt nối giữa hai trạng thái tr−ớc và sau mặt sóng là -j2, trong đó j là thông l−ợng của dòng chảy. Nh− vậy ba nguyên tắc bảo toàn trên là cơ sở hình thành các mặt sóng. Sự chênh lệch về áp suất, nhiệt độ và mật độ không khí giữa hai vùng này đ−ợc biểu diễn bởi các ph−ơng trình (2-26), (2-27) và (2-28): 6 1sin7 2 0 1 −= αM P P (2-26) Hình 2.6. Mô tả mối quan hệ Rankine-Hugoniot. 15 α αα 22 2222 0 1 sin36 )5sin)(1sin7( M MM T T +−= (2-27) 6 1sin7 2 0 1 −= αρ ρ M (2-28) Trong đó M là số Mach : M = v/c. v là tốc độ của viên đạn, c là tốc độ âm thanh. Góc α là góc nón tạo ra bởi mặt tr−ớc của sóng va đập: sinα = M-1 (2-29) Góc β là góc tạo bởi mặt sau của sóng va đập, đ−ợc biểu diễn nh− sau: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−= 1)1sin(5 6tancos 22 2 ααβ M M (2-30) 2.3 Sự lan truyền của sóng va đập. Các dao động của sóng va đập hình thành trong quá trình bay của viên đạn sẽ lan truyền theo mọi h−ớng. Quá trình lan truyền sóng va đập đ−ợc biểu diễn nh− trên hình 2.7. Giả sử tại một thời điểm nào đó, đạn đã bay ra khỏi nòng pháo nằm ở điểm M4. Tại mỗi điểm trên đ−ờng đi của mình nó gây ra dao động của các phần tử không khí. Xét dao động của các phần tử ở các điểm M1, M2, M3 và M4. Đoạn quỹ đạo từ điểm 0 đến điểm M4 đ−ợc coi nh− đ−ờng thẳng. Các phần tử không khí, nằm tại điểm 0, ra khỏi trạng thái tĩnh sớm hơn các phần tử không khí ở tại các điểm (M1, M2, M3, M4), là các nguồn dịch chuyển dao động mà các sóng cầu sẽ lan truyền đến với tốc độ bằng tốc độ âm. Khi đạn đến Hình 2.7. Sơ đồ hình thành và lan truyền sóng va đập 16 điểm M4. Dao động từ điểm 0 lan truyền theo mọi h−ớng và sóng cầu đến vị trí A có tâm ở điểm 0, trùng với tâm điểm tiếng nổ đầu nòng. Khi đi qua các diểm M1, M2, M3 và M4 đầu đạn kéo các phần tử không khí ra khỏi trạng thái tĩnh, làm xuất hiện dao động tại các điểm này, chúng sẽ lan truyền giống nh− dao động xuất hiện tại điểm 0. Nh−ng vì các điểm M1, M2, M3 và M4 đầu đạn đi qua chậm hơn một chút so với điểm 0, nên dao động từ các điểm này lan truyền trên một khoảng cách ngắn hơn so với từ điểm 0, và điểm càng gần đầu đạn, tức là gần đến điểm M4 khoảng cách sẽ càng nhỏ, đó là khoảng cách dao động kịp truyền tới tại thời điểm đạn nằm ở điểm M4. ở thời điểm đạn nằm tại điểm M4, nếu từ điểm M4 kẻ các đ−ờng thẳng M4B và M4A thì các đ−ờng thẳng này sẽ tiếp xúc với tất cả các mặt cầu sóng xuất hiện từ tất cả các điểm (0 đến M4), với giả thiết quỹ đạo của đạn trên đoạn này thẳng và tốc độ không đổi. Nếu bây giờ từ điểm M4 kéo vô số các đ−ờng thẳng sao cho tất cả chúng đều tiếp xúc với mặt cầu sóng có tâm tại các điểm 0, M1, M2, M3 và M4 thì ta đ−ợc một hình nón hình thành bởi các đ−ờng M4B và M4A; điểm M4 đỉnh của hình nón này. Tìm hiểu kĩ hơn về sóng hình nón này bằng cách dựng hình nh− trên hình 2.8. Trong đó, )/1(sin 1 M−=α , M là số Mach nh− công thức (2-29). Ta thấy sự hình thành và lan truyền của sóng va đập trong không gian tao ra các mặt cầu liên tiếp mà hình bao của nó có dạng nón với góc nón α . Thông th−ờng sẽ có hai mặt nón; một mặt ứng với sóng ở phía tr−ớc đầu đạn, một mặt khác có cấu trúc phức tạp ở phía đuôi của đầu đạn. áp suất không khí thay đổi qua mỗi mặt nón, do đó có hai lần áp suất không khí thay đổi tạo ra "sóng N" dọc theo đ−ờng bay của đầu đạn. Sau mặt sóng thứ nhất, mật độ và áp xuất không khí từ từ tụt xuống, do đó dòng khí đi vào mặt sóng thứ hai có mật độ, áp suất và tốc độ âm thấp hơn dòng khí đi vào mặt sóng thứ nhất. Nguyên nhân này dẫn đến số Mach của mặt sóng thứ hai lớn hơn số Mach của mặt sóng thứ nhất do đó góc β sẽ nhỏ hơn góc α . Hình 2.8. Mô tả sóng hình nón hình thành do chuyển động v−ợt âm của đầu đạn. Vị trí hiện tại của đầu đạn 17 Từ hình vẽ 2.9 chúng ta nhận thấy, khi đầu đạn chuyển động qua vị trí quan sát , áp suất âm sẽ đạt cực đại tại vị trí mặt sóng tr−ớc đi qua, sau đó giảm dần đến cực tiểu tại vị trí mặt sóng sau đi qua, hình thành một dao động cơ bản lan truyển đi trong không gian. Tần số của dao động này phụ thuộc giá trị của α , β và khoảng cách r từ vị trí quan sát đến đ−ờng đạn. Do góc β nhỏ hơn góc α nên khi điểm quan sát càng xa đ−ờng đạn (r càng lớn) thì khoảng cách giữa điểm cực đại và cực tiểu của dao động sẽ càng cách xa nhau, dẫn đến tần số của dao động giảm. Tuy nhiên sự thay đổi tần số dao động theo khoảng cách r là rất nhỏ vì hai góc α và β không lệch nhau nhiều. Hình 2.9. Hai mặt nón tạo ra do chuyển động v−ợt âm của đầu đạn và sự phân bố áp suất "sóng N" qua các mặt nón . βαα Mặt sóng tr−ớc Mặt sóng sau Điểm quan sát O S M r Hình 2.10. Hình ảnh minh hoạ sóng va đập. Mặt sóng tr−ớc Mặt sóng sau Mặt sóng hình thành do đ−ờng gân trên thân đầu đạn 18 Trên thực tế chứng minh, khi ở gần đ−ờng đạn ng−ời ta nghe thấy tiếng rít chói hơn khi ở xa đ−ờng đạn. Hình 2.10 là ảnh minh hoạ các mặt sóng va đập tạo ra khi viên đạn chuyển động trong không khí. ở đây ngoài các mặt sóng tr−ớc và sau còn có một mặt sóng hình thành so đ−ờng gân ngang trên thân đầu đạn. Nếu đặt một đầu thu tại điểm quan sát M gần đ−ờng đi của viên đạn . Sóng tổng hợp tại đầu thu sẽ là tổng hợp của tất cả các sóng va đập tạo ra trên đ−ờng bay của viên đạn. Tuy nhiên các sóng này sẽ hầu nh− triệt tiêu lẫn nhau và khi đó kết quả sóng tổng hợp thu đ−ợc tại đầu thu đ−ợc coi nh− là sóng nhận từ nguồn S lan truyền đến điểm M theo quy luật truyền sóng âm dạng cầu. Vị trí của điểm S là giao điểm của đ−ờng đạn với đ−ờng vuông góc với MO. MO là đ−ờng biểu diễn mặt sóng tr−ớc của sóng va đập, tạo với đ−ờng đạn một góc α . )sin1( .4.4 2 22 αππ −== r P SM PI (2-31) I: C−ờng độ sóng tại điểm M. P: Công suất nguồn sóng. Mỗi loại đạn có P và α nhất định. Do đó c−ờng độ sóng tổng hợp tại điểm M sẽ mang thông tin về r, nghĩa là mang thông tin về khoảng cách từ đ−ờng đạn tới đầu thu. Vì vậy, bằng cách đo c−ờng độ sóng va đập tạo ra khi viên đạn chuyển động ta có thể tính toán độ chụm cho đạn pháo phòng không. Xét mối liên hệ giữa sự lan truyền sóng va đập và sóng nổ đầu nòng ta thấy sóng va đập luôn ở phía tr−ớc sóng nổ đầu nòng theo h−ớng chuyển động của viên đạn. Dãn cách giữa các sóng này thay đổi theo quỹ đạo và phụ thuộc vào khoảng cách đến khẩu pháo. Trong mặt phẳng nằm ngang, dãn cách giữa sóng va đập và sóng nổ đầu nòng phụ thuộc vào góc giữa h−ớng đ−ợc chọn để quan sát và mặt phẳng bắn. Nếu đầu thu bố trí trong mặt phẳng bắn, chẳng hạn ở điểm M1 (hình 2.11), thì hiệu thời gian đến đầu thu của các sóng va đập và sóng nổ đầu nòng sẽ lớn hơn hiệu thời gian của các sóng này khi đầu thu bố trí tại điểm M2, bên ngoài mặt phẳng bắn. Nếu đầu thu bố trí tại Hình 2.11. Mối liên hệ giữa sóng va đập và sóng nổ đầu nòng 19 điểm M3, thì sóng va đập đ−ợc pha trộn với sóng nổ đầu nòng và nếu bố trí sau điểm M3 thì sóng va đập bị lẫn trong tiếng nổ đầu nòng. 2.4 ảnh h−ởng của môi tr−ờng đến sự lan truyền của sóng va đập. Khi lan truyền trong không khí, tốc độ dịch chuyển của sóng va đập phụ thuộc vào tất cả các yếu tố môi tr−ờng lan truyền nh−: điều kiện khí t−ợng, thời tiết, nhiệt độ, gió.....Trong đó, nhiệt độ không khí và gió là hai yếu tố tác động chủ yếu tới sự lan truyền của sóng va đập trong không khí. Chúng ta biết rằng khi nhiệt độ thay đổi thì tốc độ truyền âm cũng thay đổi. Mối liên hệ giữa tốc độ truyền âm trong không khí với nhiệt độ đ−ợc thể hiện bằng công thức: TTcc .6,04,331.6,00 +=+= (m/s) (2-32) ở đây c0 là tốc độ âm ở 00, c0 = 331m/s. Trong điều kiện bình th−ờng những ngày mùa hè, nhiệt độ không khí giảm khi độ cao tăng. Cứ lên 100m thì nhiệt độ không khí giảm trung bình 0,60C. Do đó, tốc độ âm cũng giảm khi độ cao tăng. Tia âm bị khúc xạ sẽ cong lên trên ở mọi phía nh− trên hình 2.12, xuất hiện vùng tối âm ở mọi phía của nguồn âm. Xét một tr−ờng hợp khác của sự phân bố nhiệt độ không khí theo độ cao. Nhiệt độ không khí tăng theo độ cao hay tr−ờng hợp này còn gọi là đảo nhiệt. Vào mùa đông ( lúc sáng sớm và ban đêm khi trời quang đãng, hoặc ban ngày khi có rét đậm ), và vào mùa xuân (cả ngày đêm) th−ờng quan sát thấy sự đảo nhiệt trong lớp khí quyển có độ cao từ 1000m-2000m. Sự đảo nhiệt cũng quan sát thấy trong mùa hè vào ban đêm và buổi sớm quang đãng, nh−ng độ cao của chúng không lớn - chỉ vài chục mét. Khi nhiệt độ tăng nhiệt độ không khí, tốc độ âm tăng. Do đó, trong tr−ờng hợp đảo nhiệt, tốc độ âm tăng theo độ cao, và tia âm bị khúc xạ, sẽ cong xuống d−ới (hình 2.13) nên độ thính âm th−ờng đặc biệt tốt. Nếu tính đến cả những tình tiết là Hình 2.12. Sự khúc xạ của tia âm khi nhiệt độ không khí giảm theo độ cao. 20 ban đêm và sáng sớm gió th−ờng rất yếu, đôi khi hoàn toàn im gió (không có gió), đó là điều kiện thuận lợi cho hoạt động thu âm đ−ợc tạo ra khi đảo nhiệt. Nếu độ cao của miền đảo nhiệt không lớn (một vài chục mét) và nếu sau giới hạn trên của miền đảo nhiệt, nhiệt độ không khí giảm t−ơng đối mạnh, thì độ thính âm chỉ có thể tốt trên cự ly không lớn (khoảng vài kilômét), sau đó là vùng tối âm, nh− chỉ ra trên hình 2.14. Đôi khi có phân bố nhiệt độ nh− sau theo độ cao: ban đầu giảm theo độ cao, sau đó tăng; đảo nhiệt xuất hiện ở một độ cao nào đó, trong tr−ờng hợp này ng−ời ta nói: "đảo nhiệt trong khí quyển tự do". Hiện t−ợng này quan sát đ−ợc vào thời gian lạnh, khi mà sau một thời kỳ khô hanh thời tiết trở nên xấu đi. Đảo nhiệt trong khí quyển tự do xảy ra khi có luồng không khí ấm, di chuyển trên một độ cao nào đó cách mặt đất. Trong tr−ờng hợp này, tia âm cong lên trên cho đến biên của lớp đảo nhiệt. Khi đi vào lớp đảo, tia âm bắt đầu cong theo h−ớng ng−ợc lại và có thể lại trở về mặt đất. Do vậy ta có thể quan sát thấy sự dị th−ờng (khác với quy luật chung). Hình 2.13. Sự khúc xạ của tia âm khi nhiệt độ không khí tăng theo độ cao. Hình 2.14. Sự khúc xạ của tia âm trong tr−ờng hợp vùng đảo nhiệt ở sát mặt đất. 21 Gần nguồn âm không thu đ−ợc sóng âm, đó là vùng tối âm. Đến một khoảng cách nào đó cách nguồn âm, độ thính âm có thể tốt, ở đây bắt đầu vùng đ−ợc gọi là vùng thính âm dị th−ờng. Cự ly phân bố vùng tối âm phụ thuộc vào độ cao lớp đảo nhiệt, lớp này càng cao thì vùng tối âm càng lớn. Để biết sự phân bố nhiệt độ theo độ cao, cần tiến hành quan sát độ cao, hay tiến hành phân miền nhiệt độ khí quyển. Không nên trên cơ sở sự thay đổi nhiệt độ của một lớp sát mặt đất để rút ra kết luận về sự phân bố nhiệt độ theo độ cao. Tuy nhiên, trong một khoảng cách ngắn (cách đầu thu 10 m trở lại), sự tác động của các điều kiện nhiệt độ môi tr−ờng đến sự lan truyền của sóng va đập là không đáng kể, và không thể xuất hiện vùng tối âm ở khoảng cách đó. Xét sự phụ thuộc của tốc độ dịch chuyển sóng âm vào gió. Nếu c là vận tốc âm trong khí quyển còn w là tốc độ gió thì tốc độ dịch chuyển sóng âm cW đ−ợc tính bằng công thức: cW = c + w.cosϕ (2-33) Trong đó ϕ là góc đ−ợc tạo thành bởi h−ớng nguồn âm - máy thu và h−ớng gió (hình 2.16). Xét ảnh h−ởng của sự thay đổi của tốc độ gió theo độ cao đến sự lan truyền âm ta thấy: Khi tốc độ gió tăng theo độ cao khi đó sự khúc xạ của tia âm có dạng nh− trên hình 2.17. Nếu điều kiện đo siêu âm ng−ợc gió, tốc độ truyền âm sẽ giảm theo độ cao và tia âm bị khúc xạ cong lên trên, hình thành vùng tối âm. Nguồn âm Máy thuϕ H−ớng gió Hình 2.16. Mối liên hệ giữa h−ớng nguồn âm - máy thu và h−ớng gió Hình 2.15. Sự khúc xạ của các tia âm khi vùng đảo nhiệt nằm trong khí quyển tự do 22 ảnh h−ởng của gió đến sự lan truyền của sóng va đập trong khoảng cách từ đ−ờng đạn đến đầu thu là t−ơng đối nhỏ. Tuy nhiên nó lại có ý nghĩa đối với việc tính toán độ chụm của đạn pháo phòng không khi viên đạn bay qua danh giới giữa các "vòng" tính điểm. Giả thiết khoảng cách biểu kiến đo đ−ợc khi viên đạn bay qua bia là rthu. Khi đó: gwthu rrtwtctwctcr +=∆+∆=∆+=∆= .cos..)cos.(. ϕϕ (2-34) Trong đó rg là sai số gây ra do sự ảnh h−ởng của gió. twrg ∆= .cos. ϕ (2-35) Nếu biết rthu, c, w và ϕ ta sẽ xác định đ−ợc ∆t: ϕcos.wc rt thu+=∆ (2-36) Thay công thức (2-36) vào (2-35) ta nhận đ−ợc l−ợng bù sai số khi tính toán khoảng cách từ đ−ờng đạn tới đầu thu. Trên thực tế, sự ảnh h−ởng của gió và nhiệt độ đến sự lan truyền của sóng va đập là đồng thời. Do đó việc tính toán l−ợng bù sai số đo độ chụm sẽ phức tạp hơn. Điều này sẽ đ−ợc đề cập kĩ hơn trong phần sau, khi thiết kế chế tạo bộ đo khí t−ợng và tính toán l−ợng bù sai số. Hình 2.17. Sự khúc xạ của tia âm khi tốc độ gió tăng theo độ cao. 23 Ch−ơng 3 khảo sát đặc tr−ng của sóng va đập Nh− quá trình phân tích ở trên, sẽ có 4 dạng sóng hình thành khi bắn pháo: tiếng nổ đầu nòng, sóng va đập, tiếng đạn chạm mục tiêu và tiếng nổ của đầu đạn. Trong đó, tiếng nổ đầu nòng và sóng va đập là hai thành phần tín hiệu tác động nhiều nhất lên đầu thu. Đối với nhiệm vụ thiết kế, chế tạo thiết bị đo độ chụm của đạn pháo phòng không thì sóng va đập là tín hiệu có ích vì nó mang thông tin về vị trí của viên đạn khi bay qua đầu thu còn tiếng nổ đầu nòng là tín hiệu nhiễu vì nó không mang thông tin về vị trí đạn bay qua đầu thu, để tách đ−ợc tín hiệu có ích ra khỏi nhiễu cần phải tiến hành các khảo sát tín hiệu thu đ−ợc khi bắn pháo nhằm mục đích: - Xác định dạng tín hiệu thu đ−ợc khi bắn. - Phân tích tín hiệu, xác định dạng phổ tần số và biên độ của tín hiệu sóng va đập và tiếng nổ đầu nòng. Khảo sát mối liên hệ của biên độ tín hiệu sóng va đập nhận đ−ợc với khoảng cách từ đ−ờng đạn đến đầu thu. - Khảo sát đặc tính tần số, biên độ của nhiễu động cơ khi đặt thiết bị trên máy bay mô hình. Đánh giá khả năng tác động của nhiễu lên hệ thống thu và đề ra giải pháp chống nhiễu hiệu quả. Quá trình khảo sát đặc tr−ng sóng va đập là b−ớc đầu tiên có tác dụng định h−ớng cho các b−ớc đi tiếp theo của đề tài trong thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị. Để đảm bảo tính đúng đắn của kết quả nhận đ−ợc cần phải tiến hành khảo sát thử nghiệm nhiều lần. Điều này làm cho kinh phí thử nghiệm rất lớn. Vì vậy đề tài xác định các b−ớc thử nghiệm nh− sau: ™ B−ớc 1: Khảo sát thử nghiệm với súng bộ binh để xác định dạng tín hiệu sóng va đập, phân tích dải tần số của sóng va đập. Đánh giá sơ bộ về tần số, biên độ và mối liên hệ với tiếng nổ đầu nòng. Từ đó đề ra ph−ơng án thiết kế, chế tạo thiết bị. Theo một số tài liệu, sóng va đập hình thành khi bắn súng bộ binh và khi bắn pháo phòng không có cùng một bản chất vật lý, chỉ khác nhau về tần số và c−ờng độ sóng. Do đó, việc khảo sát b−ớc đầu sóng va đập khi bắn súng bộ binh vẫn đáp ứng đ−ợc các yêu cầu trong thiết kế, chế tạo thiết bị mà tiết kiệm đ−ợc kinh phí khảo sát thử nghiệm. 24 ™ B−ớc 2: Khảo sát đặc tính tần số và biên độ của tiếng nổ động cơ máy bay mô hình, đây là nhiễu chủ yếu tác động lên hệ thống. Đề ra biện pháp chống nhiễu. Ta biết rằng khi thiết bị đ−ợc đặt trên máy bay mô hình, sự tác động của tiếng nổ động cơ rất lớn. Hiện nay các máy bay mô hình đ−ợc sử dụng làm máy bay mục tiêu đều dùng động cơ 4 thì chạy bằng nhiên liệu xăng. Để chống lại sự tác động của loại nhiễu này cần phải xác định đ−ợc dải tần và c−ờng độ của nó. ™ B−ớc 3: Khảo sát thử nghiệm với pháo phòng không. Xác định dải tần số và biên độ của sóng va đập tạo ra khi bắn pháo phòng không. Hiệu chỉnh một số tham số của thiết bị cho phù hợp. ™ B−ớc 4: Thử nghiệm tinh chỉnh một số tham số của thiết bị, xây dựng bộ tham số quy đổi biên độ tín hiệu thu đ−ợc - khoảng cách từ đ−ờng đạn đến đầu thu. Hoàn thiện thiết bị. 3.1. Các khảo sát tiến hành với súng bộ binh. 3.1.1. Khảo sát thực nghiệm lần 1. Một trong những khó khăn khi thu ghi các tín hiệu tạo ra khi bắn là không có các đầu thu dải rộng để có thể đo đ−ợc đồng thời trong cả miền âm và siêu âm. Nhóm đề tài đã khắc phục bằng cách dùng hai bộ thiết bị đo độc lập: ƒ Bộ thiết bị thu, ghi ở tần số siêu âm gồm: sensor siêu âm, bộ khuyếch đại, đầu ghi từ, mạch xử lý sơ bộ tín hiệu siêu âm. ƒ Bộ thiết bị thu ghi ở dải âm gồm: đầu thu dải rộng, bộ khuyếch đại, máy tính. Mô hình thiết bị khảo sát thực nghiệm lần thứ nhất nh− hình 3.1. Đối t−ợng khảo sát: đạn súng AK và súng tr−ờng CKC bắn ở các cự li 70m, 100m, 150m Với bộ thu ghi ở dải âm, tín hiệu thu đ−ợc đ−ợc khuếch đại và ghi trực tiếp vào máy tính qua cáp truyền. Với thiết bị thu ghi ở tần số siêu âm, tín hiệu siêu âm thu đ−ợc qua bộ khuếch đại và xử lý sơ bộ đ−a vào bộ ghi băng từ. Hệ số khuyếch đại của mạch khuyếch đại đ−ợc điều khiển từ máy tính. Tín hiệu siêu âm thu đ−ợc qua mạch khuếch đại và đ−a về đầu ghi băng từ. Mạch xử lý sơ bộ thực chất là mạch xử lý để lấy ra biên độ đỉnh tín hiệu thu đ−ợc để đ−a về máy tính, đồng thời xử lý đếm số viên đạn và lấy giá trị biên độ tín hiệu nhận đ−ợc của từng viên đạn. 25 Kết quả khảo sát thực nghiệm lần thứ nhất nh− sau: ƒ Khi bắn ở các cự li khác nhau trên cùng h−ớng bắn 1, bộ thu ghi tín hiệu siêu âm đều thu đ−ợc tín hiệu và đếm chính xác số viên đạn. Giá trị biên độ đỉnh nhận đ−ợc của tín hiệu thay đổi. Điều đó khẳng định phổ của tín hiệu tạo ra khi bắn có ở dải tần số siêu âm. Tuy nhiên, khi bắn ở gần bia và nòng súng h−ớng theo h−ớng bắn 2, không h−ớng về phía bia, thì vẫn thu đ−ợc tín hiệu siêu âm và vẫn đếm đ−ợc số viên đạn, nên ch−a khẳng định đ−ợc tín hiệu siêu âm nhận đ−ợc là do tiếng nổ đầu nòng hay sóng va đập. ƒ Với bộ thu tín hiệu ở dải âm sau khi thu đ−ợc và phân tích phổ ta nhận thấy: KĐ KĐ và xử lý sơ bộ Microphone Sensor siêu âm Vị trí bắn 1 Máy tính Đầu ghi băng từ Điều khiển hệ số kđ tín hiệu siêu âm cáp truyền Giá trị biên độ đỉnh Vị trí bắn 2 H−ớng bắn 1 H−ớng bắn 2 Hình 3.1. Mô hình thiết bị khảo sát thực nghiệm lần 1. Hình 3.2. Tín hiệu và phổ thu đ−ợc khi bắn súng AK47, khi bắn phát một. đỉnh phổ 304Hz đỉnh phổ 1386Hz 26 Khi bắn phát một, sau khi phân tích phổ tín hiệu thu đ−ợc ta thấy có hai đỉnh phổ rất lớn ở 304 Hz và 1386 Hz. Vì 1386 không thể là bội của 304 (1386/304 ≈ 4,5) nên đỉnh phổ ở vị trí tần số 1386 Hz không thể là hài của đỉnh phổ 304 Hz. Thành phần tần số cao hơn chỉ xuất hiện khi viên đạn bay qua bia, đó là thành phần sóng va đập. Thành phần tần số thấp luôn xuất hiện khi bắn trong mọi tr−ờng hợp, đó là tiếng nổ đầu nòng. Khi bắn liên thanh, tốc độ bắn khoảng 600phát/phút tín hiệu thu đ−ợc nh− hình 3.3. Khoảng cách giữa các chùm xung là 100,884 ms. Dạng phổ tín hiệu thu đ−ợc cũng có dạng t−ơng đồng với khi bắn phát một. Đỉnh phổ 1386 Hz có phần cao hơn đỉnh phổ 304 Hz. Điều đó càng chứng tỏ đây là hai thành phần phổ của hai tín hiệu khác nhau. Tuy nhiên trong lần đo đạc thực nghiệm này vẫn còn một số hạn chế nh− sau: - Hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại còn để hơi cao nên tín hiệu âm thu đ−ợc bị bão hoà. - Địa hình triển khai thiết bị đo không bằng phẳng nên thu đ−ợc tiếng dội t−ơng đối lớn. 3.1.2. Khảo sát thực nghiệm lần 2. Khắc phục những hạn chế của lần thử nghiệm thứ nhất, lần thử nghiệm thứ 2 khảo sát đạn súng đại liên khi bắn ở các cự li 100m, 200m và 300m trên địa hình bằng phẳng. Mô hình khảo sát thực nghiệm của lần thứ hai nh− sau: Hình 3.3 Tín hiệu và phổ thu đ−ợc khi bắn AK47, liên thanh 3 viên. 27 Các cự li bắn: - Vị trí 1: cự ly 100m - Vị trí 2: cự ly 200m - Vị trí 3: cự ly 300m Kết quả khảo sát thực nghiệm lần thứ 2 nh− sau: ƒ Đối với bộ thiết bị thu tín hiệu siêu âm vẫn đếm đ−ợc chính xác số viên đạn và có kết quả giống thử nghiệm lần 1. Khi bắn lên trời ở cự li 300m, không thu nhận đ−ợc tín hiệu siêu âm. Quá trình thử nghiệm cho thấy phổ của sóng va đập trải ra trên một dải tần số t−ơng đối rộng từ dải âm đến siêu âm (40 KHz). Việc chọn dải tần số để xử lý là vấn đề đặt ra sao cho chống đ−ợc các loại nhiễu tác động đến tín hiệu có ích. ƒ Đối với bộ thu tín hiệu ở dải âm, các tín hiệu thu đ−ợc đ−ợc đ−a vào phân tích cho thấy: - Cự ly 100m, tín hiệu thu đ−ợc có dạng nh− sau: KĐ và xử lý sơ bộ Microphone Sensor siêu âm Vị trí bắn 2 Máy tính Đầu ghi băng từ Điều khiển hệ số kđ tín hiệu siêu âm cáp truyền Giá trị biên độ đỉnh Vị trí bắn 1 H−ớng bắn 1 Hình 3.4. Mô hình thiết bị khảo sát thực nghiệm lần 2. Vị trí bắn 3 28 Ta thấy tín hiệu có hai thành phần rõ rệt cách nhau ∆t ≈ 180 ms. Theo lý thuyết, thành phần đến tr−ớc là sóng va đập của viên đạn trong quá trình bay, thành phần đến sau là tiếng nổ đầu nòng. Nếu gọi s là cự ly bắn, góc γ là góc tạo giữa đ−ờng đạn và đ−ờng thẳng từ vị trí bắn đến đầu thu, khi đó: Sóng va đập hình thành khi viên đạn chuyển động trên đ−ờng bay đến đầu thu coi nh− đ−ợc tạo ra từ điểm S đến đầu thu. Nếu lấy gốc thời gian là lúc viên đạn bắt đầu bay ra khỏi nòng pháo, cũng là lúc bắt đầu hình thành sóng nổ đầu nòng. Vậy khoảng thời gian từ gốc thời gian đến khi sóng va đập truyền đến đầu thu M sẽ bằng khoảng thời gian viên đạn chuyển động tới điểm S với vận tốc v cộng với khoảng thời gian sóng va đập chuyển động từ điểm S đến đầu thu M với tốc độ âm c: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +=+=+= γγγγ sincossin.cos.1 Mc s c s v s c SM v OSt (3-1) Khoảng thời gian từ gốc thời gian đến khi sóng nổ đầu nòng truyền đến đầu thu sẽ là: c st =2 (3-2) Đ−ờng đạn Vị trí bắn O Đầu thu γ S M A s Hình 3.6. Mô tả sự phụ thuộc của giãn cách thời gian vào cự ly và góc bắn. v c Hình 3.5 Tín hiệu thu đ−ợc và phổ khi bắn đại liên ở cự li 100m ∆t ≈ 180ms 29 Vậy khoảng cách về mặt thời gian giữa hai sóng đến đầu thu sẽ là: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−=−=∆ γγ sincos112 Mc sttt (3-3) Khi γ nhỏ, và vì M>1 nên công thức (3-39) có thể viết: )11( Mc st −≈∆ (3-4) Từ công thức (3-1) và (3-2) ta thấy khi góc γ đủ nhỏ thì t1 <t2, nghĩa là sóng va đập sẽ đến đầu thu tr−ớc tiếng nổ đầu nòng. Đến đây chúng ta đặt ra câu hỏi, liệu có tr−ờng hợp tiếng nổ đầu nòng đến tr−ớc sóng va đập không? Khi góc γ lớn lên thì tín hiệu thu đ−ợc sẽ nh− thế nào? Vấn đề này sẽ đ−ợc phân tích cụ thể trong phần tiếp theo. Từ công thức (3-4) ta thấy khi bắn ở góc γ nhỏ, ∆t tỷ lệ thuận với s. Do đó nếu bắn ở cự ly xa hơn, ∆t tăng lên sẽ chứng tỏ hai thành phần tín hiệu thu đ−ợc là sóng va đập và tiếng nổ đầu nòng. Từ biểu đồ phổ ta cũng thấy có hai thành phần tách biệt. Thành phần phổ tần số thấp có năng l−ợng cực đại ở 360 Hz. Thành phần phổ tần số cao có năng l−ợng cực đại trong dải tử 2600 Hz đến 4800Hz. Dùng một bộ lọc thông dải trong khoảng này ta thấy tiếng nổ đầu nòng suy giảm gần hết, thành phần sóng va đập gần nh− không suy giảm . - Cự ly 200m, tín hiệu thu đ−ợc có dạng nh− sau: Hình 3.7. Tín hiệu sau khi cho qua bộ lọc thông dải: 2600Hz-4800Hz. sóng va đập tiếng nổ đầu nòng 30 Từ hình 3.8 ta nhận thấy khoảng thời gian giãn cách giữa sóng va đập va tiếng nổ đầu nòng tăng lên: ∆t ≈ 290 ms, phù hợp với công thức (3-4). Đối chiếu giữa hình 3.5 và hình 3.8 ta thấy tiếng nổ đầu nòng nhỏ đi do lan truyền đến đầu thu ở khoảng cách xa hơn, còn thành phần sóng va đập không phụ thuộc vào cự li bắn mà chỉ phụ thuộc vào khoảng cách từ đ−ờng đạn đến đầu thu, nên biên độ không thay đổi nhiều. Lần l−ợt xử lý phân tích phổ của từng thành phần ta nhận đ−ợc kết quả nh− trên hình 3.9 và hình 3.10. Hình 3.8. Tín hiệu thu đ−ợc và phổ khi bắn ở cự ly 200m. ∆t ≈ 290ms Hình 3.9. Sóng va đập và phổ khi bắn ở cự ly 200m. Hình 3.10.Tiếng nổ đầu nòng và phổ khi bắn ở cự ly 200m. 31 Đỉnh phổ lớn nhất của sóng va đập trong tr−ờng hợp này nằm ở tần số 4760Hz còn của tiếng nổ đầu nòng là 393 Hz. - Cự li 300m, tín hiệu nhận đ−ợc và phổ có dạng nh− trên hình 3.11. Giãn cách thời gian giữa tiếng nổ đầu nòng và sóng va đập tăng lên, ∆t ≈ 400 ms. Thay đổi khoảng cách từ đ−ờng đạn đến đầu thu ta thấy khi khoảng cách tăng lên thì giá trị ∆t giảm dần. Điều này phù hợp với công thức (3-3). Nhìn vào công thức (3-3) ta thấy, nếu coi s không đổi thì ∆t phụ thuộc vào giá trị của góc γ. Trong thực tế ta chỉ khảo sát với góc γ ≤ 900. Khi γ = 00, ∆t có giá trị lớn nhất và bằng: )11( Mc st −=∆ Khi γ = 300, )31( .2 Mc st −=∆ Từ công thức (3-39) ta thấy có một góc γ phụ thuộc vào giá trị của M để ∆t =0. Giải ph−ơng trình l−ợng giác: 1sincos =+ γγ M ( 00 900 ≤≤ γ ) ⇔ MM =+ γγ sincos ⇔ 1 sin 1 cos 1 1 222 + = + + + M M M M M γγ đặt 1 1sin 2 + = M a ⇒ aaa cossin.coscos.sin =+ γγ ⇔ ) 2 sin()sin( aa −=+ πγ Hình 3.11. Tín hiệu thu đ−ợc và phổ khi bắn ở cự li 300m. ∆t ≈ 400ms 32 ⇒ )900( 2) 2 ( 2 2 0≤≤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ +−−=+ +−=+ γ πππγ ππγ kaa kaa ⇔ )900( 2 2 22 2 0≤≤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ += +−= γ ππγ ππγ k ka Giả thiết nếu 3=M ⇒ a = 300, γ = 300. Nghĩa là khi bắn ở góc bắn γ = 300 thì tiếng nổ đầu nòng và sóng va đập đến đầu thu cùng một lúc và tác động lẫn nhau. Nếu tiếp tục tăng góc bắn γ > 300 sẽ dẫn đến hiện t−ợng tiếng nổ đầu nòng đến đầu thu tr−ớc sóng va đập. Hình 3.12 cho thấy sự thay đổi của ∆t theo góc bắn (hay khoảng cách từ đầu thu đến đ−ờng đạn). ∆t = 392 ms ∆t = 341 ms Tín hiệu thu đ−ợc ở cự li 300, đầu thu cách đ−ờng đạn 10m. Tín hiệu thu đ−ợc ở cự li 300, đầu thu cách đ−ờng đạn 20m. Tín hiệu thu đ−ợc ở cự li 300, đầu thu cách đ−ờng đạn 30m. ∆t = 302 ms Tín hiệu thu đ−ợc ở cự li 300, đầu thu cách đ−ờng đạn 50m. ∆t = 269 ms Hình 3.12. Sự thay đổi của ∆t theo góc bắn. 33 Kết luận: Quá trình khảo sát tiến hành với bắn súng bộ binh đã xác định đ−ợc chính xác thành phần sóng va đập trong tín hiệu thu nhận đ−ợc. Các tín hiệu sóng va đập và tiếng nổ đầu nòng thu nhận đ−ợc hoàn toàn phù hợp với những nghiên cứu lý thuyết về mối liên hệ giữa sóng va đập và tiếng nổ đầu nòng nh− trình bày trong mục 2.3 và công thức (3-1). Qua khảo sát thực nghiệm cho thấy, sóng va đập hình thành khi bắn súng bộ binh có phổ trải từ miền âm (trên 2 KHz) đến miền siêu âm (trên 40 KHz). Tuy nhiên, miền năng l−ợng lớn nhất của sóng va đập hình thành khi bắn súng bộ binh nằm trong khoảng từ 2600Hz đến 4800 Hz. Trong khi tiếng nổ đầu nòng có năng l−ợng lớn nhất ở vùng d−ới 400 Hz. 3.2. Khảo sát nhiễu do tiếng nổ động cơ. Quá trình khảo sát tiến hành trên hai bộ thiết bị: ƒ Bộ thiết bị thu, ghi ở tần số siêu âm gồm: sensor siêu âm, bộ khuyếch đại, đầu ghi từ, mạch xử lý sơ bộ tín hiệu siêu âm. ƒ Bộ thiết bị thu ghi ở dải âm gồm: đầu thu dải rộng, bộ khuyếch đại, máy tính. Mô hình thiết bị khảo sát thực nghiệm tiếng nổ động cơ nh− sau: Kết quả khảo sát: ™ Với bộ thu tín hiệu siêu âm: - Khi đầu thu h−ớng về phía nguồn phát tiếng nổ, thu đ−ợc tín hiệu siêu âm rất lớn. Đ−a đầu thu ra xa nguồn phát 7m vẫn thu đ−ợc tín hiệu lớn. KĐ và xử lý sơ bộ Microphone Sensor siêu âm Máy tính Đầu ghi băng từ Điều khiển hệ số kđ tín hiệu siêu âm Giá trị biên độ đỉnh Hình 3.13. Mô hình thiết bị khảo sát tiếng nổ động cơ. Động cơ Tấm chắn 34 - Khi h−ớng đầu thu siêu âm ng−ợc với h−ớng nguồn phát không thu đ−ợc tín hiệu siêu âm mặc dù đầu thu để rất gần nguồn (20 cm). - Dùng tấm chắn bằng nhựa chắn giữa sensor và nguồn phát, không thu đ−ợc tín hiệu. - Quay sensor về phía các mặt phản xạ thu đ−ợc tín hiệu siêu âm lớn. ™ Với bộ thu tín hiệu âm. Một file tín hiệu âm của tiếng nổ động cơ ghi đ−ợc và biểu đồ phổ có dạng nh− sau: Đoạn tín hiệu khi tăng ga và biểu đồ phổ: Biểu đồ dạng phổ hình bên cho thấy năng l−ợng tín hiệu tiếng nổ động cơ khi tăng ga tập trung trong vùng 200Hz-700 Hz. Tiếng nổ động cơ ghi trong 26 giây Biểu đồ dạng phổ Đoạn tín hiệu khi tăng ga Biểu đồ dạng phổ 35 Đoạn tín hiệu khi giảm ga và biểu đồ phổ: Từ biểu đồ phân tích phổ ta thấy dạng phổ tín hiệu khi tăng ga và giảm ga t−ơng đ−ơng nhau. Năng l−ợng tiếng nổ động cơ tập trung ở vùng tần số thấp d−ới 700Hz. Kết quả này cung đ−ợc khẳng định khi ta phân tích phổ của một tiếng nổ động cơ lúc tăng ga và lúc giảm ga. Đoạn tín hiệu khi giảm ga Phổ của đoạn tín hiệu khi giảm ga Một tiếng nổ khi tăng ga Phổ của một tiếng nổ khi tăng ga Một tiếng nổ khi giảm ga Phổ của một tiếng nổ khi giảm ga 36 Kết luận: - Tiếng nổ động cơ tác động rất lớn tới đầu thu siêu âm khi đầu thu h−ớng về phía nguồn phát tiếng nổ. Do đó khi rất khó chế tạo đầu thu có giản đồ h−ớng hình cầu mà lại loại bỏ đ−ợc nhiễu do tiếng nổ động cơ gây ra. - Khi dùng đầu thu siêu âm sẽ thu đ−ợc tín hiệu phản xạ lớn. Do đó đối với xạ kích hàng loạt thì tín hiệu siêu âm phản xạ của phát đạn tr−ớc sẽ nhiễu vào tín hiệu siêu âm có ích của phát đạn sau, gây ra sai số trong quá trình tính toán. - Với đầu thu âm, phổ tín hiệu động cơ chủ yếu tập trung ở vùng tần số thấp (d−ới 300 Hz), nên ta có thể loại bỏ tác động của nhiễu này khi dùng một bộ lọc thông cao hoặc bộ lọc dải thông. 3.3. Các khảo sát tiến hành với pháo phòng không. Quá trình khảo sát tín hiệu thu đ−ợc khi bắn pháo phòng không đ−ợc tiến hành với 02 bộ đầu thu theo mô hình nh− trên hình 3.13: Kết quả khảo sát: ™ Với pháo phòng không 37 ly. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn phát một có dạng nh− hình 3.14. Thành phần phía tr−ớc là sóng va đập và tín hiệu phản xạ của nó từ mặt đất. Thành phần phía sau là tiếng nổ đầu nòng. Ta nhận thấy do khoảng cách bắn gần nên thành phần tiếng nổ đầu nòng còn rất lớn. Và vì đầu thu để gần mặt đất nên thành phần tín hiệu phản xạ về cũng lớn. Khi bắn ở khoảng cách gần, các thành phần tần số cao và hài bậc cao Vị trí bắn H−ớng bắn Máy tính 250m Hình 3.13. Mô hình khảo sát thực nghiệm khi bắn pháo phòng không. Đầu thu 37 của tiếng nổ đầu nòng sẽ lan truyền đến đầu thu gây ra nhiễu. Nếu bắn ở khoảng cách xa hơn các thành phần này bị suy giảm gần hết, chỉ còn thành phần hài cơ bản của tiếng nổ đầu nòng tác động tới đầu thu, và bị loại bỏ bởi bộ lọc. Quá trình phân tích cho thấy sóng va đập có năng l−ợng lớn nhất ở tần số 850Hz. Tiếng nổ đầu nòng có năng l−ợng lớn nhất ở tần số 380Hz. Hình 3.14. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn pháo 37ly Sóng va đập Sóng nổ đầu nòng Tín hiệu phản xạ của sóng va đập tín hiệu phản xạ sóng nổ đầu nòng đỉnh phổ lớn nhất 380 Hz Hình 3.15. Tiếng nổ đầu nòng và phổ của nó. Hình 3.16. Sóng va đập và phổ của nó. đỉnh phổ lớn nhất 860 Hz 38 ™ Pháo phòng không 12 ly 7. Tín hiệu thu đ−ợc có dạng sau: Quá trình phân tích cho thấy, khi bắn pháo phòng không 12 ly 7, sóng va đập có năng l−ợng tập trung ở tần số 1500Hz. Tiếng nổ đầu nòng có năng l−ợng tập trung ở tần số 360 Hz. Sóng va đập Tiếng nổ đầu nòng Hình 3.17. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn pháo 12 ly 7. Hình 3.18. Phổ 3D của tín hiệu thu đ−ợc khi bắn pháo 12 ly 7. Phổ của sóng va đập Phổ của tiếng nổ đầu nòng 39 Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn liên thanh: Pháo 12 ly 7 có tiếng nổ đầu nòng nhỏ hơn nên thành phần tần số cao trong tiếng nổ đầu nòng gần nh− bị loại bỏ. Khi bắn liên thanh cho thấy mối t−ơng quan năng l−ợng giữa sóng va đập và tiếng nổ đầu nòng. Thành phần năng l−ợng ở vùng 1,4 Khz v−ợt lên hẳn so với vúng nang l−ợng tần số thấp. Hình 3.19. Tín hiệu thu đ−ợc khi bắn liên thanh. Tiếng nổ đầu nòng Sóng va đập Hình 3.20. Phổ của tín hiệu khi bắn liên thanh. Phổ tiếng nổ đầu nòng Phổ sóng va đập 40 Tóm lại: - Khảo sát với pháo phòng không cho kết quả đúng nh− dự đoán sau khi khảo sát với súng bộ binh. Tần phổ của sóng va đập thấp hơn vì kích th−ớc đầu đạn của pháo phòng không lớn hơn kích th−ớc đầu đạn súng bộ binh. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết (xem mục 2.3, hình 2.9: tần số của sóng va đập phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai mặt sóng tr−ớc và sau, khi đầu đạn có kích th−ớc càng lớn, thì khoảng cách giữa hai mặt sóng càng lớn nên tần số sóng va đập giảm). - Quá trình khảo sát còn bắn ở khoảng cách gần nên trong tín hiệu thu đ−ợc, tiếng nổ đầu nòng vẫn còn nhiều các thành phần tần số cao, hoặc hài bậc cao ch−a bị suy giảm nhiều. Cần tăng khoảng cách giữa pháo và đầu thu xa nữa (trên 500m) để tiếng nổ đầu nòng khi bắn pháo 37 ly suy giảm lớn hơn trong thành phần tín hiệu thu đ−ợc, nhằm tạo thuận lợi cho việc phân tích, đánh giá kết quả . - Các kết quả phân tích phổ là cơ sở đề điều chỉnh các tham số bộ lọc đầu vào của thiết bị . 3.4. Một số kết luận. • Quá trình khảo sát cho thấy sóng va đập tạo ra khi bắn pháo và các loại súng bộ binh có dải tần số trải rộng từ miền âm đến miền siêu âm. Tuy nhiên vùng năng l−ợng chính của sóng va đập tập trung trong khoảng 600Hz đến 5 KHz, tuỳ thuộc loại súng, pháo và kích th−ớc đầu đạn. • Trong vùng siêu âm , do năng l−ợng sóng va đập nhỏ nên sự tác động của nhiễu động cơ lớn (nếu gắn thiết bị trên máy bay mục tiêu). D−ới tác động của nhiễu, việc tạo ra giản đồ h−ớng dạng cầu cho đầu thu hết sức khó khăn. • Trong vùng âm, sóng va đập có phổ năng l−ợng tập trung ở miền tần số cao trên 800Hz. Trong khi các loại nhiễu chủ yếu là tiếng nổ đầu nòng và tiếng nổ động cơ có tần số thấp hơn (d−ới 700Hz). Do đó có thể loại bỏ các loại nhiễu này bằng cách sử dụng bộ lọc dải thông hoặc thông cao. 41 Ch−ơng 4 thiết kế, chế tạo hệ thống 4.1. Các yêu cầu đặt ra của hệ thống. Sau khi đã nghiên cứu lý thuyết và khảo sát đ−ợc dạng tín hiệu sóng va đập, phân tích đặc tr−ng phổ năng l−ợng của nó và các thành phần nhiễu tác động. Đề tài đi vào thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị. Mục đích của thiết bị là đo đạc đ−ợc khoảng cách từ đầu thu đến đ−ờng đạn, từ đó tính toán độ chụm của đạn pháo phòng không. Để thực hiện việc đo chính xác khoảng cách từ đầu thu đến đ−ờng đạn, hệ thống thiết bị phải đảm bảo các nội dung yêu cầu kỹ thuật sau: - Tính đẳng h−ớng của đầu thu. - Dải động của hệ thống. - Khả năng chống nhiễu. - Xử lý tín hiệu khi bắn loạt. Đây là bốn vấn đề lớn đặt ra, định h−ớng trong quá trình thiết kế, chế tạo các môđun của hệ thống thiết bị. a) Tính đẳng h−ớng của đầu thu. Khi nói tới tính đẳng h−ớng của đầu thu, hệ thống yêu cầu đầu thu tín hiệu phải có giản đồ h−ớng thu hình cầu và t−ơng đối đều trên mọi h−ớng. Lý do của yêu cầu này xuất phát từ đòi hỏi của bài toán thực tế. Khi gắn thiết bị trên vật mang (máy bay mục tiêu, khí cầu..), sự chao lắc của vật mang làm cho đầu thu chao lắc theo, nếu giản đồ h−ớng của đầu thu không đều thì sự chao lắc này dẫn đến sai số đo rất lớn. b) Dải động của hệ thống. Do c−ờng độ tín hiệu sóng va đập suy giảm rất nhanh theo bình ph−ơng khoảng cách trong quá trình lan truyền từ nguồn đến đầu thu. Điều này dẫn đến hiện t−ợng nếu thu tín hiệu sóng va đập của những viên đạn ở gần đầu thu mà không bị bão hoà thì không thu đ−ợc tín hiệu sóng va đập của những viên đạn ở xa đầu thu, nếu thu đ−ợc tín hiệu sóng va đập nhỏ của những viên đạn ở xa đầu thu thì những tín 42 hiệu sóng va đập của những viên đạn gần đầu thu bị bão hoà. Do đó thiết bị bia chỉ có thể đo đ−ợc trong một phạm vi nhất định. Ta gọi đó là dải động của hệ thống đo. D Dải động của hệ thống bị hạn chế bởi: - Dải động của đầu thu. - Mạch khuyếch đại đầu vào. - Mạch tách sóng. Biện pháp mở rộng dải động của hệ thống: - Dùng các mạch khuyếch đại logarith. - Dùng mạch tách sóng có mức cho qua nhỏ. c) Khả năng chống nhiễu. Loại bỏ đ−ợc tác động của các loại nhiễu sau: Tiếng nổ đầu nòng và tiếng nổ động cơ. d) Xử lý tín hiệu khi bắn loạt. Hệ thống phải đếm chính xác số l−ợng viên đạn và khoảng cách của từng viên đến đầu thu trong tr−ờng hợp bắn liên thanh, bắn loạt nhiều khẩu cùng một lúc. D U Mức 0,7V Umax Dmin2 Dmax1 Dmax2 KĐ th−ờng KĐ logarith Hình 4.1. Biểu đồ chỉ ra các ph−ơng pháp mở rộng dải động của hệ thống. 43 4.2. Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc chung. Hình 4.2. Sơ đồ khối tổng thể hệ thống đo độ chụm đạn pháo phòng không. Trạm đo trên không KĐ Trạm đo trên không Cảm biến nhiệt độ và đo tốc độ gió Khối đo tham số khí t−ợng Trạm mặt đất Đầu thuLọc ADC Bộ đệm và điều khiển phát MODEM Khối xử lý t−ơng tự Khối xử lý Máy phát VTĐ Khối xử lý số Máy thu VTĐMODEM 44 Nguyên lý làm việc chung: Khi bắn pháo, sự chuyển động v−ợt âm của đầu đạn trong không khí tạo ra sóng va đập. Sóng va đập lan truyền trong không khí và tác động vào đầu thu. ở các khoảng cách khác nhau, tín hiệu đầu ra của cảm biến có biên độ khác nhau. Vì vậy, biên độ sóng va đập có thể đ−ợc dùng để xác định khoảng cách từ đầu thu đến đ−ờng đạn. Hệ thống đo độ chụm đạn pháo phòng không đã đ−ợc thiết kế dựa trên cơ sở xác định biên độ của tín hiệu thu đ−ợc từ đầu thu do sóng va đập tạo ra khi viên đạn bay qua vị trí đặt đầu thu. Tín hiệu sóng va đập đ−ợc phát hiện bởi cảm biến điện động. Cảm biến có chức năng biến đổi sóng va đập thành tín hiệu điện. Sau đó tín hiệu điện đ−ợc khuếch đại và đ−a đến bộ lọc. Mạch lọc đ−ợc thiết kế để loại bỏ tạp âm tần số thấp và các tạp âm c−ờng độ thấp, nhằm mục đích loại bỏ tiếng nổ đầu nòng và tiếng nổ động cơ (khi thiết bị đ−ợc gắn trên máy bay mục tiêu). Tín hiệu đầu ra bộ lọc đ−ợc đ−a đến đầu vào ADC để chuyển thành tín hiệu số. Tốc độ ADC đ−ợc điều khiển bởi khối xử lý và điều khiển. Tín hiệu đầu ra ADC đ−ợc đ−a vào khối xử lý số. Nhiệm vụ của khối này là xử lý lấy biên độ đỉnh (giá trị lớn nhất) của tín hiệu thu đ−ợc. Kết quả giá trị biên độ đỉnh d−ợc ghi vào bộ đệm. Bộ đệm và điều khiển thu phát có chức năng thu nhận, quản lý các giá trị biên độ đỉnh và đ−a vào modem phát, điều khiển modem phát và máy phát vô tuyến. Phát bản tin để kiểm tra đ−ờng truyền. Modem phát điều chế tín hiệu số đ−a vào máy phát vô tuyến. Máy phát vô tuyến điện có chức năng biến đổi tín hiệu sau điều chế của môdem thành tín hiệu sóng điện từ và truyền lan trong không gian. Cự ly truyền lan tuỳ theo công suất phát và môi tr−ờng truyền lan. Máy thu đặt tại trạm d−ới mặt đất thu đ−ợc tín hiệu sóng điện từ phát ra từ máy phát tại trạm đo trên không đ−ợc đ−a tới môdem giải điều chế thành tín hiệu số. Thiết bị giao tiếp với máy tính qua chuẩn giao tiếp RS232. Dữ liệu sau đó đ−ợc đ−a tới máy tính để phân tích số liệu tính toán ra độ chụm của các vòng t−ơng ứng. Tại máy tính số liệu đ−ợc l−u trữ và có thể tổng hợp đánh giá kết quả sau từng lần bắn. Kết quả bắn có thể đ−ợc chỉ thị trên màn hình hoặc máy in. Ngoài ra, trạm mặt đất còn có khối đo và hiển thị tham số khí t−ợng phục vụ cho quá trình bắn kiểm tra và hiệu chỉnh pháo. 45 4.3. Thiết kế, chế tạo trạm trên không. Hình ảnh trạm trên không: Sơ đồ khối của trạm trên không đ−ợc trích ra từ sơ đồ khối của hệ thống có dạng nh− sau: KĐ Hình 4.4. Trạm đo trên không. Đầu thu LọcADC Bộ đệm và điều khiển phát MODEM Khối xử lý t−ơng tự Khối xử lý Máy phát VTĐ Khối xử lý số Nguồn 7,2V Hình 4.3. Hình ảnh trạm trên không. 46 Một số tính năng chính của trạm trên không: - Các mức đánh giá độ chụm pháo 37 mm: 3m, 5m, 7m, 10m. - Tốc độ đếm 200 viên/giây. - Số bít lấy mẫu 10 bít - Tốc độ lẫy mẫu ~50 KHz. - Tần số làm việc (136 ữ 174 ) Mhz - Giãn cách kênh 5 KHz - Độ nhạy máy thu 0,18 àv - Trở kháng anten 50 Ω - Công suất phát : Max 5W , Medium 1,5W, Min 0,5W - Nguồn một chiều 7,2 v 1650 mAh - Dòng tiêu thụ ở chế độ thu Cực đại: 100 mA. Tiết kiệm: 30 mA. - Dòng tiêu thụ ở chế độ phát Cực đại: 1,5 A.Tiết kiệm: 500 mA. - Nhiệt độ làm việc - 10 ữ70 0 C - Độ ẩm 0 ữ 85 % - Thời gian làm việc liên tục 5 giờ với pin 7,2 V - Kích th−ớc ( 152x82x740) mm - Khối l−ợng (Kể cả nguồn pin) 1Kg 4.3.1. Chế tạo đầu thu. Đầu thu là một thành phần quan trọng trong hệ thống thiết bị đo độ chụm đạn pháo phòng không, có nhiệm vụ thu nhận sóng va đập và biến năng l−ợng sóng va đập thành tín hiệu điện ở đầu ra. Do hệ thống đo độ chụm hoạt động trên nguyên lý đo c−ờng độ cực đại của tín hiệu sóng va đập tạo ra khi đầu đạn bay qua đầu thu nên đầu thu phải đảm bảo đ−ợc các yêu cầu sau: • Dải tần làm việc của đầu thu phải đảm bảo nằm trong vùng phổ năng l−ợng của sóng va đập. • Độ lớn của tín hiệu đầu ra tỉ lệ với c−ờng độ tín hiệu thu nhận đầu vào. • Do phải thu nhận các xung tín hiệu đến từ nhiều h−ớng khác nhau, nên đòi hỏi đầu thu có giản đồ h−ớng t−ơng đối đều trên mọi h−ớng. 47 Từ việc khảo sát sóng va đập cho thấy, sóng va đập có phổ năng l−ợng từ vài trăm Hz đến vài chục KHz, điều này cho phép lựa chọn tần số công tác của đầu thu trong vùng t−ơng đối rộng từ vùng âm thanh đến vùng siêu âm. Quá trình nghiên cứu, đề tài đã chế tạo đồng thời 02 bộ đầu thu trên cả hai vùng âm và siêu âm. a) Đặc điểm kỹ thuật của đầu thu siêu âm. Đầu thu siêu âm đ−ợc thiết kế dựa trên nguyên lý áp điện, sử dụng sensor siêu âm 40/R do Singapore chế tạo. Một số đặc tính kỹ thuật của sensor nh− sau: Đặc tính 40/R Tần số trung tâm (KHz) 40.0 ± 1.0 KHz Độ nhạy (0dB vs V/àbar) ≥-69dB Độ rộng băng tần (KHz) 2.0 KHz/-73 dB Góc chiếu -6dB 800 Điện áp điều khiển (RMS) 20V Nhiệt độ làm việc (0C) -300C ữ 800C Các tham số kỹ thuật khác của sensor siêu âm 40T/R đ−ợc nêu trong phụ lục. Ưu điểm khi sử dụng đầu thu siêu âm là loại bỏ đ−ợc nhiễu tiếng nổ đầu nòng và tiếng ồn của môi tr−ờng nên hệ thống xử lý tín hiệu đơn giản, không cần các biện pháp để loại bỏ hai loại nhiễu trên. Tuy nhiên, đầu thu siêu âm cũng bộc lộ một số nh−ợc điểm rất khó khắc phục đó là: • Tính định h−ớng của đầu thu siêu âm rất lớn nên khó chế tạo một đầu thu siêu âm có giản đồ h−ớng t−ơng đối đều trên mọi h−ớng. Trên thực tế, nhóm đề tài mới chế tạo đ−ợc đầu thu siêu âm có giản đồ h−ớng hình bán cầu phía tr−ớc đầu thu. • Đầu thu siêu âm chịu tác động rất lớn của tiếng nổ động cơ (nếu gắn thiết bị trên máy bay mô hình). b) Đặc điểm kỹ thuật của đầu thu âm. Đầu thu âm đ−ợc thiết kế trên nguyên lý điện động. Các tham số kỹ thuật của đầu thu nh− sau: 48 • Dải tần làm việc tập trung từ 800 Hz đến 5 KHz, t−ơng ứng với phổ của sóng va đập nhận đ−ợc trong quá trình khảo sát. • Giản đồ h−ớng hình cầu, t−ơng đối đều trên mọi h−ớng, Độ không đồng nhất về h−ớng ≤ 20%. Đầu thu âm khắc phục đ−ợc các nh−ợc điểm của đầu thu siêu âm là có thể chế tạo đ−ợc giản đồ h−ớng hình cầu, t−ơng đối đều trên mọi h−ớng. Tuy nhiên đầu thu âm cũng có nh−ợc điểm đó là: sự tác động của nhiễu tiếng nổ đầu nòng và tiếng động của môi tr−ờng. Các loại nhiễu này đ−ợc loại bỏ bằng các biện pháp xử lý điện tử. Quá trình chế tạo đầu thu đ−ợc thực hiện theo một mẫu có sẵn của hãng Secapem. Các số liệu về kích th−ớc hình học đ−ợc phỏng theo đúng mẫu của hãng SECAPEM nh− đã cho trong bản vẽ ở phần phụ lục. Các số liệu về tham số điện đ−ợc kiểm định bởi Cục tiêu chuẩn đo l−ờng chất l−ợng - Tổng cục Kỹ thuật - Bộ quốc phòng. c) Kết luận về lựa chọn đầu thu. Quá trình nghiên cứu và thử nghiệm cho thấy việc sử dụng đầu thu âm trong thiết bị đo độ chụm đạn pháo phòng không là hợp lí. Các hệ thống đo đọ chụm đạn pháo của n−ớc ngoài hoạt động trên nguyên lý đo c−ờng độ sóng va đập cũng sử dụng đầu thu ở dải âm tần. 49 4.3.2. Khối xử lý tín hiệu. Khối xử lý tín hiệu có thể đ−ợc phân chia thành hai khối nhỏ là xử lý tín hiệu t−ơng tự và xử lý tín hiệu số. Đầu vào của khối xử lý tín hiệu: Tín hiệu thu đ−ợc từ đầu thu, bao gồm cả tín hiệu có ích (sóng va đập) và nhiễu (sóng nổ đầu nòng và tiếng nổ động cơ). Đầu ra khối xử lý tín hiệu: Giá trị biên độ đỉnh của sóng va đập. 4.3.2.1. Xử lý tín hiệu t−ơng tự. Mạch xử lý tín hiệu t−ơng tự đ−ợc dùng để phát hiện sóng va đập sinh ra khi viên đạn bay qua. Tín hiệu thu đ−ợc bởi đầu thu sau khi biến đổi thành tín hiệu điện không đủ lớn để dùng trong mạch sẽ đ−ợc đ−a qua bộ khuếch đại thuật toán. Tầng khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán LM358 có độ khuếch đại tín hiệu 100 lần. Tầng đệm giữa đầu thu và tầng khuếch đại thuật toán dùng để phối hợp trở kháng. Độ khuếch đại đ−ợc tính toán sao cho tín hiệu khi bay qua bia không quá nhỏ khi cách bia 10m và không bị bão hoà khi đi gần tâm bia (đặt đầu thu) ở khoảng cách < 3 m . Mạch lọc thông cao đ−ợc thiết kế để loại bỏ tạp âm tần thấp. Các tần số thấp do xe ôtô, máy bay, gió tạo ra sẽ bị lọc bỏ. Bộ lọc đ−ợc tính toán và thiết kế dựa trên phần mềm FilterLab 2.0 sơ đồ mạch và đặc tính bộ lọc nh− hình 4.5 và hình 4.6. ở đây mạch lọc đ−ợc thiết kế là mạch lọc thông cao Butterworth có tần số cắt 1khz, độ khuếch đại bằng 1. Hình 4.5. Bộ lọc butterworth. 50 4.3.2.2. Xử lý tín hiệu số. Tín hiệu t−ơng tự đầu vào đ−ợc nạp mẫu và giữ trên tụ trong modul ADC của Vi điều khiển. Đầu ra đ−ợc đ−a đến bộ chuyển đổi, bộ chuyển đổi t−ơng tự- số (ADC) tạo ra một dãy số t−ơng ứng với mức tín hiệu t−ơng tự này theo ph−ơng pháp gần đúng. Những tham số chủ yếu của bộ ADC là số bit trong mỗi mẫu cần đủ để đảm bảo độ phân giải về cự ly và tần số lấy mẫu cần đủ lớn để đảm bảo lấy mẫu đ−ợc các tín hiệu xung có độ rộng 1ms . Bộ ADC xử dụng loại biến đổi t−ơng tự- số 10 bit. Nh− vậy ta sẽ có kết quả đầu ra của ADC nằm trong khoảng 0-1023 (t−ơng ứng với 210=1024 mức phân biệt về khoảng cách). ứng với mỗi mức ADC sẽ có mức điện áp là mức ADC x Vref/1023. Để ADC có kết quả chính xác phải chọn tốc độ lấy mẫu (tốc độ đồng hồ) ADC sao cho TAD nhỏ nhất xấp xỉ 1,6us. TAD là thời gian chuyển đổi/1bit. Thời gian ADC nhỏ nhất trong một lần lấy mẫu 10bit là 12TAD. Do đó tốc độ lấy mẫu là 1/12TAD=50khz, nh− vậy, với xung độ rộng 1 ms sẽ có 50 mẫu, đủ đảm bảo yêu cầu về độ chính xác. Khi đạn bay qua bia, ứng với mỗi khoảng cách khác nhau tín hiệu sẽ có biên độ biên độ t−ơng ứng. Để phân biệt đ−ợc tín hiệu và nhiễu nền trong phần mềm đặt một điện áp ng−ỡng ADCN. Đây chính là mức nền để loại bỏ nhiễu không phải là tín hiệu có ích do viên đạn bay qua bia tạo ra. ADCN đ−ợc chọn phụ thuộc vào cách tính vòng cự ly ngoài cùng của bia để tính độ chụm cho từng loại đạn. Ví dụ ứng với pháo 37mm, ta chỉ tính độ chụm trong vòng bán kính nhỏ hơn 10m. Khi đạn bay qua bia và nằm trong bán kính cần đo, lúc đó tín hiệu của viên đạn tạo ra sẽ lớn hơn ADCN. Nh− vậy tín hiệu sau khi lọc bỏ nhiễu và có biên độ lớn hơn ADCN đ−ợc đ−a Hình 4.6. Đặc tuyến bộ lọc butterworth. 51 đến đầu vào ADC của vi điều khiển Pic16f876. Tại đây tín hiệu đ−ợc lấy mẫu và so sánh tìm ra giá trị max đ−a đến tầng đệm dữ liệu phát. Thuật toán ADC và xử lý lấy giá trị biên độ đỉnh nh− sơ đồ hình 4.7. Begin Setup_ADC_Port Setup_ADC_Clock Setup_ADC_Channel ADCMax = ReadADC ADCMax > ADCN n = 0 ADC = ReadADC n = n+1 ADCMax = ADCADCMax = ADCMax ADC > ADCMax n < 50 ADCMax < ADCN Buffer = ADCMax Hình 4.7. Sơ đồ thuật toán ADC và lấy giá trị biên độ đỉnh. Y Y Y N N Y N N 52 Giải thích sơ đồ thuật toán trên hình 4.7. Tín hiệu sau khi qua khuếch đại và lọc có dạng nh− trên hình 4.8. Quá trình lấy và giữ mẫu đ−ợc tiến hành liên tục, nh−ng chỉ khi nào giá trị của mẫu lấy đ−ợc lớn hơn một giá trị ADCN xác định thì quá trình tính biên độ đỉnh mới bắt đầu. Quá trình tính biên độ đỉnh đ−ợc tiến hành với 50 mẫu tiếp theo sau khi giá trị ADC v−ợt ng−ỡng. Trong thuật toán trên, có hai giá trị hết sức quan trọng đó là: ADCN và n. Các giá trị này đ−ợc rút ra từ tính toán thực nghiệm và mối t−ơng quan giữa tần số lấy mẫu với tần số tín hiệu sóng va đập. Quá trình thực nghiệm cho thấy, sau khi tín hiệu v−ợt ng−ỡng thì biên độ đỉnh chỉ nằm trong khoảng 50 mẫu tiếp theo. Nh− vậy với tốc độ lấy mẫu 50 Khz thì khoảng cách mỗi mẫu là 200micro giây. Nghĩa là sau khi v−ợt ng−ỡng, biên độ đỉnh sẽ đ−ợc tính toán trong vòng 1ms tiếp theo. Điều này hoàn toàn phù hợp với các khảo sát thực tế về sóng va đập. Trong hình 4.8, các mẫu đánh dấu ở phía d−ới vạch ADCN chỉ là t−ợng tr−ng. Trên thực tế, sau khuyếch đại và lọc, tín hiệu đ−a vào ADC chỉ còn thành phần biên d−ơng của sóng va đập. Hình 4.8. Mô tả quá trình lấy mẫu và thuật toán lấy biên độ đỉnh. Các mẫu ADC đ−ợc lấy để tính biên độ đỉnh giá trị ng−ỡng ADCN ADCMAX 53 Ch−ơng trình điều khiển ADC và lấy giá trị biên độ đỉnh: void main() { long max, dataad; long n; setup_adc_ports( AN0_AN1_VSS_VREF); setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_8); set_adc_channel( 0 ); output_high(Ngat); delay_us(10); while(TRUE) { ADCMax = Read_ADC(ADC_START_AND_READ); if (ADCMax >ADCN) { for(n=0; n<=i; n++) { ADC = Read_ADC(ADC_START_AND_READ); if ( ADC< ADCN) break; if (ADC> ADCMax) ADCMax = ADC; } output_high(Ngat); output_c (make8(ADCMax, 0)); output_low(Ngat); delay_us(50); output_high(Ngat); output_c (make8(ADCMax, 1)); output_low(Ngat); } } } 54 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date: 22-Feb-2006 Sheet of File: D:\Tamlang\SoDo\Biasieuam.Ddb Drawn By: MK Sensor R1 + C1 VCC Mạch xử lý tín hiệu t−ơng tự và xử lý số Vũ Hải Lăng VCC R2 48 2 3 1 U1A LM358 56 7 48 U1B LM358 48 2 3 1 U2A LM358 C2 C3 VCC 56 7 48 U2B LM358 C4 C5 VCC A D C R A 0 2 R A 1 3 R A 2 4 R A 3 5 R A 4/ T 0C K I 6 R A 5/ SS 7 R B 0/ IN T 21 R B 1 22 R B 2 23 R B 3 24 R B 4 25 R B 5 26 R B 6 27 R B 7 28 R C 0/ T 1O SO /T 1C K I 11 R C 1/ T 1O SI /C C P2 12 R C 2/ C C P1 13 R C 3/ SC K /S C L 14 R C 4/ SD I/ SD A 15 R C 5/ SD O 16 R C 6/ T X /C K 17 R C 7/ R X /D T 18 M C L R /V PP 1 O SC 1/ C L K IN 9 O SC 2/ C L K O U T 10 U? PIC16F876 R10R9 VCC + C8D1 DIODE D K VCC Y1 C6 22p DATA C7 22p R3 1k R4 R5 R6 R7 R8 R11 55 4.3.3. Đ−ờng truyền dữ liệu. Lựa chọn giải pháp đ−ờng truyền: Việc truyền dữ liệu từ trạm trên không về trạm mặt đất dùng đ−ờng truyền vô tuyến. Có hai giải pháp chính về đ−ờng truyền vô tuyến là: ™ Sử dụng đ−ờng truyền vô tuyến dải rộng, điều chế trực tiếp các xung dữ liệu để truyền đi. Ưu điểm của giải pháp này là hệ thống đơn giản, không cần dùng modem vô tuyến. Tuy nhiên, giải pháp này bộc lộ các nh−ợc điểm sau: - Thứ nhất: các máy vô tuyến dải rộng bán trên thị tr−ờng vừa đắt tiền và không phổ biến, trong khi thiết bị trên không có khả năng tổn hao trong quá trình sử dụng lớn (nếu bị bắn trúng). - Thứ hai: do kênh dải rộng nên dễ bị can nhiễu vô tuyến. ™ Sử dụng đ−ờng truyền vô tuyến dải hẹp khắc phục đ−ợc nh−ợc điểm của đ−ờng truyền vô tuyến dải rộng, nh−ng giải pháp này cần dùng modem vô tuyến biến đổi số liệu từ dạng số sang dạng t−ơng tự và ng−ợc lại để bảo đảm tốc độ truyền dữ liệu thích ứng với các tốc độ xạ kích của các loại pháo khác nhau, ở đây tốc độ truyền dữ liệu phải đạt 600 ữ 1200 bauds . Ngày nay, trên thị tr−ờng có bán sẵn các modem vô tuyến, giá thành của chúng không quá đắt, song xét thấy nhiệm vụ của đề tài, không cần modem vô tuyến tốc độ quá cao. Modem vô tuyến có tốc độ 1200 bauds là đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu, đồng thời cán bộ của tổ đề tài có thể nắm chắc hơn khâu thiết kế chế tạo modem vô tuyến điện nên đề tài đặt nhiệm vụ thiết kế chế tạo modem vô tuyến điện tốc độ 1200 bauds . Với các linh kiện và công cụ hiện có, việc chế tạo modem vô tuyến tốc độ 1200 bauds là hoàn toàn có thể. Từ phân tích trên cho thấy việc chọn đ−ờng truyền vô tuyến giải hẹp có nhiều thuận lợi hơn nếu đề tài làm chủ đ−ợc việc chế tạo modem vô tuyến. Nghiên cứu chế tạo modem vô tuyến và tích hợp chúng trong hệ thống thiết bị là một nhiệm vụ mà đề tài xác định. Kênh phát dữ liệu vô tuyến dải hẹp bao gồm 03 khối nhỏ: - Bộ đệm và điều khiển phát. - Modem phát. - Thiết bị thu phát vô tuyến điện. 56 Trong đó, thiết bị thu phát vô tuyến điện sử dụng máy thu phát vô tuyến dải hẹp có bán trên thị tr−ờng có giá thành vừa phải. Bộ đệm điều khiển phát và modem phát đề tài tự chế tạo. 4.3.3.1. Bộ đệm và điều khiển phát. Bộ đệm và điều khiển phát có chức năng l−u giữ tạm thời giá trị biên độ đỉnh vào bộ nhớ RAM của vi điều khiển sau khi ADC và điều khiển PTT của máy vô tuyến điện và modem để chuyển từ chế độ thu sang phát và ng−ợc lại . Khi nhận đ−ợc một ADCMAX, vi điều khiển ỏ khối xử lý số tạo ra một ngắt gửi tới bộ đệm phát. Khi nhận đ−ợc tín hiệu ngắt từ khối xử lý số gửi tới, bộ đệm phát ghi dữ liệu vào RAM nội, đồng thời tạo ra một cờ báo hiệu rằng sẵn sàng truyền dữ liệu. Bộ đệm điều khiển phát kiểm tra cờ phát và điều khiển PTT cho phép phát dữ liệu d−ới dạng đã đ−ợc đóng gói thành các frame có đánh dấu Header và Footer. Dữ liệu đ−ợc truyền nối tiếp theo chuẩn RS232 (gồm 1bit Star, 8bit data, một bit kiểm tra chẵn lẻ, một bit stop) tới đầu vào Modem. Nh− vậy một byte truyền đi có dạng 11 bít. Nguyên tắc đóng gói dữ liệu là đóng gói cho đến khi bộ đệm đ−ợc giải phóng. Mỗi lần bộ đệm đ−ợc giải phóng sẽ lấy một frame dữ liệu. Lý do của việc đóng gói này xuất phát từ vấn đề thực tế về tính ổn định của đ−ờng truyền trong quá trình làm việc. Khi truyền đi một bản tin, cần phải truyền đi tín hiệu đồng bộ cho bản tin đó để nhận biết bản tin. Cần có đoạn tín hiệu khởi đầu và kết thúc bản tin để nhận biết một bản tin. Mỗi lần đ−ờng truyền bị gián đoạn, để thiết lập lại đ−ờng truyền cần phải gửi đi các tín hiệu đánh dấu đầu cuối bản tin để kiểm tra đồng bộ đ−ơng truyền. Do đó biện pháp đóng gói động, mà số từ đóng gói phụ thuộc vào tính liên tục của số liệu cần phát đi sẽ làm tăng tốc độ truyền tin. Cấu trúc một frame có dạng sau: 2 byte Header .....các byte số liệu 2 byte Footer Thông th−ờng, số byte dữ liệu trong một frame phụ thuộc vào số phát bắn trong một loạt bắn, sau mỗi loạt bắn, các số liệu về giá trị biên độ đỉnh của từng phát bắn đ−ợc l−u giữ trong bộ đệm và phát đi một cách tuần tự. Bộ đệm phải đảm bảo không bị tràn sau mỗi loạt bắn. Với tốc độ truyền vô tuyến 600bít/giây, sẽ truyền đ−ợc 54 byte 11 bít trong 1 giây. Nh− vậy đ−ờng truyền đảm bảo truyền đ−ợc tín hiệu biên độ đỉnh của 50 phát đạn trong 1 giây (t−ơng đ−ơng 3000 phát /phút) mà không cần bộ đệm. Với bộ đệm 40 byte, đ−ờng truyền có thể đảm bảo truyền 57 đ−ợc tín hiệu biên độ đỉnh của 90 phát đạn trong 1 giây (t−ơng đ−ơng 5400 phát/phút). Trên thực tế, đây là tốc độ bắn rất cao và th−ờng không đạt đ−ợc, ngay cả khi bắn bằng cả trận địa pháo. Bộ đệm và điều khiển phát thực hiện hai việc đồng thời: + Đóng gói số liệu và điều khiển phát. + Ghi dữ liệu vào RAM (bộ đệm). Thuật toán của các quá trình này nh− sau: Begin Cho phép ngắt ngoài Ngắt ngoài ? Ghi data[j] flag=1 j:=j+1 j=40? j=0 End Hình 4.9. Thuật toán ghi dữ liệu vào bộ đệm. 58 Thuật toán đóng gói dữ liệu và điều khiển PTT có sơ đồ nh− sau: Begin PTT OFF Data[n] = 0 n=0 flag = 0 Flag=1? PTT ON Delay 50 ms Gửi Header data[n]≠ 0? Gửi Footer Delay 50 ms PTT OFF N Y Flag = 0 Gửi data[n] data[n]=0 n=n+1 n=40? N Y Y N n=0 End Hình 4.10. Thuật toán đóng gói dữ liệu và điều khiển PTT. 59 Ch−ơng trình đóng gói và điều khiển phát: #INT_EXT void ext_isr() { code[i]= input_c(); i=i+1; if (i==2) { i=0; datas[j]= make16(code[1], code[0]); flag1=1; j=j+1; if (j==40) j=0; } } void main() { int n=0, m; output_low(PTT); ext_int_edge(H_TO_L); enable_interrupts(INT_EXT); enable_interrupts(GLOBAL); delay_ms(1000); output_high(PTT); delay_ms(200); putc(255); putc(255); printf("\n\r STX"); printf("\n\r Kiem ra duong truyen VTD"); printf("\n\r Phong TNPTCLTB Dien tu - Vien thong"); printf("\n\r Vien Dien tu - Vien thong"); printf("\n\r Trung tam KHKT&CNQS"); printf("\n\r"); printf("\n\r STP"); 60 putc(255); putc(255); delay_ms(50); output_low(PTT); for (m=0; m<42; m++) datas[m]=0; while(TRUE) { if (flag1==1) { flag1=0; output_high(PTT); delay_ms(150); putc(255); putc(255); printf("\n\r STX"); loop1: if (datas[n]!=0) { printf("%lu ", datas[n]); datas[n]=0; n=n+1; if (n==40) n=0; goto loop1; } else { printf("\n\r STP"); putc(255); putc(255); printf("\n\r"); delay_ms(50); output_low(PTT); } } } } 61 4.3.3.2. Modem thu phát. Modem đ−ợc dùng để truyền số liệu từ trạm đo trên không về trạm thu mặt đất. Tín hiệu mang thông tin về giá trị biên độ đỉnh là các dãy số (dãy xung), những dãy xung này có tần phổ lớn không thể truyền qua các kênh dải hẹp có dải thông 300 Hz đến 3,4Khz. Để truyền các dãy xung này qua các kênh dải hẹp, phải dùng đến modem vô tuyến. Modem đ−ợc thiết kế trên nguyên lý truyền không đồng bộ với ph−ơng pháp điều chế FSK trong đó dùng hai tín hiệu hình sin có tần số nằm trong giải tần 300 Hz đến 3,4Khz, t−ơng ứng với các ký tự 0 và 1 để điều chế máy thông tin vô tuyến điện dải hẹp . Khi thiết kế Modem đặt ra mấy vấn đề sau cần giải quyết: ™ Phải đảm bảo độ mịn về pha của dãy tín hiệu t−ơng tự khi chuyển đổi giữa bit 1 và 0 để tín hiệu điều chế trong mọi thời điểm đều là đơn sắc. Nếu sự chuyển đổi về pha giữa bít 0 và bít 1 không mịn sẽ tạo ra các hài bậc cao. Khi đ−a vào máy thu phát dải hẹp, các hài bậc cao bị cắt gây tổn hao về năng l−ợng và méo dạng tín hiệu. Tín hiệu điều chế đầu ra modem Hình 4.11. Tín hiệu điều chế đầu ra modem và phổ của nó khi đảm bảo độ mịn pha giữa bit 0 và 1. phổ 62 Tính đơn sắc của tín hiệu điều chế (hay độ mịn về pha khi chuyển đổi giữa bít 0 và bít 1) còn phụ thuộc vào cách chọn tần số điều chế bít 0 và bít 1. Nếu các tần số này chọn cách xa nhau thì −u điểm là dễ dàng phân biệt đ−ợc bít 1 và bít 0 khi giải điều chế. Nh−ng sự khác nhau càng lớn về tần số giữa bít 0 và 1 sẽ hạn chế tốc độ tối đa của modem và tạo ra hài, làm tổn hao năng l−ợng khi truyền. Ng−ợc lại, nếu chọn các tần số này gần nhau thì khắc phục đ−ợc các nh−ợc điểm trên, nh−ng lại khó phân biệt bít 0 và 1 ở khâu giải điều chế. Do đó, việc chọn các tần số điều chế sao cho phù hợp để ở phần giải điều chế có thể đánh giá đ−ợc bít 0 hay 1 mà vẫn đảm bảo độ mịn pha và không bị tổn hao năng l−ợng. Điều này phụ thuộc vào việc chọn giá trị ng−ỡng trong mạch giải điều chế và các thuật toán xử lý của modem. ™ Trong mạch giải điều chế, vấn đề giá trị ng−ỡng để quyết định đánh giá bít 1 và bit 0 cần đ−ợc lựa chọn, điều chỉnh cho thích hợp. Đề tài đã làm chủ khâu thiết kế và chế tạo đ−ợc modem đạt tốc độ từ 300 đến 1200 b/s dùng vi điều khiển PIC. Tần số 1270 ứng với bit 0 và tần số 1070 ứng với bit 1. Hình 4.12. Tín hiệu điều chế đầu ra modem và phổ của nó khi độ dich pha giữa bít 1 và 0 là 1800. 63 Một số tính năng chính của modem nh− sau: - Tốc độ truyền số liệu từ 300 bauds hoặc 1200 bauds. - Ph−ơng pháp điều chế: mã dịch tần với các tần số 1070 Hz cho bít 1 và 1270 Hz cho bit 0 - Cung cấp các tốc độ kết nối dữ liệu 300, 600 và 1200 bít/s. - Hỗ trợ tất cả các đ−ờng bắt tay RS232. - Nguồn cung cấp DC từ 9V đến 15V. a) Sơ đồ khối modem thu phát có dạng nh− sau: Khối xử lý trung tâm Đầu vào PTT Nguồn 9v-15v Máy thu Máy phát Hạn chế đầu vào Audio Mạch lọc đầu ra Audio Bộ lọc dải thông Khuếch đại Máy tính RS232 DAC Hình 4.13. Sơ đồ khối modem vô tuyến AFSK tốc độ bauds 300/1200. Mạch t−ơng tự đầu vào 64 b) Nguyên lý làm việc của modem. Modem thực hiện hai chức năng: điều chế và giải điều chế tín hiệu. ™ Khi điều chế tín hiệu, tín hiệu số đ−ợc đ−a vào từ cổng RS232 đ−a vào khối xử lý trung tâm. Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ phân tích số liệu nhận đ−ợc và điều khiển DAC tạo ra dạng sóng sin với hài nhỏ nhất. Dạng sóng sin đ−ợc tạo ra từ một bảng giá trị sin l−u trong bộ nhớ. Ch−ơng trình trong vi điều khiển sẽ tính toán, chọn giá trị từ bảng SIN, sau đó gửi ra cổng vi điều khiển để chuyển đổi DAC. Tín hiệu tt−ơng tự sau DAC đ−ợc cho qua bộ lọc thông thấp để làm trơn tín hiệu. Tín hiệu đầu ra bộ lọc đ−ợc đ−a tới đầu vào MIC của máy liên lạc. ™ Khi giải điều chế tín hiệu, tín hiệu t−ơng tự nhận đ−ợc từ jack phone của máy thu đ−ợc đ−a tới bộ hạn chế. Để tránh nhiễu đối với tín hiệu khôi phục, tín hiệu đ−ợc đ−a qua một bộ lọc thông dải sau đó cho qua bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại lớn. Đầu ra của bộ khuếch đại có dạng sóng vuông có tần số thay đổi theo tần số điều chế ứng với các bít số liệu 0 và 1. Để khôi phục lại luồng số liệu, phần mềm sẽ tính toán khoảng thời gian giữa các chuyển đổi liên tiếp tại đầu vào số. ứng với một khoảng thời gian đo đ−ợc sẽ t−ơng ứng với bít 1 hoặc bít 0. ™ Để khôi phục hoàn toàn dữ liệu mà không bị lỗi dùng ph−ơng pháp truyền không đồng bộ theo chuẩn RS232. Trong đó dữ liệu đ−ợc đóng gói thành một từ: bắt đầu truyền với bit Start, 8bit dữ liệu, có thêm bit kiểm tra chẵn lẻ, sau cùng là bit stop. Dữ liệu không đồng bộ không đi cùng với bất kỳ tín hiệu xung đồng bộ nào nên các modem phát và modem thu phát hiện tốc độ dữ liệu chỉ mang tính danh nghĩa. Nếu xung đồng hồ giữa hai modem thu phát lệch nhau sẽ có sai số tích luỹ, sai số này sẽ tạo ra sự tr−ợt dữ liệu (mất đồng bộ) sau một khoảng thời gian nhất định. Để ngăn chặn việc tr−ợt dữ liệu do t−ơng quan không cân bằng về xung đồng hồ và đồng bộ thời điểm đầu bản tin, dữ liệu đ−ợc nhóm thành các khối có đánh dấu đầu và cuối khối. Các byte đánh dấu sử dụng một vài ký tự đặc biệt và có ý nghĩa. Do số l−ợng thông tin trong một bản tin không nhiều nên sai số tích luỹ bị loại bỏ nếu tr−ớc mỗi bản tin gửi đi, ta đồng bộ lại xung đồng hồ một lần. c) Thuật toán chung của modem nh− sau: 65 Start CD= 0 PTT=1? TMR0= 0 UN10 = 0? UN10=1? Y Y N N N Y W=TMR0 TIME=W LED1 OFF LED2 OFF W=9? LED1 ON W=10,11,12? RxD=0? Y N N Y W=13,14,15? RxD=1? N Y W=16? LED2 ON Y N CD=1 PHASE=0 W= 9 TxD=1? Y N W= 10 W= PHASE+W W= PHASE ANGLE= W ANGLE=64? W=127-W Y N W=0X3F&W PLC=PLC+W W=(PLC) W=128? W=128-W Y N SINMEM=W SINMEM = SINMEM >>2 W= SINMEM W=0X3F&W RB=W PTT=1? N W=128+W Y Hình 4.14. Thuật toán chung của modem. 66 d) Ch−ơng trình xử lý trong modem. MAIN bcf PORTA,CDC ; PTT OFF call RX ; gọi ch−ơng trình thu bsf PORTA,CDC ; PTT ON call TX ; gọi ch−ơng trình phát goto MAIN ;=============================================== RX ; ch−ơng trình con thu số liệu loop btfss PORTA,PTT goto F_RX btfss PORTA,UN10 goto loop clrf TMR0 loop1 btfsc PORTA,UN10 goto loop1 movfw TMR0 movwf TIME bsf PORTA,CDC bsf PORTB,LEDXANH bsf PORTB,LEDDO sublw D'23' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,CDC movfw TIME sublw D'24' btfsc STATUS,Z bsf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'25' btfsc STATUS,Z bsf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'26' 67 btfsc STATUS,Z bsf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'27' btfsc STATUS,Z bsf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'28' btfsc STATUS,Z bsf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'29' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'30' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'31' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'32' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'33' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME sublw D'34' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,RxD movfw TIME 68 sublw D'35' btfsc STATUS,Z bcf PORTA,CDC btfsc PORTA,PTT goto loop F_RX return ;================================================== TX ; ch−ơng trình con phát số liệu clrf PHASE SINLOOP btfss PORTB,TxD movlw D'19' btfsc PORTB,TxD movlw D'21' addwf PHASE,f movfw PHASE call SINUS movwf SINMEM rrf SINMEM,f rrf SINMEM,w andlw 0x3F movwf PORTB btfss PORTA,PTT goto SINLOOP return SINUS movwf ANGLE call SIN4 btfss ANGLE,7 addlw 0x80 btfsc ANGLE,7 sublw 0x80 F_SIN return SIN4 btfss ANGLE,6 goto VALSIN sublw D'127' 69 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date: 22-Feb-2006 Sheet of File: D:\Tamlang\SoDo\Biasieuam.Ddb Drawn By: Mạch hạn chế/lọc và khuếch đại đầu vào Modem Vũ Hải Lăng 9 10 8 114 U1C TL084 6 5 7 4 11 U1B TL084 R3 R6 R7 Uvef R4 C1 VCC C2 R5 R8 C11 R25 D2 DIODE D1 DIODE C5 R9 R2 U N VCC Sp k 70 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date: 22-Feb-2006 Sheet of File: D:\Tamlang\SoDo\Biasieuam.Ddb Drawn By: Bộ lọc đầu ra mạch phát Modem Vũ Hải Lăng 2 3 1 4 11 U1A TL084 13 12 14 4 11 U1D TL084 R13 R12R11 D T M F U ve f R28 C8 VCC C12 R10 + C9 R8 VCC VCC D ie u ch e ph at M IC + C10 + C6 71 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date: 22-Feb-2006 Sheet of File: D:\Tamlang\SoDo\Biasieuam.Ddb Drawn By: Mạch điều khiển Modem trạm đo trên không Vũ Hải Lăng R A 0 17 R A 1 18 R A 2 1 R A 3 2 R A 4/ T 0C K I 3 R B 0/ IN T 6 R B 1 7 R B 2 8 R B 3 9 R B 4 10 R B 5 11 R B 6 12 R B 7 13 M C L R 4 O SC 1/ C L K IN 16 O SC 2/ C L K O U T 15 U1 PIC16F84A C1 22p C2 22p R30 R22 R33 R23 R26 R29 R27 R20 Y1 4M R21 VCC D1 DIODE U N D2 LED VCC C16 Q1 C828 R18R19 R14 R15 R16 R17 V in 1 GND 2 +5 V 3 U3 LM7805CT C14 104 C7 104 + C15 100u + C13 100u D6 1N4007 5v R24 D T M F PT T ou t J1 9 - 15v D3 LED D4 LED R31 R32 VCC RA02 RA13 RA24 RA35 RA4/T0CKI6 RA5/SS7 RB0/INT21 RB122 RB223 RB324 RB425 RB5 26 RB6 27 RB7 28 RC0/T1OSO/T1CKI 11 RC1/T1OSI/CCP2 12 RC2/CCP1 13 RC3/SCK/SCL 14 RC4/SDI/SDA 15 RC5/SDO 16 RC6/TX/CK 17 RC7/RX/DT 18 MCLR/VPP1 OSC1/CLKIN9 OSC2/CLKOUT 10 U2 PIC16F876 R34 R35 + C19D5 DIODEVCC Y2 10.000MHZ C18 22p C17 22p D A T A R36 R29 RES1 Q2 C828R37 R x D K 72 4.3.3.3. Thiết bị thu phát vô tuyến điện. Trạm trên không sử dụng thiết bị thu phát vô tuyến dải hẹp của hãng KENWOOD có tên TH22AT. Một số tính năng chính của thiết bị nh− sau: - Tần số làm việc (136 ữ 174 ) Mhz - Giãn cách kênh 5 KHz - Độ nhạy máy thu 0,18 àv - Trở kháng anten 50 Ω - Công suất phát : Max 5W , Medium 1,5W, Min 0,5W - Nguồn một chiều 7,2 v 1650 mAh Sơ đồ ghép nối máy liên lạc Kenwood với modem vô tuyến: Tới mạch hạn chế đầu vào của modem Từ mạch lọc đầu ra Audio Jack cắm loa ngoài Jack cắm Mic ngoài Jack cắm DC ngoài 1 2 1 2 Jack Jack Hình 4.15. Sơ đồ ghép nối modem với máy liên lạc vô tuyến. 73 4.4. Thiết kế, chế tạo trạm mặt đất. Hình ảnh về trạm mặt đất: Sơ đồ khối của trạm mặt đất đ−ợc trích ra từ sơ đồ khối chung nh− sau: Trạm mặt đất có nhiệm vụ thu nhận dữ liệu từ trạm trung tâm, xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả trên màn hình. Đồng thời đo đạc các tham số khí t−ợng phục vụ quá trình bắn kiểm tra. Cảm biến nhiệt độ và đo tốc độ gió Khối đo tham số khí t−ợng Hình 4.17. Trạm mặt đất Máy thu VTĐMODEM Hình 4.16. Thiết bị trạm mặt đất. 74 4.4.1. Modem thu nhận dữ liệu. Các nội dung chính xem phần 4.3.3.2 đã trình bày kỹ về modem thu phát dữ liệu. Điểm khác biệt của modem thu phát của trạm mặt đất là có thêm cổng COM để giao tiếp với máy tính. Sơ đồ nguyên lý có dạng nh− sau: 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number RevisionSize A4 Date: 22-Feb-2006 Sheet of File: D:\Tamlang\SoDo\Biasieuam.Ddb Drawn By: Mạch điều khiển Modem trạm mặt đất Vũ Hải Lăng R A 0 17 R A 1 18 R A 2 1 R A 3 2 R A 4/ T 0C K I 3 R B 0/ IN T 6 R B 1 7 R B 2 8 R B 3 9 R B 4 10 R B 5 11 R B 6 12 R B 7 13 M C L R 4 O SC 1/ C L K IN 16 O SC 2/ C L K O U T 15 U1 PIC16F84A C1 22p C2 22p R30 R? R26 R29 R27 Y1 4M VCC D4 DIODE U N D2 LED Q1 C828 VCC C16 R18 V in 1 GND 2 +5 V 3 U3 LM7805CT C14 104 C7 104 + C15 100u + C13 100u D3 1N4007 5v R 1 IN 13 R 2 IN 8 T 1 IN 11 T 2 IN 10 R 1 O U T 12 R 2 O U T 9 T 1 O U T 14 T 2 O U T 7 C 1+ 1 C 1 - 3 C 2+ 4 C 2 - 5 U2 MAX232CPE(16) 162738495 J1 DB9 PT T ou t + C18 10u + C1710u J2 9 - 15v D5 LED D6 LED R33 R34 VCC R22 R23 R20 R21 R19 R14 R15 R16 R17 R24 D T M F 75 4.4.2. Phần mềm quản lý và hiển thị kết quả. Giao diện ch−ơng trình trạm mặt đất: Giao diện ch−ơng trình modun in kết quả bắn: Hình 4.18. Giao diện ch−ơng trình chính của trạm mặt đất. Hình 4.19. Giao diện ch−ơng trình chính của trạm mặt đất. 76 Bắt đầu Khởi tạo, chọn chế độ bắn Mở cổng COM Liên thanh Điểm xạ Chuẩn bị bắn Đặt tên tệp Thu số liệu Bắn xong Xử lýsố liệu Thu tiếp ? In kết quả ? In kết quả Đánh giá kết quả Hiển thị kết quả, Ghi số liệu lên đĩa Kết thúc Chế độ bắn ? Hình 4.20 L−u đồ ch−ơng trình xử lý của trạm mặt đất. 77 4.4.3. Thiết bị đo tham số khí t−ợng. Khối đo tham số khí t−ợng có tác dụng đo đạc các tham số khí t−ợng của môi tr−ờng nh− h−ớng gió, tốc độ gió, nhiệt độ tại vùng bắn pháo, từ đó thu thập dữ liệu gửi về máy tính trung tâm xử lý để điều chỉnh pháo khi bắn kiểm tra. Đây là một khối phụ nh−ng có ý nghĩa rất to lớn khi pháo thủ xạ kích trong điều kiện môi tr−ờng có nhiều biến đổi. Thiết bị đo tham số khí t−ợng đ−ợc chế tạo theo kết quả của đề tài nghiên cứu cấp Bộ Quốc phòng "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm đo tham số khí t−ợng bề mặt phục vụ quân sự" do Th−ợng tá, TS Đỗ Trung Việt chủ nhiệm đề tài, đề tài này đã đ−ợc nghiệm thu và đ−ợc nghiên cứu áp dụng thử từ năm 2000. a. Cấu trúc hệ thống. Hệ thống bao gồm các khối chính sau: ™ Khối cảm biến. Khối này tập trung các cảm biến thu thập các tham số môi tr−ờng, bao gồm: - Cảm biến nhiệt. - Cảm biến đo h−ớng gió. - Cảm biến đo tốc độ gió. ™ Khối xử lý. Khối này bao gồm các mạch: - Mạch điều khiển tạo xung chuẩn, đo thời gian trễ, đếm xung. - Bộ ADC cho h−ớng gió. - ADC đo nhiệt. ™ Khối nối ghép. Khối này có nhiệm vụ: - Từ 3 tham số thu đ−ợc của các cảm biến, tín hiệu đ−ợc số hoá, qua bộ biến đổi số liệu song song thành nối tiếp, tạo dòng số liệu chung tốc độ 2400 bauds có định dạng phù hợp và truyền về khối xử lý trung tâm của trạm đo độ chụm pháo cao xạ để hiển thị các số liệu cần thiết cho ng−ời sủ dụng. - Tạo các nhóm mã đồng bộ để máy tính giải mã , phân nhóm chính xác các tham số đo từ dòng số liệu nhận đ−ợc. Định dạng khung số liệu nh− sau: Số bít 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 78 Trong đó: Bít 1: Đồng bộ (Sử dụng mã $FF). Bít 2,