Способ определения амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн Советский патент 1992 года по МПК G01C13/00 

Изобретение относится к океанологии, а именно к измерению течений, вызванных волновыми движениями в море и может быть использовано при исследовании процессов взаимодействия волновых полей с полями температуры, скорости звука, плотности и др,

В океанологии известен способ определения амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн, заключающийся в измерении скорости и направления горизонтальных течений при движении волн мимо измерителя, закрепленного на заякоренном буе или неподвижном основании и определении искомой амплитуды путем вычитания величины среднего течения из измеренных отсчетов (1). Однако, этот способ очень трудоемок, сложен в реализации и может применяться только на мелководье, поскольку требует неподвижной фиксации регистратора течений в пространстве, что невозможно обеспечить на глубокой воде.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн, заключающийся в измерении скорости и направления движения относительно воды объекта с измерителем, неподвижно закрепленным на объекте с известной частотной характеристикой инерции, например, с дрейфующего судна, и последующим определением искомой амплитуды путем определения разности величин средней скорости и дрейфа судна из данных измереv|

2

4

ний (2). Однако, этот способ также трудоемок и приводит к значительным ошибкам в определении амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости, так как дрейфующий объект под действием ветра и волн обычно испытывает рыскание по курсу и меняет свою скорость. Его движения относительно воды представляют собой случай- ный процесс и регистрируются измерителем вместе с горизонтальными орбитальными скоростями волн, выделить которые из получаемых записей очень трудно и удается лишь с большими ошибками, процесс этот сложный и трудоемкий.

Целью изобретения является повышение-точности определения амплитуды гори- зонтальной проекции орбитальной скорости морских волн на глубокой воде с одновременным упрощением способа.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн, заключающемся в измерении скорости движения относительно воды объекта с известной частотой характеристикой инерции движения и последующим определением по данным измерений амплитуды горизонтальной проек- аии орбитальной скорости морских волн, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения искомой амплитуды на глубокой воде, с одновременным упрощением способа, измерение скорости движения объекта относительно воды ведут при его перемещении с постоянной скоростью перпендикулярно фронту волн, а амплитуду горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн определяют по формуле:

Ub

Uu(t)-U0

A(et)) 4-p(o) -sin (can)

где Uu(t) - измеренная скорость движения объекта относительно воды;

Uo - средняя скорость движения объекта;

A(QJ) o+aAv ампли

тудная частотная характеристика инерции движения объекта;

р (со) arctg ( - со г ) - фазовая частотная характеристика инерции движения объекта;

а) - средняя доплеровская Частота;

г - постоянная времени инерции движения объекта; t- время.

Согласно изобретению, движение объекта происходит со скоростью, которая может включать в себя не только некоторую, более или менее постоянную часть, определяемую, например, оборотами винта, если объект представляет собой судно, но и переменную составляющую, связанную с самими орбитальными скоростями (самоперенос в волнах). Такие течения вызываются как

поверхностными, так и внутренними волнами большой амплитуды, распространяющимися по океанскому термоклину. При движении в волновом поле, объект будет увлекаться орбитальными течениями волн,

длина которых А больше линейных размеров объекта L, Такие условия типичны для широкого класса ветровых волн, волн зыби и почти всех внутренних волн на термоклине. Таким образом, полная скорость объекта

относительно земли не является простой суммой скорости объекта относительно воды и течения, поскольку объ.ект, обладая определенной инерцией и будет увлекаться горизонтальными орбитальными течениями

не мгновенно, а с некоторым сдвигом по фазе, как это и свойственно инерционным системам. При небольших скоростях объекта относительно воды, зависимость сопротивления движения объекта от его скорости

приближается к линейной (3) и поэтому становится допустимым использование линейного уравнения:

dUo(t) , 1 35d t т

U0(t) 0, (1)

имеющего решение

40

U0 (t) U0 e

-t

(2)

где Uo(t) - скорость объекта относительно воды;

Uo - скорость объекта в некоторый на- чальный момент времени t 0; t - время;

т - постоянная времени инерции движения объекта;

6 2,7182818.

На основании уравнения (2), инерционные свойства движения объекта полностью определяются его

А(о)(1 -box т2)

-1/2

ампли- тудной

и 0(u) arctg (-юг) - фазовой частотными характеристиками, которые зависят от постоянной времени инерции движения объекта т и доплеровской частоты и . Их

находят через преобразование Фурье уравнения (2).

При движении объекта с постоянной скоростью перпендикулярно фронту волн, установленный на нем измеритель зареги- стрирует разность между скоростью объекта и горизонтальной проекцией орбитальной скорости волн:

Uu(t) U0(t)-UB(t),

(3)

где U0(t) - скорость объекта относительно воды;

Ue(t) - горизонтальная проекция орбитальной скорости волн.

Скорость объекта относительно воды слагается из средней скорости, сообщаемой ему двигательной установкой (средние обороты винта) и переменной части, за счет воздействия на объект орбитальных скоро- стей волн. В случае совпадения направления движения объекта и волн, орбитальные течения будут ускорять движение объекта относительно воды над подошвами и замедлять - над гребнями. Продвижении объекта со средней скоростью U0 в поле синусоидальных орбитальных течений вида:

UB(t) UBsln(wt).

где UB - амплитуда горизонтальной проекции орбитальной скорости волн, скорость объекта относительно воды в произвольный момент времени будет определяться выражением:

Uo(t) U0 +A(u))UbSln ut +0(ю)

(4)

а скорость, регистрируемая измерителем, будет равна

Uu(t) Go + А(о) )UBsln oj t + p (со ) - UBsin(o t).

(5)

Откуда определим искомую амплитуду горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн

UBUu(t)-U0

А (со) sin со г (uj)J - sin (cot )

(6)

Таким образом, использование извест- ных технологических приемов, приведенных в доотличительной части формулы изобретения, совместно с неизвестными приемами, указанными в отличительной ча5

10

15

20 25

30

35

0

5

0

5

сти, приводят к получению нового и ранее неизвестного эффекта, заключающегося в повышении точности определения амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн на глубокой воде, с одновременным упрощением способа, позволяет сделать вывод о соответствии указанных технологических приемов критерию Существенные отличия.

Сопоставленный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного рядом технологических приемов, приведенных в отличительной части формулы изобре- тения, использование которых в совокупности с известными приводит к получению нового эффекта. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию Новизна.

На чертеже фиг.1 и 2 дано пояснение предлагаемого способа.

На фиг.1 схематично показано движение объекта длиной L в поле орбитальных течений попутной внутренней волны длиной /I . На фиг,2 кривая 1 изображает колебания скорости Uu(t) регистрируемые измерителем, установленным на объекте, кривая 2 изображает скорость объекта U0(t) в поле орбитальной скорости внутренней волны большой амплитуды UB(T.) (кривая 3).

Предлагаемый способ реализован следующим образом. Судно со скоростью 11,112 км. пересекало в попутном направлении группу внутренних волн большой амплитуды перпендикулярно их фронту. Запись скорости относительно воды велась непрерывно на самописце судового лага. Зарегистрированные колебания скорости судна были по форме близки к синусоидальным. По снятым с записи через 0,5 минуты отсчетам скорости были определены средние доплеровские период гв 7,1 мин и частота о 6,28/7,1 0,89 рад. внутренних волн. По кривой торможения судна были определены его параметры инерции движения для начальной скорости 11,112 км.

т 4 мин- постоянная времени инерции движения;

А(ш } 0,27 - амплитудная частотная характеристика инерции движения;

р((о)- -1,30 рад - фазовая частотная характеристика инерции движения.

По параметрам инерции движения судна и измеренным отсчетам скорости относи- тельно воды, по формуле (6) была определена средняя амплитуда горизонтальной орбитальной скорости внутренних

тальной скорости морских волн обладает большой эффективностью по сравнению с прототипом, так как имеет высокую точность, прост в реализации и не требует спе- циальногоокеанологического

оборудования.

Формула изобретения

Способ определения амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн путем измерения скорости движения объекта относительно воды с из- вестной частотной характеристикой инерции движения и последующего определения по данным измерений амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений на глубокой воде, измерения скорости движения объекта относительно воды ведут при его перемещении с постоянной скоростью перпендикулярно к фронту

волн, а амплитуду горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн определяют по формуле:

в и,Uu(t)-Uo

А (со)sin a)t -f #(«) -sin (cm)

где Uu(t) - скорость движения объекта относительно воды;

Do - определенная скорость средняя движения объекта;

A(ffl) ()« -ампли™ная частотная характеристика инерции движения объекта;

(р ( а)) - arctg(- о) т) фазовая частотная характеристика инерции движения объекта;

о)- средняя доплеровская частота морских волн;

г - постоянная времени инерции движения объекта;

t -- время.

Изобретение относится к океанологии, а именно к измерению течений, вызванных волновыми движениями в море, и может быть использовано при исследовании процессов взаимодействия волновых полей с полями температуры, скорости звука, плотности и др. Способ реализуют следующим образом. Судно с известной скоростью пересекает группу внутренних волн перпендикулярно их фронту. На самописце судового лага непрерывно ведется запись скорости судна относительно воды. По снятым с записи отсчетам скорости определяются средние доплеровские период т в и частота а) внутренних волн. По кривой торможения судна определяют параметры инерции движения (амплитудную частотную характеристику А(й)) , постоянную времени инерции движения г и фазовую частотную характеристику р (в) }. По этим параметрам и измеренным отсчетам скорости судна относительно воды определяют среднюю амплитуду горизонтальной проекции орбитальной скорости внутренних волн. 2 ия., 1 табл. СО С

Ф

u,Фиг. 2