Способ определения амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s G 01 С 13/00

ГОСУДАР СТВЕ ННЫ И КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОГ1 ИСАН И Е И 3 ОБ РЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В табл. (21) 4919539/10 (22) 15.03,91 (46) 07.11.92. Бюл. ¹ 41 (71) Одесский гидрометеорологический институт (72) А.Е. Филонов и К.Д. Сабинин (56) Степанюк И.А. и Дерюгин К.К. Морская гидрометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1974, c,184-234. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДЫ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПРОЕКЦИИ ОРБИТАЛЬНОЙ СКОРОСТИ МОРСКИХ ВОЛН (57) 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

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 иэ измеренных отсчетов (1).

Однако, этот способ очень трудоемок, сло„„!Ы„„1774171 А1 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 8 и частота в внутренних волн. По кривой торможения судна определяют параметры инерции движения (амплитудную частотную характеристику А(а), постоя н ную времени инерции движения t и фазовую частотную характеристику р (со ). По этим параметрам и измеренным отсчетам скорости судна относительно воды определяют среднюю амплитуду горизонтальной проекции орбитальной скорости внутренних волн, 2 ия.; 1 жен 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 скоро. сти 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 измере3

1774171 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 случайный 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 горизонтальной 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 проекции 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 3 перпендикулярно фронту волн, а амплитуду горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн определяют по формуле: имеющего решение

Uo(t) =Оое т (2) 40

Оь—

55 та;

А (со)— — амплигде Uu(t) — измеренная скорость движения объекта относительно воды;

Uо — средняя скорость движения объектудная частотная характеристика инерции движения объекта; р (в ) = arctg (- mt ) — фазовая частотная характеристика инерции движения объекта, в — средняя доплеровская частота; х — 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 il 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 влечения, поскольку объект, 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:

+ — + Uo(t) = 0, (1)

d0 где Up(t) — скорость объекта относительно воды;

Uo — скорость объекта в некоторый начальный момент времени t = 0; т — время; х — постоянная времени инерции движения объекта; е = 2,7182818.

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

А(в) =(1+аРг ) — амплитудной и р(в) =arctg (-вх) -фазовойчастотными характеристиками, которые зависят от постоянной времени инерции движения объекта х и доплеровской частоты в . Их

1774171 находят через преобразование Фурье уравнения (2).

При движении обьекта с постоянной скоростью перпендикулярно фронту волн, установленный на нем измеритель зареги- 5 стрирует разность между скоростью объекта и горизонтальной проекцией орбитальной скорости волн:

uu(t) = up(t) — u (t), (3) 10 где Up(t) — скорость объекта относительно воды;

U (t) — горизонтальная проекция орбитальной скорости волн. 15

Скорость объекта относительно воды слагается из средней скорости, сообщаемой ему двигательной установкой (средние обороты винта) и переменной части, за счет воздействия нэ объект орбитальных скоро- 20 стей волн. В случае совпадения направления движения обьекта и волн, орбитальные течения будут ускорять движение объекта относительно воды над подошвами и замедлять — над гребнями. При движении обьекта 25 со средней скоростью Up e поле синусоидальных орбитальных течений вида, uB,(t) = Uâ.sin(e ), 30 где Ua — амплитуда горизонтальной проекции орбитальной скорости волн, скорость объекта относительно воды в произвольный момент времени будет определяться выражением; 35

Uo (t) = 0о + А (в) Ub sin (mt +p(o>)) (4) а скорость, регистрируемая измерителем, 40 будет равна

UIJ(t)=Up+A(N)U sln((ia + p (в)11Ьsin(cu т). (5) 45

Откуда определим искомую амплитуду горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн

50 - в

А (6)

Таким образам, использование известных технологических приемов. приведенных в даатличительнай части формулы изобретения, совместно с неизвестными приемами, указанными в отличительной части, приводят к получению нового и ранее неизвестного аффекта, заключающегося в повышении точности определения амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн на глубокой воде, с одновременным упрощением способа, позволяет сделать вывод а 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 изобретения, использование которых в совокупности с известными приводит к получению нового аффекта. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "Новизна".

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

На фиг. l схематично показано движение объекта длиной L в поле орбитальных течений попутной внутренней волны длиной

А . На фиг,2 кривая 1 изображает колебания скорости Uu(t) регистрируемые измерителем, установленным на объекте, кривая 2 изображает скорость обьекта Up(t) в поле орбитальной скорости внутренней волны большой амплитуды U (t) (кривая 3).

Предлагаемый способ реализован следующим образом. Судно со скоростью

11,112 км.ч 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 па форме близки к синусоидальным. По снятым с записи через 0,5 минуты отсчетам скорости были определены средние доплеровские период т = 7,1 мин и частота со= 6,28/7,1 = 0,89 рад.мин внутренних волн. По кривой торможения судна были определены ега параметры инерции движения для начальной скорости 11,112 км.ч т = 4 мин- постоянная времени инерции движения;

А(в ) = 0,27 — амплитудная частотная характеристика инерции движения;

p(M)= -1,30 рад — фазовэя частотная характеристика инерции движения, Па параметрам инерции движения судна и измеренным отсчетам скорости относительно воды, по формуле (6) была определена средняя амплитуда горизонтальной орбитальной скорости внутренних

1774171

U—

А(в)— амплитудтальной скорости морских волн обладает большой эффективностью по сравнению с прототипом, так как имеет высокую точность, прост в реализации и не требует специального океанологического оборудования.

Формула изобретения

Способ определения амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн путем измерения скорости движения объекта относительно воды с известной частотной характеристикой инерции движения и последующего определения по данным измерений амплитуды горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений на глубокой воде, измерения скорости движения обьекта относительно воды ведут при его перемещении с постоянной скоростью перпендикулярно к фронту волн, а амплитуду горизонтальной проекции орбитальной скорости морских волн оп. ределяют по формуле: где Uu(t) — скорость движения объекта относительно воды;

1О Оо — определенная скорость средняя движения объекта; ная частотная характеристика инерции движения объекта;

p (в) = arctg(- в t) — фазовая частотная характеристика инерции движения объекта, в- средняя доплеровская частота морских волн; т — постоянная времени инерции движения объекта;

t- время, 1774171

Фиг. 2

Составитель А.Филонов

Редактор С,Кулакова Техред M.Moðãåíòàë Корректор С,Пекарь

Заказ 3919 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101