книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

К следующему. Лопастной винт прибора непрерывно вращается течением. Его вращение посредством магнит­ ной муфты передается в регистрирующую часть прибо­ ра. Через заданные промежутки времени автоматически включается сцепление лопастного винта с диском скоро­ сти, который начинает поворачиваться. Чем больше ско­ рость течения, тем на больший угол успеет повернуться диск за время, пока включено его сцепление с лопаст­ ным винтом. Включение и выключение диска скорости осуществляется часовым механизмом. Время, в течение которого диск скорости связан с лопастным винтом, на­ зывается временем экспозиции. Одновременно с нача­ лом экспозиции, т. е. включением диска скорости, часо­ вой механизм освобождает стопорное приспособление (арретир) магнитной картушки, и она устанавливается в плоскости магнитного меридиана. По окончании экс­ позиции автоматически срабатывает печатающий меха­ низм. На диске скорости и на магнитной картушке на­ клеены резиновые цифровые шкалы. Печатающий ме­ ханизм наносит краску на эти шкалы и прижимает к ним ленту, на которой отпечатываются цифры с диска скорости и с магнитной картушки. После того как от­ печаток сделан, диск скорости возвращается в исходное положение.

Самописец течения Алексеева изготовляется в не­ скольких вариантах: для работ от глубины 250 м до

6000 м.

Автономность работы прибора зависит от числа экс­ позиций за 1 ч. Максимальная автономность достигает двух месяцев.

Последующей модернизацией буквопечатающей вер­ тушки Алексеева является электрифицированный само­ писец течений ЭСТ, в котором механический двигатель заменен электрическим. Принцип действия ЭСТ анало­ гичен принципу действия БПВ, но по сравнению с БПВ электрифицированный самописец течения имеет боль­ шую автономность (до шести месяцев при регистрации течений через 1 ч) и ряд конструктивных преимуществ.

Радиоизмеритель течений ГМ-33. Прибор ГМ-33

предназначен для дистанционной регистрации скорости и направления течения на горизонтах до 250 м на про­ тяжении длительного промежутка времени одновремен­ но в нескольких пунктах, расположенных в радиусе дей­

279

ствия прибора. Прибор позволяет регистрировать тече­ ния на судне или береговом пункте, находящемся на расстоянии от места нахождения передающей аппарату­ ры до 18 миль.

Радиоизмеритель течений ГМ-33 состоит из пере­ дающей и приемной частей, соединенных одноканальной радиолинией связи. Передающая часть прибора — ра­ диобуй включает электроконтактную вертушку, с по­ мощью которой измеренные скорость и направление те­ чений преобразуются в определенную последователь­ ность замыканий ее рабочих контактов. При каждом срабатывании контакта радиопередатчиком излучается серия (пакет) радиоимпульсов несущей частоты. По­ следние принимаются, усиливаются и регистрируются приемной частью, установленной на судне или берего­ вом пункте. Величины скорости и направления течения относительно магнитного меридиана определяются по данным обработки ленты в зависимости от частоты и взаимного расположения зарегистрированных на ленте импульсов.

Прибор ГМ-33 комплектуется тремя радиобуями, каждый из которых снабжен двумя вертушками, кото­ рые могут быть установлены одновременно на разных горизонтах — до 50 и 250 м. При стоянке судна на яко­ ре можно подключить дополнительно датчик для ди­ станционного измерения течений непосредственно с бор­ та судна.

Регистрировать течения можно непрерывно или по заданной программе: при измерениях на двух горизон­ тах— по 5 мин через каждые 30 мин; при измерениях

примерно 30 суток, при непрерывной регистрации тече­

ная чувствительность прибора по скорости около 2 см/с.

Достоинством вертушечного метода измерения тече­ ний является простота выполнения датчиков и возмож­ ность простого преобразования скорости вращения вер­ тушки в тот или иной код, удобный для хранения, пе-

2 8 0

редачи и обработки данных измерений. Именно поэтому вертушечный метод измерения течений получил наи­ большее распространение.

Маятниковый метод используется при измерении придонных и поверхностных течений моря. В качестве датчиков скорости течения в донных установках приме­ няется вертикальный маятник, угол отклонения от вер­ тикали которого служит мерой скорости течения. При исследовании течений с поверхности этим методом из­ меряются форма и положение в пространстве тонкого троса с помощью подвешенных на трос через равные промежутки инклинометров, чувствительным элементом которых является маятник.

Одним из приборов такого типа может служить из­ меритель придонных течений, основанный на принципе фотографирования отклонений под действием течения подвешенного на нейлоновой струне шарика-маятника от нейтрального положения. Угол отклонения шарика (который тяжелее воды) зависит от скорости течения. Эта зависимость устанавливается путем тарировки нрш бора.

Устройство смонтировано на трапециевидной или на прямоугольной раме в форме параллелепипеда. На раме крепятся камера для подводного фотографирования и лампа-вспышка для подсветки. В нижней части рамы в поле зрения объектива камеры установлены магнит­ ный ком-пас, наклономер рамы, белый круг, фиксирую­ щий нейтральное положение измерительного шарика, и сам шарик. Прибор на тросе с помощью лебедки опу­ скается на морское дно. При касании грузом-проводни­ ком дна приводятся в действие лентопротяжное

Рама фоторегистратора придонных течений может быть снабжена стандартными приборами для измерения температуры воды, взятия проб воды и излучателем на­ правленных звуковых импульсов (пингером). С по­ мощью пингера контролируется положение прибора по глубине и фиксируется момент касания дна.

281

Результаты испытаний показали возможность изме­ рения турбулентных ^флуктуаций скорости течения в по­ граничном слое у дна. Измеренные придонные скорости

Акустические методы измерения течений в последнее время привлекают особое внимание исследователей бла­ годаря высокой чувствительности, линейности, безынер­ ционное™, самокалибровке, большого динамического диапазона, отсутствию движущихся деталей датчиков, дистанционному измерению в невозмущенной датчиком среде, непрерывности регистрации.

Наибольшее распространение получил метод, осно­ ванный на регистрации доплеровских смещений частоты в рассеянном водой излучении ультразвуковых и свето­ вых колебаний.

Относительная ошибка измерения средней скорости течения зависит от точности, с которой определяется средняя частота доплеровского спектра, а чувствитель­ ность — от минимального регистрируемого сдвига часто­ ты. В качестве источников излучения используются аку­ стические преобразователи, электрические источники света и лазеры. Из-за статистического характера про­ цесса рассеяния, ограниченности во времени пребыва­ ния частицы в рассеивающем объеме и турбулентности потока происходит расширение спектра доплеровских частот. Для измерения скорости течения при этом необ­ ходимо применять методы спектрального анализа данных.

Рассмотрим теоретические основы доплеровского из­ мерителя. Допустим, что переданный сигнал имеет вид

2 8 2

ным и принятым сигналами; S(t) — путь между излучателем и приемником; Ѵр — скорость распространения энергии в пе­ редающей среде.

В свою очередь

где ев — отраженный сигнал как функция движения ча­ стицы к излучателю преобразователя.

Теперь рассмотрим эффект движения частицы к приемнику преобразователя. Применяя метод, анало­ гичный тому, который использовался выше, можно уста­ новить, что длина волны отраженной частицы будет ме­ няться с движением отражающей частицы. Поскольку отраженный сигнал ев = И sin шв(, то

где Ад — эффективная длина волны, образованная дви­ жущейся отражающей частицей.

После подстановки получим

или

Ѵ р + Ѵ '

(5.108)

°Т Ѵр - Ѵ '

283

где ®R — угловая частота сигнала, принятого от от­ ражающей частицы, движущейся к преобра­ зователям.

Тогда

На этом принципе был построен доплеровский изме­ ритель течения. Конструкция прибора в общих чертах следующая. Передатчик незатухающих колебаний ча­ стотой 10 МГц обеспечивает мощность в 1 Вт, необходи­ мую для приведения в действие электроакустического преобразователя, излучающего узкий луч акустической энергии в секторе 1° в морскую воду. Поскольку длина акустической волны составляет приблизительно 0,04 мм, то очень маленькие частицы отражают энергию, дей­ ствуя как точечные источники энергии для аналогичной картины луча приемного преобразователя. Пересечение лучей дает объем реверберации приблизительно в один круговой мил (единица площади, равная площади круга

обеспечивая тем самым точку измерения, которая изо­ лирована от возмущений течения, внесенных корпусом прибора, и поэтому является в действительности зондом для измерения скорости течений.

Рассмотрим изменение в доплеровском смещении ча­

284

— угол между излучателем преобразователя и направлением движения частицы.

Тогда принятый сигнал

Принятый сигнал имеет доплеровское смещение ча­ стоты, которое пропорционально потоку течения, и эту разность частот можно легко измерить путем гетеро-

П е р е д а т ч ѵ к

Рис. 52. Картина пересечения акустических лучей

динирования переданного и принятого сигналов, чтобы получить частотно-модулированную поднесущую часто­ ту. С помощью такого прибора, опускаемого с борта судна на кабель-тросе, можно измерить очень малые скорости течений (менее чем 0 , 0 0 1 уз), так как частот­ ные измерения можно произвести очень точно. Кроме того, прибором можно измерить быстрые изменения ско­ рости течения, потому что отсутствие движущихся ча­ стей позволяет получить небольшие постоянные вре­ мени.

Принятый сигнал на выходе приемного преобразова­ теля находится в диапазоне уровней от 10 мкВ до 10 мВ при сопротивлении 50 Ом. Причиной широкого диапа­ зона уровней принятого сигнала является то, что за­ тухание и уровень отраженного сигнала изменяются как функция количества частиц в воде и их характеристик.

Измерительная аппаратура и регистрирующий по­ тенциометр находятся на борту судна.

285

Очевидно, что акустические измерители течений имеют большое будущее, так как по своим техническим характеристикам позволяют не только измерять сред­ нюю скорость потока, но и исследовать микротурбулент­ ные движения жидкости, носящие случайный характер. Причем в принципе возможно применение не однока­ нального измерителя, а многоканального, что позволит производить мгновенные и одновременные измерения те­ чения и запись трех ортогональных составляющих ско­ рости потока.

Рис. 53. Определение течений с помощью абсолютного лага

Навигационный метод. Идея этого метода сводится к тому, что течение определяется из сопоставления счис-

Ошибки в определении течения из разности счислимого и обсервованного мест корабля определяются точ­ ностью обсерваций, счисления и определения ветрового дрейфа.

Определение течений с помощью абсолютного лага.

Приборы, измеряющие абсолютную (относительно дна моря) скорость корабля, называются измерителями пол­ ной скорости или абсолютными лагами. Наиболее рас­ пространенным измерителем полной скорости в настоя­ щее время является гидроакустический лаг, принцип действия которого основан на использовании эффекта Доплера. С помощью гидроакустического лага опреде-

2 8 6

ляют продольную Ѵх и поперечную Ѵу составляющие пу­ тевой скорости корабля, а также угол сноса ß (рис. 5 3 ).

Для определения элементов морского течения необ­ ходимо иметь данные о скорости корабля относительно воды Ѵв, которые могут быть получены с помощью от­ носительного лага. Тогда скорость Ѵт и направление те­ чения вычисляются как векторная разность полной ско­ рости Ѵп, измеренной гидроакустическим измерителем скорости корабля, и скорости хода корабля относитель­ но воды Ѵ'д, измеренной с помощью относительного лага:

§ 27. ВОЛНЫ В МИРОВОМ ОКЕАНЕ

Элементы волн. Морским волнением называется рас­ пространение в пространстве колебательных перемеще­ ний частиц воды, происходящих с большей или меньшей регулярностью по некоторым замкнутым или почти замкнутым орбитам.

Для определения количественных характеристик вол­ нения, называемых э л е м е н т а м и волн, рассмотрим план участка взволнованной поверхности моря, полу­ ченный в некоторый фиксированный момент времени. Этот участок в типичном случае очень напоминает рельеф сложной бугристой местности. Рассекая взвол­ нованную поверхность вертикальными плоскостями в различных направлениях Ѳ относительно направления ветра, получают волновые профили t)0 (x), где х — рас­ стояние вдоль профиля. Основные элементы волн опре­ деляют по волновым профилям г\о(х), проведенным в главном направлении распространения волн (рис. 54).

суммарные площади профиля, лежащие выше и ниже этой линии, равны между собой. Следует иметь в виду, что вследствие некоторой заостренности гребней волн средний уровень располагается несколько выше уровня

спокойной воды.

Вертикальное расстояние yj между средним уровнем и некоторой рассматриваемой точкой волнового про­ филя называется о р д и н а т о й волнового профиля.

287

Часть волнового профиля, расположенная выше

жду двумя гребнями ниже среднего уровня распола­

подошвы предыдущей впадины и вершины последую­ щего гребня. Высота волны соответствует удвоенной ам­ плитуде волны, т. е. а =0,5 /г.

Средний

волновой уровень ѵ

т в т в в

Д л и н а волн ы

Рис. 54. Волновой профиль y)0 (х)

Д л и н о й в о л н ы X называется расстояние по гори­ зонтали между вершинами двух смежных гребней или между двумя смежными подошвами волн.

по вершинам данного гребня волны перпендикулярно к направлению перемещения ее профиля, и луч в о л ­

ний ?](/) поверхности в фиксированной точке. Если за­ менить линейную координату х временем t, то элементы волновых колебаний определяются точно так же, как это сделано при рассмотрении волнового профиля. Тот же смысл имеют гребень волновых колебаний и его вер­ шина, а также и все другие элементы волновых коле­ баний.

2 8 8