УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛН НА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF WAVE CHARACTERISTICS ON SEA SURFACE

Изобретение относится к области океанографических измерений и предназначено преимущественно для определения характеристик коротких морских ветровых волн.
Широкий круг задач, связанных с дистанционным зондированием океана из космоса, требует детальной информации о характеристиках морских поверхностных волн. В число таких характеристик входят: уклоны морской поверхности, фазовые скорости и когерентность спектральных компонент волнового поля. Эти характеристики определяются по данным измерений струнными волнографическими датчиками возвышения морской поверхности в двух точках волнового поля.
Известно устройство [1] для измерения характеристик волн на морской поверхности, состоящее из выстрелов, к каждому из которых прикреплён струнный волнографический датчик, помещенный в перфорированный контейнер [2]. Выстрелы крепятся к основанию, жестко установленному на дне, в качестве которого, например, используется нефтедобывающая или океанографическая платформа или мачта, установленная на дне моря и пересекающая границу раздела вода-воздух. Выстрел должен быть достаточной длины, чтобы измерения проводились вне зоны возмущений, создаваемых основанием, к которому он крепится. Сходными с признаками заявленной совокупности являются следующие признаки аналога: размещенный над поверхностью воды выстрел, и струнные датчики, вертикально пересекающие границу океан-атмосфера.
Недостатком приведённого аналога является то, что перфорированный контейнер сильно искажает волновое поле на масштабах коротких гравитационных и гравитационно-капиллярных волн. Измерение характеристик поверхностных волн указанных масштабов наиболее актуально для задач дистанционного зондирования океана, поскольку именно эти волны формируют сигналы, регистрируемые аппаратурой, установленной на космических аппаратах. Кроме того, как показала практика проводившихся в Морском гидрофизическом институте НАН Украины натурных исследований, перфорированный контейнер, закрепленный над водой только в одной точке, в штормовых условиях может проворачиваться в креплении или деформироваться.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является устройство [3] для измерения характеристик волн на морской поверхности, состоящее из закреплённого над водной поверхностью выстрела, к которому крепится вертикально ориентированная штанга, пересекающая границу вода-воздух, на которой между двумя кронштейнами, один из которых находится в воздухе, а другой - в воде, натянуты струнные датчики.
Общими существенными признаками прототипа и заявленного технического решения являются: установленный над водной поверхностью выстрел с вертикальной штангой, пересекающей границу воздух-вода, вверху и внизу которой закреплены горизонтальные верхний и нижний кронштейны для струнных волнографических датчиков, датчики верхними концами жестко закреплены на верхнем крон-Штейне, натянуты и расположены вертикально на заданном расстоянии друг от друга.
Недостатком прототипа является следующее. Волны, течение, турбулентность (далее совокупность этих факторов именуется водным потоком) оказывают динамическое воздействие на струнные датчики. Под воздействием динамических нагрузок происходят колебания датчиков. Вследствие пространственной неоднородности водного потока и, соответственно, различия динамической нагрузки на струнные датчики расстояние между датчиками меняется в течение сеанса измерений. Указанные факторы приводят к снижению точности определения характеристик поверхностных волн. Кроме того, поскольку струнные датчики должны быть заглублены ниже впадины максимальных по высоте волн примерно на полтора метра, то длина вертикальной штанги значительна. Это снижает жесткость конструкции и также приводит к колебаниям струнных датчиков.
В основу изобретения поставлена задача создания устройства для измерения характеристик морских волн, в котором за счет признаков, характеризующих особенности постановки и натяжения струнных волнографических датчиков, достигается новое техническое свойство - обеспечение неподвижности и параллельности датчиков в процессе измерений. Указанное новое свойство обусловливает технический результат изобретения - повышение точности измерений.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения характеристик волн на морской поверхности, содержащем установленный над водной поверхностью выстрел с вертикальной штангой, пересекающей границу воздух-вода, вверху и внизу которой закреплены горизонтальные верхний и нижний кронштейны для струнных волнографических датчиков, при этом датчики верхними концами жестко закреплены на верхнем кронштейне, натянуты и расположены вертикально на заданном расстоянии друг от друга, новым является то, что натяжение датчиков обеспечивается грузами, прикрепленными к нижним концам датчиков, нижний кронштейн расположен на уровне, соответствующем максимальной впадине волн, и выполнен с отверстиями, сквозь которые пропущены датчики, при этом устройство содержит по крайней мере один дополнительный закрепленный на штанге горизонтальный кронштейн, который расположен между верхним и нижним кронштейнами и также выполнен с отверстиями, сквозь которые пропущены датчики.
Сущность изобретения поясняется с помощью рисунка, на котором изображено: 1 - выстрел; 2 - штанга; 3-5 - кронштейны; 6 - струнные волнографические датчики; 7 - грузы.
На основании, жестко установленном или на дне моря в шельфовой зоне, или на массивной плавучести, закреплен выстрел 1. К выстрелу прикреплена металлическая штанга 2 длиной, например, 5 метров. Штанга прикреплена так, чтобы, в зависимости от способа постановки выстрела, в рабочем положении она была ориентирована вертикально. На верхнем конце штанги закреплен верхний кронштейн 3, на нижнем конце штанги - нижний кронштейн 4. Между верхним и нижним кронштейнами на штанге 2 закреплены промежуточные кронштейны 5, по крайней мере - один, как показано на рисунке. Все кронштейны установлены перпендикулярно штанге. Каждый из кронштейнов, кроме верхнего кронштейна 3, выполнен, например, в виде пластины и содержит ряд отверстий, соосных отверстиям другого кронштейна (других, если промежуточных кронштейнов больше одного). Струнные волнографические датчики 6 закрепляют на каркасе из штанги и кронштейнов в последовательности - датчики пропускают через соосные отверстия кронштейнов 4 и 5 и закрепляют верхние концы датчиков на верхнем кронштейне 3. Длина струнных датчиков определяется целью проведения измерений. Например, при проведении исследований изменчивости поля поверхностных волн на Черном море при сильных ветрах и развитом волнении датчики должны иметь длину 5-7 метров. К нижним концам датчиков подвешивают грузы 7. Массу груза подбирают так, чтобы обеспечить достаточное натяжение струнного датчика.
Отверстия в кронштейнах 4, 5 выполнены так, чтобы обеспечивалась параллельность струнных датчиков 6 друг другу и заданное расстояние между датчиками. В случае выполнения кронштейнов из электропроводящего материала в отверстия кронштейнов устанавливают втулки, изолирующие струнные датчики.
При работе устройства штанга 2 расположена вертикально и проходит через границу раздела воздух-вода. При этом кронштейн 3 находится в воздухе, кронштейн 5 - в воде, на уровне максимальной впадины волн.
Совокупность существенных признаков заявленного устройства позволила, во-первых, уменьшить длину погружённой в воду части вертикальной штанги, несущей волнографические струнные датчики, но одновременно с этим обеспечить требуемое заглубление датчиков. Во-вторых, устранен фактор воздействия водного потока на струнные датчики - устройство не позволяет датчикам колебаться, смещаться относительно друг друга, менять вертикальное положение. Новые технические свойства изобретения не присущи известным аналогам и особенно проявляются в условиях штормового моря. Это обеспечивает повышение надежности устройства и получение достоверной информации о параметрах морских волн.
Использованные источники:
1. Ефимов В.В., Соловьёв Ю.П. Частотно-угловые спектры и дисперсионное соотношение ветровых волнах // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. - 1979. - Том. 15, № 11. - С. 1181-1196.
2. Ефимов В.В., Сизов А.А., Христофоров Г.Н. Волнограф с коаксиальным емкостным датчиком. В кн.: Методика и аппаратура для гидрофизических исследований. Киев: Наукова думка, 1969, С 97-101.