Cum își cunoaște nava viteza: despachetarea jurnalului de viteză Doppler

Cum își cunoaște nava viteza: despachetarea jurnalului de viteză Doppler

Te -ai întrebat vreodată cum navele de marfă masive, navele navale agile sau navele de cercetare sofisticate își cunosc viteza precisă prin apă, mai ales departe pe mare, unde GPS -ul singur nu este suficient? Răspunsul se află adesea într -o piesă remarcabilă de tehnologie acustică numită Doppler Speed ​​Log (DSL). Să ne aruncăm în fizică și inginerie care o fac să funcționeze.

Principiul principal: efectul Doppler

Îți amintești sunetul unei sirene de ambulanță? Pe măsură ce se apropie de tine, terenul pare mai mare; Pe măsură ce se îndepărtează, pitch -ul scade. Această schimbare a frecvenței datorate mișcării relative este efectul Doppler, numit după fizicianul Christian Doppler. Jurnalul de viteză Doppler aplică acest principiu exact, dar cu unde sonore care călătoresc prin apă, nu prin aer.

Cum funcționează un dsl: pas - de - pas

1. Transmiterea pulsului: DSL are unul sau mai mulți traductoare (boxe/microfoane subacvatice specializate) montate pe coca navei. Emite un puls de frecvență scurt, ridicat - de energie de energie (de obicei în intervalul de 100 kHz până la 1 MHz) în apă.

2. Ținte de lovire a sunetului: acest puls sonor călătorește spre exterior. Ceea ce se întâmplă în continuare depinde de tipul DSL:
Apa - Modul de urmărire (cel mai frecvent): pulsul de sunet se împrăștie de particule minuscule (plancton, silt, bule de aer) suspendate în coloana de apă în sine. Gândiți -vă la asta ca să străluciți o lanternă în ceață - fasciculul este vizibil, deoarece lumina se împrăștie de particulele de ceață.
Jos - Mod de urmărire: în apă mai mică, pulsul sonor poate călători până la capăt, poate reflecta fundul mării și poate călători înapoi până la navă.

3. Schimbarea Doppler se întâmplă: Iată partea critică. Când unda sonoră lovește o particulă (sau fundul mării) și acea particulă se mișcă în raport cu nava, frecvența undei sonore reflectate se schimbă.
* Dacă particula se îndreaptă spre navă (deoarece nava se îndreaptă spre ea), frecvența reflectată este mai mare decât frecvența transmisă.
* Dacă particula se îndepărtează de navă (deoarece nava se îndepărtează de ea), frecvența reflectată este mai mică decât frecvența transmisă.

4. Primirea ecoului: Traductorul DSL acționează ca un microfon, ascultând ecourile slabe (backscatter) care se întorc din particulele de apă sau din fundul mării.

5. Măsurarea schimbării: electronica sofisticată a DSL compară frecvența pulsului transmis cu frecvența ecoului primit. Diferența dintre aceste frecvențe se numește schimbarea Doppler (ΔF).

6. Viteza de calcul: deplasarea Doppler (ΔF) este direct proporțională cu viteza relativă dintre navă și particulele de împrăștiere (sau patul mare). Formula derivată din ecuația Doppler este:
`Viteză=(Δf * c) / (2 * f_t * cos (θ))`
Unde:
* `Speed`=Viteza navei în raport cu apa (sau patul mare).
* `ΔF`=Shift Doppler măsurat.
* `C`=Viteza sunetului în apă (aprox . 1500 m/s, variază cu temp/salinitate).
* `f_t`=Frecvența pulsului transmis.
* `θ`=unghiul dintre fasciculul de sunet și vertical („ înclinarea ”fasciculului).

7. Configurația Janus - Anularea pasului și ruloului: un singur fascicul nu poate măsura viteza de -a lungul propriului ax. Pentru a obține viteza adevărată înainte/viteza de atribuire a navei (lateral), DSLS folosesc configurația Janus (numită după cele două - se confruntă cu zeul roman).
Patru fascicule: de obicei, sunt utilizate patru fascicule: două unghiulare înainte, două pupa unghiulară (sau două înclinate până la port, două la tribord pentru măsurarea athwartships).
Media: prin compararea schimbărilor Doppler de la fasciculele înainte și la pupa (sau port și tribord), sistemul poate:
Calculați componenta de viteză înainte/Astern.
Calculați componenta de viteză Athwartships.
Anulați erorile cauzate de pitching -ul navei (înclinarea înainte/înapoi) sau rularea (partea de înclinare - la - lateral). Erorile induse de mișcarea verticală afectează grinzile opuse în mod egal, dar în mod opus, astfel încât acestea se anulează atunci când fasciculele sunt mediate.

Water - Track vs. Bottom - piesă

Apa - track (wt): Măsoară viteza în raport cu masa de apă cu câțiva metri până la zeci de metri sub coca. Aceasta este adevărata viteză prin apă, crucială pentru navigație (în special cu curenți), calcule de eficiență a combustibilului și sisteme de poziționare dinamică. Funcționează în orice adâncime, atât timp cât există împrăștieri.
Jos - track (bt): Măsoară viteza în raport cu fundul mării. Acest lucru oferă viteza navei peste sol (SOG), similar cu GPS, dar derivat acustic. Este extrem de precis, dar funcționează doar în adâncimi mai puțin de aproximativ 200-300 de metri (în funcție de putere și frecvență).

Avantajele jurnalelor de viteză Doppler

Precizie ridicată: în special în apă - modul de urmărire, oferind viteză adevărată prin apă neafectată de curenți.
Măsurarea instantanee: oferă date reale - date de viteză de timp, spre deosebire de jurnalele tradiționale de rotație care pot avea întârziere.
Multi - dimensiune: Măsoară atât viteza înainte/astern, cât și a atitudinii.
Independența de adâncime (wt): funcționează în oceanul adânc, unde pista de jos și GPS - derivat SOG (care se bazează pe corecții de poziție) ar putea fi mai puțin fiabile sau indisponibile.
Fără părți mobile: mai fiabile și mai puțin predispuse la murdărire decât jurnalele mecanice.

Jurnalul de viteză Doppler este un vitezometru acustic. Prin măsurarea precisă a deplasării Doppler în undele sonore a respins particulele de apă sau fundul mării și folosind inteligent mai multe fascicule unghiulare, calculează viteza navei în raport cu apa sau la sol cu ​​o precizie și o fiabilitate remarcabile. Este un senzor fundamental pe navele moderne, asigurând în tăcere navigarea sigură, o planificare eficientă a călătoriei și o stație precisă -. Data viitoare când sunteți pe o navă mare, amintiți -vă că există probabil o orchestră de pulsuri de sunet sub tine, măsurându -și constant viteza prin vastul ocean.