Kaip jūsų laivas žino jo greitį: išpakuokite Doplerio greičio žurnalą

Kaip jūsų laivas žino jo greitį: išpakuokite Doplerio greičio žurnalą

Ar kada susimąstėte, kaip masyvūs krovininiai laivai, judrūs karinio jūrų laivyno laivai ar modernūs tyrimų laivai žino savo tikslų greitį per vandenį, ypač toli jūroje, kur vien GPS nepakanka? Atsakymas dažnai slypi nuostabiame akustinės technologijos kūrinyje, vadinamame „Doppler Speed ​​Log“ (DSL). Pasinerkime į fiziką ir inžineriją, dėl kurios ji veikia.

Pagrindinis principas: Doplerio efektas

Prisimeni greitosios pagalbos sirenos garsą? Artėjant prie jūsų, žingsnis atrodo aukštesnis; Kai jis pasitraukia, žingsnis nukrenta. Šis dažnio pokytis dėl santykinio judesio yra Doplerio efektas, pavadintas fiziko krikščionio Doplerio vardu. „Doppler“ greičio žurnalas taiko šį tikslų principą, tačiau garso bangos, keliaujančios per vandenį, o ne orą.

Kaip veikia DSL: žingsnis po žingsnio

1. Pulso perdavimas: DSL turi vieną ar kelis keitiklius (specializuotus povandeninius garsiakalbius/mikrofonus), pritvirtintus ant laivo korpuso. Jis skleidžia trumpą, aukšto dažnio garso energijos impulsą (paprastai nuo 100 kHz iki 1 MHz diapazono) žemyn į vandenį.

2. Garso smogimo tikslai: Šis garso impulsas keliauja į išorę. Kas nutiks toliau, priklauso nuo DSL tipo:
Vandens tako režimas (dažniausiai): Garso impulsas išsklaido mažytes daleles (planktonas, dumblas, oro burbuliukai), pakabinami pačioje vandens stulpelyje. Pagalvokite apie tai, tarsi žibintuvėlio žibintuvėlį į rūką - sija matoma, nes šviesa išsklaido nuo rūko dalelių.
Apatinio takelio režimas: seklesniame vandenyje garso impulsas gali važiuoti iki galo, atspindėti nuo jūros dugno ir keliauti atgal į laivą.

3. Doplerio poslinkis atsitinka: čia yra kritinė dalis. Kai garso banga atsitrenkia į dalelę (arba jūros dugną) ir ta dalelė juda laivo atžvilgiu, keičiasi atspindėtos garso bangos dažnis.
* Jei dalelė juda link laivo (nes laivas juda link jos), atspindėtas dažnis yra didesnis nei perduodamas dažnis.
* Jei dalelė tolsta nuo laivo (nes laivas nuo jos nutolsta), atspindėtas dažnis yra mažesnis už perduodamą dažnį.

4. Acho gavimas: DSL keitiklis veikia kaip mikrofonas, klausantis silpnų aidų (užpakalinių), grįžusių iš vandens dalelių ar jūros dugno.

5. Matuojant pamainą: DSL sudėtinga elektronika palygina perduodamo impulso dažnį su gauto aido dažniu. Skirtumas tarp šių dažnių vadinamas Doplerio poslinkiu (ΔF).

6. Skaičiavimo greitis: Doplerio poslinkis (ΔF) yra tiesiogiai proporcingas santykiniam greičiui tarp laivo ir išsklaidytų dalelių (arba jūros dugno). Formulė, gauta iš Doplerio lygties, yra:
`Greitis=(Δf * c) / (2 * f_t * cos (θ))` `` `` `
Kur:
* `Speed`=laivo greitis, palyginti su vandeniu (arba jūros dugnu).
* `ΔF`=išmatuotas Doplerio poslinkis.
* `C`=garso greitis vandenyje (apytiksliai . 1500 m/s, kinta su temp/druskingumu).
* `f_t`=perduodamo impulso dažnis.
* `θ`=kampas tarp garso sijos ir vertikalės (pluošto„ pakreipimas “).

7. „Janus“ konfigūracija - Piklio ir ritinio atšaukimas: vienas sija gali išmatuoti tik greitį išilgai savo ašies. Norėdami gauti tikrąjį laivo į priekį/asterno greitį ir atvejų stiprintuvus (šoną), DSL naudoja „Janus“ konfigūraciją (pavadintą dviejų veidų romėnų dievu).
Keturios sijos: Paprastai naudojamos keturios sijos: du kampiniai į priekį, du kampiniai užpakaliniai (arba du kampiniai į uostą, du - iki dešinės borto, kad būtų galima matuoti atvejų stipendijas).
Vidutinis: palyginus Doplerio poslinkius nuo priekinių ir užpakalinių sijų (arba prievadų ir dešiniojo lentos), sistema gali:
Apskaičiuokite į priekį/ASTENT greičio komponentą.
Apskaičiuokite „Athwartships“ greičio komponentą.
Atšaukkite klaidas, kurias sukelia laivo žingsnis (pakreipimas į priekį/atgal) arba riedėjimas (pakreipimas į šoną). Vertikalaus judesio sukeltos klaidos veikia priešingai, bet priešingai, todėl jos atšaukia, kai sijos yra vidutinės.

Vandens takelis prieš dugną

Vandens takelis (WT): matuoja greitį, palyginti su vandens mase keliais metrais iki dešimčių metrų žemiau korpuso. Tai yra tikrasis greitis per vandenį, labai svarbus navigacijai (ypač naudojant sroves), degalų efektyvumo skaičiavimus ir dinamines padėties nustatymo sistemas. Jis veikia bet kokiu gyliu, kol yra išsibarstymai.
Apatinis takelis (BT): matuoja greitį jūros dugno atžvilgiu. Tai suteikia laivo greitį virš žemės (SOG), panašų į GPS, tačiau gaunamas akustiniu būdu. Tai labai tikslu, tačiau gylyje veikia tik maždaug 200–300 metrų (priklausomai nuo galios ir dažnio).

Doplerio greičio žurnalų pranašumai

Didelis tikslumas: ypač vandens kelio režime, užtikrinant tikrąjį greitį per vandenį, nepaveiktą srovių.
Momentinis matavimas: pateikiami beveik realaus laiko greičio duomenys, skirtingai nuo tradicinių sparnuotės žurnalų, kurie gali būti atsilikę.
Daugialypis: matuojami tiek į priekį, tiek „Athwartships“ greitis.
Gylio nepriklausomybė (WT): veikia giliame vandenyne, kur dugno trasa ir GPS gaunamas SOG (kuris priklauso nuo padėties pataisų) gali būti mažiau patikimas arba neprieinamas.
Nėra judančių dalių: patikimesnės ir mažiau linkusios į užsiteršimą nei mechaniniai rąstai.

„Doppler“ greičio žurnalas yra akustinis spidometras. Tiksliai išmatuodamas Doplerio poslinkį garso bangose, atšoko nuo vandens dalelių ar jūros dugno, ir sumaniai naudodamas daugybę kampinių sijų, jis labai tiksliai ir patikimumu apskaičiuoja laivo greitį vandenyje arba žemėje. Tai yra pagrindinis šiuolaikinių indų jutiklis, tyliai užtikrinantis saugų navigaciją, efektyvų kelionės planavimą ir tikslų stoties laikymą. Kitą kartą, kai būsite dideliame laive, atminkite, kad po jumis greičiausiai bus garso impulsų orkestras, nuolat matuojant jo greitį per didžiulį vandenyną.