Что такое волны и методы их измерения.

Во всех водоемах есть волны. Они могут варьироваться от длинных волн (приливы и отливы, вызываемых гравитационной силой Солнца и Луны), до крошечных волн, создаваемых сопротивлением ветра на поверхности воды. Распределение энергии волн меняется в диапазоне от 12 часов до 0,5 секунд для длинных волн и от 0,5 до 30 секунд для ветровых волн. Ветровые волны в первую очередь интересуют инженеров и ученых. Точность измерения ветровых волн зависит от используемого метода измерения.

Методы измерения.

Диапазон 0,5–30 секунд, который определяет ветровые волны, имеет изменчивость, что затрудняет их измерение. Местные ветра могут создать небольшие волны по высоте и короткие по длине. В зависимости от силы ветра, продолжительности ветра, расстояния, открытости пространства волны могут нарастать. В результате, волновая среда в конкретном месте может состоять из комбинации местных ветровых волн от морского бриза и длинных волн (зыби), генерируемых штормами за сотни или тысячи километров. Известны 2 метода измерения волн: 

Анализ временных рядов для измерения волн.

Волны случайны, поэтому для измерения волн требуется отбор проб в течение определенного периода времени. Самые распространенные параметры волн это  высота, период и направление волнового поля, представляющие временной ряд. В качестве приблизительного практического правила, выбирается самый длинный период волны в 10 секунд и 100 циклов, т.е. длина выборки будет 1000 секунд. Двумя, найболее распространенными оценками являются значительная высота волны ( H s ) и средний период ( T z ). Другими параметрами, которые могут быть оценены на основе рейтинга записи, являются максимальная высота волны (H max ) и среднее значение самых больших волн в записи (H 10). Последние два параметра обычно используются для проектирования и оценки прибрежной зоны.

Анализ временных рядов, может показаться правильным подходом к измерению волн, но два общих ограничения не позволяют многим из таких анализов добиться успеха. Первое ограничение состоит в том, что анализ временных рядов является сложным. Второе: многие устройства для измерения волн не имеют технологии для прямого измерения смещения поверхности и, следовательно, данные не точные.

Спектральный анализ для измерения волн.

Это основной метод обработки волновых результатов, основанный на измерении волн из-под поверхности, в точке. Волны измеряются косвенно по связанным свойствам, таким как динамическое давление и орбитальная скорость. Что происходит под поверхностью, когда волна распространяется мимо точки? Когда волна проходит мимо точки, она создает локальные токи (течения) под поверхностью. Эти течения являются особыми в том смысле, что они меняют направления: затронутая вода ниже гребня волны движется в направлении распространения, в то время как затронутая вода ниже движется в направлении, противоположном распространению. Это циклическое движение создает круговую траекторию в глубокой воде и называется орбитальной скоростью волны. Орбитальные скорости воды экспоненциально затухают с увеличением глубины и меньшей длины волны. Это означает, что короткие волны в глубокой воде не имеют сигнала орбитальной скорости, который проникает до дна. Это также верно и для динамического давления, оно в значительной степени зависит от наличия орбитальных скоростей, а это означает, что оно также испытывает ослабление в зависимости от глубины и длины волны. Это позволяет измерить давление, скорость и направление волны в зоне развертывания прибора. Но при этом накладывает ограничения на глубину развертывания, а также на типы волн (например, длинные и короткие), которые можно эффективно измерить.

Решения для измерения волн представим в следующей статье.