广东海洋大学实习报告书7 M8 i" c1 p3 M" l9 ?& O+ E
实习内容：物理海洋实验实习
& e/ k- T+ L; b% K实习地点：海博楼一楼风浪流水槽实验室3 p& g+ f- Y5 z1 Z
实习时间：2013.12.06~2013.12.20.
/ Z9 i6 R* v* G班级：
' H9 v! x9 ~* d: N& Y# i9 u" ]! D5 _+ H学号：4 x3 W+ l$ s1 t$ ^7 t
姓名：' I, W. u) g; M9 t
成绩：0 S1 L) ?" s6 s% h r4 s$ V. D4 t
一、实习目的) B% E, b/ c" r9 q0 E2 t
物理海洋实习是物理海洋专业学生的必修课程之一，是对书本的知识内容进行练习和巩固。本次实习进行的实验是风浪水槽实验，观察模拟在风场作用下波浪受风应力后的运动情况。
8 {3 D& p1 [. c- v8 `- T. U$ C9 l二、实习内容7 c* {& ]4 H* l' J
1.描述风浪流水槽的基本特征. v9 }3 D4 X8 J! S) T: j1 K
风浪水槽的主体是水槽，造风机，造波机。具体构造如下图所示：4 a9 q3 o3 E1 p0 U$ p+ X
/ @9 K" o$ [9 U3 b" N0 a# A在确保所有零件部分能正常运行的情况下，启动造波机，制造波浪，再打开风机马达，控制不同的风速，进而观测波浪的运动状况。
- s( B* h0 F0 m) z* F* n8 D8 a2.风速在5m/s、10m/s、15m/s情况下水槽内波浪和流的基本分布特征
% g# z$ U0 g/ g# [: k1 g. A; ]风速在5m/s时，水槽内水面波浪还能观测到波浪的表面轮廓呈现明显的正弦曲线形状；风速在10m/s时，水面波浪还能呈现正弦曲线形状，但有的地方的形状已经开始变形；风速在15m/s时，水面波浪起伏形状此高彼低，波形不对称现象显著，某些地方有波浪破碎现象。
* f) H/ @8 E$ g8 L3.造流机开动后水槽内流速的分布特征4 ?) p+ l5 q1 Q Q. L% V
造流机开动后，水槽内水体从左向右流动。对于水中的自由表面重力波，波
" X* M8 m- {+ [* t4 X! n& W, D7 d9 T浪的传播速度与水深和波长相关。本次观察的是浅水波动，几乎没有色散，波浪下" N) c) B3 L, w; h) s
水质点运动轨迹如下图所示。
, ?) L8 Y9 N( X1 J4 H% k ~% Q f4 W, [5 A. P! W! f
4. ADV仪器的简要介绍
! {% D8 U2 l; a( f6 r9 w最初是SonTek公司为美国陆军工程兵团水道实验室设计制造的。该流速仪运用多普勒原理，采用遥距测量的方式，对距离探头一定距离的采样点进行测量。
( _8 O2 f" c C( v* u. B如今，ADV已成为水力及海洋实验室的标准流速测量仪器。广泛应用于研究波浪
3 _* R E' Z( b; }+ {- g6 H 轨迹、研究水体运动轨迹、桥桩周围水流扰动的研究、水沙试验测试、室内水力模型实验、野外测量（沼泽地小流速的测量、黄石国家公园热喷泉水的测量、水处理厂沉淀池中的测量）、水产养殖业（水流扰动对渔业的影响）、水处理厂（用ADVOcean 测量水流的流量）、测量沼泽地中的流速、ADV研究海浪、泥沙实验室等。# M7 c4 V# U* l* ]+ E
MicroADV超声测速仪基于多普勒效应（Doppler effect）的理论。所谓多普勒效应是为纪念奥地利物理学家多普勒而命名的，他于1842年首先提出了这一理论，即：当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波频已发生改变，声波频率在声源移向观察者时变高，在声源远离观察者时变低.+ Q- m$ b7 R* h6 W' |* {( G
ADV的测量很重要参数是控制体距离发射探头约为5cm，是一个圆柱体（体积为0.08cm3），由探头发射超声波，遇到控制体后反射，并由接受探头接受反射的信号，因此，MicroADV测量的实际是控制体与发射探头的相对运动速度。4 k# w% Q7 l: v/ I1 \0 u+ h. N
几何形状:
' @0 q) x; b, l/ d& X% JMicroADV主要由三部分组成：量测探头、信号调理、信号处理。量测探头由三个10MHz的接收探头和一个发射探头组成，三个接收探头分布在发射探头轴线的周围，它们之间的夹角为120°，接收探头与采样体的连线与发射探头轴线之间的夹角为30°，采样体位于探头下方5cm或10cm，这样可以基本上消除探头对流场的干扰。
$ y. p$ t, e/ n1 w# v+ E$ X- kADV采样体的尺寸取决于四个因素：发射声束、接收声束、脉冲长度、接受窗（返回信号的时间跨越周期）。右图表示每一个因素对采样体尺寸的影响。采样体的水平边界由发射声束和接收声束的相交部分确定，但声束相交部分的范围不易确定，因此把发射声束和接收声束近似假定为圆柱体（对于10MHz ADV，其直径为6mm）。采样体的垂直边界由接收窗和脉冲长度的卷积确定。对于10MHz ADV 采样体的总高度为9mm，且采样体的高度可随ADV数据采集软件中的设置改变而变化，最小高度可达1.2mm，但这样设置会影响测量精度。另外，ADV测速点位置在采样体的垂直中心上。
' z8 _/ n- w }. X0 P( j5 ]为保护仪器积测量精度，在一般情况下，用户设定的速度范围应大于试验中出现的与流动方向有关的最大流速。信号强度是测量接受探头接受超声波信号强度的尺度，在ADV中信号强度是用信号和噪音的比值，即信噪比SNR来衡量的。信噪比主要可以检验水中是否存在足够的介质，如泥沙、微粒等，来反射声波信号。如果水中粒子过少，返回的信号就会比周围的噪音还要小，要是没有足够大的信号强度，ADV是不可能进行精确测量的，所得的数据肯定和实际差别很大。如果SNR降低，表明ADV测量中噪音很大，就会影响测量数据的精确性。对于瞬时流速测量（以25Hz采样），信噪比一般要求大于15分贝；对于平均流速测量（以0.5Hz采样），ADV可以在信噪比为5分贝时正常工作。
9 C+ k6 C' @( J q& m2 E3 y; E6 y影响ADV 测试精度的主要因素:由ADV测速原理可知，不同的声速会对多普勒频移产生影响。在水中，声速主要是温度和水的含盐度的函数，它们的变化将引起声速的变化，如改变5℃的温度，声速将改变1％；改变1.2％的含盐度，声速将改变1％；如果ADV使用的声速误差为1％，速度测量结果的误差将会达
' h8 h5 K- Z8 A7 {% q. t- ^% R 2％。对于由声速变化而引起的速度测量误差可以在后处理中修正。; V4 B3 R+ |0 E. X2 b- ~
另外，不同的采样频率和采样体高度对ADV测速也有影响，前者对平均流速的测3 m; ^" | @1 H+ S1 p
量影响较小，而后者的不同所得的结果波动较大，为保证精度，一般ADV采样体" W( ~ E+ S2 n/ G( X# s
高度采用9mm，采样频率采用25Hz。ADV操作不当和信噪比太低都会降低ADV测$ z+ V H9 w8 e4 d4 ^; X
试精度。' U* y3 u0 _3 w0 k/ g
5. 数据的分析7 `; M3 K. O: z+ E+ @, e
在获得数据中,有18列数据，根据附带的后缀名为“.hdr”格式的文件，第一列是投放的编码，第二列是采样顺序编号，第三列是东西方向的速度U，第四列是南北方向的速度V，第五列是垂向速度W，第十五列表示压强大小（用dbar表示）。# \2 @; x9 o1 q9 [0 ?( K
在处理数据是，只提取第三、四和五列的数据，他们代表了不同情况下流速的大小。
. H' k0 k9 O8 `在所仅有的数据中，有风速在5米每秒情况下，分别在距离水底15厘米和25厘米的地方流速的时间序列，和风速在10米每秒的情况下，分别距离水底25厘米和50厘米的地方流速的时间大小，以及风速在15米每秒情况下的表层流速的时间序列。每次投放的时间有所不同，有10秒的，11秒的，12秒的，还有45秒的。+ R/ _0 e. R0 `" `$ H9 c `# S+ W( R
利用软件matlab，进行数据处理。得到定点流速的时间变化如下图所示：/ `; h! Y0 ^- N8 i( V
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' x( ?- Y9 u% F结果显示，在风速5m/s 的情况下，分别在距离底部15、25厘米的流速的时间序列呈现较为一致的是变化趋势，在距离水底15厘米地方的流速比距离水底25厘米地方的流速要略大。这是因为虽然在表层受到风应力的作用，但是在不同表层的切应力会有所不同。最简单的例子——牛顿的粘性流体实验，能清楚地解析这一现象。$ @) a4 D: d2 n& i- v V( C7 q$ P
在风速10m/s 的情况下，在距离底部25厘米的流速的时间序列表示，流体的东西方向的速度和南北方向的速度有正有负，数据可能有坏值，不能将其考虑。 流速取时间平均后，垂向速度如下表所示：
( W: ~" j. { t( B风速 m/s 表层 15cm 25 cm 50 cm
# j9 s! H2 i6 I" s# ]" V5 -0.0023 0.0050
* B; u J2 @& _9 o+ D10 -5.9091e-04 0.0057 15 -3.8471e-04' C4 J6 I& V7 P3 t3 `
由上表可以知道，垂向速度的绝对值从表面到底层是减少的，由于是潜水波动，几乎没有色散，所以垂向速度不显著，从水底逐渐向下，垂向速度很快趋于零，流动只有水平速度。
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三、实习总结
9 W# h X" v1 ]6 F+ L) `- J0 k3 U# ?/ |通过本次实习，了解了波浪水槽实验的基本原理和理论基础：包括造波方法，波浪理论等。同时，也了解造波机的基本构成和声学多普勒（ADV）的使用方法。风是海洋中波浪形成的基本因素，实验中开动风洞风机造风就可以观察到风浪随风速和风吹距的变化情况。另外，在水槽的尾部有消波板，斜板消波利用波浪的反射原理。
: d0 Z- e$ Y0 G1 F9 h3 h3 N) J本次实习是物理海洋学专业学生的必修课程，在这次实习中，我获益良多，同时也感谢老师的知道和同学的帮助。虽然数据的有较大的偏差，但是操作本次仪器的使用是一次不错的经历。 |
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