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海浪音乐

2018-12-03 16:34:14

海浪-音乐- ——

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海浪可视作由无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、相位杂乱的组成波组成。这些组成波便构成海浪谱。此谱描述海浪能量相对于个组成波的分布,故又名“能量谱”。它用于描述海浪内部能量相对于频率和方向的分布。为研究海浪的重要概念。通常假定海浪由许多随机的正弧波叠加而成。不同频率的组成波具有不同的振幅,从而具有不同的能量。设有圆频率ω的函数S(ω),在ω至(ω+ω)的间隔内,海浪各组成波的能量与S(ω)ω成比例,则S(ω)表示这些组成波的能量大小,它代表能量对频率的分布,故称为海浪的频谱或能谱。同样,设有一个包含组成波的圆频率ω和波向θ的函数S(ω,θ),且在ω至(ω+ω)和θ至(θ+ω)的间隔内,各组成波的能量和S(ω,θ)ωθ成比例,则S(ω,θ)代表能量对ω和θ的分布,称为海浪的方向谱。将组成波的圆频率换为波数,可得到波数谱;将ω换为2π(频率为周期的倒),得到以表示的频谱S()数。以上各种谱统称为海浪谱。海浪谱不仅表明海浪内部由那些组成波构成,还能给出海浪的外部特征。比如,理论上可由谱计算各种特征波高和平均周期,利用这些特征量连同波高与周期的概率密度分布,可推算海浪外观上由那些高低长短不同的波所构成。若已知海浪的谱,海浪的内外结构都可得到描述,因此谱是非常有用的概念。事实上,海浪的研究(包括许多应用问题),大多和谱有关。频谱在海浪谱中,风浪频谱得到广泛的研究,因为它的应用广,也易于得到。但尚无基于严格理论的风浪频谱。通常p为5~7,q为2~4,在正量A和B之内。除了数值常数外,还包含风要素(如风速、风时和风区)或浪要素(如特征波高和周期)作为参量,故谱的形状随风的状态或对应的浪的状态而变化。上述两项的乘积代表的谱,在ω=0处为0,在0附近的值很小,ω增加时,它骤然增大至一个峰值,然后随频率的增大而迅速减小,在ω→∞时趋于0。这表明谱的频率范围在理论上虽为0~∞,但其显着部分却集中在谱峰附近。海面上存在的许多波,其显着部分的周期范围很小,恰和理论结果相对应。随着风速的增大,谱曲线下面的面积(从而风浪的总能量或波高)增大,峰沿低频率方向推移,表明风浪显着部分的周期增大。我国着名海洋学家文圣常院士从波面的记录估计谱,是获得海浪频谱的主要途径。习惯上将谱的估计方法分为相关函数法和快速傅氏变换算法两种。在电子计算机上计算时,后者比前者更节约时间。20世纪70年代,开始引用熵等方法。依此可自不多的资料估计出分辨率较高的谱,它适用于非平稳的海浪状态。在海浪研究中已提出的频谱很多常采用的皮尔孙-莫斯科维奇谱,是60年代中期提出的,是在对充分成长的风浪记录进行谱估计和曲线的拟合时得到的,已为多数观测所证实。60年代末,按照“北海联合海浪计划”(JONSWAP),对海浪进行了系统的观测,提出了一种频谱,其中包括分别反映能量水平、峰的频率尺度和谱形在内的5个参量。这种谱表示风浪处于成长的状态,它具有非常尖而高的峰。对Jonswap谱分析的结果表明,风浪的能量主要通过谱的中间频率部分传递,然后借波与波之间的非线性相互作用,再分别向谱的高频和低频部分传递。反映这种能量交换的谱,具有稳定的形式。利用此特性,可将谱随风的变化转换为其中的参量随风的变化,从而提供另一种海浪计算或预报的方法。有一种半经验的方法,它假定海浪的某些外观特征反映其内部结构,由观测到的波高和周期间的关系,可导出海浪谱。早在50年代初提出的纽曼谱和工程中常使用的布雷奇奈德尔谱,都属此类,前者p=6,q=2;后者p=5,q=4。有些苏联作者采用具有前述形式的频谱,然后由观测资料确定其中的常数和参量。中国学者于50年代末至60年代中期,尝试自风浪能量的摄取和消耗出发推导出谱,其中包括用风要素作为参量,从而描述谱相对于风时和风区的成长。由这些谱计算波高和周期等要素比较方便,但推导中涉及的能量计算,仍是半经验性的。方向谱方向谱的研究,除理论上的意义外,还可用于大面积海浪的预报,波浪的绕射和折射,水工建筑物的作用力和振动,船体、浮标和其他浮体对海浪的反应,以及泥沙运动等问题的研究。但由于观测上和资料处理上的困难,海浪方向谱的研究远少于频谱。通常将方向谱取为S(ω,θ)=S(ω)·G(ω,θ),其中S(ω)为频谱,G(ω,θ)为体现能量相对于方向分布的一个函数,θ为海浪主方向(一般取为平均风向)和组成波的波向之间的夹角。G(ω,θ)必须通过观测得到,其中简单的形式为cos。通常取2~4,愈大,能量愈集中于主波向附近。对于浅水波来说,比较大。为了测量方向谱,可用几个与海水接触的测头组成仪器阵列,记录的项目可以是波面高度,也可以是水质点的速度、加速度、压力或作用力。为经济起见,通常将尽可能少的测头摆成合理的几何图形,以得到的分辨率。还可用尺寸远小于海浪波长并跟随波面运动的自由浮标,记录波面的高度和两个方向的波面斜率和曲率,也可以利用压力、水质点速度或波浪作用力的记录。此外,航空遥感和卫星遥感也可以确定方向谱。如何求得海浪谱,主要方法有二:一是利用观测得到的波高、周期的推导,得出半理论、半经验形式的海浪谱;二是利用某一固定点测得的波面随时间变化的这段记录,来推算相关函数,然后求谱。也有通过建立能量平衡方程式来求谱。目前得到的谱,主要是建立在观测数据的基础上求出的。但由于目前尚缺乏精确的风和海浪的观测资料,故已提出的一些谱,彼此相差较大。海浪谱的分析研究是很重要的,根据海浪谱,可以较合理地设计防坡堤及海面对雷达的反射部分,利用海浪谱,可以算出波高、周期等海浪要素。目前,有的国家根据海浪谱设计出自动控制系统,来以校正军舰上武器发射偏差。

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