<Desc/Clms Page number 1>
Inrichting voor het bepalen van de diepte van de nautische bodem.
De huidige uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bepalen van de diepte van de nautische bodem van een waterloop, een rivierestuarium, een kustgebied, een havenzone of dergelijke.
De uitvinding heeft meer in het bijzonder betrekking op het in kaart brengen van de diepte van de nautische bodem, meer speciaal langs vaarroutes, bijvoorbeeld voor het bepalen van de maximaal toelaatbare diepgang van schepen langs deze routes of voor het plannen van eventueel noodzakelijke baggerwerken of dergelijke.
Het is bekend dat de bodem in sommige waterlopen, estuaria, kustgebieden of havenzones wordt gevormd door een sliblaag die op een vaste bodem rust, waarbij deze laag als het ware uit twee boven elkaar gelegen sliblagen bestaat met verschillende reologische eigenschappen en waarbij het slib in de bovenste sliblaag relatief vloeibaar is en weinig weerstand biedt aan een schip dat erdoor vaart, terwijl het slib in de onderste sliblaag meer plastisch en kleverig is, zodat een schip dat zich er doorheen beweegt met zijn kiel een grote wrijvingsweerstand zal ondervinden, waardoor het schip ofwel kan vastlopen, ofwel onbestuurbaar wordt, ofwel zelfs averij kan oplopen.
De scheiding tussen de voornoemde onderste en bovenste sliblagen wordt de nautische bodem genoemd en de
<Desc/Clms Page number 2>
overeenstemmende diepte van deze scheiding'de nautische diepte.
Het is duidelijk dat het voor rederijen, havenautoriteiten, baggermaatschappijen en dergelijke, van groot belang is de diepte van deze nautische bodem nauwkeurig te kennen.
Men weet dat de diktes van de voornoemde sliblagen op korte termijn kunnen wijzigen door aanslibbing, erosie, of dergelijke en dat het dus van belang is om, minstens langs drukke vaarroutes, de diepte van de nautische bodem op regelmatige basis, bijvoorbeeld wekelijks, accuraat in kaart te brengen.
Het is bekend dat hiertoe speciaal uitgeruste meetschepen worden ingezet die zich langs deze vaarroutes verplaatsen om op een periodieke basis de voornoemde diepte langs het afgelegde traject te bepalen en dit op basis van de bepaling van, hetzij het viscositeitsprofiel, hetzij het densiteitprofiel, van het slib in functie van de diepte in de sliblagen.
Men weet inderdaad dat de viscositeit of met andere woorden de schuifweerstand van het slib, plots toeneemt bij de overgang van de bovenste sliblaag naar de onderste sliblaag.
Anderzijds weet men dat de densiteit van het slib geleidelijk toeneemt met de diepte in de sliblagen.
Hypothetisch wordt actueel aangenomen dat de diepte van de
<Desc/Clms Page number 3>
nautische bodem overeenstemt met de diepte waarop de densiteit van het slib nagenoeg 1,200 bedraagt.
Recent basisonderzoek heeft uitgewezen dat de densiteit in feite geen fysische relevante en maatgevende parameter is voor de bepaling van deze overgang en van de nautische bodem. Bovendien, laat het densiteitsprofeil in slib geen systematische en accurate hydrografische dieptebepaling toe van een densiteitsniveau. Deze euvels worden beide overkomen door het inmeten van het schuifweerstandsprofiel via viscositeit en/of rigiditeit.
Bij de traditionele hydrografische methode wordt gebruik gemaakt van echopeilingen waarbij akoestische golven in verticale richting vanaf het meetschip naar de bodem worden uitgezonden. Deze akoestische golven dringen in de sliblagen door en worden weerkaatst op grensvlakken van lagen met een sterke akoestische impedantie, zoals bijvoorbeeld op de bovenste grensvlakken van de bovenste sliblaag met het water en van de onderste sliblaag met een vaste bodem.
Door meting van het tijdsverschil tussen het tijdstip waarop de golf wordt uitgezonden en het tijdstip waarop de teruggekaatste golf door het meetschip wordt opgevangen, kan op relatief nauwkeurige wijze de diepte worden bepaald van de respectievelijke grensvlakken van de bovenste sliblaag en van de vaste bodem.
Er is geen eenduidige correlatie aangetoond tussen de akoestische impedantie, enerzijds, en de schuifweerstand of
<Desc/Clms Page number 4>
de densiteit, anderzijds. Hierdoor is ook deze meettechniek niet geschikt voor het gestelde doel.
Bij de bekende werkwijzen die gebaseerd zijn op het meten van de viscositeit van slib, wordt gebruik gemaakt van een meetsonde die achtereenvolgens op verschillende plaatsen en op verschillende dieptes langs het meettraject in de sliblagen wordt ingebracht, om aldus op de betreffende plaatsen een diepteprofiel van de viscositeit te bepalen, waaruit de diepte van de nautische bodem kan afgeleid worden uit de plotse toename van de viscositeitswaarde.
Een nadeel van deze bekende werkwijze is dat zij zeer omslachtig, tijdrovend en duur is, waardoor zij in feite niet geschikt is voor een continue of periodieke evaluatie van de nautische diepte, zodat zij in de praktijk slechts occasioneel wordt aangewend voor studie- en/of controledoeleinden.
Het doel van de huidige uitvinding is om een oplossing te bieden voor de voornoemde en andere nadelen.
Hiertoe beoogt de uitvinding een inrichting voor het bepalen van de diepte van de nautische bodem, welke hoofdzakelijk bestaat uit een zender en een ontvanger die op een meetschip zijn aangebracht, waarbij de zender longitudinale (akoestische of ultrasone) golven uitzendt en de zendrichting van deze zender een hellingshoek vertoont ten opzichte van de verticale richting.
<Desc/Clms Page number 5>
Het idee achter deze uitvinding is dat een door de zender uitgezonden longitudinale (akoestische of ultrasone) golf, wanneer ze onder een geschikte hoek op de bodem invalt en wanneer ze in contact komt met een scheidingsvlak tussen lagen met een verschillende viscositeit, deze initieel longitudinale golf gedeeltelijk wordt omgezet in een transversale golfcomponent die zich lateraal langs het voornoemde scheidingsvlak verplaatst. Deze schuifgolf wordt zelf een bron voor nieuwe, vervormde longitudinale reflectiegolven die door de ontvanger in het meetschip kunnen worden geregistreerd, waaruit dan de diepte van de naut¯ische bodem kan worden afgeleid.
Een voordeel van de uitvinding is dat, zoals uit de gedetailleerde beschrijving zal blijken, de nautische diepte nauwkeurig en door een eenvoudige berekening kan bepaald worden.
Een ander voordeel is dat er voor de bepaling van de nautische diepte geen fysisch contact moet gemaakt worden met de sliblagen in de bodem, zodat de nodige metingen snel en al varend kunnen worden uitgevoerd.
Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende uitvoeringsvormen beschreven van een inrichting volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin :
Figuur 1 schematisch een meetschip weergeeft dat is uitgerust met een inrichting volgens de uitvinding;
<Desc/Clms Page number 6>
figuur 2 een curve weergeeft van een door de inrichting volgens figuur 1 uitgezonden golf; figuur 3 de curve weergeeft van de door het meetschip opgevangen golven; figuur 4 een variante weergeeft van figuur 1.
In figuur 1 is schematisch een meetschip 1 weergegeven dat is uitgerust met een inrichting volgens de uitvinding, waarbij deze inrichting hoofdzakelijk bestaat uit een zender 2 voor het genereren van longitudinale golven 3 en een ontvanger 4 die gekoppeld is aan een monitor 5, of dergelijke.
De zender 2 en de ontvanger 4 bevinden zich op een bepaalde onderlinge afstand van elkaar en zijn bij voorkeur ter hoogte van de waterlijn van het meetschip gesitueerd en liggen in eenzelfde verticaal vlak dat gericht is volgens de lengterichting (vaarrichting) van het meetschip 1.
De zender 2 is bij voorkeur een akoestische zender voor het genereren van akoestische golven 3 en is schuin opgesteld zodanig dat zijn zendrichting X-X een bepaalde hellingshoek a insluit met de verticale richting.
De ontvanger 4 is bijvoorbeeld samengesteld uit een reeks sondes 6 die in de lengterichting van het meetschip 1 naast elkaar zijn opgesteld en die, in het geval dat gebruik wordt gemaakt van akoestische golven, bijvoorbeeld kunnen gevormd worden door drukopnemers.
<Desc/Clms Page number 7>
De werking van de inrichting is zeer eenvoudig en als volgt.
Het meetschip 1 wordt ingezet langs het traject van een waterloop 7 of dergelijke om de diepte van de bodem in kaart te brengen.
Deze bodem bestaat, zoals algemeen bekend, uit twee boven elkaar gelegen sliblagen, respectievelijk 8 en 9, die op een vaste bodem 10 rusten.
De te bepalen nautische diepte is gedefinieerd als zijnde de diepte D waarop het scheidingsvlak 11, meer bepaald de nautische bodem, tussen de voornoemde sliblagen 7 en 8 is gesitueerd.
Om de nautische diepte te bepalen wordt met behulp van de zender 2 een longitudinale golf 3 gegenereerd die gedurende een korte tijdsspanne en op een gebundelde manier naar de bodem van de waterloop 7 wordt uitgestraald volgens de voornoemde hellingshoek a van de zender 2.
De gegenereerde golf 3 vertoont bij voorkeur een ruimtelijk verloop waarbij, met andere woorden, de amplitude A van de golf 3 varieert met de afstand tot de zendrichting X-X van de zender 2.
Een mogelijk ruimtelijk verloop van de amplitude A van de golf 3 is weergegeven in het diagram van figuur 2 en dit in functie van de afstand X gemeten vanuit het midden van de uitgang 12 van de zender 2 in de lengterichting van het
<Desc/Clms Page number 8>
meetschip 1. Het ruimtelijk verloop is in dit geval gerealiseerd volgens een Gauss-curve, maar kan ook volgens andere patronen zijn verwezenlijkt.
De golf 3 zal bij voorkeur een ultrasone frequentie bezitten die gesitueerd is binnen een bereik van 33 tot 210 kHz.
Enige tijd na het uitzenden bereikt de golf 3 de bodem van de waterloop 7 volgens de invalshoek P welke gelijk is aan de voornoemde hellingshoek a van de zender 2.
De golf 3 dringt in de sliblagen 8 en 9 door en wordt tijdens de doorgang in deze sliblagen op verschillende dieptes gedeeltelijk weerkaatst op scheidingsvlakken die een grens vormen tussen slib met verschillende densiteiten.
In het weergegeven voorbeeld van figuur 1 worden drie golven teruggekaatst, namelijk een golf 13 die in de sliblaag 8 wordt weerkaatst, een golf 14 die wordt weerkaatst op het voornoemde scheidingsvlak 11 tussen de sliblagen 8 en 9, en tenslotte een golf 15 die in de sliblaag 9 wordt weerkaatst.
Deze weerkaatste golven 13-14-15 worden door het meetschip opgevangen via de ontvanger 4 die ter plaatse van de sondes 6 de amplitude registreert van de weerkaatste golven 13-14- 15, waarbij deze geregistreerde amplitudes B worden weergegeven op de voornoemde monitor 5 als functie van de voornoemde afstand X tot de zender 2.
<Desc/Clms Page number 9>
In figuur 3 is bij wijze van voorbeeld het beeld weergegeven dat men in het voornoemde geval op de monitor 5 kan waarnemen, waarbij inderdaad de drie voornoemde golven 13-14-15 duidelijk van elkaar kunnen onderscheiden worden.
Het bijzondere aan de inrichting volgens de uitvinding is dat de golf 3 onder een bepaalde hellingshoek a kan worden uitgezonden en dat, zoals hierna zal blijken, wanneer dit gebeurt onder een bepaalde kritische hoek, het beeld dat men van de teruggekaatste golf 14 op de monitor 5 bekomt, enigszins vervormd is ten opzichte van de beelden van de andere teruggekaatste golven 13-15 die theoretisch als het ware het spiegelbeeld zijn van de uitgezonden golf 3 en dus min of meer de vorm hebben van een Gauss-curve. Op deze manier kan het beeld van de op de nautische bodem teruggekaatste golf 14 met zekerheid ge dentificeerd worden.
Het verschijnsel dat aan de grondslag ligt van het voornoemde vertekend beeld van de teruggekaatste golf 14 is het volgende.
Wanneer de longitudinale golf 3 onder de voornoemde kritische hoek wordt uitgezonden, zal hij, op plaatsen waar de viscositeit van het slib duidelijk toeneemt, meer speciaal ter plaatse van het scheidingsvlak 11, gedeeltelijk worden omgezet in een transversale schuifgolf 16 die zich, zoals schematisch is weergegeven in het venster Fl in figuur 1, in horizontale richting langs het scheidingsvlak 11 zal voortplanten.
<Desc/Clms Page number 10>
Deze schuifgolf 16 is op haar beurt een trillingsbron die een longitudinale golf genereert die samen met de voornoemde weerkaatste golf 14 door de ontvanger 4 wordt opgevangen.
Superpositie van de weerkaatste golf 14 en de door de schuifgolf 16 gegenereerde longitudinale golf, resulteert in een samengestelde golf waarvan het beeld op de monitor 5 een duidelijke vertekening vertoont, bijvoorbeeld, zoals weergegeven in figuur 3, in de vorm van een knik 14A die niet voorkomt in de beelden van de andere teruggekaatste golven 13-15.
Eenmaal dat het beeld van de teruggekaatste golf 14 op het scheidingsvlak 11 is ge dentificeerd, kan men, uitgaande van de ingestelde hellingshoek a van de zender 2 en van de op de monitor 5 af te lezen afstand X van het betreffende beeld tot de zender 2, door een eenvoudige en voor een vakman voor de hand liggende meetkundige berekening, met grote nauwkeurigheid de nautische diepte D bepalen waarop deze grenslaag 11 zich bevindt.
Het is duidelijk dat de bepaling van de nautische diepte D op de hiervoor beschreven wijze, al varend kan gebeuren. In dit geval zal men voor de berekening van deze diepte D bijkomend moeten rekening houden met de verplaatsing van het meetschip 1 tussen het tijdstip waarop de golf 3 werd uitgezonden en het tijdstip waarop de teruggekaatste golf 14 wordt ontvangen.
<Desc/Clms Page number 11>
De kritische hoek waarbij het voornoemde fenomeen zich voordoet kan hetzij experimenteel worden bepaald, hetzij op basis van een mathematisch model waarbij uitgaande van bepaalde ingevoerde gemeten parameters van de bodem, zoals densiteit, temperatuur, zandgehalte, en dergelijke, deze hoek theoretisch kan worden berekend. In de praktijk zal deze kritische hoek a, al naargelang de plaatselijke omstandigheden van de bodem van de waterloop 7, in normale omstandigheden, schommelen tussen 5 en 25 .
De duur van de uitgezonden akoestische golf zal zodanig beperkt worden dat op de monitor 5 ongewenste spookbeelden worden vermeden die, bij een te lange uitzendduur, zouden voorkomen door golven die heen en weer tussen het meetschip 1 en de bodem worden weerkaatst.
In figuur 4 is een variante weergegeven van de inrichting volgens figuur 1.
De inrichting is in dit geval voorzien van een computer 17, bijvoorbeeld in de vorm van een PC met monitor 5, die, enerzijds, verbonden is met de ontvanger 4 en, anderzijds, verbonden is met het navigatiesysteem 18 van het meetschip 1.
De computer 17 is via een bijkomend stuurelement 19 verbonden met de zender 2.
De werking van de inrichting is analoog aan deze van de hiervoor besproken uitvoeringsvorm, met dit verschil dat de berekening van de nautische diepte automatisch door de
<Desc/Clms Page number 12>
computer 17 kan worden uitgevoerd op basis van de ingestelde hellingshoek a van de meetsonde, de signalen afkomstig van de ontvanger 4, de snelheid van het meetschip 1 bekomen via het navigatiesysteem 18, en het tijdsverschil tussen de door de computer 17 gegeven impuls voor het uitzenden van de golf 3 en het ontvangen van de teruggekaatste golf 14.
Voor de berekening van de nautische diepte wordt door de computer 17 ook rekening gehouden met de rol- en stampbewegingen van het schip die een invloed hebben op de plaats waar de teruggekaatste golf 14 door de ontvanger 4 wordt opgevangen. De nodige signalen hiervoor worden bekomen via het navigatiesysteem 18.
Het voornoemde stuurelement 19 maakt het mogelijk om onder meer de frequentie, de amplitude, de ruimtelijke vorm, de tijdsduur en de hellingshoek van de uitgezonden golf 3 in te stellen om zodoende in alle omstandigheden en voor om het even welke bodemgesteldheid een optimaal resultaat te bekomen.
De bediening van het stuurelement 19 kan manueel gebeuren of automatisch door middel van de voornoemde computer 17 die hiertoe bij voorkeur is voorzien van een mathematisch model en van software die het mogelijk maakt de optimale karakteristieken van de uit te zenden golf te berekenen en in te stellen in functie van de locale bodemgesteldheid.
Bovendien kan de hellingshoek a van de zender 2 continu worden bijgestuurd in functie van het stampen van het
<Desc/Clms Page number 13>
meetschip 1, een en ander zodanig dat de uitgezonden golf 3 steeds volgens de kritische invalshoek op de bodem invalt.
De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een inrichting volgens de uitvinding kan in allerlei vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.