振帽式超聲波海水系統(tǒng)防污裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

劉海松 蘇 攀 吳杰長

（1.海裝駐寧波地區(qū)軍事代表室 寧波 315000）（2.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

船舶海水系統(tǒng)在長時間運(yùn)行過程中，海洋浮游生物如橈足類、水母類、硅藻和甲藻等會附著在管路及通海閥內(nèi)壁快速繁殖生長，其分泌的酸性物質(zhì)對金屬表面將造成化學(xué)腐蝕，同時浮游生物的生長改變了金屬表面的局部供氧濃度，形成氧濃度差電池，進(jìn)一步加速了金屬腐蝕。此外，泥沙等雜質(zhì)沉積在管路內(nèi)壁的腐蝕位置和通海閥的密封溝槽中，進(jìn)而降低了管路的使用，且影響閥門的正常開閉，對船舶的安全運(yùn)行構(gòu)成了威脅［1～5］。傳統(tǒng)的海水系統(tǒng)防污保護(hù)方法主要有電解法［6～8］和高壓蒸汽吹除法。電解法不僅要消耗大量的電能，而且析出的氯離子和重金屬離子會在海水管道中殘留、富集，影響船舶海水系統(tǒng)的水質(zhì)環(huán)境。高壓蒸汽吹除法在實(shí)際使用過程中，蒸汽進(jìn)入海水閥箱后在與海水混合過程中即被冷卻，對海生物的殺滅效果較差，并且由于噴射角度單一和海水表面張力較大，高壓蒸汽無法大面積吹除囤積物，故此方法實(shí)際使用效果不佳。

近年來，超聲波防污技術(shù)作為一種新的海水系統(tǒng)防污方法，具有無污染、運(yùn)行維護(hù)成本低、可靠性高、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)［9～11］。該技術(shù)利用超聲波的空化效應(yīng)，即超聲波在海水中傳播時，液體會發(fā)生劇烈振動并產(chǎn)生大量微小氣泡隨即迅速潰滅，從而產(chǎn)生局部瞬時高溫、高壓沖擊管路、閥體，使其表面即縫隙中的海生物等附著物迅速剝落清除［12～14］。目前，超聲波管路防污裝置主要有振板式和振棒式兩種形式。本文針對現(xiàn)有超聲波管路防污裝置存在的問題進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后，設(shè)計(jì)了一種新的振帽型超聲波管路防污裝置，并對樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)可有效清除海水系統(tǒng)管路閥門的附著物，延長了海水系統(tǒng)的維護(hù)周期、減輕艦員工作強(qiáng)度、保障了船舶的運(yùn)行安全。

2 總體設(shè)計(jì)

超聲波防污設(shè)備主要由電源發(fā)生器和換能器兩個部分組成，電源發(fā)生器采用380V50Hz供電，經(jīng)過變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波、PWM等一系列處理后，轉(zhuǎn)換為換能器所需的高頻交流電；超聲換能器則將輸入的高頻電流通過壓電陶瓷轉(zhuǎn)化為同頻率振動的機(jī)械能，并通過內(nèi)部振子傳遞到海水介質(zhì)中。

現(xiàn)有管路超聲波防污設(shè)備主要存在以下問題：

2）換能器安裝時一般將換能器一端是直接置于管路內(nèi)部，一定程度上減小了管路的海水通量；

3）超聲波場有效范圍不足，防污距離較短。

針對上述問題，本題在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了以下改進(jìn)：

1）在電源發(fā)生器的電路中增加頻率自動檢測校正模塊；

2）采用振帽型設(shè)計(jì)，換能器通過異型三通管接入管路；

3）采用傾斜安裝換能器的形式，利用管道內(nèi)形成的Lamb波來增加防污距離。振帽型換能器結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖1所示。

圖1 振帽型換能器結(jié)構(gòu)及安裝示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電源發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

超聲波防污裝置的電源部分采用它激式振蕩電路，本身自帶獨(dú)立振蕩源，脈沖信號無需借助變壓器產(chǎn)生，輸出功率較自激式振蕩電路提高了10%以上。整個超聲波發(fā)生器電路系統(tǒng)由電網(wǎng)濾波器、工頻整流及濾波、PWM振蕩器、掃頻控制器、高功率放大器、高頻功率匹配器以及檢測反饋、報(bào)警輸出電路組成，電路原理圖如圖2所示。

王國維于1908～1909年所著的一部文學(xué)批評著作，最初發(fā)表于《國粹學(xué)報(bào)》，是作者接受了西洋美學(xué)思想之洗禮后，以嶄新的眼光對中國舊文學(xué)所作的評論。

圖2 電源發(fā)生器電路原理圖

1）電網(wǎng)濾波器、工頻整流濾波電路：主要由C1，C2，C3，B1，R1等元件組成。主要作用為濾除電網(wǎng)干擾，獲得電源發(fā)生器所需的穩(wěn)定直流高壓。

2）PWM振蕩器電路：主要由U3及其外圍阻容原件組成。采用了單片集成PWM控制芯片SG3525構(gòu)成振蕩器，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)在插座XS6（1，2，3端）的外接功率調(diào)節(jié)電位器或功率控制信號（DC0～5V）來調(diào)整輸出功率。

3）掃頻控制器模塊：由SSV1-2模塊及其外圍阻容元件組成。它是獨(dú)立的厚膜封裝模塊，實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)生器在20kHz～50kHz之間可控掃頻工作。

4）高頻功率放大器電路：主要由 U6，U7，T，R5-R13，D1-D4，D10，D11，C5，C7等組成。兩個VMOS功率場效應(yīng)管KIA20N50H（U6，U7）構(gòu)成大功率高頻開關(guān)電路，具有線性度高、頻率響應(yīng)好、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

5）高頻功率匹配器電路：主要由大功率電感電容L2，L3，C5，C7等組成。主要用于改善發(fā)生器與換能器之間的耦合過程，提高功率傳輸效率，確保電源發(fā)生器與換能器高效安全工作。

6）檢測反饋及報(bào)警輸出：主要由L3，B3，U10，U1，U11，U13，JK及周邊阻容元件組成。用于跟蹤檢測輸出狀態(tài)，依據(jù)檢測值自動調(diào)整振蕩器等控制電路工作參數(shù)，使電源發(fā)生器一直工作于最佳狀態(tài)。當(dāng)電路空載、無功率輸出時判斷為故障，觸發(fā)報(bào)警開關(guān)輸出故障信號。

3.2 基于Lamb波原理的管路換能器的安裝布局

在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)中，管路中的換能器通常為選擇垂直安裝。這種安裝形式超聲波傳播距離較短，不僅需要的換能器數(shù)量多，而且對安裝空間要求高，同時換能器垂直安裝還會顯著影響管路的海水通量。這樣既增加了產(chǎn)品的安裝布置難度，也提高了產(chǎn)品的成本。

事實(shí)上，在滿足一定條件時，超聲波換能器在管路中激發(fā)出Lamb波，即超聲波能夠在沿著管道軸向傳播的同時，通過固-液交界面反射、折射反復(fù)向?qū)γ婀鼙诎l(fā)射能量，從而擴(kuò)大了超聲波空化作用范圍，以達(dá)到提高防污防垢能力的目的［15～17］。如果以聲楔和管路中軸線組成的縱剖面進(jìn)行模型分析，建立管路中Lamb波傳播聲路模型如圖3所示。

圖3 海水管路Lamb波聲路模型圖

設(shè)超聲波入射角、在管壁和海水中的折射角分別為α、β和γ，管壁的厚度為s，管路內(nèi)徑為d，k為產(chǎn)生Lamb波所需要的聲楔的截面直徑，l為超聲波空化作用距離。同時，設(shè)聲楔中聲速為c，管壁中橫波和縱波的聲速分別為cs和cl，流體中聲速為ct。

通過選取特定范圍內(nèi)的入射角度，使得上管壁和區(qū)域A、B、C組成的聲路系統(tǒng)滿足Lamb波產(chǎn)生條件。根據(jù)波形轉(zhuǎn)換原理，當(dāng)超聲波傾斜入射到異質(zhì)界面時，除產(chǎn)生同種類型的反射和折射波外，還會產(chǎn)生不同類型的反射和折射波。因此，換能器發(fā)出的縱波可以在管壁中折射出橫波，并在固-液交界面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，折射波為縱波，反射波則為橫波或縱波，而在管壁外側(cè)與空氣交界面處只有反射波而沒有折射波，這樣管壁中就能形成沿軸向傳播的行波。折射到海水中的縱波傳播到對面管壁，也同樣發(fā)生折射和反射，海水中在下管壁內(nèi)側(cè)反射的縱波與上管壁內(nèi)側(cè)的入射波相疊加也形成沿軸向傳播的行波。當(dāng)上管壁中聲波傳到C點(diǎn)右側(cè)后，由于內(nèi)管壁邊界條件的變化，無法滿足Lamb波產(chǎn)生條件，超聲波無法以行波的形式繼續(xù)向前傳播，將很快衰減直至消失，因此管路中超聲波空化作用有效距離為l［18～21］。

從圖中可以看出，只有入射波束覆蓋到E點(diǎn)，才有可能在管壁中產(chǎn)生行波，因此激發(fā)出Lamb波所需的最小聲楔截面直徑k的最小值為

根據(jù)超聲波反射、折射定律，可得出超聲波空化作用距離l為

通常，管壁厚度s≤10mm，管路直徑d≤200cm，α=40°～50°。則k＜20mm，一般聲楔都可滿足條件；而l≥100cm，顯著延長了超聲波空化作用距離。因此，換能器采用傾斜安裝方式可以有效提高設(shè)備的防污除垢能力。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

成功試制超聲波防污裝置樣機(jī)后，在模擬海水管路上進(jìn)行了樣機(jī)性能測試。選取直管尺寸：DN300，長度3m。試驗(yàn)時選取超聲波電源發(fā)生器功率為40W，分別在距離換能器表面0m、0.5m和1m處，使用DBS-200S超聲波測量儀測試超聲波的頻率和聲強(qiáng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 超聲波防污設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，模擬管路中距換能器1m的位置超聲波頻率和聲強(qiáng)仍未出現(xiàn)明顯衰減，仍能對海生物生長和垢質(zhì)沉積產(chǎn)生很好的抑制作用，而且換能器安裝未影響海水通量。

5 結(jié)語

為了有效地降低海洋生物對船舶海洋系統(tǒng)的影響，本文針對現(xiàn)有管路超聲波防污設(shè)備存在超聲波場的頻率發(fā)生偏移、管路水量減小以及超聲波場有效范圍不足等問題，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新的振帽型超聲波管路防污裝置，通過對該裝置的電路設(shè)計(jì)和安裝布局等關(guān)鍵技術(shù)的研究，研制了試驗(yàn)樣機(jī)，試驗(yàn)研究表明本文所設(shè)計(jì)的振帽型超聲波管路防污裝置能夠有效地抑制海洋生物的生長和降低雜質(zhì)在管路中的沉積。