振帽式超声波海水系统防污装置的设计与实现∗

刘海松 苏 攀 吴杰长

（1.海装驻宁波地区军事代表室 宁波 315000）（2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033）

1 引言

船舶海水系统在长时间运行过程中，海洋浮游生物如桡足类、水母类、硅藻和甲藻等会附着在管路及通海阀内壁快速繁殖生长，其分泌的酸性物质对金属表面将造成化学腐蚀，同时浮游生物的生长改变了金属表面的局部供氧浓度，形成氧浓度差电池，进一步加速了金属腐蚀。此外，泥沙等杂质沉积在管路内壁的腐蚀位置和通海阀的密封沟槽中，进而降低了管路的使用，且影响阀门的正常开闭，对船舶的安全运行构成了威胁［1～5］。传统的海水系统防污保护方法主要有电解法［6～8］和高压蒸汽吹除法。电解法不仅要消耗大量的电能，而且析出的氯离子和重金属离子会在海水管道中残留、富集，影响船舶海水系统的水质环境。高压蒸汽吹除法在实际使用过程中，蒸汽进入海水阀箱后在与海水混合过程中即被冷却，对海生物的杀灭效果较差，并且由于喷射角度单一和海水表面张力较大，高压蒸汽无法大面积吹除囤积物，故此方法实际使用效果不佳。

近年来，超声波防污技术作为一种新的海水系统防污方法，具有无污染、运行维护成本低、可靠性高、便于安装等优点［9～11］。该技术利用超声波的空化效应，即超声波在海水中传播时，液体会发生剧烈振动并产生大量微小气泡随即迅速溃灭，从而产生局部瞬时高温、高压冲击管路、阀体，使其表面即缝隙中的海生物等附着物迅速剥落清除［12～14］。目前，超声波管路防污装置主要有振板式和振棒式两种形式。本文针对现有超声波管路防污装置存在的问题进行改进优化后，设计了一种新的振帽型超声波管路防污装置，并对样机进行了试验验证，结果表明该设计可有效清除海水系统管路阀门的附着物，延长了海水系统的维护周期、减轻舰员工作强度、保障了船舶的运行安全。

2 总体设计

超声波防污设备主要由电源发生器和换能器两个部分组成，电源发生器采用380V50Hz供电，经过变压、整流、稳压、滤波、PWM等一系列处理后，转换为换能器所需的高频交流电；超声换能器则将输入的高频电流通过压电陶瓷转化为同频率振动的机械能，并通过内部振子传递到海水介质中。

现有管路超声波防污设备主要存在以下问题：

2）换能器安装时一般将换能器一端是直接置于管路内部，一定程度上减小了管路的海水通量；

3）超声波场有效范围不足，防污距离较短。

针对上述问题，本题在设计上进行了以下改进：

1）在电源发生器的电路中增加频率自动检测校正模块；

2）采用振帽型设计，换能器通过异型三通管接入管路；

3）采用倾斜安装换能器的形式，利用管道内形成的Lamb波来增加防污距离。振帽型换能器结构及安装方式如图1所示。

图1 振帽型换能器结构及安装示意图

3 关键技术

3.1 电源发生器电路设计

超声波防污装置的电源部分采用它激式振荡电路，本身自带独立振荡源，脉冲信号无需借助变压器产生，输出功率较自激式振荡电路提高了10%以上。整个超声波发生器电路系统由电网滤波器、工频整流及滤波、PWM振荡器、扫频控制器、高功率放大器、高频功率匹配器以及检测反馈、报警输出电路组成，电路原理图如图2所示。

王国维于1908～1909年所著的一部文学批评著作，最初发表于《国粹学报》，是作者接受了西洋美学思想之洗礼后，以崭新的眼光对中国旧文学所作的评论。

图2 电源发生器电路原理图

1）电网滤波器、工频整流滤波电路：主要由C1，C2，C3，B1，R1等元件组成。主要作用为滤除电网干扰，获得电源发生器所需的稳定直流高压。

2）PWM振荡器电路：主要由U3及其外围阻容原件组成。采用了单片集成PWM控制芯片SG3525构成振荡器，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。可以通过调节在插座XS6（1，2，3端）的外接功率调节电位器或功率控制信号（DC0～5V）来调整输出功率。

3）扫频控制器模块：由SSV1-2模块及其外围阻容元件组成。它是独立的厚膜封装模块，实现超声波发生器在20kHz～50kHz之间可控扫频工作。

4）高频功率放大器电路：主要由 U6，U7，T，R5-R13，D1-D4，D10，D11，C5，C7等组成。两个VMOS功率场效应管KIA20N50H（U6，U7）构成大功率高频开关电路，具有线性度高、频率响应好、开关速度快等优点。

5）高频功率匹配器电路：主要由大功率电感电容L2，L3，C5，C7等组成。主要用于改善发生器与换能器之间的耦合过程，提高功率传输效率，确保电源发生器与换能器高效安全工作。

6）检测反馈及报警输出：主要由L3，B3，U10，U1，U11，U13，JK及周边阻容元件组成。用于跟踪检测输出状态，依据检测值自动调整振荡器等控制电路工作参数，使电源发生器一直工作于最佳状态。当电路空载、无功率输出时判断为故障，触发报警开关输出故障信号。

3.2 基于Lamb波原理的管路换能器的安装布局

在现有的设计中，管路中的换能器通常为选择垂直安装。这种安装形式超声波传播距离较短，不仅需要的换能器数量多，而且对安装空间要求高，同时换能器垂直安装还会显著影响管路的海水通量。这样既增加了产品的安装布置难度，也提高了产品的成本。

事实上，在满足一定条件时，超声波换能器在管路中激发出Lamb波，即超声波能够在沿着管道轴向传播的同时，通过固-液交界面反射、折射反复向对面管壁发射能量，从而扩大了超声波空化作用范围，以达到提高防污防垢能力的目的［15～17］。如果以声楔和管路中轴线组成的纵剖面进行模型分析，建立管路中Lamb波传播声路模型如图3所示。

图3 海水管路Lamb波声路模型图

设超声波入射角、在管壁和海水中的折射角分别为α、β和γ，管壁的厚度为s，管路内径为d，k为产生Lamb波所需要的声楔的截面直径，l为超声波空化作用距离。同时，设声楔中声速为c，管壁中横波和纵波的声速分别为cs和cl，流体中声速为ct。

通过选取特定范围内的入射角度，使得上管壁和区域A、B、C组成的声路系统满足Lamb波产生条件。根据波形转换原理，当超声波倾斜入射到异质界面时，除产生同种类型的反射和折射波外，还会产生不同类型的反射和折射波。因此，换能器发出的纵波可以在管壁中折射出横波，并在固-液交界面发生波型转换，折射波为纵波，反射波则为横波或纵波，而在管壁外侧与空气交界面处只有反射波而没有折射波，这样管壁中就能形成沿轴向传播的行波。折射到海水中的纵波传播到对面管壁，也同样发生折射和反射，海水中在下管壁内侧反射的纵波与上管壁内侧的入射波相叠加也形成沿轴向传播的行波。当上管壁中声波传到C点右侧后，由于内管壁边界条件的变化，无法满足Lamb波产生条件，超声波无法以行波的形式继续向前传播，将很快衰减直至消失，因此管路中超声波空化作用有效距离为l［18～21］。

从图中可以看出，只有入射波束覆盖到E点，才有可能在管壁中产生行波，因此激发出Lamb波所需的最小声楔截面直径k的最小值为

根据超声波反射、折射定律，可得出超声波空化作用距离l为

通常，管壁厚度s≤10mm，管路直径d≤200cm，α=40°～50°。则k＜20mm，一般声楔都可满足条件；而l≥100cm，显著延长了超声波空化作用距离。因此，换能器采用倾斜安装方式可以有效提高设备的防污除垢能力。

4 试验验证

成功试制超声波防污装置样机后，在模拟海水管路上进行了样机性能测试。选取直管尺寸：DN300，长度3m。试验时选取超声波电源发生器功率为40W，分别在距离换能器表面0m、0.5m和1m处，使用DBS-200S超声波测量仪测试超声波的频率和声强，试验数据如表1所示。

表1 超声波防污设备试验数据

由试验结果可知，模拟管路中距换能器1m的位置超声波频率和声强仍未出现明显衰减，仍能对海生物生长和垢质沉积产生很好的抑制作用，而且换能器安装未影响海水通量。

5 结语

为了有效地降低海洋生物对船舶海洋系统的影响，本文针对现有管路超声波防污设备存在超声波场的频率发生偏移、管路水量减小以及超声波场有效范围不足等问题，通过结构优化设计了一种新的振帽型超声波管路防污装置，通过对该装置的电路设计和安装布局等关键技术的研究，研制了试验样机，试验研究表明本文所设计的振帽型超声波管路防污装置能够有效地抑制海洋生物的生长和降低杂质在管路中的沉积。