清污超聲相控聲源陣列設(shè)計(jì)

周澤均，歐陽清，施冠羽

(海軍工程大學(xué) 機(jī)械工程系，湖北 武漢430033)

0 引 言

海洋污損物也稱為海洋附著物，是指一切附著叢生在水下人工設(shè)施及艦艇等海洋結(jié)構(gòu)物表面并導(dǎo)致其損壞或產(chǎn)生不良影響的動(dòng)物、植物、微生物和污垢的總稱。污損生物的活動(dòng)對海洋結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的損壞或不良影響稱為污損，對海洋污損生物的防除稱為防污［1］。海洋污損物對船舶、港口等重要設(shè)施的污損帶來巨大的危害和經(jīng)濟(jì)損失，因此必須對污損物進(jìn)行有效防治和清除。在現(xiàn)有清污方式中，超聲波在清污除垢方面與其他除垢方法相比，清除更徹底、實(shí)現(xiàn)更容易，且對污損物的附著基底損傷很小［2］，這對船體清污尤為重要。目前超聲波船體清污應(yīng)用較少，主要受到水下單個(gè)聲源聲壓級和輻射功率的限制。為此，本文旨在應(yīng)用超聲波清污的巨大優(yōu)勢研究探索用以船體清污的超聲聲源陣列。

1 超聲波清污機(jī)理

超聲波清污除垢技術(shù)是采用大功率低頻超聲波，依靠超聲波在液體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)、活化效應(yīng)、剪切效應(yīng)、抑制效應(yīng)、高速微渦效應(yīng)和沖刷效應(yīng)等以實(shí)現(xiàn)清污除垢的［2-3］。超聲波脈沖的工作原理如圖1 所示。

圖1 超聲波脈沖原理圖［3］Fig.1 The map of acoustic wave′ impulse theory［3］

在超聲波引起的這些效應(yīng)中，空化效應(yīng)起最主要的作用?？栈?yīng)會(huì)產(chǎn)生高溫(可高達(dá)5 000 K 以上，相當(dāng)于太陽表面的溫度，溫度變化率達(dá)109 K/s)、高壓(可高達(dá)數(shù)百乃至上千個(gè)大氣壓，相當(dāng)于大洋深海溝處的壓力)和高射流(時(shí)速可達(dá)400 km)等極端的環(huán)境［2-4］，并且釋放出巨大的能量，這樣的環(huán)境中污損生物能很快被殺死且生物結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，最后脫落。另外，空化使垢物微粒的形體改變，并使垢物微粒團(tuán)間的親和力降低，經(jīng)超聲波處理后的硬度鹽微粒在成垢條件下只能析出疏松粉末狀垢物，不再沉積板結(jié)。

2 超聲聲源陣列設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

本文研究的聲源陣列用于船體清污，根據(jù)理論研究和實(shí)際操作的可行性，對該研究的技術(shù)指標(biāo)提出如下要求:

1)作用對象:一般船艇(以船長在20 m 以下小船為模擬對象);

2)作用距離:焦距R0≥5 m;

3)岸基安放于港口或碼頭;

4)焦點(diǎn)處能形成空化效應(yīng)(通常水域中，空化閥值作用范圍為18 ～38 MW，一般要求功率大于22 MW［5］;40 ℃時(shí)水汽化的臨界壓力為0.72 mH2O，1 mH2O=9806.65 Pa［6］);

5)移除力≥180 N，移除力強(qiáng)度≥0.93 MN/m2，產(chǎn)生的流速≥2 m/s［7］。

海洋污損生物在船體附著是隨機(jī)的，船體吃水區(qū)域密集分布，清除起來需要對船體進(jìn)行來回掃描，如果聲源陣列的焦距過小，則不能很好的實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)在船體上的偏移。以20 m 以下小船為清污模擬對象，焦距(指焦點(diǎn)到聲源陣列平面的最短距離，當(dāng)焦點(diǎn)處于陣列平面正中心的法線上時(shí)的焦距定義為正焦距)要求盡可能遠(yuǎn)，根據(jù)模擬和實(shí)際可能確定必須大于5 m。陣列設(shè)計(jì)為岸基設(shè)施，即岸基安放、停機(jī)清污。

2.2 聲源陣列總體設(shè)計(jì)

水下相控聲源陣列要得以實(shí)現(xiàn)，包括的不僅僅是陣列面板這一可見的部分，還有著復(fù)雜的電路等結(jié)構(gòu)。

對相控聲源陣列整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為幾個(gè)模塊，分別為電源模塊、人機(jī)交互界面、控制模塊、信號發(fā)生模塊和聲波發(fā)射模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 聲源陣列模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The map of structure of sources arrayed

電源模塊:將外接的交流電源引入，然后根據(jù)后續(xù)電路和電子器件的工作要求，進(jìn)行升壓、降壓、分壓、穩(wěn)壓等處理，對不同的部件提供相應(yīng)的能量。

人機(jī)交互界面:通過人機(jī)交互界面將操作人員和聲源連接起來，實(shí)現(xiàn)對聲源陣列的具體操作和控制。

控制模塊:主要指工控計(jì)算機(jī)，在整個(gè)系統(tǒng)中必須能對陣元聲源的輸入信號進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和精確控制。在對焦點(diǎn)位置精確解算后計(jì)算出所有陣元的驅(qū)動(dòng)向量后，控制后續(xù)電路產(chǎn)生信號。

信號產(chǎn)生模塊:接收控制模塊的信號，控制函數(shù)信號生成系統(tǒng)，生成驅(qū)動(dòng)陣列陣元的函數(shù)信號。

發(fā)射模塊:指聲源陣列，各個(gè)陣元根據(jù)生成的函數(shù)信號工作，形成聲束，在目標(biāo)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聚焦，利用焦點(diǎn)的高聲壓級和聲強(qiáng)級引起海水的空化效應(yīng)，從而進(jìn)行清污。

聲源陣列各個(gè)模塊之間的關(guān)系可以用圖3 來表示。本文旨在研究聲源陣列聚焦、焦點(diǎn)變化狀況、清污能力及幾者間相應(yīng)的聯(lián)系。

本文重點(diǎn)討論聲源陣列合成聲場的聲波輻射情況和焦點(diǎn)聲壓級及焦點(diǎn)的控制情況，這里對總體結(jié)構(gòu)和電路模型不做討論。

圖3 聲源陣列模塊關(guān)系圖Fig.3 The map of modules of sources arrayed′ relation

2.3 聲源陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 陣元聲源

選用電聲換能器聲源中的超磁致活塞式聲源作為聲源陣列的基礎(chǔ)聲源，即陣元聲源。該聲源是利用超磁致伸縮材料(giant magnetostrictive material，GMM)在電磁場中發(fā)生伸縮變化而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過帶動(dòng)活塞面的振動(dòng)向水介質(zhì)輻射聲波而最終轉(zhuǎn)化為聲能，其轉(zhuǎn)化效率高、聲波輻射具有很好的指向性和可控性。經(jīng)試驗(yàn)和計(jì)算，得到該聲源的各項(xiàng)性能參數(shù)，如表1 所示。

表1 基于超磁致伸縮材料的活塞式水下聲源的基本參數(shù)［8］Tab.1 Essential parameter of underwater piston sound source based on GMM［8］

超磁致伸縮材料的伸長量一般在10-4m 的數(shù)量級［9］，由此計(jì)算得聲源的主頻ω =1 ×105Hz，振幅模量B =1.09 ×10-4m，振速模量u =10.90 m/s。

綜上所述，用于清污聲源陣列的基礎(chǔ)陣元聲源采用超磁致活塞式聲源的具體參數(shù)值如下:

聲源類型:電磁式聲源;

聲源元件:超磁致伸縮材料;

等效質(zhì)量:m=1.5 kg;

陣面形狀:正方形;

陣元邊長:0.3 m;

固有頻頻:ωn=5.125 ×104Hz;

擬定工作主頻:ω =1 ×105Hz;

均勻振速:u0=10.90 m/s;

輻射功率:P0=4.079 ×105W。

2.3.2 陣元總數(shù)

根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)和陣元聲源參數(shù)，要使聲源陣列能在焦點(diǎn)處產(chǎn)生空化效應(yīng)，聲源陣列的總輻射功率PM至少要達(dá)到22 MW。為使聲源陣列有足夠的容積功率，再考慮到聚焦中的功率損失和聚焦的有效性，所有陣元聲源的功率總和必須足夠大。

單個(gè)聲源以1 ×105Hz 頻率工作時(shí)，基礎(chǔ)功率P0=4.079 ×105W，取100 個(gè)陣元，陣列粗略功率Pc=∑P0=4.079×107W=40.79 MW≈40 MW，約為指標(biāo)功率閥值22 MW 的1.8 倍，足夠滿足指標(biāo)要求。這樣，陣元聲源總數(shù)設(shè)定為100，陣元間距設(shè)為0.2 m［10-11］，為方便焦點(diǎn)的控制而在陣列中心添加指向儀，用于測定陣列面距船體的距離和焦點(diǎn)的位置偏移，聲源陣列的正面視圖如圖4所示。

陣列以矩陣方正陣列方式排列，100 個(gè)陣元排列成10 ×10 方正，為簡化模型在允許的范圍內(nèi)將陣列面板作為一個(gè)整體處理［12］，可以得到陣列的技術(shù)指標(biāo)。為能保證陣列有足夠的掃描范圍，中心位置O 處指向儀的偏轉(zhuǎn)角度必須大于等于陣列的掃描角度，在設(shè)計(jì)中規(guī)定以陣列面中心O 處法線為空間坐標(biāo)系 的Z 軸，建立XYZ 坐標(biāo)系，指向儀射線與Z 軸夾角β 為指向儀的偏轉(zhuǎn)角。

2.3.3 工作方式設(shè)定

圖4 聲源陣列正面視圖Fig.4 View of the obverse side of sources arrayed

1)指向儀測距。指向儀首先對停泊的船體面測距，測出此狀態(tài)下聲源陣列表面中心法向上距離船體表面的距離，即指向儀處距離船體表面的距離，并規(guī)定這個(gè)距離為聲源陣列的正焦距R0。

2)聚焦區(qū)域映射。將規(guī)定的聚焦面正投影到船體上，從船體表面截取相應(yīng)的焦點(diǎn)掃描面。

3)指向儀向聚焦面指向，傳回位置信息。指向儀發(fā)出指向測距波束到聚焦面的端點(diǎn)(規(guī)定為圖5 中聚焦區(qū)域投影平面的A 點(diǎn))，計(jì)算出該點(diǎn)相對聲源陣列的空間位置，位置信息由陣列的XYZ 空間坐標(biāo)系(見圖6)來表達(dá)。

圖5 焦點(diǎn)掃描示意圖Fig.5 The sketch map of focus scanning

4)陣元聲源的驅(qū)動(dòng)向量生成，指向點(diǎn)聚焦。工控機(jī)根據(jù)3)傳回的空間點(diǎn)位置信息，按照相應(yīng)的原則計(jì)算出陣列中所有陣元聲源的驅(qū)動(dòng)信息，生成陣列的驅(qū)動(dòng)向量，驅(qū)動(dòng)陣列輻射聲波，在指向點(diǎn)聚焦，開始清污。

5)指向儀指向焦點(diǎn)掃描整個(gè)聚焦平面。對聚焦平面的掃描方式設(shè)定為定點(diǎn)掃描和逐行掃描兩種模式。逐行掃描根據(jù)焦點(diǎn)區(qū)域的大小，將整個(gè)聚焦面在水平方向上劃分為若干行，指向儀依次逐行“指揮”焦點(diǎn)掃過整個(gè)聚焦面，完成該面域內(nèi)的清污，如圖5(a)所示;定點(diǎn)掃描是在聚焦平面內(nèi)當(dāng)某個(gè)點(diǎn)的污損物過多而普通清理難以完全清除時(shí)將焦點(diǎn)長時(shí)間定位此處的工作模式，即人為選定某點(diǎn)聚焦且控制焦點(diǎn)停留的時(shí)間，如圖5 (b)所示。

2.3.4 聚焦區(qū)域設(shè)定

聲源陣列中建立的XYZ 坐標(biāo)系如圖5 所示。設(shè)計(jì)中，焦點(diǎn)的控制由指向儀來實(shí)現(xiàn)，指向儀繞Z 軸偏轉(zhuǎn)角β 的范圍為0°～60°，所指向的范圍較大，見圖6中圓錐區(qū)域O-K0K1K2K3。在此區(qū)域中陣列聚焦并不能完全達(dá)到，而且旁瓣等還可能出現(xiàn)在此區(qū)域外。為了在清污時(shí)能準(zhǔn)確聚焦，必須明確陣列的聚焦區(qū)域，即焦點(diǎn)偏移移動(dòng)的范圍。根據(jù)陣列尺寸和達(dá)到盡可能好的聚焦效果而又不造成大量的可聚焦區(qū)的浪費(fèi)，這里人為規(guī)定有效聚焦區(qū)域，即陣列的可工作區(qū)域，見圖5 中的ABCD -A1B1C1D1，其中平面ABCD 稱為聚焦平面。聚焦區(qū)域尺寸為2 ×2 m，投影到陣列面的XYZ 坐標(biāo)系中XOY 面上為A′B′C′D′，4 個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)分別為:A′ (2，2)，B′ (-2，2)，C′ (-2，-2)，D′ (2，-2)。把整個(gè)聲源陣列看作一個(gè)整體平面，即陣列面EFGH，在坐標(biāo)系里分別表示出來為:E(4.8，4.8)，F(xiàn) (-4.8，4.8)，G (-4.8，-4.8)，H (4.8，-4.8)，OO′為陣列面法向上距船體的距離R0，定義為正焦距。

圖6 聲源陣列聚焦區(qū)域示意圖Fig.6 The sketch map of focus area of sources arrayed

2.3.5 聚焦計(jì)算

聲源陣列由100 個(gè)陣元聲源構(gòu)成，工作時(shí)所有的陣元都會(huì)向媒介輻射超聲波，這樣，聲源陣列的聲場就是所有陣元聲源聲場的疊加結(jié)果。為研究聲源陣列的聲場，必須清楚單個(gè)陣元聲源的聲場，同時(shí)要對陣列的復(fù)合聲場作相應(yīng)的簡化處理。

對單個(gè)陣元聲源來說，空間聲場中聲波輻射方向上任意點(diǎn)的聲壓p 可由瑞利積分計(jì)算出來:

當(dāng)聲源由N 個(gè)陣元組成、存在M 個(gè)控制焦點(diǎn)時(shí)，焦點(diǎn)的聲壓可表示為:

式中:m =1，2，…，M，M 為聲場焦點(diǎn)的個(gè)數(shù);n=1，2，…，N，N 為相控陣中陣元的個(gè)數(shù);rmn為第m 個(gè)焦點(diǎn)相對于第n 個(gè)相控陣陣元中心的距離;pm為第m 個(gè)焦點(diǎn)處的聲壓。本文只考慮一個(gè)焦點(diǎn)的情況，則m=1。

根據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)中的艦船噪聲測量方法，淺海目標(biāo)輻射噪聲的測量通常選用0 ～100 m 的距離，在此距離內(nèi)，海水本身對聲波能量的吸收很小可以忽略不計(jì)，而且海水介質(zhì)的密度ρ、聲速c、界面的反射系數(shù)可以人為不跟隨時(shí)間的變化。故而，這里媒介的聲吸收系數(shù)α =0。

這樣，式(2)可改寫為:

式中P 為焦點(diǎn)處的合成聲場聲壓。

焦點(diǎn)的正焦距為R0，式(2)和式(3)中的rn(即rmn)為焦點(diǎn)到第n 個(gè)陣元中心的距離，即焦點(diǎn)陣元距。為方便計(jì)算(見圖7)，將rn= RMN直接定義為:

圖7 焦點(diǎn)陣元距表示Fig.7 Expressing distance between focus and element of array

聯(lián)合式(1)～式(4)，代入陣元聲源中的數(shù)值，編程計(jì)算求得單個(gè)聲源輻射方向10 m 處聲壓p0和陣列面板Z 軸上10 m 處正焦點(diǎn)聲壓PO′10分別為:

活塞式聲源的輻射聲壓級為:

式中pref為參考聲壓，一般取值為2 ×10-5Pa。此外，聲壓與聲壓級的關(guān)系:

根據(jù)式(5)和式(6)可求得聲壓級分別為:

SL10= 218.31 dB，SL10= 218.32 dB，

SLO′10= 258.20 dB，SLO′10= 258.22 dB。

同樣可得聚集平面4 個(gè)邊界點(diǎn)ABCD 處的聲壓和聲壓級分別為:

PA= PB= PC= PD= 1.5879 ×108Pa，

SLA= SLB= SLC= SLD= 257.99 dB，

SLA= SLB= SLC= SLD= 258.01 dB。

計(jì)算程序流程如圖8 所示。

圖8 計(jì)算流程圖Fig.8 Flow chart of calculation

2.4 計(jì)算仿真

根據(jù)劃定的聚焦區(qū)域內(nèi)不同點(diǎn)的合成聲場聲壓值的變化情況，構(gòu)建相應(yīng)的模型，對聲源陣列合成聲場聲壓進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖9 所示。

從仿真計(jì)算結(jié)果可看到:

1)聚焦形成在5 ～10 m 的區(qū)域內(nèi)。0 ～5 m 區(qū)域?yàn)榫劢姑^(qū)，波束不能有效匯聚而形成焦點(diǎn);

2)同一聚焦平面內(nèi)Z 軸上焦點(diǎn)聲壓最大，焦點(diǎn)向Z 軸偏離而聲壓依次衰減;

3)在可見的聚焦區(qū)域內(nèi)，焦點(diǎn)聲壓從5 ～10 m依次增強(qiáng)，在10 m 處達(dá)到最大。

圖9 仿真結(jié)果圖Fig.9 Simulation result map

4 結(jié) 語

從以上計(jì)算和仿真結(jié)果可得出如下結(jié)論:

1)將計(jì)算結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)比對，所設(shè)計(jì)的超聲聲源陣列完全滿足提出的標(biāo)準(zhǔn):聲源陣列的合成聲場聲壓級可達(dá)258 dB，與單個(gè)陣元聲源的最高聲壓級218 dB 相比提高了18%以上;輸出功率40 MW，為指標(biāo)功率22 MW 的180%;正焦距可達(dá)10 m 以上，為指標(biāo)焦距5 m 的200%;10 m 正焦點(diǎn)處聲壓1.6272×108Pa，遠(yuǎn)大于40℃時(shí)水汽化的臨界壓力。

2)在設(shè)定的聚焦區(qū)域內(nèi)聲源陣列具有良好的聚焦效果，波束在距離陣列面5 m 后開始有效匯聚，聲壓達(dá)250 dB 以上。

［1］黃宗國，蔡如星.海洋污損生物及其防除［M］.北京:海洋出版社，1984:23 -25.HUANG Zong-guo，CAI Ru-xing. Marine fouling and its prevention［M］.Beijing:Ocean Press，1984:23 -25.

［2］張艾萍，楊洋.超聲波防垢和除垢技術(shù)的應(yīng)用及其空化效應(yīng)機(jī)理［J］.黑龍江電力，2010，32(5):321 -324.ZHANG Ai-ping，YANG Yang. Application of ultrasonic antiscaling and descaling and its cavitation effect mechanism［J］.Heilongjiang Electric Power，2010，32(5):321-324.

［3］孟延孝，曹麗.超聲波防垢技術(shù)在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的研究與實(shí)踐［J］.給水排水，2009(S2):240 -242.MENG Yan-xiao，CAO Li. Study and practice of ultrasonic descaling in circulating cooling water system［J］. Water Supply and Drainage，2009(S2):240 -242.

［4］張建鋒.水力空化裝置的設(shè)計(jì)及研究［D］.天津:天津科技大學(xué)，2008.ZAHNG Jian-feng. Design and research of hydrodynamic cavitation equipment［D］. Tianjin:Tianjin Science and Technology University，2008.

［5］張利民.空化診斷和監(jiān)測［J］. 東方電機(jī)，2004(1):416-150.ZHANG Li-min. Cavitation diagnosis and monitoring［J］.Oriental Motor，2004(1):416 -150.

［6］鄭源，陳德新.水輪機(jī)［M］.北京:中國水利水電出版社，2011:53 -69.ZHEN Yuan，CHEN De-xin. Hydraulic turbine［M］.Beijing:China Water Conservancy and Hydropower Publishing House，2011:53 -69.

［7］史航，王魯明. 海洋污損生物藤壺的附著機(jī)理及防除［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006(6):72 -74.SHI Hang，WANG Lu-ming. Attachment mechanism of marine fouling organism balanus and its defouling［J］.Guangdong Agricultural Sciences，2006(6):72 -74.

［8］石小紅.基于超磁致伸縮材料的活塞式水下聲源［J］.磁性材料及器件，2009(5):37 -39，63.SHI Xiao-hong. Underwater piston sound source based on gaint magnetostritive material［J］. Magnetic Materials and Devices，2009(5):37 -39，63.

［9］袁惠群，李鶴，孫華剛，等.超磁致伸縮換能器的聲輻射特性［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25(3):273 -276.YUAN Hui-qun，LI He，SUN Hua-gang，et al. Acoustic radiation characteristics of super magnetostrictive transducer［J］.Northeast University Journal，2004，25(3):273-276.

［10］丁亞軍，錢盛友，胡繼文，等.多焦點(diǎn)超聲相控陣在雙層媒質(zhì)中聲場仿真［J］. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，47(33):153 -155.DING Ya-jun，QIAN Sheng-you，HU Ji-wen，et al.Simulation of sound field of multi-focus ultrasound phased array in double biologic medium［J］.Computer Engineering and Applications，2011，47(33):153 -155.

［11］胡繼文，錢盛友，丁亞軍.被控點(diǎn)聲壓直接加權(quán)的相控聲場合成模式［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào)，2011，36(6):626 -630.HU Ji-wen，QIAN Sheng-you ，DING Ya-jun. A synthesis pattern of field produced by phased array based on the direct weighting of the controlled acoustic pressure［J］.Acta Acoustica，2011，36(6):626 -630.

［12］陳偉，曾德平，王華，等.超聲相控陣輸出聲場優(yōu)化及仿真［J］.壓電與聲光，2011，31(1):96 -99.CHEN Wei，ZENG De-ping，WANG Hua，et al.Optimization and simulation for the output acoustic field of iltrasnic phased array［J］.Piezoelectrics ＆Acoustooptics，2011，31(1):96-99.