一種前端開放式超聲換能器封裝結(jié)構(gòu)

李明宇，胡麗華，云澤霖，宋世德，黃 一

（1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；3.大連理工大學(xué) 海岸及近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，海洋工程得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，人們向著更深的海域進(jìn)發(fā)。隨著被勘探海域深度的增加，水下生產(chǎn)設(shè)備的工作環(huán)境也愈發(fā)惡劣。除了水下環(huán)境對(duì)設(shè)備的化學(xué)腐蝕外，海洋中存在著大量的貝類、軟體生物與微生物，這些海洋生物會(huì)附著于水下生產(chǎn)設(shè)備，久而久之，會(huì)對(duì)水下生產(chǎn)設(shè)備造成永久性損傷［1］。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，全球每年由于污損生物附著導(dǎo)致海洋結(jié)構(gòu)物造成的損失高達(dá)數(shù)百億美元，全球有8%～10%的海洋結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)事故是由于海洋生物污損和相關(guān)腐蝕造成的［2］。

超聲波基于其所產(chǎn)生的空化作用，近年來在海洋結(jié)構(gòu)物的防污工作中被廣泛運(yùn)用。超聲空化使得存在于液體中的微氣核（空化核）在聲波的作用下振動(dòng)，氣泡在被壓縮崩潰時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓沖擊波可有效殺滅、驅(qū)逐海洋污損生物［3］。

1 換能器封裝結(jié)構(gòu)目前存在的問題

目前，主流的超聲波清理裝置是由超聲發(fā)生器、超聲換能器以及整體封裝艙體三部分組成的［4］。換能器通過特制膠或耦合劑與整體封裝艙體內(nèi)壁連接成一整體，與換能器連接的壁面稱為超聲波振板。超聲波振板的加入，使得超聲振子的能量可通過振板更均勻地傳遞到流體中。在空間有限的清洗槽內(nèi)，采用該種結(jié)構(gòu)形式，可以使槽內(nèi)的超聲場(chǎng)分布更加均勻，保證其清洗效果［5-6］。

但在實(shí)海開放環(huán)境中，需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的某些關(guān)鍵位置進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。這些關(guān)鍵位置通常是一些可操作結(jié)構(gòu)（如各種閥門，開關(guān)，操作面板等）。因此，換能器的安裝需要為潛水員預(yù)留出操作空間（若將換能器直接固定在生產(chǎn)設(shè)備上，強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及防污涂層造成嚴(yán)重的損壞），這使得換能器與生產(chǎn)設(shè)備間必須有一定的距離。且為了保證防污效果，水下?lián)Q能器需要長(zhǎng)時(shí)間、不間斷地工作，這對(duì)換能器的能量利用率提出了更高的要求。

將換能器置于四周完全密封的艙體內(nèi)，可通過超聲波振板將能量均勻傳遞到流體中，但分散的能量縮短了其在流體中傳遞的距離，并且在開放的實(shí)海環(huán)境中缺少壁面的反射，能量的分散更加重其本身的損耗。同時(shí)，一部分超聲振子的能量會(huì)損耗在耦合劑與超聲波振板中，降低了能量的利用率。因此，目前主流的超聲清洗裝置在較小尺寸的清洗槽中效果較好，但顯然無法滿足實(shí)海超聲防污系統(tǒng)中高集中、遠(yuǎn)距離、低損耗的需求，需針對(duì)換能器的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 前端開放式換能器封裝艙設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)整體封裝結(jié)構(gòu)存在的問題，本文設(shè)計(jì)了新型前端開放式換能器封裝艙結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由頭部防水接頭、線纜防水接頭、艙體及底蓋等部分構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 換能器及封裝艙結(jié)構(gòu)

通過頭部的大型號(hào)防水接頭結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輻射面與艙體接觸部分的密封，在裝配時(shí)擰緊頭部大型號(hào)防水接頭可將換能器固定；在艙體側(cè)面設(shè)置線纜口，通過線纜口將線纜牽引至艙室內(nèi)，并與換能器連接。

裝配時(shí)，先將頭部大型號(hào)防水接頭與艙體連接；再將換能器放至于指定位置（輻射面與頭部防水接頭開口處平齊），為減小換能器與防水接頭的接觸面積，在換能器頭部綁扎橡膠圈，擰緊防水接頭；將電纜通過側(cè)面開口伸入至艙內(nèi)與換能器連接，隨后擰緊電纜處的防水接頭；在艙室內(nèi)注滿導(dǎo)熱油（輔助換能器散熱，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)密封性），在換能器尾端放置一吸音膠墊，避免換能器與底蓋間的鋼性接觸；最后擰緊底蓋。

結(jié)構(gòu)中，所有的螺紋連接處均涂抹密封膠，進(jìn)一步保證整體結(jié)構(gòu)的密封性。

設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，頭部防水接頭的松緊程度會(huì)對(duì)換能器的正常工作產(chǎn)生影響，如過緊會(huì)約束換能器的振動(dòng)，使功率升高，降低換能器的效率。對(duì)此，采用在換能器頭部綁扎橡膠圈的方式，減小接觸面積，減小結(jié)構(gòu)對(duì)換能器的束縛作用，減輕前端對(duì)換能器的束縛力后，換能器的工作狀態(tài)能夠得到明顯改善。

裝配完成后的前端開放式封裝結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖2所示。

圖2 前端開放式封裝結(jié)構(gòu)實(shí)物

3 壓力試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方法

3.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

本實(shí)驗(yàn)的目的是對(duì)前端開放式換能器封裝艙進(jìn)行打壓實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證換能器封裝艙在實(shí)際100 m 水深的工作條件下能否承受水壓并同時(shí)保證其水密性能。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

放置封裝艙于壓力容器中，向壓力容器內(nèi)打壓至1.0 MPa 后關(guān)閉壓力閥門，觀察壓力表示數(shù)，判斷封裝結(jié)構(gòu)的耐壓性與水密性。壓力容器如圖3所示。

圖3 壓力容器

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過48 h 的實(shí)驗(yàn)，壓力表示數(shù)仍維持在1 Mpa附近。打開封裝艙后蓋觀察，其內(nèi)部未見漏水現(xiàn)象，表明結(jié)構(gòu)防水性良好；觀察結(jié)構(gòu)外觀，未見明顯破損與凹陷，表明結(jié)構(gòu)耐壓性能良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 壓力表示數(shù)

4 聲場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方法

4.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

聲場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的目的是探究以前端開放式封裝結(jié)構(gòu)封裝的超聲換能器和以傳統(tǒng)整體封裝結(jié)構(gòu)封裝的超聲換能器前端的聲場(chǎng)分布，對(duì)比聲場(chǎng)特征，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證前端開放式封裝結(jié)構(gòu)能否有效地減小能量損失，集中聲場(chǎng)能量，提高聲場(chǎng)強(qiáng)度。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與裝置

實(shí)驗(yàn)采用超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、前端開放式封裝結(jié)構(gòu)、整體封裝式封裝結(jié)構(gòu)、水聽器、數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備與儀器，整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

4.1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先，對(duì)超聲換能器正前方中線上6 m 的聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

其次，將超聲換能器及其封裝結(jié)構(gòu)固定在指定位置，開啟超聲發(fā)生器，超聲換能器激勵(lì)前方水體產(chǎn)生超聲場(chǎng)。將水聽器依次放置在各個(gè)測(cè)量點(diǎn)位置，對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行采樣。

最后使用同一超聲換能器，采用兩種封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，依次進(jìn)行試驗(yàn)。兩次試驗(yàn)應(yīng)保證超聲發(fā)生器的功率一致。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將采集到的數(shù)據(jù)濾波處理后，進(jìn)行傅里葉變換，得到主頻率對(duì)應(yīng)的電壓幅值V，通過下列公式轉(zhuǎn)換為聲壓級(jí)dB：

式中：x為水聽器的靈敏度，P為聲壓，M為該水聽器靈敏度下單位電壓，V為所測(cè)電壓幅值，SPL為聲壓級(jí)；Per為參考?jí)毫?，?×10-6Pa。

處理后得到各點(diǎn)的聲壓級(jí)，如表1 所示。整理為圖片形式，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 聲壓級(jí)變化曲線

表1 傳統(tǒng)整體封裝聲場(chǎng)聲壓級(jí)（單位：dB）

4.2.2 分析與結(jié)論

以下關(guān)于某一聲場(chǎng)的結(jié)論均是通過對(duì)比另一聲場(chǎng)得出。

（1）在0～2 m 范圍內(nèi)，兩聲場(chǎng)聲壓級(jí)大致相同，最大聲壓級(jí)相差1 dB。

（2）在2～6 m 范圍內(nèi)，傳統(tǒng)整體封裝結(jié)構(gòu)中換能器所激發(fā)的聲場(chǎng)聲壓級(jí)衰減更快。

（3）前端開放式封裝結(jié)構(gòu)因降低了能量在結(jié)構(gòu)中的損耗，使得聲場(chǎng)能量更加集中。相比傳統(tǒng)整體封裝結(jié)構(gòu)，可有效提高遠(yuǎn)處聲場(chǎng)強(qiáng)度。

5 結(jié)語

本文介紹了一種新型的前端開放式超聲換能器封裝結(jié)構(gòu)，對(duì)其原理及結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了詳細(xì)說明，并對(duì)該封裝結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了耐壓水密實(shí)驗(yàn)和聲場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型前端開放式超聲換能器封裝結(jié)構(gòu)具有良好的耐壓性與水密性，可滿足水下100 m 環(huán)境的工作要求；且前端開放式超聲換能器封裝結(jié)構(gòu)可有效降低能量損失，有效提高遠(yuǎn)處聲場(chǎng)強(qiáng)度。本文的研究結(jié)果能夠?yàn)閾Q能器封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。