周澤均，歐陽清，施冠羽

(海軍工程大學 機械工程系，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)物表面并導致其損壞或產(chǎn)生不良影響的動物、植物、微生物和污垢的總稱。污損生物的活動對海洋結(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)濟損失，因此必須對污損物進行有效防治和清除。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用較少，主要受到水下單個聲源聲壓級和輻射功率的限制。為此，本文旨在應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、活化效應、剪切效應、抑制效應、高速微渦效應和沖刷效應等以實現(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中，空化效應起最主要的作用?？栈獣a(chǎn)生高溫(可高達5 000 K 以上，相當于太陽表面的溫度，溫度變化率達109 K/s)、高壓(可高達數(shù)百乃至上千個大氣壓，相當于大洋深海溝處的壓力)和高射流(時速可達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

2.1 技術(shù)指標

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

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)焦點處能形成空化效應(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的，船體吃水區(qū)域密集分布，清除起來需要對船體進行來回掃描，如果聲源陣列的焦距過小，則不能很好的實現(xiàn)焦點在船體上的偏移。以20 m 以下小船為清污模擬對象，焦距(指焦點到聲源陣列平面的最短距離，當焦點處于陣列平面正中心的法線上時的焦距定義為正焦距)要求盡可能遠，根據(jù)模擬和實際可能確定必須大于5 m。陣列設(shè)計為岸基設(shè)施，即岸基安放、停機清污。

2.2 聲源陣列總體設(shè)計

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

對相控聲源陣列整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，將整個系統(tǒng)設(shè)計為幾個模塊，分別為電源模塊、人機交互界面、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，進行升壓、降壓、分壓、穩(wěn)壓等處理，對不同的部件提供相應的能量。

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

控制模塊:主要指工控計算機，在整個系統(tǒng)中必須能對陣元聲源的輸入信號進行準確計算和精確控制。在對焦點位置精確解算后計算出所有陣元的驅(qū)動向量后，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)動陣列陣元的函數(shù)信號。

發(fā)射模塊:指聲源陣列，各個陣元根據(jù)生成的函數(shù)信號工作，形成聲束，在目標點實現(xiàn)聚焦，利用焦點的高聲壓級和聲強級引起海水的空化效應，從而進行清污。

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

本文重點討論聲源陣列合成聲場的聲波輻射情況和焦點聲壓級及焦點的控制情況，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

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)化為機械能，再通過帶動活塞面的振動向水介質(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)試驗和計算，得到該聲源的各項性能參數(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)指標和陣元聲源參數(shù)，要使聲源陣列能在焦點處產(chǎn)生空化效應，聲源陣列的總輻射功率PM至少要達到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。

單個聲源以1 ×105Hz 頻率工作時，基礎(chǔ)功率P0=4.079 ×105W，取100 個陣元，陣列粗略功率Pc=∑P0=4.079×107W=40.79 MW≈40 MW，約為指標功率閥值22 MW 的1.8 倍，足夠滿足指標要求。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整體處理［12］，可以得到陣列的技術(shù)指標。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)計中規(guī)定以陣列面中心O 處法線為空間坐標系 的Z 軸，建立XYZ 坐標系，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的焦點掃描面。

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(規(guī)定為圖5 中聚焦區(qū)域投影平面的A 點)，計算出該點相對聲源陣列的空間位置，位置信息由陣列的XYZ 空間坐標系(見圖6)來表達。

圖5 焦點掃描示意圖Fig.5 The sketch map of focus scanning

4)陣元聲源的驅(qū)動向量生成，指向點聚焦。工控機根據(jù)3)傳回的空間點位置信息，按照相應的原則計算出陣列中所有陣元聲源的驅(qū)動信息，生成陣列的驅(qū)動向量，驅(qū)動陣列輻射聲波，在指向點聚焦，開始清污。

5)指向儀指向焦點掃描整個聚焦平面。對聚焦平面的掃描方式設(shè)定為定點掃描和逐行掃描兩種模式。逐行掃描根據(jù)焦點區(qū)域的大小，將整個聚焦面在水平方向上劃分為若干行，指向儀依次逐行“指揮”焦點掃過整個聚焦面，完成該面域內(nèi)的清污，如圖5(a)所示;定點掃描是在聚焦平面內(nèi)當某個點的污損物過多而普通清理難以完全清除時將焦點長時間定位此處的工作模式，即人為選定某點聚焦且控制焦點停留的時間，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 坐標系如圖5 所示。設(shè)計中，焦點的控制由指向儀來實現(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到，而且旁瓣等還可能出現(xiàn)在此區(qū)域外。為了在清污時能準確聚焦，必須明確陣列的聚焦區(qū)域，即焦點偏移移動的范圍。根據(jù)陣列尺寸和達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，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 坐標系中XOY 面上為A′B′C′D′，4 個端點的坐標分別為:A′ (2，2)，B′ (-2，2)，C′ (-2，-2)，D′ (2，-2)。把整個聲源陣列看作一個整體平面，即陣列面EFGH，在坐標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 聚焦計算

聲源陣列由100 個陣元聲源構(gòu)成，工作時所有的陣元都會向媒介輻射超聲波，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，必須清楚單個陣元聲源的聲場，同時要對陣列的復合聲場作相應的簡化處理。

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

當聲源由N 個陣元組成、存在M 個控制焦點時，焦點的聲壓可表示為:

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

根據(jù)國家軍用標準中的艦船噪聲測量方法，淺海目標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，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 為焦點處的合成聲場聲壓。

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

圖7 焦點陣元距表示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，編程計算求得單個聲源輻射方向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 個邊界點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。

計算程序流程如圖8 所示。

圖8 計算流程圖Fig.8 Flow chart of calculation

2.4 計算仿真

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

從仿真計算結(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)域為聚焦盲區(qū)，波束不能有效匯聚而形成焦點;

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

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

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

4 結(jié) 語

從以上計算和仿真結(jié)果可得出如下結(jié)論:

1)將計算結(jié)果與技術(shù)指標比對，所設(shè)計的超聲聲源陣列完全滿足提出的標準:聲源陣列的合成聲場聲壓級可達258 dB，與單個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，為指標功率22 MW 的180%;正焦距可達10 m 以上，為指標焦距5 m 的200%;10 m 正焦點處聲壓1.6272×108Pa，遠大于40℃時水汽化的臨界壓力。

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250 dB 以上。

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