基于混合变频超声波的同步多声道水生物及病害防御装置

技术领域

本发明涉及水下船舶和水下养殖技术领域，尤其涉及水生物及病害防御装置。

背景技术

对海洋中的一些物体，尤其是养殖网箱、船舶、钻井平台、码头、滨海电厂的排水明渠的拦污网、管道、取排水口等，生长在其表面的动物、植物和微生物等海洋生物的分泌物和腐烂后的残存物体呈酸性，都有极大的危害。一旦在船舶设备或者养殖设备的表面附着大量水生物及病害，就需要耗费较高成本进行清洗，目前流行的清洗方式是蛙人潜入下去，携带空化射流装置，利用高压水流产生空化效应清洗，但是存在一定风险，并且高能耗。因此，水下工业生产中，迫切需要一种能够提前预防水生物及病害生成和附着在水下船舶或者水下养殖设备的表面的方案。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于混合变频超声波的同步多声道水生物及病害防御装置，包括：

至少一条线缆，线缆的一端连接于主机的线缆接口，另一端连接于混合变频超声波装置；

至少一个混合变频超声波装置，混合变频超声波装置包括至少三个混合变频超声波换能器，混合变频超声波换能器包括一个或多个超兆声波一体化振子，超兆声波一体化振子包括超声波振子和兆声波振子，超兆声波一体化振子的超声波振子和兆声波振子同时工作；

主机，所述主机包括伞型外壳、浮台、太阳能板、与太阳能板连接的电池组、若干线缆接口和控制系统；浮台设置于伞型外壳的下边缘；太阳能板设置于伞型外壳的外表面；电池组和集成电路主机均设置于伞型外壳下的水上空间内；控制系统用于根据水生物及病害的类型实时调节超兆声波一体化振子的超声波振子和兆声波振子的超声波频率和工作时间。

本申请中的“水生物及病害”包括但不限于藤壶、海藻、对养殖品种有害的寄生虫、蚂蟥、彩泥虫、病毒细菌等。

进一步地，所述混合变频超声波换能器由带有高速AD转换的驱动电路连接带有变幅杆的高功率压电陶瓷驱动电路锁相环PLL装置，然后链接由多个条状弧形压电陶瓷组成一个换能器，随后链接由一个圆柱形超声波振子内嵌一个锥形兆声波振子组合而成的一体化振子，圆锥型的兆声波振子设于所述中空的圆柱状的超声波振子的内部空间中，所述基于混合变频超声波的同步多声道水生物及病害防御装置用于防止水生物及病害生成并附着于船舶设备的表面。通过声波干涉实验，此装置可以最大程度的扩大覆盖范围，并将声波覆盖距离控制在一定范围内。

进一步地，所述混合变频超声波换能器由一个中空的六棱柱型振子仓、六个独立的超兆声波一体化振子和六个独立的超声波震动板组成；振子仓里安装一个有6方向，角度为60度的6个压电陶瓷组成换能器结构，并使用高功率压电陶瓷驱动电路锁相环PLL和高速AD转换，且超声波震动板、六棱柱型振子仓的仓室的共振频率和超兆声波一体化振子的超声波频率相同，在一个范围内，根据所需，将声波控制在一定范围内，并可全相覆盖；六个独立的超声波震动板呈喇叭状围绕在六棱柱型振子仓的外侧；六个超兆声波一体化振子的一端嵌入振子仓的侧壁，另一端紧贴震动板；振子仓和震动板都是金属板；六个独立的超声波震动板用于进一步放大超声波振幅面积从而实现360度覆盖整个养殖水域，所述基于混合变频超声波的同步水下生物及病害防御装置用于防止水生物及病害生成并附着于养殖设备的表面。现有技术中超声波换能器的超声波覆盖角度为120度范围内调节，无法360度全方位覆盖，因此，工作效率低，效果差。同时现有技术中声波长度无法准确控制，现有产品覆盖范围为100米以上，对于养殖环境和传播环境中，会对其他的范围造成影响。此发明通过高压数字锁相环，及相控阵变频，可以根据需求，设定覆盖范围一般在30-50米范围内。

进一步地，基于混合变频超声波的同步多声道水生物及病害防御装置进一步包括用于接收远程控制指令的无线通信系统和定位系统。优选地，无线通信系统包括蓝牙及4G的远距离通信系统，通过SDR技术，实现安全私密的通信网络。

进一步地，所述混合变频超声波装置采用相控阵技术和线聚技术，同步产生混合相控阵线聚焦声波。混合变频超声波装置由至少三个混合变频超声波换能器组成，利用相控阵技术，实现多组超声波协同工作产成需要的超声波灭菌的压力；再经过线聚焦技术，将HIFU(high intensity focused ultrasound)技术由点到线的改进，加强扫描宽度，提高效率，并实现定向聚能：装置和物体之际，存在一定的间隙，0.5mm-5cm之间，利用海水进行耦合，从而产生高压线聚焦频率在20KHz-900kHz之间的低频波段超声波，定向的作用于物体表面。

进一步地，控制系统用于采用基于最小均方算法和互相关算法构建的相控阵声波束合成模型控制超声波的发射距离小于30米-50米并距离可调，并可根据需求扩大缩小范围。

进一步地，所述超兆声波一体化振子的圆柱形超声波振子产生的超声波频率为20khz-100khz，所述超兆声波一体化振子的锥形兆声波振子产生的超声波频率为300khz-900khz，所述控制系统根据水生物及病害的类型分别实时独立控制圆柱形超声波振子和锥形兆声波振子的超声波频率。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本申请提供的基于混合变频超声波的同步多声道水生物及病害防御装置产生的混合相控阵线聚焦声波能够产生纳米级空化效应，将能量汇聚于生物体，高压高温以及空化效应超生的气泡爆炸，将物体细胞膜击碎消灭，从而定向高效地防止水生物及病害生成并附着于船舶设备和水下养殖设备的表面。本申请的水生物及病害防御装置能够根据附着物特性调节超声波功率及震动频率，振子紧贴目标物体，产生共振。频率在20khz-900khz之间切换。同时产生两种混合声波，外围的超声波振子的频率较低，波长较长，产生驻波效应；内部的兆声波振子，频率较高，波长较短，能量巨大，瞬间产生纳米级的空化效果，300-900khz的超声波频率可产生纳米级空化气泡，比普通超声波的空化效果更细腻更多，在作用面区域产生高能高压空化效应，破坏生物表面有机保护膜，并且持续高能，击碎溶解生物外壳及生物活体，以此将病害和病菌杀死，从而更好防止水生物及病害附着于船用设备的表面。通过换能器的控制电路，产生可变频率超声波高频震动，针对不同的生物，使用不同的频率，既可以防止其他生物误伤，也可以更有效的清除微笑的细菌和病毒。产生的空化破坏藻类的光合作用，使得附着在物体的生物膜脱落，造成其他生物无法寄生。

此外，本申请的水生物及病害防御装置还具有工作效率高、密闭性好、超声波覆盖范围可控(集成电路主机采用特定算法可使超声波发射距离控制在30米之内并距离可调)、对设备表面无损伤、一机多用(适用多种场景，主机是通用的，只需根据使用场景使用配套的混合变频超声波换能器即可)、低成本(无人操作，减少人工成本及对人的危害)、防腐性好、轻量级、低功耗、无污染的优点。

附图说明

图1为本申请一实施例中的船用水生物及病害防御装置结构透视图；

图2为本申请一实施例中的船用水生物及病害防御装置的主机结构的部分组装图；

图3为本申请一实施例中的船用水生物及病害防御装置的俯视图；

图4为本申请一实施例中的船用水生物及病害防御装置的船用混合变频超声波装置的超兆声波一体化振子的结构示意图；

图5为相控阵技术的原理示意图；

图6为采用相控阵压电陶瓷组进行线聚焦技术的原理示意图；

图7为本申请的混合线聚焦超声波的空化效应的原理示意图；

图8为本申请一实施例中的船用水生物及病害防御装置的超声波发射距离示意图；

图9为本申请一实施例中的养殖用水生物及病害防御装置的结构示意图；

图10为本申请一实施例中的养殖用水生物及病害防御装置的养殖用混合变频超声波装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1船用的水生物及病害防御装置

如图1所示，本实施例提供一种船用防御装置，基于混合变频超声波的同步多声道水生物及病害防御装置用于防止水生物及病害生成并附着于船舶设备的表面。具体地，基于混合变频超声波的同步多声道水生物及病害防御装置包括主机10、四条防水防腐线缆20、四个船用混合变频超声波装置30。

如图2-图3所示，所述主机10包括伞型防水防腐外壳11、浮台12、太阳能板13、与太阳能板13连接的电池组14、控制系统(即集成电路主机)15、若干高密闭防腐防水线缆接口16、无线通信系统和定位系统；浮台12设置于伞型防水防腐外壳11的下边缘；太阳能板13设置于伞型防水防腐外壳11的外表面；电池组14和集成电路主机15均设置于伞型防水防腐外壳11下的水上空间内；集成电路主机15用于根据水水生物及病害的类型实时调节船用混合变频超声波装置30的超兆声波一体化振子的超声波振子和兆声波振子的超声波频率和工作时间。

本实施例中的主机10使用PE防水材料，一次性压铸成型，轻量级、高密闭防水防腐性能，配备可调节高亮显示屏，并有预警指示灯及定位系统。通过太阳能板给内部21700电池组供电，满足恶劣天气状态下96小时工作。控制系统根据生物级病害的种类不同，可选择相应的波长及频率和工作时间。并可以使用手机APP，远程控制船用防御装置的工作状态。每一条所述防水防腐线缆20的一端连接于高密闭防腐防水线缆接口16，另一端连接于船用混合变频超声波装置30。

如图4所示，每一个船用混合变频超声波装置30包括四个混合变频超声波换能器。混合变频超声波换能器包括四个超兆声波一体化振子31，每一个超兆声波一体化振子包括一个超声波振子311和一个兆声波振子312，每一个超兆声波一体化振子31的超声波振子311和兆声波振子312同时工作。因此，船用混合变频超声波换能器可同时产生两种混合声波，两个波均可独立跳频，频率在20khz-900khz之间切换。具体地，所述混合变频超声波换能器由一个中空的圆柱状的超声波振子31和一个圆锥型的兆声波振子32组成超兆声波一体化振子，圆锥型的兆声波振子312设于所述中空的圆柱状的超声波振子311的内部空间中。所述中空的圆柱状的超声波振子311产生的超声波频率为20khz-100khz，所述圆锥型的兆声波振子312产生的超声波频率为300khz-900khz。外围的超声波振子311的频率较低，波长较长，产生驻波效应；内部的兆声波振子312，频率较高，波长较短，能量巨大，瞬间产生纳米级的空化效果，300-900khz的超声波频率可产生纳米级空化气泡，比普通超声波的空化效果更细腻更多，在作用面区域产生高能高压空化效应，破坏生物表面有机保护膜，并且持续高能，击碎溶解生物外壳及生物活体，以此将病害和病菌杀死，从而更好防止水水生物及病害附着于船用设备的表面。通过换能器的控制电路，产生可变频率超声波高频震动，针对不同的生物，使用不同的频率，既可以防止其他生物误伤，也可以更有效的清除微笑的细菌和病毒。产生的空化破坏藻类的光合作用，使得附着在物体的生物膜脱落，造成其他生物无法寄生。所述船用混合变频超声波装置30采用相控阵技术(如图5所示)和线聚焦技术(如图6所示)，产生混合相控阵线聚焦声波，能够产生空化效应(如图7所示)，将能量汇聚于生物体，高压高温以及空化效应超生的气泡爆炸，将物体击碎消灭，从而定向高效地防止水生物及病害生成并附着于船舶设备和水下养殖设备的表面。所述集成电路主机15根据水生物及病害的类型分别实时独立控制中空的圆柱状的超声波振子311和圆锥型的兆声波振子312生成的超声波频率。此外，集成电路主机15采用特定算法控制超声波的发射距离小于30米并距离可调，并可根据需求扩大缩小范围。示例地，如图8所示，可以具体控制在距离船体0-10米区域内，10米-17米区域内，16米-20米区域内，16米-22米区域内等。我们在最小均方算法和互相关算法的基础上，研究出适合水生物及病害防御的相控阵声波束合成模型。整个主机系统的核心部件FPGA与MCU控制系统,分析系统中数据通信处理。整体系统工作流程为：通过发射部分产生指定频率的正弦波信号，进行D/A转换、信号滤波功率放大等处理后激励超声波信号在铝板中传播，接收端对接收到的超声波信号进行A/D转换等处理后，通过FPGA级联传输进入MCU，最后上传到主控系统端进行数据处理。同时控制声压阀值在50db以下。

实施例2养殖用的水生物及病害防御装置

如图9所示，本实施例提供一种养殖用防御装置，基于混合变频超声波的同步多声道水生物及病害防御装置用于防止水生物及病害生成并附着于养殖设备的表面。具体地，基于混合变频超声波的同步多声道水生物及病害防御装置包括：主机10、一条防水防腐线缆20、一个养殖用混合变频超声波装置40。

养殖用水生物及病害防御装置的主机10与船用水生物及病害防御装置的主机10相同。所述主机10包括伞型防水防腐外壳11、浮台12、太阳能板13、与太阳能板13连接的电池组14、控制系统(即集成电路主机)15、若干高密闭防腐防水线缆接口16、无线通信系统和定位系统；浮台12设置于伞型防水防腐外壳11的下边缘；太阳能板13设置于伞型防水防腐外壳11的外表面；电池组14和集成电路主机15均设置于伞型防水防腐外壳11下的水上空间内；集成电路主机15用于根据水生物及病害生物的类型实时调节养殖用混合变频超声波装置40的超声波频率。

所述防水防腐线缆20的一端连接于集成电路主机15的线缆接口16，另一端连接于养殖用混合变频超声波装置40。

如图10所示，养殖用混合变频超声波装置40的混合变频超声波换能器由一个中空的六棱柱型振子仓41、六个独立的超兆声波一体化振子31和六个独立的超声波震动板42组成。振子仓里安装一个有6方向且角度为60度的6个压电陶瓷组成换能器结构，并使用高功率压电陶瓷驱动电路锁相环PLL和高速AD转换，且超声波震动板42、六棱柱型振子仓41的仓室的共振频率和超兆声波一体化振子31的超声波频率相同从而能够共振；六个独立的超声波震动板42呈喇叭状围绕在六棱柱型振子仓41的外侧；六个超兆声波一体化振子31的一端嵌入振子仓41的侧壁，另一端紧贴震动板42。超声波震动板42和六棱柱型振子仓41均由金属板制成。每一个独立的超兆声波一体化振子31的覆盖角度为60度从而实现使超声波360度全方位覆盖养殖水域。六个独立的超声波震动板42用于进一步放大超声波振幅面积从而实现360度覆盖整个养殖水域。独立的超兆声波一体化振子31生成的超声波频率为20khz-900khz。所述养殖用混合变频超声波装置40采用相控阵技术和线聚焦技术，产生混合相控阵线聚焦声波。集成电路主机15采用特定算法控制超声波的发射距离小于30米并距离可调，并可根据需求扩大缩小范围。我们在最小均方算法和互相关算法的基础上，研究出适合水生物及病害防御的相控阵声波束合成模型。整个主机系统的核心部件FPGA与MCU控制系统,分析系统中数据通信处理。整体系统工作流程为：通过发射部分产生指定频率的正弦波信号，进行D/A转换、信号滤波功率放大等处理后激励超声波信号在铝板中传播，接收端对接收到的超声波信号进行A/D转换等处理后，通过FPGA级联传输进入MCU，最后上传到主控系统端进行数据处理。同时控制声压阀值在50db以下。

经过研究测试，在水产养殖领域，不同养殖种类所需的环境不同，比如鱼类养殖，波段在21khz-60khz之间，虾蟹类养殖，波段在28khz-38khz之间，贝类养殖，波段在39-60khz；船舶防御，全波段21khz-70khz。选定波段后，使用800khz-900khz的频率，间歇瞬间发射高功率定向声波，产省纳米级空化效果。从而震碎生物细胞壁，破坏生物膜，将其消灭。研究测试结果表明，连续使用超声波10分钟，间隔30秒，60天生物附着率下降70％，180天，生物附着率下降90％。并可长时间防御。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。