一种用于平面薄壁结构的膜状换能器、装置和系统的制作方法

1.本发明涉及换能器技术领域，尤其是涉及一种适用于船体外壁等平面薄壁结构材料上抑制海生物附着孳生的膜状换能器、装置和系统。


背景技术：

2.海洋中大量海生物的卵和幼虫，能在处于海洋环境中的平面薄壁结构表面上附着孳生。如在船体外壁，形成船舶外壁污损，增加航行阻力；或进入船体内部，附着孳生于冷却器等设备的内壁，因此对船舶和海洋工程造成了极大的困扰。
3.已有的试验证明，超声波声场能够有效的抑制海生物的孳生。但传统既有的超声波换能器均为柱状结构，对于已有的平面薄壁结构设备存在安装困难且换能器作用范围受限的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明的其中目的是提供一种用于平面薄壁结构的膜状换能器、装置和系统，其可以有效利用电磁超声场抑制海生物生长，解决处于海洋环境中的平面薄壁结构表面海生物附着孳生的问题。
5.本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
6.一种用于平面薄壁结构的膜状换能器，包括磁致伸缩合金片薄膜、激励线圈以及若干偏置磁场合金条；
7.所述磁致伸缩合金片薄膜，其粘贴覆盖于平面薄壁结构的一个平面上；
8.所述激励线圈，其贴附于所述磁致伸缩合金片薄膜的表面上，所述激励线圈的缠绕方式被构造为使得激励线圈所产生的磁场的方向与所述平面薄壁结构的平面垂直方向一致；
9.若干所述偏置磁场合金条，其沿磁致伸缩合金片薄膜均布地设置，各所述偏置磁场合金条均贴附于所述激励线圈的外表面上。
10.通过上述技术方案，构成膜状换能器主要部分的磁致伸缩合金片薄膜和单层激励线圈通过粘结覆盖的方式安装于平面薄壁结构材料的一个表面(如船体钢板内壁)，激励线圈产生的交变磁场方向与安装平面(如船体内壁平面)垂直，此交变磁场与偏置磁场合金条的偏置磁场共同作用于磁致伸缩合金片薄膜，所产生的电磁超声场能量通过平面薄壁结构一个表面(内壁)传导到另一个接触海水的表面(外壁)，由此抑制海生物在外壁上的附着孳生。
11.该换能器具有可逆特性，在平面薄壁结构表面上粘贴的磁致伸缩合金薄膜的振动，能够使处于偏置磁场中的激励线圈切割磁力线产生微弱的电信号，从而使该膜状换能器可以复用成为接收超声信号的传感器。
12.本发明所述的膜状换能器可以以低成本且易于安装的方式大范围覆盖于平面薄壁结构的一个表面(如船体内壁)上，从而达到抑制平面薄壁结构的另一个接触到海水的表
面(如船体外壁)海生物附着孳生的问题。
13.需要说明的是，在本发明所述的技术方案中，可以根据所安装平面的具体尺寸对磁致伸缩合金片薄膜进行裁剪。
14.本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述磁致伸缩合金片薄膜包括铁钴镍合金片薄膜。
15.本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述偏置磁场合金条包括永磁合金条。
16.相应地，本发明的另一目的在于提供一种用于抑制平面薄壁结构表面海生物孳生的装置，该装置所采用的膜状换能器组件以粘结覆盖的方式安装于平面薄壁结构的一个表面，采用融为一体的方式粘贴设置于表面壁，通过膜状换能器组件产生的电磁超声场抑制海生物附着孳生，从而可以有效地解决类似船体钢板外壁等的平面薄壁结构接触海水的表面海生物附着孳生问题。
17.为了达到上述发明的目的，本发明提出了一种用于平面薄壁结构的抑制海生物孳生的装置，其包括：
18.上述的膜状换能器组件；
19.电磁超声场激励源，其向膜状换能器组件输出电磁超声场激励信号。
20.此外，本发明的又一目的在于提供一种用于平面薄壁结构的抑制海生物孳生的系统，其包括：
21.上述的膜状换能器；
22.若干个上述的膜状换能器，其沿水线以下的船体内壁彼此之间有间距地设置；
23.其中膜状换能器至少包括作为激磁换能器的第一膜状换能器和作为传感器的第二膜状换能器；
24.电磁超声激励源，其向第一膜状换能器输出电磁超声场激励信号，并接受来自于第二膜状换能器作为传感器反馈的电信号；
25.其中电磁超声场激励源根据第二膜状换能器反馈的电信号来调整其输出的电磁超声场激励信号的参数，以使第一膜状换能器的电磁超声场激励在同一薄壁结构平面上产生最大响应。
26.本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：
27.电磁超声场激励源包括：
28.供电单元，其为所述电磁超声场激励源供电；
29.信号合成单元，其生成电磁超声场激励信号；
30.功率输出单元，其将信号合成单元生成的电磁超声场激励信号放大并输出；
31.控制单元；
32.通道切换单元，其在控制单元的控制下将功率输出单元输出的电磁超声场激励信号送至指定的第一膜状换能器；
33.输入信号检测单元，其在控制单元的控制下通过通道切换单元接收第二膜状换能器反馈的电信号；
34.其中，控制单元还根据第二膜状换能器反馈的电信号调整信号合成单元输出的电磁超声场激励信号的参数，以使第一膜状换能器的电磁超声场激励在同一薄壁结构平面上
产生最大响应。
35.本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：电磁超声场激励源还包括显示与操作单元，其与控制单元连接，用以进行数据显示并进行人机交互。
36.本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：若干个膜状换能器均为复用组件，其中每一个膜状换能器均在不同的使用状态下分别作为第一膜状换能器和第二膜状换能器而使用。
37.本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：电磁超声场激励信号的参数包括激励信号频率f、激励信号窗口脉冲宽度t1以及激励信号脉冲间隔时间t2的至少其中之一。
38.综上所述，本发明所述的用于平面薄壁结构的膜状换能器、装置和系统，相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
39.本发明所述的膜状换能器以粘结覆盖的方式设于平面薄壁结构，能够以低成本且易于安装的方式大范围覆盖于平面薄壁结构的一个表面(如船体内壁)上，通过膜状换能器产生的电磁超声场抑制海生物生长，从而能够有效解决平面薄壁结构的另一个接触到海水的表面(如船体外壁)海生物附着孳生的问题。
40.此外，本发明所述的装置、系统也同样具有上述的优点以及有益效果。
附图说明
41.图1为本发明所述的用于平面薄壁结构的膜状换能器在一种实施方式下的结构示意图。
42.图2示意性地显示了本发明所述的用于平面薄壁结构的膜状换能器在一种实施方式下的激励线圈的结构。
43.图3示意性地显示了本发明所述的用于平面薄壁结构的抑制海生物附着孳生的系统在一种实施方式下的结构。
44.图4为本发明所述的用于平面薄壁结构的膜状换能器的系统在一种实施方式下的控制装置电磁超声场激励源的结构框图。
45.图5为本发明所述的用于平面薄壁结构的抑制船体海生物附着孳生的系统在一种实施方式下的电磁超声场激励源的输出波形示意图。
46.附图标记：1、膜状换能器；11、磁致伸缩合金片薄膜；12、电磁激励线圈；13、偏置磁场合金条；2、船体钢板。
具体实施方式
47.下面将结合说明书附图和具体实施例来对本发明所述的用于平面薄壁结构的膜状换能器、装置和系统做出进一步的详细说明，但是该说明并不构成对于本发明技术方案的不当限定。
48.图1为本发明所述的用于平面薄壁结构的膜状换能器在一种实施方式下的结构示意图。
49.如图1所示，在本实施方式中，膜状换能器1包括：磁致伸缩合金片薄膜11、电磁激励线圈12以若干偏置磁场合金条13。
50.其中，磁致伸缩合金片薄膜11可以采用铁钴镍合金片薄膜，根据船体钢板2的厚度
和肋骨间的尺寸选取磁致伸缩合金片11的厚度与宽度，将合适尺寸的磁致伸缩合金片11覆盖黏贴于船体钢板2的内壁上(在本案中可以选择将0.3mm的铁钴镍合金片薄膜剪裁成80mm宽度)，例如可以通过强力粘结剂将磁致伸缩合金片薄膜11黏贴于船体钢板2的内壁上。
51.而电磁激励线圈12附贴于磁致伸缩合金片11的外表面上。此外，结合图2可以看出，电磁激励线圈12的缠绕方式被构造为使得电磁激励线圈12所产生的磁场方向与船体钢板的垂直方向一致。并且，电磁激励线圈12与磁致伸缩合金薄膜片11之间也可以通过黏贴方式连接。
52.图2示意性地显示了本发明所述的用于平面薄壁结构的膜状换能器在一种实施方式下的激励线圈的结构。
53.而偏置磁场合金条13在本实施方式中示意性地显示了三个，但需要指出的是，在一些其他的实施方式中，偏置磁场合金条13也可以根据实施方式的具体情况设置其他数量。如图1所示，偏置磁场合金条13均贴附于激励线圈12的外表面上。当然，偏置磁场合金条13与激励线圈12之间也可以通过黏贴方式连接。在本实施方式中，偏置磁场合金条13设置为永磁合金条，尺寸为80
×
20
×
20mm。
54.图3示意性地显示了本发明所述的用于平面薄壁结构的膜状换能器，构成抑制船体外壁海生物附着孳生的系统，在一种实施方式下的结构。
55.如图3所示，本实施方式中，抑制船体外壁海生物附着孳生的系统包括若干个膜状换能器，标记为m1、m2
……
mn
‑
1、mn，以及装置中的电磁超声场激励源。
56.上述的膜状换能器具有若干个，其沿贴近船体水线以下位置，在船体内壁肋骨间隔之间具有间距地设置；间距在本实施方式中被设为1m，该膜状换能器至少包括接收激磁能量的第一膜状换能器和作为传感器的第二膜状换能器，也就是说，第一膜状换能器接收激磁能量可以输出超声信号，并且其作用于船体钢板2内壁上，而第二膜状换能器则可以作为传感器，将船体钢板2在第一膜状换能器激励下产生的超声信号转换为电信号。而第一膜状换能器与第二膜状换能器的具体结构设置可以参考图1。
57.图4为本发明所述的用于船体的抑制海生物附着孳生的系统在一种实施方式下的电磁超声场激励源的结构框图。
58.如图4所示，电磁超声场激励源，其向第一膜状换能器输出电磁超声场激励信号，并接受来自于第二膜状换能器反馈的电信号；其中电磁超声场激励源根据第二膜状换能器反馈的电信号来调整其输出的电磁超声场激励信号的参数，以使第一膜状换能器的电磁超声场激励在船体壁上产生最大响应。
59.此外，进一步参考图4可以看出，电磁超声场激励源包括：供电单元，其为所述电磁超声场激励源供电，在本实施方式中，供电单元提供除所需的5v、
±
12v电源，以及功率输出单元所需的
±
150v电源；信号合成单元，其生成电磁超声场激励信号。
60.在本实施方式中，信号合成单元包括单片机组成的信号发生器、极性转换电路、驱动电路，其产生如图5所示波形的驱动信号，其中频率f＝1/t,，f为激励信号频率，t1为激励信号窗口脉冲宽度，t2为激励信号脉冲间隔时间，在控制单元的自寻优指令下，信号合成单元自动调整t、t1、t2参数，将驱动信号送入功率输出单元；功率输出单元，其将信号合成单元生成的电磁超声场激励信号放大并输出。
61.在本实施方式中，功率输出单元由由igbt器件构成，其将来自信号合成单元的信
号进行功率放大，形成的激磁电流通过通道切换单元依次轮流送入各个膜状换能器；控制单元，其与信号合成单元、输入信号检测单元、通道切换单元联接，从而可以实现控制通道切换单元。
62.将功率输出单元输出的激磁电流依次轮流送入各个膜状换能器，使一个功率输出单元能够激励多个膜状换能器，扩大覆盖面，并且控制单元还可以控制通道切换单元，接入第二膜状换能器，采集传感器产生的电信号，通过输入信号检测单元，对采集得到信号进行处理，从而计算得到船体壁上传导的超声波振动幅值。
63.此外，控制单元可以在输出、输入构成闭环的基础上，调用自寻优算法程序，控制信号合成单元，根据指令调整t、t1、t2，从而输出不同超声波频率、超声波窗口脉冲宽度和超声波脉冲间隔时间的超声波波形，由于船体钢板尺寸以及安装条件各有不同，控制单元可以根据差别调整t、t1、t2，以达到电磁超声场激励在船体壁上的最大响应，这个控制过程由控制单元的自寻优控制程序来完成。
64.通道切换单元，其在控制单元的控制下将功率输出单元输出的电磁超声场激励信号送至指定的第一膜状换能器，在本实施方式中，通道切换单元由由继电器和继电器驱动电路构成，在控制单元的控制下，将激磁电流依次轮流送入各个膜状换能器，使一个功率输出单元能够激励多个膜状换能器。
65.同时能够在控制与处理单元的控制下，选择黏贴于末端处的膜状换能器作为输出/输入复用组件mx，其既能够作为激磁组件输出超声波信号，也能作为传感器，将船体壁在其他膜状换能器激励下产生的超声波振动转换为电信号送入输入信号检测单元，由此，本案中的通道切换单元可以将单一功率输出单元的激磁电流输出给多个膜状换能器，在低成本下实现了尽可能大的覆盖范围，而且使用通道切换单元使单个膜状换能器能够作为输出/输入复用组件，既能够作为激磁组件输出超声信号，也能作为传感器接受船体壁的超声振动信号。
66.输入信号检测单元，其在控制单元的控制下通过通道切换单元接收第二膜状换能器反馈的电信号，在本实施方式中，输入信号检测单元由毫伏放大器、带通滤波器以及带a/d采样功能的单片机构成，其可以在控制单元的控制下，选择接入复用组件mx作为输入传感器，将船体壁在其他膜状换能器激励下产生的超声振动转换为电信号输入信号检测单元，通过毫伏放大器、带通滤波器提取所需超声信号，a/d转换后进行计算处理，结果送入控制单元。
67.综上可以看出，控制单元根据第二膜状换能器反馈的电信号调整信号合成单元输出的电磁超声场激励信号的参数，以使第一膜状换能器的电磁超声场激励在船体壁上产生最大响应。
68.为了更好地说明本案的控制单元如何实现自寻优控制程序，以图3和图4所示的系统为例进行说明：
69.在船体钢板内壁2上设置有若干个膜状换能器，依次排序为m1、m2、
…
mi
…
mn
‑
1、mn，首先接入m1为激励组件(即第一膜状换能器)，mn为检测组件(即第二膜状换能器)。根据船体钢板壁厚，在2
‑
4秒范围内选取t2，在t1/t2＝0.5
‑
1之间选取t1，在本案中，t2＝4s，t1/t2＝0.5。
70.初始取f0＝1/t0＝18khz为起始值，以δf＝0.5khz为步长，在18
‑
30khz的范围内
逐次改变，并检测mn组件接收的信号，在达到接收信号最大值时确定f值，记为f1。然后接入m2为激励组件，仍然以mn为检测组件，以上述同样步骤确定m2为激励组件时的f2。以此类推，确定mn
‑
1所对应的fn
‑
1,最后以mn
‑
1为检测组件，mn为激励组件，以同样的方法确定mn所对应的fn。当对应于各个膜状换能器的频率f1、f2、
…
fi
…
fn
‑
1、fn一经确定，即存储于控制单元中，开始工作时，在控制单元的控制下由通道切换单元向各个膜状换能器输出对应频率的激励信号，每一个膜状换能器上的信号持续20
‑
30个周期，然后切换到下一个膜状换能器，如此循环往复。
71.另外参考图4可以看出，本实施方式中，电磁超声场激励源还包括显示与操作单元，其与控制单元连接，用以进行数据显示并进行人机交互，并且可以通过显示与操作单元向控制单元发送指令，以实现参数设定以及记录数据的调取。
72.图5为本发明所述的膜状换能器构成用于船体的抑制海生物孳生的系统在一种实施方式下的电磁超声场激励源的输出波形示意图。
73.如图5所示，其中f＝1/t，f为超声波频率，t1为超声波窗口脉冲宽度，t2为超声波脉冲间隔时间。
74.在本实施方式中，方法采用上述的用于船体的抑制海生物附着孳生的系统，其包括步骤：
75.按照下列步骤获得每一个膜状换能器所对应的最优频率值：电磁超声场激励源以初始参数为起始值按照设定的步长向选定的第一膜状换能器输出电磁超声场激励信号，并接受和检测来自于另外一个作为第二膜状换能器的膜状换能器所反馈的电信号，当检测到接收的电信号最大时，将此时的电磁超声场激励信号的频率f记为与该选定的第一膜状换能器对应的最优频率值；
76.存储各膜状换能器所对应的最优频率值；
77.电磁超声场激励源根据存储的最优频率值向各膜状换能器输出对应频率的电磁超声场激励信号。
78.综上所述可以看出，本发明所述的膜状换能器以粘结覆盖的方式设于船体内壁，通过膜状换能器产生的电磁超声场抑制海生物附着孳生，其换能效率足以抑制海生物在船体上的附着孳生，从而可以有效地解决船体的海生物附着孳生问题。
79.此外，本发明所述的装置、系统以及方法也同样具有上述的优点以及有益效果。
80.需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
81.另外，还需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案所记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
82.需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。