基于超声Lamb波的船舶水下清洗方法与流程

本发明涉及一种基于超声lamb波的船舶水下清洗方法，属于船舶清洗
技术领域：
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背景技术：
船舶长期航行后，船体水线下的表面，由于受到物理、化学、生物等诸多方面的作用，总是不可避免地发生腐蚀和介质沉积，结生不同厚度、不同垢质、导热性极差的垢层，不但增加了船舶的航行阻力，增大能量损耗，而且增大了船舶的水下辐射噪声，影响声纳的作用效果，降低了对抗敌船的能力，对航海安全造成威胁。因此必须及时采用物理或化学的清洗方法，清洗结生的各类垢层，消除垢下的腐蚀隐患，确保船舶安全航行。船体表面污垢清洗技术主要有坞内清洗和水下清洗。坞内清洗是在船舶定期进坞或上排后进行处理，受到船坞数量限制，污垢往往不能得到及时清除，且船坞修理时间长，费用昂贵，容易造成停航损失，增大运输成本。水下清洗船体技术可降低闲置和减少航行船舶的污损危害，避免涂层被破坏而反复进坞，从而减少坞修成本，并保证船舶可从停泊状态直接进入运营。现有的水下清洗技术有：(1)接触类技术。主要使用刮铲、转刷等工具对船体表面进行清除，该清洗方式会对防污涂层造成磨损，降低了防污涂料的防污期效，给船体的防腐蚀带来隐患。(2)射流类技术。高速流体经过空化喷嘴产生空化气泡，产生极高的溃灭能量，从而将高速射流冲蚀转变成快速清洗。目前，基于该技术的水下清洗设备，大都需要潜水员操作，费时耗力，自动化程度不高。(3)声场类技术。在船体周围覆盖低频声场可以预防污损生物附着，而高能强声声波可以去除覆盖的污垢。该技术无毒副作用，不污染环境，但声场会对舰船隐身性能产生影响。lamb波是在自由边界板类结构中传播的应力波，具有衰减小、能够沿结构中各个方向传播等特点。基于超声lamb波的船舶水下清洗方法能够对船体水下表面的污垢进行清除。lamb波沿船体表面的传播距离长，衰减小，因此可对船体水下整个表面进行及时有效地清除。清洗原理利用lamb波在船板和污垢层之间形成的剪切力以及在水中的超声空化效应。本技术的优点为不用耗费人工水下作业，环境污染小，并且清洗的船体水下表面的范围大，距离长。技术实现要素：本发明提出了一种基于超声lamb波的船舶水下清洗方法，技术方案分为以下步骤：在准备清洗船舶水下表面时，首先由信号模块产生激励电压信号；然后通过放大模块对信号进行放大；最后放大的电压信号经换能器模块后转换成超声lamb波作用到水下船体表面；超声lamb波在沿着结有污垢层的船板传播时，垢层与船板之间形成的剪切力使得污垢脱离船体；同时超声lamb波在船舶水下流体中出现空化现象，可有效地清洗污垢层。所述的基于平面lamb波的船舶水下清洗方法，其特征在于由信号发生模块产生的激励电压信号，可以由信号发生器产生，也可由计算机驱动带模拟输出功能的多通道数据采集卡产生，也可由以微处理器为核心的集成信号发生模块产生。所述的放大模块采用高频功率放大器，为清洗提供足够的能量。所述换能器模块，可以是单个换能器，也可以是多个换能器的组合，使用装置固定在船板表面。本发明利用的是在平板介质中传播lamb波，由换能器模块基于压电效应转换而来，信号工作的频率在超声范围20khz以上。本发明属于船舶水下清洗技术，优点在于不深入水下的前提下，可有效地清除船舶水下表面附着的污垢。船舶不用进坞等待，提高了清洗效率，降低了运营成本。本方法与其他的水下清洗技术相比，不用耗费人工进行水下作业，清洗范围大，作用距离长，并且在去除污垢的同时不会对船舶表面防腐层造成破坏。附图说明图1为本发明的工作原理示意图。图2为结有垢层的不锈钢板。图3为带有换能器的钢板示意图。图4为除垢实验结束后的不锈钢板。图5为除垢实验前的钢板表面电镜图。图6为除垢实验后的钢板表面电镜图。图1中：1-信号发生模块，2-信号放大模块，3-换能器模块，4-船板，5-污垢层，6-水。具体实施方式下面结合附图对本发明的实施方式做详细的说明。图1中，船板水下表面附着一层污垢，本发明方法主要有三个模块：信号发生模块，放大模块以及换能器模块。信号发生模块产生的信号经放大模块放大后作用于换能器模块，换能器模块贴合在板表面基于压电效应将电信号转换成lamb波信号，沿着板介质传播至船板水下表面。lamb波在垢层与船板之间形成的剪切力以及在水中的空化效应可对垢层进行去除。下面为一个具体实施案例：船舶种类不同，外面板的规格也不同。由于lamb波在不同规格的平板介质中都是可以传播的，因此单独提取一小块面板作为测试对象。对测试板实施本发明方法的步骤如下：1.准备工作准备一块附着污垢的测试板，测试采取的是长403mm，宽98.5mm，高1.5mm的aisi-304不锈钢板，钢板表面的40％附着一层caco3结垢，用来模拟船板表面的污垢层，如图2所示。2.除垢实验(1)用环氧树脂ab胶将单个超声换能器固定在钢板表面无结垢部分，结垢部分浸入水中，如图3所示；(2)信号发生模块由计算机和数字采集卡组成，计算机上位机程序产生频率为38khz的正弦数字信号，然后经数字采集卡转换成模拟电压信号；(3)信号放大模块为功率放大器，将数字采集卡输出的信号电压放大至200v，最后作用于单个换能器两端；(4)换能器基于压电效应将放大后的电压信号转换成可以在平板中传播的lamb波信号；(5)超声lamb波在结有垢的钢板中向前传播，在垢层与板之间形成的剪切力使得污垢脱离板表面，同时在水中的产生的空化效应也可以有效的清洗垢层。经过约30分钟的去除结垢工作后，钢板表面如图4所示，和未除垢前相比，钢板表面附着的绝大多数结垢被清除。为了进一步确认去除的效果，对不锈钢板表面进行扫描电镜与能谱分析测试。3.扫描电镜(sem)与能谱(eds)分析测试对除垢前后的不锈钢板表面进行sem和eds测试，图5为除垢前的钢板表面电镜图，图6为除垢实验后的钢板表面电镜图。对图5和图6分别进行能谱分析，结果如表1所示。表1表示的是钢板表面除垢前后的各元素占比。表1钢板表面除垢前后的能谱分析结果cacofenicrmnmg图533.38％11.63％47.54％4.95％0.44％1.21％0.1％0.74％图62.64％7.84％5.43％61.25％6.44％15.42％0.7％0.27％由表1可以看出，除垢后的钢板表面的ca，c和o元素的所占比例小于除垢前的钢板，而fe元素所占的比例大于除垢前的钢板，这充分说明除垢实验后不锈钢板表面的大部分caco3结垢已被去除。实际船舶外表面板的规格比测试板要大，并且结垢成分也相对复杂，因此需要增加换能器个数以及提高功率放大器的倍数。以上所述，仅为本发明较优实施例之一，在不脱离本发明的原理情况下，对本发明实施例做出变化、修改、替换和变形均在本发明保护范围内。当前第1页12