一种水面悬浮式超声杀虫灭菌装置

1.本发明涉及一种超声杀虫灭菌技术领域，尤其涉及一种水面悬浮式超声杀虫灭菌装置。


背景技术：

2.随着现代人对生活品质的追求愈来愈高，观赏鱼由于其极高的观赏价值而受到很多人的喜爱。在鱼缸这类小型生态系统中，不免会滋生出虫卵及细菌。其中一部分来自小型昆虫产卵。如：蚊子、蛾蠓、水蚤等；另一部分则可能由于饲料残留而滋生出的未知虫卵及细菌。这些虫卵的发育和有害细菌的繁殖会对观赏鱼的生长造成不利影响，甚至会对水草和观赏鱼的生存造成威胁。普通的鱼缸在换水时并不能完全过滤掉鱼缸中的虫卵、幼虫及细菌。想要杀灭这些虫卵、幼虫及细菌，传统方法会向鱼缸中投入一定量的化学试剂。但这类方法存在几个不足：一是化学试剂的浓度需要精准控制，这对于不具备相关知识的普通观赏鱼爱好者来说并不容易；二是所采用化学试剂可能会影响观赏鱼的后续生长过程，严重的可能导致观赏鱼的死亡；三是会对水体造成污染，污染的鱼缸水排放到环境中进一步导致了环境污染。因此需要一种更为环保的物理型杀虫灭菌装置。
3.声波杀虫灭菌是一种已经被证明有效的物理型环保杀虫灭菌方法，其原理为：通过发射一定频段的超声波，让其在介质中传播并作用于虫卵、幼虫和细菌，利用超声波空化效应在液体中产生的局部瞬间高温及温度交变变化、局部瞬间高压和压力变化，或通过与虫卵、幼虫和细菌的共振频率相同或相近的超声波作用而产生共振，破坏虫卵、幼虫和细菌的内部组织及细胞结构，以此来达到杀虫灭菌的目的。相较于传统化学试剂法，超声杀虫灭菌法具有环保、不影响鱼缸等小型生态系统、不污染环境等显著优点。
4.目前的超声杀虫灭菌装置还处于研发、应用初期，尚未出现专门用于鱼缸杀虫灭菌的超声装置，换水无法难以彻底去除虫卵、幼虫和细菌，采用化学试剂难以准确把握用量，同时对鱼类等生物会造成健康影响，排出具有化学试剂的水也会污染环境。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.由于没有出现专门用于鱼缸等小型水体的专用超声波杀虫灭菌装置，因此只有一部分专业人士通过专业设备才能实现鱼缸超声杀虫灭菌，这给超声波杀虫灭菌技术在鱼缸等小型容器中的推广应用造成了巨大困难，使得超声杀虫灭菌技术由于缺乏使用方便的专用设备而无法在鱼缸等小型容器这类市场巨大的应用领域得到实际应用和有效推广。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种水面悬浮式超声杀虫灭菌装置，以解决鱼缸等小型容器通过换水、化学试剂消除水体害虫及细菌存在的固有问题，同时提供一种使用方便，可大规模推广应用的超声杀虫灭菌装置。
8.本发明的目的是通过以下技术方案加以实现的：一种水面悬浮式超声杀虫灭菌装置，包括：
9.机壳，为一薄壁构件，用于安装换能器、电路等部件，并产生浮力使水面悬浮式超声杀虫灭菌装置浮于水面上；
10.换能器阵，由水声换能器单元构成，牢固安装于机壳下部突起平面或曲面上，换能器阵元与机壳底部通过防水结构或粘结剂紧密联接，以防止水向机壳内部渗漏；
11.驱动电路模块，安装于机壳内，其上分布驱动电路模块，用于产生超声波电信号，驱动换能器阵产生超声波；
12.盖板，为一薄壳构件，固定安装于机壳上部，用于防止水溅入机壳，同时防止灰尘进入机壳。
13.开关，用于打开或关闭水面悬浮式超声杀虫灭菌装置，开关安装于盖板上，以便于开关操作。
14.进一步，所述机壳由下部突起部分及上部腔体组成，下部突起的外形为半球面、或半柱面，以利于产生向水下各个方向分布的超声波声场；突起面上固定有换能器阵列，机壳根据整个装置的重量调整其体积的大小，由此保证机壳下部突起在装置使用时全部淹没于水中，并保证机壳上部腔体至少留有2厘米的部分露出水面；上部腔体内有凸台，用于安装驱动电路模块，驱动电路模块可通过螺钉、螺栓或扎带等方式固定于上部腔体中的凸台上。
15.进一步，所述换能器阵可由一种水声换能器组成，也可由多个不同频段的水声换能器组成；当采用多个频段的水声换能器组阵时，不同频段的水声换能器间杂分布，并将同频段的水声换能器均布于机壳下部的突起面上。
16.进一步，所述驱动电路模块由电源模块、信号处理模块、功率放大模块组成；电源模块可由干电池或蓄电池构成；信号处理模块主要由非易失性存储器、信号处理器、参数设置无线模块、da转换器、分频器构成，主要用于储存超声波信号数字序列或参数，设置信号处理器运行参数，产生超声频段数字信号，并通过da转换器变为模拟信号，然后由功放进行功率放大，以驱动功放后面接的水声换能器阵列在水中产生超声波；当换能器阵由多个频段的水声换能器组成时，da转换器输出的模拟信号先进入分频器组，然后由分频器分成不同频段的模拟电信号，再由其后接对应频段的功放，驱动对应频段的水声换能器组产生对应频段的超声波。
17.进一步，所述开关为防水开关，由电缆接到驱动电路模块的开关电路中，并通过机械密封或粘结剂粘结安装于盖板上，用于控制装置的电路部分的工作启停。
18.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
19.本发明水面悬浮式超声杀虫灭菌装置使用时，首先将鱼缸等小型容器中的鱼类等动物捞出，然后将鱼缸等小型容器灌满水，接下来将水面悬浮式超声杀虫灭菌装置放置于水面上，打开开关就可以让其开始工作，当达到预定作用时间后，装置自动停止工作，捞起保存即可，使用十分简便，为声波杀虫灭菌技术应用于鱼缸等小型水容器提供了一种理想产品形态，解决了该技术无法实现鱼缸等小型水容器大规模应用的技术难题。由于水面悬浮式超声杀虫灭菌装置的机壳下部突起采用半圆球或半圆柱形设计，安装于机壳下部突起面上的水声换能器阵将向鱼缸等小型开口容器各个方向产生大致均匀的超声波声场，从而实现对整个鱼缸等小型开口容器内水体的全面杀虫灭菌。与换水方式相比，水面悬浮式超声杀虫灭菌装置可做到全面、无死角彻底杀虫灭菌；与投放化学药剂相比，水面悬浮式超声
杀虫灭菌装置不会对养的鱼类等动物造成潜在的健康危害，不会污染水体与环境，是一种绿色、环保的杀虫灭菌手段。
20.本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明水面悬浮式超声杀虫灭菌装置为鱼缸等小型容器的超声杀虫灭菌提供了一种使用方便、绿色、环保的手段，解决了超声杀虫灭菌技术尚不能有效应用于鱼缸等巨大需求领域的技术难题，由此可开辟一个超声杀虫灭菌的新兴市场，产生巨大的商业价值。
21.本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：长期以来，室内养鱼用户一直渴求一种既能实现鱼缸全面害虫清理、无死角彻底杀菌，但又对鱼类等宠物不产生潜在健康影响，不污染水体和环境的绿色、环保型技术手段，但始终未能找到一种此类技术；与此同时，超声灭虫、杀菌由于需要非常专业的设备与人士操作才能实现，未能出现一种大众化的便利产品形态而推广应用缓慢。本发明水面悬浮式超声杀虫灭菌装置解决了长期以来使用者对绿色、环保，并能彻底实现鱼缸等小型容器灭虫杀菌的渴求问题，同时也为超声灭虫杀菌技术大规模实际应用提供了一种产品形态，解决了该技术的实用化难题。
附图说明
22.图1是本发明水面悬浮式超声杀虫灭菌装置在鱼缸中的使用示意图；
23.图2是本发明水面悬浮式超声杀虫灭菌装置的系统结构图；
24.图3是本发明水面悬浮式超声杀虫灭菌装置的驱动电路模块结构图；
25.图4是本发明水面悬浮式超声杀虫灭菌装置的驱动电路模块系统图；
26.图中：1、水面悬浮式超声杀虫灭菌装置；11、盖板；12、机壳；13、换能器阵；14、驱动电路模块；141、电源模块；142、信号处理模块；143、功放模块；144、载物板；15、防水开关；16、参数无线设置端；2、鱼缸等小型容器；3、水体。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.本发明实施例提供了一种水面悬浮式超声杀虫灭菌装置，包括：
29.机壳，为一薄壁构件，用于安装换能器、电路等部件，并产生浮力使水面悬浮式超声杀虫灭菌装置浮于水面上；
30.换能器阵，由水声换能器单元构成，牢固安装于机壳下部突起平面或曲面上，换能器阵元与机壳底部通过防水结构或粘结剂紧密联接，以防止水向机壳内部渗漏；
31.驱动电路模块，安装于机壳内，其上分布驱动电路模块，用于产生超声波电信号，驱动换能器阵产生超声波；
32.盖板，为一薄壳构件，固定安装于机壳上部，用于防止水溅入机壳，同时防止灰尘进入机壳。
33.开关，用于打开或关闭水面悬浮式超声杀虫灭菌装置，开关安装于盖板上，以便于开关操作。
34.换能器阵由水声换能器作为阵元，水声换能器采用压电陶瓷或磁致伸缩换能器，由于水声换能器通过透声橡胶实现了换能器与水体声阻抗的良好匹配，使得换能器发出的大部分能量均能进入水体中，以此实现高效率杀虫灭菌；换能器阵中的阵元可由一个或多个频段的水声换能器组成，每个频段的水声换能器组成一组，由对应频段的功放进行驱动，同时，每个频段的水声换能器在机壳下部突起面内均匀分布，多个频段水声换能器共存时它们之间采用间夹分布形式布阵形成换能器阵。换能器阵通过多个频段水声换能器的组合，实现20～55khz的频段覆盖，一般将其分为不大于8个的1～n个频段，每个频段由对应频段的功率放大器进行驱动。
35.驱动电路模块主要由电源模块、信号处理模块、功放模块、载物板组成。电源模块、信号处理模块、功放模块以螺钉或螺栓等固定形式固定于载物板上。载物板采用螺钉或螺栓实现与机壳上部空腔内的凸台固定联接。电源模块可由干电池或蓄电池构成；信号处理模块主要由非易失性存储器、信号处理器、参数设置无线模块、da转换器、分频器构成，主要用于储存超声波信号数字序列或参数，设置信号处理器运行参数，产生超声频段数字信号，并通过da转换器变为模拟信号，然后由功放进行功率放大，以驱动功放后面接的水声换能器阵列在水中产生超声波；当换能器阵由多个频段的水声换能器组成时，da转换器输出的模拟信号先进入分频器组，然后由分频器分成不同频段的模拟电信号，再由其后接对应频段的功放，驱动对应频段的水声换能器组产生对应频段的超声波。
36.防水开关由电缆接到驱动电路模块的开关电路中，用于控制装置的电路部分的工作启停；防水开关采用货架产品，并将其安装于盖板上面的安装孔内，通过密封圈结构或粘结剂粘结的方式实现与盖板的防水密封安装。
37.机壳由下部突起部分及上部腔体组成，下部突起的外形为半球面或半柱面，然后将换能阵的阵元与表面相切安装，并使阵元均布于突起面上，以此来保证超声波声场在水体中的全向性，以利于产生向水下各个方向分布的超声波声场，实现无死角杀虫灭菌。突起面上固定有换能器阵列，机壳根据整个装置的重量调整其体积的大小，由此保证机壳下部突起在装置使用时全部淹没于水中，并保证机壳上部腔体至少留有2厘米的部分露出水面；上部腔体内有凸台，用于安装驱动电路模块，驱动电路模块可通过螺钉、螺栓或扎带等方式固定于上部腔体中的凸台上。
38.盖板用于防止水溅入及灰尘进入机壳，其下部内表面与机壳接触部分通过螺纹、打螺钉或上螺栓等固定方式的任一种形式实现盖板与机壳的固定联接。
39.信号处理模块主要由非易失性存储器、信号处理器、参数设置无线模块、da转换器、分频器1～n构成。非易失性存储器一般采用闪存flash作为器件，用于存储灭虫杀菌波形文件或波形参数。信号处理器主要由单片机、数字信号处理器(dsp)、可编程逻辑门阵列(fpga)或嵌入式系统(arm)中的一种或两种组合构成，并包含内存及基本的外围电路，用以对水面悬浮式超声杀虫灭菌装置的各项工作任务进行管理。参数设置无线模块主要由蓝牙模块或wifi模块构成，通过无线的方式与参数无线设置端进行通信，以实现系统运行参数，如运行时长、波形参数等的修改。无线设置端主要由带蓝牙或wifi功能的手机或计算机实现。信号处理器未获得参数设置无线模块的新设置参数时，将以默认参数运行，反之以新参数执行任务。信号处理器通过默认的参数或新设置的参数安排任务后，将执行任务所需的超声波频段的波形文件调到内存中，或根据波形参数生成波形文件，然后将波形文件中的
数字序列发送到其后联接的da转换器转换成模拟电信号。
40.功放模块后接换能器阵；当换能器阵由单一频段水声换能器构成时，功放模块只配置一个对应于该频段的功放，同时da转换器输出的模拟电信号直接输入功放模块中，不需要分频器模块；当换能器阵由1～n个频段水声换能器组构成时，功放模块由对应于1～n个频段的功放1～n组成，分频器对应于1～n个频段的分频器1～n组成，da转换器输出的模拟电信号首先进入分频器1～n，由分频器1～n分频滤波形成1～n频段的电信号，分别送入对应频段的功放1～n中实现功率放大。功放模块中的功放可由d、t、e等任意一类功率放大器构成，以保证较高的放大效率。
41.为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
42.图1示出了水面悬浮式超声杀虫灭菌装置在鱼缸中的使用示意图。在使用水面悬浮式超声杀虫灭菌装置1前，先将鱼缸2内的鱼类等动物捞出，然后将鱼缸2灌满水，并将水面悬浮式超声杀虫灭菌装置1放置于鱼缸2内水体3表面的中间位置，让其悬浮于水面上；接下来，打开水面悬浮式超声杀虫灭菌装置1上的防水开关，使装置开始工作，开始向水体3内全向发射20-55khz频段内的某一固定频率或某一频段扫频的超声波；待达到默认的工作时间(一般为3分钟左右)或用户设置的工作时间(一般为3分钟以上)时，装置停止工作，用户可捞出装置保存以备下一次使用即可。由于水面悬浮式超声杀虫灭菌装置1的机壳下部突起采用了半球面设计，分布于其上的水声换能器阵将产生一个水面以下的全向半空间超声波声场，并通过鱼缸2内壁的反射作用使得整个水体3内实现无死角超声波作用，从而非常方便地实现整个鱼缸的全面灭虫杀菌。
43.图2示出了水面悬浮式超声杀虫灭菌装置的系统结构图。水面悬浮式超声杀虫灭菌装置1，由盖板11、机壳12、换能器阵13、驱动电路模块14及防水开关15组成。盖板11用于防止水溅入及灰尘进入机壳，因此通过其下部内表面与机壳12接触部分，通过螺纹、打螺钉或上螺栓等固定方式的任一种形式实现盖板11与机壳12的固定联接。机壳12的下部突起部分设计为半球面形或半柱面形曲面，然后将换能器阵13的阵元与表面相切安装，并使阵元均布于突起面上，以此来保证超声波声场在水体3中的全向性，实现无死角杀虫灭菌。换能器阵13由水声换能器作为阵元，水声换能器一般采用压电陶瓷或磁致伸缩换能器，由于水声换能器通过透声橡胶实现了换能器与水体声阻抗的良好匹配，使得换能器发出的大部分能量均能进入水体3中，以此实现高效率杀虫灭菌；换能器阵13中的阵元可由一个或多个频段的水声换能器组成，每个频段的水声换能器组成一组，由对应频段的功放进行驱动，同时，每个频段的水声换能器在机壳下部突起面内均匀分布，多个频段水声换能器共存时它们之间采用间夹分布形式布阵形成换能器阵13。换能器阵13通过多个频段水声换能器的组合，实现20～55khz的频段覆盖，一般将其分为不大于8个的1～n个频段，每个频段由对应频段的功率放大器进行驱动。驱动电路模块14安装于机壳上部空腔内凸台上，采用螺钉或螺栓实现与凸台的固定联接，其功能是对水面悬浮式超声杀虫灭菌装置1的工作过程进行控制，并产生驱动换能器阵13工作的模拟电信号，通过电缆输入驱动换能器阵13，使其产生超声波信号向水体3中发射。防水开关15采用货架产品，并将其安装于盖板11上面的安装孔内，通过密封圈结构或粘结剂粘结的方式实现与盖板11的防水密封安装。防水开关15接入驱动电路模块14中的电源开关线路中，以通过其开关实现对水面悬浮式超声杀虫灭菌装置
1工作启停的控制。
44.图3示出了水面悬浮式超声杀虫灭菌装置的驱动电路模块结构图。驱动电路模块14主要由电源模块141、信号处理模块142、功放模块143、载物板144组成。电源模块141、信号处理模块142、功放模块143以螺钉或螺栓等固定形式固定于载物板144上。载物板144采用螺钉或螺栓实现与机壳上部空腔内的凸台固定联接。电源模块141由干电池或蓄电池构成，其中蓄电池主要采用可充电锂电池。电源141为信号处理模块142及功放模块143供电。信号处理模块142产生超声波段模拟电信号后，将其输入到功放模块143进行放大，并由功放模块143驱动换能器阵13产生水体3内的全向超声波声场，以对鱼缸内进行杀虫灭菌处理。
45.图4示出了水面悬浮式超声杀虫灭菌装置的驱动电路模块系统图。驱动电路模块14由电源模块141、信号处理模块142、功放模块143、载物板144组成。防水开关15联接于电源模块141的开关线路中，用以控制水面悬浮式超声杀虫灭菌装置1的工作启停。电源模块141为信号处理模块142、功放模块143供电。信号处理模块142主要由非易失性存储器、信号处理器、参数设置无线模块、da转换器、分频器1～n构成。非易失性存储器一般采用闪存flash作为器件，用于存储灭虫杀菌波形文件或波形参数。信号处理器主要由单片机、数字信号处理器(dsp)、可编程逻辑门阵列(fpga)或嵌入式系统(arm)中的一种或两种组合构成，并包含内存及基本的外围电路，用以对水面悬浮式超声杀虫灭菌装置1的各项工作任务进行管理。参数设置无线模块主要由蓝牙模块或wifi模块构成，通过无线的方式与参数无线设置端16进行通信，以实现系统运行参数，如运行时长、波形参数等的修改。数无线设置端16主要由带蓝牙或wifi功能的手机或计算机实现。信号处理器未获得参数设置无线模块的新设置参数时，将以默认参数运行，反之以新参数执行任务。信号处理器通过默认的参数或新设置的参数安排任务后，将执行任务所需的超声波频段的波形文件调到内存中，或根据波形参数生成波形文件，然后将波形文件中的数字序列发送到其后联接的da转换器转换成模拟电信号。
46.换能器阵13接在功放模块143后。当换能器阵13由单一频段水声换能器构成时，功放模块143只配置一个对应于该频段的功放，同时da转换器输出的模拟电信号直接输入功放模块143中，不需要分频器模块；当换能器阵13由1～n个频段水声换能器组构成时，功放模块由对应于1～n个频段的功放1～n组成，分频器对应于1～n个频段的分频器1～n组成，da转换器输出的模拟电信号首先进入分频器1～n，由分频器1～n分频滤波形成1～n频段的电信号，分别送入对应频段的功放1～n中实现功率放大。功放模块143中的功放可由d、t、e等任意一类功率放大器构成，以保证较高的放大效率。
47.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。