基于相控阵的超声液体灭活方法

本发明涉及超声波液体灭活，具体涉及一种基于相控阵的超声液体灭活方法。

背景技术：

1、生物实验室对于医学的发展起到了巨大的作用，但是在实验过程中会产生生物废水，这些生物废水中含有大量的细菌和病毒，如果不经处理就通过排水管道排放，会污染周围的生态环境，严重的会破坏生物多样性甚至危害人体健康。目前，主要采用物理和化学两类方法来处理这些排放的细菌生物。由于使用的化学药剂存在着生产成本高、有效时间不长及污染环境的风险，物理杀菌方法近些年来得到了广泛关注。其中，超声波杀菌是利用超声空化作用产生的剪切力和冲击力破坏细菌，如病原体和腐败酶；在超声的作用下，液体介质中会形成空化气泡，这些微小气泡会经历振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程，产生瞬时的高温高压(5000℃以上的高温及50000kpa的压力)，从而使液体中某些细菌致死，病毒失活，甚至使体积较小的一些微生物的细胞壁破坏(即灭活)。但是单独超声的空化效应相对较弱，无法完全杀灭液体中的腐败菌或酶，为此研究者一直在探索和改进超声处理技术。现有技术中，通常采用换能器阵列，并通过改变输入信号和换能器功率等参数，以优化排水管道内超声空化区域分布。然而，由于换能器阵列使用过程中振动节点固定不变，空化效应在节点处振幅为零，存在一定空化效应覆盖面不足的问题。

技术实现思路

1、本申请提供了一种基于相控阵的超声液体灭活方法，用于解决现有技术中存在的排水管道内超声空化效应覆盖不全面的问题。本申请的基于相控阵的超声液体灭活方法通过在目标区域(用于液体灭活的区域)对应的排水管道上设置一组探头阵元，再对应于目标区域内的不同清理点，设置不同组的延时值，以改变各探头阵元的发射时间，从而可以通过动态聚焦偏转的方式对目标区域进行扫描，实现对目标区域空化效应的全覆盖，进而可以对目标区域内的液体进行全覆盖灭活，提高了对目标区域内细菌微生物的清除效率与效果。

2、本申请的技术方案为：

3、基于相控阵的超声液体灭活方法，将排水管道内用于液体灭活的区域设为目标区域，在目标区域所对应的排水管道的外壁上间隔设置n个探头阵元，组成超声相控阵列；所述探头阵元依序标号，从1号标到n号；所述探头阵元与超声波发生器相连接；

4、所述超声液体灭活方法的具体过程如下：首先，对应于目标区域内的不同清理点，计算不同组的延时值，以改变各探头阵元的发射时间；每组中，设定1号探头阵元的延时值为0，并分别计算2号至n号探头阵元相对1号探头阵元的延时值；然后，超声波发生器按照第一组延时值发射脉冲信号，激励各探头阵元发射超声波，超声波阵面在目标区域内的第一个清理点形成聚焦并工作t分钟，对目标区域内的液体进行灭活；t分钟后，超声波发生器按照第二组延时值发射脉冲信号，激励各探头阵元发射超声波，超声波阵面在目标区域内的第二个清理点形成聚焦并工作t分钟；依次循环，从而使得超声波阵面依次在目标区域内的不同清理点形成聚焦，呈现扫描的状态，实现对目标区域内的液体的全覆盖灭活。

5、与现有技术相比，本申请的基于相控阵的超声液体灭活方法先通过在目标区域(用于液体灭活的区域)对应的排水管道外壁上设置一组按照特定方式排列的探头阵元，组成超声相控阵列；再对应于目标区域内的不同清理点，设置不同组的延时值，以改变各探头阵元的发射时间(即控制各探头阵元之间的相位差)，实现可控的声束偏转和聚焦；最后由超声波发生器按照对应的延时值发射脉冲信号，激励各探头阵元发射超声波，使得超声波阵面依次在目标区域内的不同清理点形成聚焦，从而可以通过动态聚焦偏转的方式对目标区域进行扫描(即改变不同偏转聚焦点，使超声波在相应的目标区域内移动)，使得超声空化效应覆盖更加全面，能够实现对目标区域内的液体的全覆盖灭活，提高了对目标区域内细菌微生物的清除效率与效果。

6、作为优化，前述的基于相控阵的超声液体灭活方法中，所述目标区域内的不同清理点位于同一平面下；2号至n号探头阵元相对1号探头阵元的延时值tn＝δsn/c，c为超声波在水中的声速，δsn为n号探头阵元相对1号探头阵元的声程差，根据公式δsn＝l1-ln和ln2＝(md)2+l12+2*md*l1*sinθ计算得到，其中，ln为n号探头阵元到清理点的距离，l1为1号探头阵元到清理点的距离，θ为超声波声束中心线的偏转角度，d为相邻两探头阵元的中心间距，m＝n-1；所述探头阵元的发射声压为调制的标准正弦波信号，vn＝100×e(j×tn)。

7、作为优化，前述的基于相控阵的超声液体灭活方法中，所述超声波声束中心线的偏转角度θ≤65°。偏转角度越大，超声空化效应的覆盖范围越广，但聚焦点的声压就越小，灭活效果就越弱；将极限偏转角度(最大角度)设置为65°后，在满足对细菌微生物清除效果的前提下，能够具有较广的清除覆盖范围。

8、作为优化，前述的基于相控阵的超声液体灭活方法中，所述探头阵元为压电陶瓷超声换能器；压电陶瓷超声换能器设于排水管道的上方，并沿排水管道的长度方向等间距排列。此时，装配较为方便，而且将压电陶瓷超声换能器安装于排水管道上方，其振动时不易掉落。

9、进一步的，所述压电陶瓷超声换能器发射的超声波频率可以为20khz，强度可以为0.3～0.5w/cm2。此时，压电陶瓷超声换能器发射的超声波能够有效对目标区域内的液体进行灭活，对于液体中的细菌微生物的清除效果好。

10、作为优化，前述的基于相控阵的超声液体灭活方法中，所述目标区域外的排水管道为钛合金管道，其长度为600mm，壁厚为3mm，外径为120mm。进一步的，所述探头阵元的数量为3个，且相邻两个探头阵元之间的间距为100mm；其中，2号探头阵元与目标区域的中点位置相对应。

技术特征：

1.基于相控阵的超声液体灭活方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于相控阵的超声液体灭活方法，其特征在于：所述目标区域内的不同清理点位于同一平面下；2号至n号探头阵元相对1号探头阵元的延时值tn＝δsn/c，c为超声波在水中的声速，δsn为n号探头阵元相对1号探头阵元的声程差，根据公式δsn＝l1-ln和ln2＝(md)2+l12+2*md*l1*sinθ计算得到，其中，ln为n号探头阵元到清理点的距离，l1为1号探头阵元到清理点的距离，θ为超声波声束中心线的偏转角度，d为相邻两探头阵元的中心间距，m＝n-1。

3.根据权利要求2所述的基于相控阵的超声液体灭活方法，其特征在于：所述探头阵元的发射声压为调制的标准正弦波信号，vn＝100×e(j×tn)。

4.根据权利要求2所述的基于相控阵的超声液体灭活方法，其特征在于：所述超声波声束中心线的偏转角度θ≤65°。

5.根据权利要求3所述的基于相控阵的超声液体灭活方法，其特征在于：所述探头阵元设于排水管道的上方，并沿排水管道的长度方向等间距排列。

6.根据权利要求5所述的基于相控阵的超声液体灭活方法，其特征在于：所述探头阵元为压电陶瓷超声换能器。

7.根据权利要求6所述的基于相控阵的超声液体灭活方法，其特征在于：所述压电陶瓷超声换能器发射的超声波频率为20khz，强度为0.3～0.5w/cm2。

8.根据权利要求5所述的基于相控阵的超声液体灭活方法，其特征在于：所述目标区域外的排水管道为钛合金管道，其长度为600mm，壁厚为3mm，外径为120mm。

9.根据权利要求8所述的基于相控阵的超声液体灭活方法，其特征在于：所述探头阵元的数量为3个，且相邻两个探头阵元之间的间距为100mm；其中，2号探头阵元设于钛合金管道的中点位置。

技术总结
本发明的基于相控阵的超声液体灭活方法先通过在目标区域(用于液体灭活的区域)对应的排水管道上设置一组探头阵元，组成超声相控阵列，再对应于目标区域内不同的清理点，设置不同组的延时值，以改变各探头阵元的发射时间，最后让超声波发生器按照对应的延时值发射脉冲信号，激励各探头阵元发射超声波，使得超声波阵面依次在目标区域内的不同清理点形成聚焦，呈现扫描的状态。本发明的超声液体灭活方法通过改变各探头阵元的发射时间，实现了可控的声束偏转和聚焦，从而可以通过动态聚焦偏转的方式对目标区域进行扫描，使得超声空化效应覆盖更加全面，能够实现对目标区域内液体的全覆盖灭活，提高了对目标区域内细菌微生物的清除效率与效果。

技术研发人员：戴禹晗,李偲偲,户新宇,岳邦坤,陈柏屹
受保护的技术使用者：温州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16