贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置及其工作方法
阅读说明：本技术 贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置及其工作方法 (Surface-mounted self-powered omnibearing ultrasonic radiation algae removal device and working method thereof ) 是由 王亮 王健安 周楚新 赵淳生 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置及其工作方法,包括一个供电驱动控制模块、承载装置、连接装置、超声探头模块和水质检测装置；所述供电驱动控制模块由光伏发电系统、驱动控制系统、储电装置和金属外壳组成；所述超声探头模块包含四个贴片式超声探头、环形构件和箱体；所述环形构件与四个超声探头采用一体化设计。通过太阳能日间发电输入到驱动控制系统和储电装置,实现本发明装置全方位的超声除藻功能。本发明装置基于可循环能源,具有绿色除藻、无污染、辐射范围广、除藻效果好等优点。(The invention discloses a patch type self-powered omnibearing ultrasonic radiation algae removal device and a working method thereof, and the device comprises a power supply drive control module, a bearing device, a connecting device, an ultrasonic probe module and a water quality detection device; the power supply drive control module consists of a photovoltaic power generation system, a drive control system, an electricity storage device and a metal shell; the ultrasonic probe module comprises four patch type ultrasonic probes, an annular component and a box body; the annular member and the four ultrasonic probes are designed in an integrated mode. Solar daytime power generation is input into the drive control system and the power storage device, so that the omnibearing ultrasonic algae removal function of the device is realized. The device provided by the invention is based on recyclable energy, and has the advantages of green algae removal, no pollution, wide radiation range, good algae removal effect and the like.)
技术领域
本发明属于生态除藻技术领域，具体涉及一种贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置及其工作方法。
背景技术
水体富营养化现象的出现，使得湖泊、池塘以及水库等缓流水体中的水生植物和浮游植物利用水中的营养物质迅速繁殖，导致水中的溶解氧含量降低，造成水质恶化，水体中氧气含量减少从而影响水生生物甚至另其死亡，进而影响水体生态系统。采用无污染的方法来抑制水体富营养化对于治理水体污染具有重要意义。目前，多个国际机构或生物实验室已经通过相关实验证明利用超声技术可以抑制水体中的藻类的生长和繁殖，从而改变水华现象，实现对水体的清洁和去污。国外一些企业已经开发了控制藻类生长和繁殖的超声设备，并实现了商业化。对于大面积的湖泊或者水库，要抑制全水面的蓝藻生长，需要设置多个超声发生装置。因此，若能实现自供电的超声发生装置对于长期抑制水体中的藻类具有重要的意义。荷兰LG Sonic公司研制了可覆盖直径500米范围的基于太阳能供电的超声除藻装置，包含三个超声探头实现水域中的声场辐射，每个换能器要承担120°的超声辐射任务，对于此类传统超声探头必然存在一定的死角无法全方位辐射声波进行除藻作业。再加之超声波在水中传播的非线性以及衰减特性，理论上的水域中的超声波辐射角度随着水体范围的扩大衰减严重。
为了实现全方位大面积除藻及防止装置过于复杂，本发明提出了太阳能发电并储电的自供电方案对360°全方位辐射超声波的探头进行供电，实现全方位、全天候的高效超声除藻，避免了除藻作业中由于存在辐射死角而引起的除藻不彻底以及夜间出现断电或者无电供应情况的发生而影响超声除藻效果。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置及其工作方法，以解决现有技术中传统超声除藻装置辐射方向单一，辐射范围存在死角的问题，本发明基于多种振动模式提出了驻波、驻波与行波协同除藻的自供电方案来对超声探头进行供电，实现全天候、全方位的高效超声除藻方案。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置，包括：供电驱动控制模块、承载装置、连接装置、超声探头模块及水质检测装置；
所述供电驱动控制模块包括：光伏发电系统、储电装置、超声波发生器及金属外壳；
所述光伏发电系统设置在金属外壳的上表面，用于吸收太阳能，并转化为电能输入到储电装置；
所述储电装置对超声波发生器进行供电，超声波发生器实现对超声探头模块的驱动控制；所述储电装置和超声波发生器设置在金属外壳的内部；
所述承载装置采用一体化设计设置在供电驱动控制模块的底部，提供浮力；
所述连接装置设置在承载装置和超声探头模块之间，提供浮力给超声探头模块；
所述超声探头模块包括一体化设计的四个贴片式超声探头、一个环形构件和箱体，四个贴片式超声探头和环形构件采用一体化加工放置在箱体内部，超声探头模块内部充入超声耦合剂减少超声波的衰减；
所述贴片式超声探头包含定位梁、金属弹性体和矩形压电陶瓷片；
所述定位梁设置在金属弹性体的振动节平面处用以固定贴片式超声探头的相对位置；
所述金属弹性体一端设计为喇叭形变截面放大结构且存在内腔，用于调节所述贴片式超声探头的发射频率；
所述矩形压电陶瓷片固定在金属弹性体的侧壁上，其为纵振压电陶瓷片，且沿着厚度方向极化；
所述水质检测装置设置在超声探头模块的底部。
优选地，所述超声探头模块发射的功率以及工作频率分别与需要覆盖的除藻范围和对应去除藻类的类别有关。
优选地，所述四个贴片式超声探头发射面方向形成四个加强辐射区，同时环形构件周向形成弱辐射区，配合承载装置控制整个除藻装置上浮下潜，实现全方位360°超声波除藻。
优选地，所述矩形压电陶瓷片表面涂有环氧树脂进行绝缘处理。
优选地，所述水质检测装置实时监测水中叶绿素-a、藻青蛋白含量以及PH值等参数并将结果反馈至超声波发生器，超声波发生器根据上述结果实时调节除藻频率和输出功率，实现高效除藻。
本发明的装置中，光伏发电系统接收太阳辐照，将太阳能转化为电能存储到储电装置；所述储电装置将电能供给超声波发生器、超声探头模块和水质检测装置；水质检测装置实时监测水中叶绿素-a、藻青蛋白含量以及PH值等参数并将结果反馈至超声波发生器，超声波发生器实时调节除藻频率和输出功率改变超声探头的工作频率；承载装置通过连接装置将太阳能驱动一体化模块、超声探头模块以及水质检测装置固连起来，改变浮力大小进而改变整个除藻装置在水面的相对位置。
本发明中通过光伏发电系统依赖白天的太阳能进行发电并存储到储电装置实现对超声探头模块和水质检测装置进行全天候供电。
本发明的一种贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置的工作方法，基于上述装置，包括步骤如下：
单一驻波辐射：所述矩形压电陶瓷片接收电信号激励金属弹性体产生2m+1阶纵向振动模态沿着纵振波方向发射超声波来抑制藻类生长，其中，m≥0且m为整数；同时激励四个贴片式超声探头产生纵向振动在环形构件上激励出具有n个波峰和波谷一并呈现的弯振模态，沿着环形构件的径向360°辐射超声波抑制藻类生长，n≥4，且四个贴片式超声探头同时位于环形构件的波峰或者波谷位置。
本发明的一种贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置的工作方法，基于上述装置，包括步骤如下：
驻波与行波协同辐射：以不相邻的两个贴片式超声探头为一组，将四个贴片式超声探头分为两组分别施加两相具有90°相位差的电信号，激励两组贴片式超声探头产生具有90°时间相位差的2m+1阶纵向振动模态沿着纵振波方向发射超声波，其中，m≥0且m为整数；使环形构件呈现两相绕圆周方向的同行n阶面内弯振模态，n≥2，其中当第一组贴片式超声探头与环形构件的接触位置位于环形构件上面内弯振模态的波峰或波谷状态时，另一组贴片式超声探头与环形构件的接触位置位于环形构件上面内弯振模态的节点位置，环形构件上的两个同形n阶面内弯振模态在空间上存在着π/2的相位差；保证四个贴片式超声探头产生的纵向振动的激励频率一致，两个在空间上和时间上都具有π/2相位差的同形n阶面内弯振模态在环形构件上将耦合形成沿圆周方向行进的n阶弯曲行波，从而沿着环形构件的径向360°辐射超声波抑制藻类生长。
本发明的有益效果：
本发明提出的除藻装置，通过纵振与面内弯振的配合分成两种工作模式，通过两种不同的加电方式，产生单一驻波辐射的工作方式一和驻波与环形行波协同辐射的工作方式二；其中，工作方式一采用单相电驱动实现全方位超声波辐射除藻，满足绝大部分工况；工作方式二采用两相电驱动方式，利用行波特性实现环形构件上弯振模态的周向移动，实现更高要求的除藻净水功能。
本发明中控制超声探头产生的超声波辐射的覆盖范围，能够有效地抑制蓝藻的生长和繁殖，同时降低能耗；此外，利用储能装置，充分利用无污染的太阳能实现全天候的发电对超声探头进行供电，有效利用太阳能转换的电能在避免白天电能浪费的同时实现了全天候供电。
本发明的除藻装置具有结构简单、绿色环保、除藻效果好、安装拆卸方便、可控性好等优点。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为供电驱动控制模块的结构示意图。
图3为供电驱动控制模块的半剖示意图。
图4为承载装置的结构示意图。
图5为超声探头模块的结构示意图。
图6为超声探头模块沿着Z轴的剖面图。
图7a为超声探头结构示意图；
图7b为矩形压电陶瓷片极化方向示意图。
图8为超声探头纵振时环形构件上的振动模态示意图。
图9为环形构件上两个同形四阶面内弯振耦合成行波的示意图。
图10为除藻仪工作时超声波辐射的示意图。
其中，1、供电驱动控制模块；11、光伏发电系统；12、储电装置；13、超声波发生器；14、金属外壳；2、承载装置；3、连接装置；4、超声探头模块；41：贴片式超声探头；42、环形构件；43、定位梁；44、金属弹性体；45：矩形压电陶瓷片；46、箱体；47、超声耦合剂；5、水质检测装置；6、sin信号激励时超声探头上的纵振模态；7、cos信号激励时超声探头上的纵振模态；8、sin信号激励时环形构件上对应的面内弯振模态；9、cos信号激励时环形构件上对应的面内弯振模态。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图10所示，本发明的一种贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置，其特征在于，包括：供电驱动控制模块1、承载装置2、连接装置3、超声探头模块4及水质检测装置5；
所述供电驱动控制模块1包括：光伏发电系统11、储电装置12、超声波发生器13及金属外壳14，如图3所示；
如图2所示，所述光伏发电系统11设置在金属外壳14的上表面，用于吸收太阳能，并转化为电能输入到储电装置12；
所述储电装置12对超声波发生器13进行供电，超声波发生器13实现对超声探头模块4的驱动控制；所述储电装置12和超声波发生器13设置在金属外壳14的内部；
所述承载装置2设置在供电驱动控制模块1的底部，提供浮力；参照图4所示，承载装置2通过调整浮力的大小实现除藻装置的上浮下沉；
所述连接装置3设置在承载装置2和超声探头模块4之间，提供浮力给超声探头模块4；
参照图5及图6所示，所述超声探头模块4包括一体化设计的四个基于d31效应贴片式超声探头41、一个环形构件42和箱体46，四个贴片式超声探头41和环形构件42采用一体化加工放置在箱体46内部，超声探头模块4内部充入超声耦合剂47减少超声波的衰减；
所述贴片式超声探头41包含定位梁43、金属弹性体44和矩形压电陶瓷片45；
所述定位梁43设置在金属弹性体44的振动节平面处用以固定贴片式超声探头41的相对位置；
所述金属弹性体44一端设计为喇叭形变截面放大结构且存在内腔，用于调节所述贴片式超声探头41的发射频率；
所述矩形压电陶瓷片45均为纵振压电陶瓷片，且沿着厚度方向极化；所述贴片式超声探头41上的两片矩形压电陶瓷片45的极化方向相反；矩形压电陶瓷片45固定在金属弹性体44的侧壁上。
其中，所述超声探头模块4发射的功率以及工作频率分别与需要覆盖的除藻范围和对应去除藻类的类别有关。
其中，所述四个贴片式超声探头41发射面方向形成四个加强辐射区，同时环形构件42周向形成弱辐射区，配合承载装置2控制整个除藻装置上浮下潜，实现全方位360°超声波除藻。
其中，所述矩形压电陶瓷片45表面涂有环氧树脂进行绝缘处理。
其中，所述装置还包括：水质检测装置5，其位于超声探头模块4的底部，实时监测水中叶绿素-a、藻青蛋白含量以及PH值等参数并将结果反馈至超声波发生器13，超声波发生器13根据上述结果实时调节除藻频率和输出功率，实现高效除藻。
本发明的一种贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置的工作方法有两种，以一阶纵振和四阶弯振为例进行说明：
参照图8所示为第一种工作模式，单一驻波辐射：同时激励四个超声探头产生一阶纵向振动在环形构件上激励出具有四个波峰和波谷一并呈现的弯振模态，从而沿着环形构件的径向360°辐射超声波抑制藻类生长。
如图9所示为第二种工作模式，驻波与行波协同辐射：以不相邻的两个超声探头为一组将四个超声探头分为两组分别施加两相具有90°相位差的电信号，激励两组超声探头产生具有90°时间相位差的一阶纵向振动模态沿着纵振波方向发射超声波；从而使环形构件呈现两相绕圆周方向的同行4阶面内弯振模态，其中当第一组超声探头与环形构件的接触位置位于环形构件上面内弯振模态的波峰或波谷状态时，另一组超声探头与环形构件的接触位置位于环形构件上面内弯振模态的节点位置；因此，环形构件上的两相同形四阶面内弯振模态在空间上存在着π/2的相位差；保证四个超声探头产生的纵向振动的激励频率一致，两相在空间上和时间上都具有π/2相位差的同形四阶面内弯振模态在环形构件上将耦合形成沿圆周方向行进的四阶弯曲行波，从而沿着环形构件的径向360°辐射超声波抑制藻类生长。
参照图10所示，由于纵振波的辐射距离要大于弯振波的辐射距离，因此将四个纵振波的辐射方向称为强辐射区相对应的将环形构件上的其余方向称为弱辐射区，两个工作区协同工作实现全方位高效率除藻。
所述贴片式自供电的全方位超声波辐射除藻装置能够控制以单一所述超声探头所发射的超声波辐射距离为半径的环形水域，辅助以环形构件的超声波辐射真正意义上达到全方位抑制蓝藻生长和繁殖，达到高效清洁的除藻功能。
通过控制承载装置的浮力，所述超声探头将在水面下上、下沉浮，可对一定深度的水域实现超声覆盖，具有较佳的除藻效果。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。