一种基于Lamb波的船舶超声波防污方法、装置及设备与流程

本技术属于船舶海洋防污，具体涉及一种基于lamb波的船舶超声波防污方法、装置及设备。

背景技术：

1、船舶水下外板海生物附着会增加航行阻力、加速涂层老化，传统防污手段如涂覆有毒防污漆易造成海洋污染，电解海水防污则存在能耗高、维护复杂等问题。现有超声波防污方案多采用单一频率在船体外板激发水平剪切波，虽能一定程度抑制污损，但仍存在显著缺陷：其一，超声波在船体非均匀外板（含纵骨、焊缝等加强结构）中传播时易发生散射反射，形成大量驻波节点，导致防污盲区。其二，未结合板厚差异匹配模态，薄板与厚板区域防污效果不均。其三，仅简单区分正常或者节能模式，未针对首部、舷侧、底部等不同分区的板厚、流速及污损速率差异进行动态调度，也未联动船舶航行工况调节参数，导致整船能耗分布失衡。其四，缺乏污损状态与换能单元工作状态的实时反馈机制，难以自适应修正模态参数，易出现防污效果不足或空蚀损伤船体的问题。因此，亟需一种能实现整船均匀防污、能效优化且具备自适应调控能力的超声波防污方法。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于lamb波的船舶超声波防污方法、装置及设备，目的在于解决现有船舶超声防污单一模态覆盖不均、盲区多，未结合分区特征与航行工况动态调控，缺乏自适应反馈导致防污效能低、能耗高及易引发空蚀损伤的技术问题。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种基于lamb波的船舶超声波防污方法，所述方法包括：

3、步骤1，将船舶水下外板划分为多个防护分区，并在各分区内表面安装换能单元，同时安装超声波发射单元；

4、步骤2，预存各防护分区对应的板厚参数、污损风险权重系数及适配的lamb波模态参数，所述lamb波模态参数至少包括a0模态、s0模态及其叠加模态的频厚积、占空比；

5、步骤3，采集各分区水侧表面的污损覆盖率，并通过换能单元的电学反馈信号获取实时阻抗值，形成双源反馈数据；

6、步骤4，根据所述双源反馈数据修正各分区的lamb波模态参数，并联动船舶当前的航行工况，动态调节各分区换能单元的工作功率、占空比以及所述超声波发射单元的激励时序；

7、步骤5，通过换能单元在外板内激发修正后的lamb波，形成覆盖船体表面的防污声场。

8、进一步的，所述防护分区的划分依据包括船体部位、板厚及加强结构特征，至少划分为首部区、舷侧区、底部区及桨舵区；

9、所述lamb波模态参数的选择满足以下条件中的至少一项：

10、当防护分区板厚小于15mm时，优先选择频厚积位于0.1-0.6mhz·mm的a0模态；

11、当防护分区板厚不小于15mm时，优先选择频厚积位于0.5-1.5mhz·mm的s0模态；

12、当防护分区包含板厚混合分布时，采用a0模态与s0模态的时间复用激发；

13、其中，所述a0模态和所述s0模态以预设占空比交替激发，使二者的空间作用场形成互补覆盖，对所述外板任一空间点上节点状态的时均占空比不超过15%。

14、进一步的，所述换能单元为压电陶瓷换能器、电磁声换能器或磁致伸缩换能器中的任意一种或多种组合；

15、所述lamb波工作频率范围为15-80khz，所激发的lamb波在水侧表面诱发的微观空化效应作用于海生物早期附着阶段。

16、进一步的，所述污损风险权重系数λ的计算公式为：

17、；

18、其中，t为分区平均板厚，v为分区平均流速，d为分区内任意点到最近换能单元的距离，t、v、d经过无量纲化处理，k1、k2、k3为预设权重系数；

19、主控单元根据λ的大小对各分区进行优先级排序，λ值越高的分区优先分配防污资源。

20、进一步的，所述步骤4中联动船舶航行工况动态调节具体包括：

21、当船舶航速vs＜3kn时，仅开启λ≥0.7的高污损风险分区，控制换能单元采用单频低占空比工作，并关闭超声波发射单元；

22、当3kn≤vs＜12kn时，全部分区开启，控制高污损风险分区采用a0与s0叠加模态，低风险分区采用s0模态；

23、当vs≥12kn时，控制高污损风险分区维持a0模态，中低风险分区切换为s0模态且工作功率随航速提升线性降低。

24、进一步的，所述步骤3中光学通路组件包括设置于换能单元中心的透光窗及耦合透镜，照明光穿过外板后照射至水侧表面，反射光沿原路径返回后被图像传感器接收，主控单元通过图像处理算法识别污损覆盖率；

25、所述电学反馈信号包括换能单元的阻抗幅值、相位及谐振频率偏移量。

26、进一步的，所述步骤4中修正lamb波模态参数包括：

27、根据污损覆盖率落入的预设区间等级，确定对应所述预设区间等级的修正参数，并基于所述修正参数对当前模态的波参数进行动态修正。

28、进一步的，所述步骤4中对超声波发射单元的激励时序进行桨轴同步相位调制：

29、主控单元接入螺旋桨轴角位置传感器信号，仅在桨叶转至发射单元正前方时的120°相位窗口内输出激励脉冲，且控制声压级处于140-150 db re 1μpa @1m的抑附着不侵蚀窗口内，避免对同一片桨叶造成持续性空化侵蚀。

30、进一步的，所述步骤4中还包括驻波节点时移规避策略：

31、主控单元控制换能单元在至少3个不同的频点之间进行循环切换，相邻频点的频率差δf≥2khz，以使相邻频点对应的驻波节点位置偏移量≥50mm。

32、第二方面，本技术实施例提供了一种基于lamb波的船舶超声波防污装置，所述装置包括：

33、防护分区确定模块，用于将船舶水下外板划分为多个防护分区，并在各分区内表面安装换能单元，同时安装超声波发射单元；

34、模态参数确定模块，用于预存各防护分区对应的板厚参数、污损风险权重系数及适配的lamb波模态参数，所述lamb波模态参数至少包括a0模态、s0模态，及其叠加模态的频厚积、占空比；

35、双源反馈数据获取模块，用于采集各分区水侧表面的污损覆盖率，并通过换能单元的电学反馈信号获取实时阻抗值，形成双源反馈数据；

36、模态参数修正模块，用于根据所述双源反馈数据修正各分区的lamb波模态参数，并联动船舶当前的航行工况，动态调节各分区换能单元的工作功率、占空比以及所述超声波发射单元的激励时序；

37、防污声场构建模块，用于通过换能单元在外板内激发修正后的lamb波，形成覆盖船体表面的防污声场。

38、第三方面，本技术实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如第一方面所述的方法的步骤。

39、第四方面，本技术实施例提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如第一方面所述的方法的步骤。

40、第五方面，本技术实施例提供了一种芯片，所述芯片包括处理器和通信接口，所述通信接口和所述处理器耦合，所述处理器用于运行程序或指令，实现如第一方面所述的方法。

41、本技术实施例所提供的技术方案，通过分区差异化模态匹配与双源反馈自校正，有效消除了船体加强结构导致的驻波盲区，实现了整船防污场的均匀覆盖，通过联动航速、转速等航行工况动态调度功率与占空比，在保证高污损区域防污效能的同时显著降低整船能耗，同时，结合光学污损监测与电学阻抗反馈的闭环控制，无需人工干预即可自适应匹配最优模态参数，并精准将声压限制在抑附着不侵蚀窗口内，兼顾了防污效果与船体结构安全，综合防污效率得到明显提升，能耗控制效果良好。