CN1068080A - 斑纹贻贝的控制 - Google Patents

Abstract

本发明为一种抑止或减少海洋生物体在水下局 部范围内集聚结污的方法，该方法包括：通过使等离 子体火花放电装置在水下局部区域内重复放电一段 时间，在该区域内产生水下声脉冲，从而形成该局部 区域环境对所述海洋生物体不利的声脉冲效应。

Description

本发明涉及一种抑制或减少在水下环境中海洋生物体的聚集结污现象的方法和设备，特别是涉及一种借助于称为“火花”或“等离子体枪”的声脉冲，抑制或减少在规定区域之内的不希望出现的斑纹贻贝的结壳。

对于从事海洋作业的组织来说，象软体动物这类海洋生物体把它们自己粘附到水下人造目标上的习性，长期以来一直是个困难且代价昂贵的问题，此方面最熟知的问题是船壳体结满海洋生物体，结果大大减慢了船在水中的行进速度。目前，随着被称为斑纹贻贝的非本土软体动物对北美洲五大湖的侵入，出现了更令人公知的问题。

成熟期的斑纹贻贝仅仅只有几英吋长，但它能以很快的速度繁殖，在水下目标上形成巨大的群体。与此最直接有关的是通道，在通道中，这些生物群体聚集在水电工程和市政工程的入水管周围，阻止水的流动，并且甚至可能发生堵塞水管的现象。

至今已被证实的控制贻贝在入水处生长的方法仅是使用化学物质，特别是氯。然而，这种方法已被证明既不方便又昂贵，并且对水下环境有某些潜在的危害。

在北美洲五大湖上，人们也越来越关注在用于船壳的防止结污的涂料中，引用使用化学物质这种控制所产生的后果。而且已经断定，在这些涂料中所使用的某些最有效的化学物质，可能对海洋环境和水质产生不利的影响。

因此，人们将注意力集中在开发一种能产生声脉冲，以杀死或控制在指定或非常局限区域内的不想要的海洋动物，如斑纹贻贝，这样一种实用装置。

众所周知，水下爆炸的声振波能局部地杀死或击晕海洋动物。由类似的，或其它机械或电的装置产生的声振波，能有相同的局部效果。

找到一种实用的且可控制的产生不影响不要的海洋生物的声能方法是困难的。使用爆炸或机械式的水下声发生装置没有成功，因为研究人员在利用这些装置解决下列一项或几项问题，即可重复性，可控制性，费用，复杂性，笨重，效率和总的有效性等方面无能为力。例如，用于产生声脉冲的一英吋空气枪需要一个相当于拖轮的浮动平台。当限定把装置带到非常近的水下目标区域时，由于气候和大海的危害，这样容易使它受到损坏。由于它所产生的脉冲是在一个宽的频带上传播的，因此，限制了那些被认为可能对特定生物具有最大损害效果的频率可以获得的能量。

然而，电操作的水下声发生装置已经有多年的历史，它们被开发以用来为水体和水体下面的沉积物的地震勘查提供各种声源。这些装置中的其中一种类型涉及到在两电极之间产生一电弧，实际上，它非常类似一个小的TNT爆炸，它在电极上分解气体或水（产生“等离子体”），并产生声脉冲。已知为火花或等离子体枪的这些装置的早期形式，当被放入水中来电离水和产生电弧时，或者在电极之间用机械技术提供一个导电通路时，都需要很高的电压。

在等离子体枪设计方面的最新改进，使它变成为更有效且更实用的声能源。Reginald  Clements等人的加拿大专利第1268851号涉及到向一产生电弧的腔室供给气体和一装置，借助该装置可以将该腔室放大或缩小，以控制放电时产生的等离子羽状物的尺寸。这样一来便可控制火花产生的声脉冲的频率，其中火花也是由供给电极的电压和能量加以控制的。

可把等离子体枪比作自动火花塞，在这种火花塞中，火花的特性可以由电极间的距离和供给电极的电压和电流量加以控制。在水下应用中，在电弧或火花产生之前，水被从电极周围排走，并换以气体。同火花塞一样，等离子体枪能够以很高的速率重复点火。

由于等离子体枪可以在一个宽的声频范围内操作，所产生的脉冲的频带宽度比从象空气枪之类的机械声发生器所得到的脉冲的频带宽度要窄得多，因此，这种等离子体枪在水下声成象或地震勘查方面很有吸引力，它也能用超声频率产生短波长的声脉冲，这在声和地震成象方面有很多优点。

等离子体火花装置或等离子枪被开发来用于水下勘查，但是我发现它还可作为一种新的方法的装置，这种方法是用于抑止或减少如斑纹贻贝或其它海洋生物之类的海洋动物，在限定的或预先确定的区域之内结壳，而不会对更大范围的水下环境或水质产生不利影响。这种装置的可重复率和有效率都高，能在一宽的能量范围内操作，并能在一个予先选定的宽得多的频率范围内，在窄频带宽度上产生脉冲，在这些方面，该装置比所有的机械装置都有效。这种装置还紧凑、重量轻，制造和操作简单，能够安装在接近目标区域的水下，并能远程操作。

为了获得满意的杀死或控制海洋动物的效果，可将由一个或几个电极、绝缘体和外罩组成的等离子体枪的机械部件安装在接近目标区域的水下。这些机械部件最多重两磅到壹佰磅。可远距离给该装置供给气体和电力，或者从岸上，或者从一停泊在其上面的漂浮的平台上供给。由于这种装置的机械可调音性，这种可调音性可以通过改变电弧发生处的空腔的尺寸来获得，如果需要，可以在目标区域安装一个以上的等离子体喷枪。而且，来自等离子体枪的声脉冲的频率和能量也可由远处控制。

在水下应用中，较成功的等离子体火花放电装置设计，通常由一个在其一端带有一腔室的壳体组成，在该腔室中设置有电极。该腔室（火花放电腔）有一个朝介质（在此情况下为水）开口的部分，以便为启动放电电源电路使该装置点火时，允许等离子体羽状物（plasmaplume）外流，从而产生脉冲。

至此，对等离子体火花放电装置用于水下声象或类似的地震勘查来说，相当低能量的声脉冲是足够的。在一份较近期的设计中，通过使用适当数量的储存电容器已得到了这些效果，这些储存电容器能储蓄电能并以很低的电压（0.8～5kv）和相当适度的能量值（高达1×10³焦耳）释放电能。在这一电压值时的放电是由穿过被高压（10kv）和低能量（小于1焦耳）的分离电路（触发电路而不是火花释放电路）所产生的火花隙的触发点火火花促使的（见R.M.Clements等人的加拿大专利126885，授权日为90年5月8日）

应该注意的是，目前用于水下声应用的等离子体火花放电源设计，通常有这样一个客观的（明确的或潜在的）规定，即需要在低电流（100mA）的情况下有高电压（10～30kv）的能量释放电源，或在某一高电流（1500A）情况下有相当低的电压（最高5kv）的能量释放源。采用高电压的那些设计已经这样做了。在那里已经看到必须克服海水的高击穿电压。人们已将许多注意力集中在电极之间引入更多的导电材料的方法，以便在低电压情况下发生火花放电。

换句话说，从前用于海洋地震应用的等离子体火花放电装置的设计动机，就是试图避开连接放电电路，这些电路明确地或必须地要兼有高电压和高电流值。实际上，好象有一个可感觉到的（尽管是非限定的）声脉冲能量扩散，这种声脉冲能量足够满足水下声范围的探测器的大多数领域的需要。而不必求助于在适当高电压（2⁺kv）时能够迅速释放高能量源（＞1000焦耳）的积累电路。

但是，在使用等离子体火花放电装置来产生具有局部破坏性或致命性的水下声脉冲的地方，其想法就是形成尽可能强大的可重复的声脉冲。

如果用兼有高电压和高电流的快速放电能量来产生等离子体羽状物，则上述想法即可很好地实现。我发现这种需要可以通过在等离子体火花放电装置的放电电路中使用高电流/高电压电容器得到最好的满足。我还认为，低温冷却的超导励磁线圈也可用于这一目的，尽管目前的设计好像在这方面还不能像通常称为“充油”的高电压/高电流电容器那样实用。

充油电容器中的“油”实际上是一种液体电介质（如多氯化物联苯、烷基苯），这种电介质可使电容器按下列方式构成，即使它有大的内导体，该导体确定最佳能量储存（1000⁺微法）（1000-plus μF）并允许快速释放。后者还必不可少地对最后的等离子羽状物的动力产生影响，并可通过使用一根粗的电阻非常低（最好0.2～0.452）的镍铬合金线来得到。然后最终放电值可在略大于5kv的情况下大约是25，000⁺安（25，000-plus A）。除了充油结构的电容器之外，目前可得到的其它电容器很容易被以这种能量放电的方法损坏或破坏。

充油电容器（及低温冷却的超导励磁线圈）没有太多的工业用途，因为一些电或电子装置需要很大的能量脉冲，它们才能发挥作用。它们更容易在核或高能研究装置的电系统中被发现。当等离子体火花放电装置用于如下声测距或成象时，对于成功的操作该装置，这种电容器是不必要的。因此，当打算将等离子体火花放电装置应用在水下时，它们的放电系统使用有极适度的能量储存和放电能力的非充油电容器。

通过利用等离子体火花放电装置实验还进一步发现，当火花放电在两个铝电极之间发生时，所产生的等离子羽状物的能量得到极大的加强。似乎通过气化，铝变成了电离的羽状物气体的一部分。而这种羽状物气体主要由氢和氧组成。为了补偿每次放电时金属电极的损失，电极被做成“供给电极”（“feeding  electrodes”），对于每个这种电极，不断将铝线送进该装置的放电腔中，或直接放进水介质中。

当将上面所述的技术新方法应用到浸入液体的等离子火花放电装置时，这样获得的极强大的声脉冲就会有多种新的用途。其中包括杀死损害或另外控制诸如斑纹贻贝之类的不想要的海洋有机物，使液体消毒，分离悬浮体中的液体和固体，以及破碎在水底的象污水游泥之类的固体。

安装在水下的等离子体枪能够从水面上控制这一事实，可使操作者通过实验来确定声脉冲理想的频率和能量值，以获得所需要的杀死或控制目标区域内的特殊海洋动物的效果。由于等离子枪能产生超声波脉冲，就可以发现一个理想的频率，在这一频率时，在从由大量的供给能量所确定的电弧源的距离之内，目标动物在不同的生长阶段（尽管可能是海洋植物和单细胞有机体）都会遭受到机械损害。如果发现在低能量高重复率情况下使装置点火放电，对于阻止海洋动物在目标区域内群集是合适的办法，操作者也可以作这种选择。

因此，该等离子体火花放电装置为一个在水下环境中处理限定或指定区域中的不需要的海洋生物的既经济、实用、又灵活的装置。

下面将参照附图通过例子描述本发明的具体内容。

图1是在本发明的步骤中使用的可浸入水下的等离子体火花放电装置的方框图;

图2是本发明的一个更为详细的等离子体火花放电装置图;

图3是在使用时水箱中的设备的示意图;

图4是用于补给电极的供给机构的示意图;

图5是另一个用于补给电极的供给机构的顶视图;

图6是一种火花隙装置图;

图7是另一种形式的火花隙装置图。

在附图中，用于水下放电的等离子体火花放电装置包括一个主要的放电电路14和一个触发电路12。当放电电路被触发后，该放电电路允许电压升高，直到击穿火花隙和等离子体羽状（plasmaplume）区域内的介质，结果产生电离液体的等离子体羽状物和声脉冲。该等离子体羽状物产生紫外线幅射。

在附图中，图1表示一个简化了的系统，在该系统中，等离子体火花放电装置包括动力源10，一主储存电路14，一触发电路12，和一个高压/高电流开关18。当触发电路由开关启动时，该触发电路供给电极50一足够使该电极之间的介质（这一情况下是水或空气）被击穿的高电压（但低电流）放电并产生初始火花。接着能使来自主储存电路（也由开关18启动）的高电压/高电流放电接通火花隙，并产生等离子体羽状物，结果是在水面22下产生震动波（声脉冲）和紫外线光。

在实践中，动力源可以是脉冲的并可连接到升压转换器32上，该升压转换器32可有一个电压分离器，以便让适当的电力流向每个激发电路12和放电电路14。

在水下放电的等离子体枪中的放电电路通常包括许多储存电容器，为放电贮积电能。用于显示海底轮廓的这种等离子体枪，在1988年第36期的地球物理探测第523～536页中彼特（pitt）等人的文章中已有记载。这里公开此内容作为参考。

本发明的步骤与彼特等人所描述的是用于不同的目的，对彼特的设备进行改进可能是合适的。至少在较大效能的最佳实施例中，本发明的设备会产生尽可能强大的声脉冲。因此，通过使用来自包括有并联电容器或其它组成部分的放电电路14的高电压和高电流将会产生等离子体羽状物。因而放电电路的储存装置应该尽可能的高。储存装置可由并联电容器提供。这种电容器应该有尽可能高的容量。因而，可以使用高达200MF的充油电容器。另外，也可以使用其它储存装置。

无论使用什么样的储存装置，从储存装置经过一感应器到高压/高电流开关18的适当减弱放电，可以通过使用一相当低的电阻的感应线圈81进行加强。如图2所示，感应线圈81可以是镍铬合金线，其电阻在0.60Ω范围之内。由于镍铬合金的热特性，它可能是一最佳材料。合适的电阻范围通常在0.2到0.6Ω之间。将来自由计算机24控制下的电路25的高电压触发脉冲供给开关18。

在来自触发电路或主要的储存电路的电流离开高压/高电流开关之后，首先到达电极供给机构20，接着到达其中的一个电极50，另一个电极接地。所产生的等离子体羽状物可由放大器30有选择地加强，该放大器30可以是一个用作反射器的非成象聚集器（见1991年3月份的美国科学杂志中的非成象光学），或者是一个由热电阻材料制成的喷嘴，该喷嘴有合适的类似用到喷气机或火箭发动机上的几何形状，整个装置由控制板26操纵，控制板26由位于该装置的水下部分的传感器28提供数据，以控制其供给电极或临测声脉冲的某一距离。

在实践中，该装置可以布置成图3所示的情况。动力源10，触发电路12，储存电路14，火花隙机构18，以及转换器32都可一起设置在水面以上，远离电极50和它的供给机构。当用于控制斑纹贴贝时，电极50及其供给机构可以设置在斑纹贻贝趋于集结的水导管中。出于实验的目的，可将电极供给和电极布置在有一水入口42和出口44的水箱中启动。水箱40提供一个约1米高、直径为8到16英吋的水柱。这里仅使用一个火花装置，但可以看出，可以在水箱，如水箱40的直径的周围或在进入较大水池或水体中的热水出口周边附近设置几套电极。出于实验的目的，水箱中水的停留时间要在1分钟范围之内。

从火花隙18所放出的能量，通过传输线34被传递到电极50，传输线34可以是由微信息处理机26控制的双屏蔽线，在传输线34上的屏蔽罩35可以是任何传统材料，并可按图4接地。

图4和图5表示一种用于等离子体火花放电装置的适合的电极供给机构。该供给机构可以与任何电极材料一起使用，但是，发现铝或铝合金最有利。为了防水，电极供给机构整个放置在一塑料盒内，将它设置在水箱40外面，以便使电极50伸到水箱内。电极50可以借助于共同作用的主动轮63和隋轮，从卷筒71上拉出铝线而形成。主动轮63带有粗糙表面，以便咬住电极50，隋轮64带有凹槽65来布置电极50。隋轮64固定到轴73上，其位置可以通过调节螺栓66加以调节，以便提供在轮63和64之间的电极50上的适当的摩擦力。主动轮63可以借助于螺线管69给由棘轮组61驱动。传输线34同它的绝缘罩35一起进入塑料盒60，形成一个进入塑料盒60的防水节点。一旦进入塑料盒60里面，绝缘罩35就不再要了，传输线34有一个连接到电极50接线柱上的裸露线端。通过弹簧装置67给连接柱68加偏压，使其与传输线和电极50相接触。整个塑料盒60由其外围的金属罩70保护，为了简化，图中仅画出部分金属罩。

开关18可以是图6所示的传统的空气火花隙。这种情况下，火花隙机构包括输入高电压脉冲线81和经过绝缘体83进入火花腔85的感应器82。传输线34离开火花隙腔，该火花隙腔由同轴的双层防护罩35罩住，以提供免于幅射的保护。

图7表示一火花隙机构，这包括在该火花隙中使用陶瓷块84。借助于由螺线管启动的活塞94，将通道85送入陶瓷块84。在每个陶瓷块84被另一个陶瓷块取代之前，将它们用于选择脉冲数量。总之，每一个陶瓷火花隙84可以持续几十万个脉冲。用于陶瓷块84和通道85的运动而对螺线管96和活塞94的控制，可以由微信息处理机26来进行。

可设置传感器来确定电极隋轮64的位置。这些传感器可以是纤维光导传感器或任何其它合适的传感器。

预计本发明的实施例在水的净化方面，至少在部分地使水消毒方面是实用的。这种净化和消毒是通过借助于直接向水中放电的等离子体火花放电装置所产生的声幅射和紫外线光来对水进行处理实现的。这一方法也可用来处理其它非导电液体。

为了使生物的损害达到最大，可以制成两个或更多一齐操作的等离子体枪，以生产按时间间隔分开的声脉冲，这种时间间隔按目标生物的身体尺寸来进行调整。换句话说，如果生物体在还没有机会恢复前次损害的影响前，再给它一次声脉冲打击，就能给该生物体造成永久性损坏。

Claims (24)

1、一种抑止或减少海洋生物体在水下局部范围内集聚结污的方法，该方法包括：

通过使等离子体火花放电装置在水下局部区域内重复放电一段时间，在该区域内产生水下声脉冲，从而形成该局部区域环境对所述海洋生物体不利的声脉冲效应。

2、如权利要求1所限定的方法，其特征是所述声脉冲对杀死或损害海洋生物体是有效的，或者换句话说，能在一定区域内限制它们的生长或集聚的能力。

3、如权利要求1所限定的方法，其特征是所述的海洋生物体是斑纹贻贝。

4、如权利要求1所限定的方法，其特征是所述的海洋生物体是植物。

5、如权利要求1所限定的方法，其特征是所述的海洋生物体是单细胞生物体。

6、如权利要求2所述的方法，其特征是所述的等离子体火花放电装置是远程操作的。

7、如权利要求2所述的方法，其特征是等离子体火花放电装置的电极是由铝或铝合金制成的。

8、如权利要求1所述的方法，其特征是用所述等离子体火花放电装置来给水或其它液体消毒。

9、产生声脉冲的方法，包括使设置在沉入水中的等离子体火花放电装置中的至少一个或多个高电压/高电流电容器放电，这些电容器具有至少200MF的容量。

10、产生声脉冲的方法，包括使低温冷却超导励磁线圈放电，该励磁线圈设置在沉入水中的等离子体火花放电装置的火花放电电路中。

11、产生声脉冲的方法，包括使沉入水下的等离子体火花放电装置放电，该装置具有铝或铝合金组成的电极。

12、如权利要求1、2或3所限定的方法，其特征是该火花放电发生在该装置中的一个火花放电腔中，在该装置的一端开有一口，以允许等离子体羽状物流出。

13、如权利要求9或10所限定的方法，其特征是使用电阻为0.2～0.8Ω的电线来使电容器或低温冷却的励磁线圈快速放电。

14、如权利要求13所限定的方法，其特征是所使用的电线是镍铬合金导线。

15、如权利要求1、3、或4所限定的方法，其特征是用于产生水下声脉冲，以减少或抑止海洋生物体的集聚结污。

16、如权利要求9、10或11所限定的方法。其特征是这样所产生的声脉冲被用于使液体消毒分离胶态悬浮体中的液体或固体，或者击碎沉入液体中的固体。

17、一种用于在液体介质中产生声脉冲的，可沉入水中的等离子体火花放电装置，包括至少一个高电压/高电流电容器，该电容器有至少1000MF的容量，它串联或并联在包括有放电导线的电火花放电电路中，该放电导线的电阻小于0.8Ω，并连接到由火花隙分开的成对的火花电极上。

18、用于在液体介质中产生声脉冲的，可沉入水中的等离子火花放电装置，包括至少一个低温冷却的励磁线圈，该励磁线圈串联或并联在包括放电导线的电火花放电电路上，该放电导线的电阻值为0.2～0.8Ω，并连接到由火花隙分开的成对火花电极上。

19、如权利要求17或18所限定的装置，其特征是，所述的电极是由铝或铝合金构成的。

20、如权利要求19所限定的装置，其特征是所述的电极在一放电腔中，该放电腔的一端开有口，以允许等离子体羽状物流出。

21、如权利要求17或18所限定的装置，其特征是所述的低电阻导线是镍铬合金导线。

22、如权利要求17或18所限定的装置，其特征是包括当电极被消耗时，用以补给该电极的装置。

23、如权利要求22所限定的装置，其特征是所述补给电极的装置包括一卷缠绕电极的线和微信息处理机控制的装置，以给该卷线充电来补充被消耗掉的电极。

24、一种至少给沉入水下设备的区域内的非导电液体部分消毒的方法，包括通过产生一被电离了的所述非导电液体的等离子体羽状物，从而形成其频率对生物体有害的紫外线放射和声脉冲，其中所说的生物体是不希望出现在所述液体中的。

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