CN109269630A - 一种水下超声悬浮场测量装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下超声悬浮场测量装置及使用方法。所述水下超声悬浮场测量装置包括调节机构、超声波发生装置、水箱、反射板和检测机构，所述调节机构用于安装并调节所述超声波发生装置和所述反射板在所述水箱内的位置，所述超声波发生装置用于产生超声波，所述检测机构用于检测超声辐射力的大小。本发明提供的水下超声悬浮场测量装置通过调整机构对超声波发生装置的和反射板的位置进行调整，从而可以测得多个不同位置的超声辐射力，进而测量出整个水下超声悬浮场分布，从而找到对电弧气泡稳定性最好的位置。

Description

一种水下超声悬浮场测量装置及使用方法

技术领域

本发明涉及超声辅助水下湿法焊接技术领域，特别是一种水下超声悬浮场测量装置及使用方法。

背景技术

水下焊接是海底石油开采、海洋工程制造、海底管道维修、海上舰艇应急修理与海上救助的关键技术。但是在水下湿法焊接中，电弧燃烧在气压稳定的电弧气泡中，周围水环境的强冷作用以及气泡的周期性上浮破裂会对电弧稳定性造成很大影响。而通过超声辅助水下湿法焊接，使得电弧气泡受到方向向下的超声辐射力作用，降低电弧气泡上升速率，减弱气泡破裂对湿法焊接的不利影响，提高焊接电弧稳定性，从而明显改善焊接质量。因此超声辅助水下湿法焊接中超声悬浮场的分布以及不同位置超声悬浮力的大小对于改进焊接质量至关重要。目前有写装置利用激光倍增光路测量声场扰动使得空气产生微小折射率变化造成的干涉条纹分布，但是该装置复杂，成本较高，且水流轻微流动会对光线造成巨大的影响。还有一些装置只能测量一个平面上超声辐射力的大小，超声悬浮场中不同空间位置点的超声辐射力大小无法测出。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种操作方便能够检测超声辐射力的大小的水下超声悬浮场测量装置及使用方法。

第一方面，提供一种水下超声悬浮场测量装置，包括调节机构、超声波发生装置、水箱、反射板和检测机构，所述调节机构用于安装并调节所述超声波发生装置和所述反射板在所述水箱内的位置，所述超声波发生装置用于产生超声波，所述检测机构用于检测超声辐射力的大小。

优选地，所述调节机构包括：

第一调节机构，所述超声波发生装置设置在所述第一调节机构上，所述第一调节机构能够调节所述超声波发生装置的位置；

第二调节机构，所述反射板设置在所述第二调节机构上，所述第二调节机构能够调节所述反射板的位置；和/或，

第三调节机构，所述第三调节机构能够同时调节所述超声波发生装置和所述反射板的位置。

优选地，所述第一调节机构和所述第二调节机构通过第二夹具安装在所述第三调节机构上，

所述第二夹具能够使所述第一调节机构和/或所述第二调节机构的调节方向与所述第三调节机构的调节方向之间形成夹角。

优选地，所述检测机构包括检测装置、重物和漂浮物，所述漂浮物位于所述超声波发生装置和所述反射板之间，所述重物和所述漂浮物通过柔性连接结构连接，所述重物放置在所述检测装置上，所述检测装置用于检测所述重物的作用力。

优选地，所述水箱内设置有转换机构，所述转换机构用于改变所述柔性连接结构的受力方向，使所述漂浮物和所述重物均能够受到所述柔性连接结构竖直向下的拉力。

优选地，所述转换机构构造为杠杆结构，所述杠杆结构的两端通过所述柔性连接结构分别与所述漂浮物和所述重物相连。

优选地，所述反射板上设置有第二通孔，所述柔性连接结构穿过所述第二通孔与所述漂浮物连接。

优选地，所述第二通孔的直径为1-2mm，

所述第二通孔设置多个，相邻两个所述第二通孔之间的距离为2-20mm。

优选地，所述水箱至少部分构造为透明结构。

第二方面，提供一种上述水下超声悬浮场测量装置使用方法，包括如下步骤：

向所述水箱内注水；

将所述超声波发生装置和所述反射板放到所述水箱内，并通过所述调节机构调节所述超声波发生装置和所述反射板的位置；

调节所述超声波发生装置和所述反射板之间的距离；

开启所述检测机构和所述超声波发生装置；

通过所述调节机构调节所述超声波发生装置和所述反射板的位置，并记录不同位置所述检测机构检测到的数据；

测量结束，对检测数据进行分析。

本发明提供的水下超声悬浮场测量装置通过调整机构对超声波发生装置的和反射板的位置进行调整，从而可以测得多个不同位置的超声辐射力，进而测量出整个水下超声悬浮场分布，从而找到对电弧气泡稳定性最好的位置。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1、2示出本发明提供的水下超声悬浮场测量装置的结构示意图；

图3示出第一夹具的结构示意图；

图4示出发射板的结构示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1、2所示，本发明提供的水下超声悬浮场测量装置包括调节机构、超声波发生装置6、水箱9、反射板10和检测机构，所述调节机构用于固定并调节所述超声波发生装置6和所述反射板10在所述水箱9内的位置，所述检测机构用于检测超声辐射力的大小。

具体地，所述调节机构包括用于调节所述超声波发生装置6的位置的第一调节机构5，优选地，所述超声波发生装置6通过第一夹具7安装在所述第一调节机构5上。所述调节机构还包括用于对调节所述反射板10的位置的第二调节机构4。在竖直方向上所述反射板10位于所述超声波发生装置6的下方，且所述超声波发生装置6在所述反射板10所在平面上的投影位于所述反射板10上。所述第一调节机构5和所述第二调节机构4能够调节所述超声波发生装置6和所述反射板10在所述水箱9内的位置，并且还能够调节所述超声波发生装置6和所述反射板10之间的相对位置，即相对距离，优选地，所述超声波发生装置6的发射端61与所述反射板10之间的距离为20-200mm，优选为100mm。

优选地，所述调节机构还包括第三调节机构2，所述第一调节机构5和所述第二调节机构4通过第二夹具3安装在所述第三调节机构2上，所述第三调节机构2可以同时调节所述超声波发生装置6和所述反射板10在所述水箱9内的位置。然后再通过所述第一调节机构5和所述第二调节机构4分别调整所述超声波发生装置6和所述反射板10的位置。优选地，所述第三调节机构2的调节幅度大于所述第一调节机构5和所述第二调节机构4的调节幅度，从而使得可以通过所述第三调节机构2对所述超声波发生装置6和所述反射板10的位置进行粗略调整，然后再通过所述第一调节机构5和所述第二调节机构4进行精确调整，使得所述超声波发生装置6和所述反射板10的位置调整精度更高。进一步地，所述第一调节机构5、第二调节机构4和第三调节机构2均可以构造为齿轮、齿条配合的机构或者通过液压等装置进行调节的机构，并且所述第一调节机构5、第二调节机构4和第三调节机构2可以是相同的结构也可以构造为各不相同的机构，只要能够实现位置的调节即可。

如图3所示，所述第二夹具3包括第一安装部31、第二安装部32和第三安装部33，所述第一安装部31用于所述第一调节机构5的安装，所述第二安装部32用于所述第二调节机构4的安装，所述第三安装部33用于所述第三调节机构2的安装，所述第一安装部31、第二安装部32和第三安装部33上均设置有安装孔34，可通过螺栓等连接件对各调节机构进行安装。优选地，所述第一安装部31和所述第三安装部33相对设置，所述第二安装部32设置在所述第一安装部31和所述第三安装部33之间，并同时与所述第一安装部31和所述第三安装部33相连。进一步地，所述第一安装部31、第二安装部32和第三安装部33均构造为板状结构，所述第一安装部31和所述第三安装部33平行设置，所述第二安装部32与所述第一安装部31和所述第三安装部33垂直。在本实施例中，所述第二夹具3构造为方形筒状结构，所述方形筒状结构的三个侧壁分别构成所述第一安装部31、第二安装部32和第三安装部33，安装时，可以将所述第二调节机构4从所述方形筒状结构的内部穿过，以节省安装空间。

优选地，所述第一调节机构5和所述第二调节机构4的调节方向均与所述第二夹具3的轴线延伸方向平行，所述第三调节机构2的调节方向可以所述第二夹具3的轴线延伸方向平行，或者，所述第三调节机构2的调节方向还可以与所述第二夹具3的轴线延伸方向之间形成夹角。具体地，可以通过调整所述第二夹具3上的第三安装部33与所述第三调节机构2的安装状态来对所述第三调节机构2的调节方向与所述第二夹具3的轴线延伸方向之间的夹角。所述第三安装部33上设置有多个所述安装孔34，多个所述安装孔34不规则排布，使得通过不同的所述安装孔34进行安装时所述第二夹具3的安装状态不同。优选地，所述第三调节机构2的调节方向与所述第二夹具3的轴线延伸方向(即所述第一调节机构5和所述第二调节机构4的调节方向)的夹角的取值范围为-60°－60°，通过调整所述第二夹具3的安装状态可以调整测量范围，使得测量范围更大。

所述水箱9优选构造为透明水箱，或者，至少部分为透明材质的水箱，以方便观察。所述水箱9内注水，并使所述反射板10和所述超声波发生装置6的发射端61位于液面以下。

所述检测机构包括用于检测重量的检测装置14、重物13和漂浮物8，所述检测装置14放置在所述水箱9外部，并使在竖直方向上，所述检测装置14位于所述漂浮物8的上方，优选地，所述检测装置14在竖直方向上的位置高于所述水箱9的高度。所述重物13放置在所述检测装置14上，所述检测装置14能够检测所述重物13的重量。所述漂浮物8放在所述水箱9内，并位于所述反射板10与所述超声波发生装置6之间，优选地，所述漂浮物8构造为球形结构，所述漂浮物8的密度小于水的密度，例如可以构造为泡沫球，小球直径过大会扰乱超声悬浮场分布，小球直径过小会使测得数据较小从而引起相对误差偏大，所述泡沫球的直径为4-6mm。所述漂浮物8通过柔性连接结构15与所述重物13相连，所述柔性连接结构15优选为绳子，例如可以为尼龙绳，所述漂浮物8在水中受力的变化会对所述重物13作用在所述检测装置14上的力造成影响，以便通过所述检测装置14的读数来反应所述漂浮物8的受力状态。优选地，所述检测装置14为天平，例如可以为精密天平。所述水箱9的底部设置有转换机构11，所述转换机构11用于改变所述柔性连接结构15的受力方向，所述转换机构11只改变力的方向，不会影响力的大小，具体如图1中所示，所述柔性连接结构15对所述漂浮物8施加向下的拉力，所述柔性连接结构15通过所述转换机构11之后，对所述重物13施加向下的拉力。在本实施例中，所述转换机构11构造为杠杆结构，所述柔性连接结构15分成两部分，分别固定到所述杠杆结构的两端，并分别与所述漂浮物8和所述重物13相连，优选地，所述杠杆结构支点两侧的长度为50mm，进一步地，所述杠杆结构支点两侧的长度均可调，从而使得测得超声辐射力在精密天平量程以内，优选使所述柔性连接结构15在支点两侧的连接点到所述支点的距离相等。或者，在其他实施方式中，所述转换机构11还可以由多个滑轮构成，所述转换机构11只要能够改变受力方向即可。

如图4所示，所述反射板10构造为板状结构，所述板状结构上设置第一通孔101和第二通孔102，所述第一通孔101用于所述反射板10与所述第二调节机构4的安装，所述第二通孔102用于配合所述漂浮物8的设置。如图1所示，所述柔性连接结构15穿过所述第二通孔102与所述漂浮物8连接，所述第二通孔102设置有多个，使得所述漂浮物8能够位于所述反射板10的不同位置，以检测不同位置处的超声悬浮场分布，优选地，多个所述第二通孔102中以其中一个作为参考，其他所述第二通孔102围绕该第二通孔102分布，并且与该作为参考的所述第二通孔102之间的距离为20-200mm，或者，多个所述第二通孔102中相邻的两个所述第二通孔102之间的间距为20-200mm。优选地，所述第二通孔102的直径为1-2mm，避免直径过大对超声悬浮场分布造成影响。优选地，调整所述反射板10的位置使所述漂浮物8与所述反射板10之间的距离进行调整，所述漂浮物8与所述反射板10之间的距离可以在0-200mm之间进行调整。

如图1、2所示，所述水下超声悬浮场测量装置还包括工作台12，所述水箱9、第三调节机构2、和所述检测装置14均设置在所述工作台12上，优选地，所述第三调节机构2通过固定装置1固定到所述工作台12上，水箱9和所述检测装置14放置在所述工作台12上。

下面结合具体实施例对所述水下超声悬浮场测量装置进行介绍：

实施例一：

本实施例中，所述超声波发生装置6与所述反射板10之间距离为100mm，所述漂浮物8与所述反射板10之间距离为0mm，即所述漂浮物8与所述反射板10接触。所述漂浮物8为直径为4mm的塑料球,所述反射板10上第二通孔102的直径为1mm。将所述重物13放置在所述检测装置14上，打开所述检测装置14，去皮，此时检测装置14示数为0，打开所述超声波发生装置6，所述检测装置14上显示数的绝对值为所述漂浮物8所受超声辐射力大小，调节所述第三调节机构2，使得所述漂浮物8与所述反射板10之间距离由0mm逐渐增加到100mm，优选地，每增加2mm，记录下所述检测装置14示数，整理所记录下的数据，即可得到此种特定情况下所述超声波发生装置6与所述反射板10之间空间各处的超声辐射力大小分布特征。

实施例二：

本实施例中，所述超声波发生装置6与所述反射板10之间距离为100mm，所述漂浮物8与所述反射板10之间距离调节至实施例一中最大超声辐射力出现时所述漂浮物8与反射板之间的距离，反射板10上所述第二通孔102的直径为1mm，所述漂浮物8为塑料球，所述漂浮物8半径为0.5mm，打开所述检测装置14，此时所述检测装置14示数即为所述漂浮物8所受的浮力大小，打开超声波发生装置6，牵引所述漂浮物8的柔性连接结构15松弛，所述检测装置14示数为0，将所述漂浮物8半径逐渐增大，当增大到某一特定值时，所述检测装置14开始出现示数，根据F_浮＝(ρ_液-ρ_球)gV，V＝4/3·πR³，式中F_浮为所述漂浮物8所受浮力大小，ρ_液为水的密度，ρ_球为所述漂浮物8的密度，V为所述漂浮物8体积，R为所述漂浮物8半径。此时所述漂浮物8所受超声辐射力与浮力大小相等。所述漂浮物8半径R即为此种情况下该位置所能悬浮所述漂浮物8的最大半径，若所述漂浮物8无所述柔性连接结构15牵引，则会由于所受浮力大于最大超声辐射力而上浮。

实施例三：

本实施例中，所述超声波发生装置6与所述反射板10之间距离为100mm，所述漂浮物8与反射板10之间距离调节至实施案例一中最大超声辐射力出现时所述漂浮物8与反射板之间的距离，所述反射板10上所述第二通孔102的直径为1mm，所述漂浮物8半径为2mm，所述重物13放置在所述检测装置14上，打开所述检测装置14，此时所述检测装置14示数即为所述漂浮物8所受的浮力大小，打开所述超声波发生装置6，牵引所述漂浮物8的所述柔性连接结构15松弛，所述检测装置14示数为0，将所述漂浮物8密度逐渐减小，当减小到某一特定值时，所述检测装置14开始出现示数，根据F_浮＝(ρ_液-ρ_球)gV，V＝4/3·πR³，式中F_浮为所述漂浮物8所受浮力大小，ρ_液为水的密度，ρ_球为所述漂浮物8的密度，V为所述漂浮物8体积，R为所述漂浮物8半径。此时所述漂浮物8所受超声辐射力与浮力大小相等。所述漂浮物8密度ρ_球即为此种情况下该位置所能悬浮所述漂浮物8的最小密度，若所述漂浮物8无所述柔性连接结构15牵引，则会由于浮力大于最大超声辐射力而上浮。

一种水下超声悬浮场测量装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：向所述水箱9中加水；

步骤二：调节所述第三调节机构2，使所述超声波发生装置6和反射板10移动到水箱中特定位置，优选使所述超声波发生装置6的发射端61和反射板10位于所述水箱9内的液面以下；

步骤三：调节所述第一调节机构5、第二调节机构4，使所述反射板10与所述超声波发生装置6之间距离为20—200mm，优选为100mm，并调节所述第三调节机构2，使得所述反射板10与所述漂浮物8之间距离为0mm；

步骤四：打开所述检测装置14，去皮，使得所述检测装置14示数为0，打开所述超声波发生装置6，所述检测装置14上显示的示数即为所述漂浮物8所受超声辐射力大小；

步骤五：调节所述第三调节机构2，使得所述漂浮物8与所述反射板10之间距离由0mm逐渐增加到100mm，优选地，每增加2mm，记录下所述检测装置14的示数。

步骤六：测量结束，关闭所述检测装置14和超声波发生装置6，对记录的数据进行分析处理。

本发明提供的水下超声悬浮场测量装置工作时，超声波发生装置发射出超声波，在超声波发生器发射端与反射板之间入射波与反射波叠加形成驻波进而形成超声悬浮场，漂浮物在超声悬浮场中受到向下的超声辐射力的作用，抵消部分浮力。与漂浮物相连接的柔性连接结构上的拉力就会减小，柔性连接结构对重物的拉力也会减小，检测装置此时测量出漂浮物所受超声辐射力的大小，通过调节发射端与反射板之间的距离，能够找到满足声场谐振的条件，此时超声悬浮场最强，同时通过对不同位置的超声辐射力的测量，进而测量出整个水下超声悬浮场分布，从而找到对电弧气泡稳定性最好的位置，对于通过超声辅助电弧气泡来调控水下湿法焊接具有非常重要的意义。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种水下超声悬浮场测量装置，其特征在于，包括调节机构、超声波发生装置、水箱、反射板和检测机构，所述调节机构用于安装并调节所述超声波发生装置和所述反射板在所述水箱内的位置，所述超声波发生装置用于产生超声波，所述检测机构用于检测超声辐射力的大小。

2.根据权利要求1所述的水下超声悬浮场测量装置，其特征在于，所述调节机构包括：

第一调节机构，所述超声波发生装置设置在所述第一调节机构上，所述第一调节机构能够调节所述超声波发生装置的位置；

第二调节机构，所述反射板设置在所述第二调节机构上，所述第二调节机构能够调节所述反射板的位置；和/或，

第三调节机构，所述第三调节机构能够同时调节所述超声波发生装置和所述反射板的位置。

3.根据权利要求2所述的水下超声悬浮场测量装置，其特征在于，所述第一调节机构和所述第二调节机构通过第二夹具安装在所述第三调节机构上，

所述第二夹具能够使所述第一调节机构和/或所述第二调节机构的调节方向与所述第三调节机构的调节方向之间形成夹角。

4.根据权利要求1所述的水下超声悬浮场测量装置，其特征在于，所述检测机构包括检测装置、重物和漂浮物，所述漂浮物位于所述超声波发生装置和所述反射板之间，所述重物和所述漂浮物通过柔性连接结构连接，所述重物放置在所述检测装置上，所述检测装置用于检测所述重物的作用力。

5.根据权利要求4所述的水下超声悬浮场测量装置，其特征在于，所述水箱内设置有转换机构，所述转换机构用于改变所述柔性连接结构的受力方向，使所述漂浮物和所述重物均能够受到所述柔性连接结构竖直向下的拉力。

6.根据权利要求5所述的水下超声悬浮场测量装置，其特征在于，所述转换机构构造为杠杆结构，所述杠杆结构的两端通过所述柔性连接结构分别与所述漂浮物和所述重物相连。

7.根据权利要求4所述的水下超声悬浮场测量装置，其特征在于，所述反射板上设置有第二通孔，所述柔性连接结构穿过所述第二通孔与所述漂浮物连接。

8.根据权利要求7所述的水下超声悬浮场测量装置，其特征在于，所述第二通孔的直径为1-2mm，

所述第二通孔设置多个，相邻两个所述第二通孔之间的距离为2-20mm。

9.根据权利要求1-8之一所述的水下超声悬浮场测量装置，其特征在于，所述水箱至少部分构造为透明结构。

10.一种权利要求1-9之一所述的水下超声悬浮场测量装置使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

向所述水箱内注水；

将所述超声波发生装置和所述反射板放到所述水箱内，并通过所述调节机构调节所述超声波发生装置和所述反射板的位置；

调节所述超声波发生装置和所述反射板之间的距离；

开启所述检测机构和所述超声波发生装置；

通过所述调节机构调节所述超声波发生装置和所述反射板的位置，并记录不同位置所述检测机构检测到的数据；

测量结束，对检测数据进行分析。