超聲波在驅趕燈浮標海洋附著生物方面的應用探析

劉華順 何榮坤

摘要：超聲波技術目前已在全球醫學、軍事、測繪、工業等各領域廣泛應用，但在燈浮標維護保養和驅趕海洋附著生物方面應用甚少。文中筆者通過對燈浮標在海生物附著方面的保養現狀、海生物附著燈浮標機理、超聲波的特點以及對海洋附著生物的影響等進行了分析探討，并且結合超聲波技術應用情況，提出了利用超聲波驅趕燈浮標海洋附著生物的建議。

關鍵詞：超聲波;驅趕;海洋附著生物

引言

海洋附著生物又稱為海洋污損生物，一般是指附著生長在碼頭、船底、海上構筑物、浮標甚至海洋動物身上，對人類經濟活動有害的微生物、植物、動物等的總稱。自人類從事海洋活動以來，海洋附著生物的污損問題就成為限制人類對海洋資源開發利用的一個重要障礙。在燈浮標維護保養方面也不例外，當新標體投放入水使用后，水下部分表面在一定時間后就會被多種類型的海洋附著生物附著生長，隨著時間的推移，水下部分的標體就會有越來越多的海洋附著生物，這對燈浮標浮鼓和錨鏈表面的保護漆產生破壞，從而導致金屬材料腐蝕而嚴重影響燈浮標及錨鏈的使用壽命。另外，海洋附著生物也會加大燈浮標的重量，影響燈浮標的顯形效果，而且一旦浮鼓破損，海洋附著生物會加快燈浮標下沉的速度，最終降低燈浮標的使用壽命。

目前，國內的燈浮標在防止海洋附著生物污損的方法，主要是采用定期清除和使用防污漆保護兩種方法。采用定期清除的方法成本高、勞動強度大，收效甚微;而使用防污漆保護的方法，特別是因防污漆的使用具有一定的毒性，容易對海洋環境造成污染，而且效果差強人意，有時候如果燈浮標保養不及時，標體上附著的海洋生物很快腐爛發臭，異味較重，經常遭到周邊居民的投訴，帶來不好的社會負面影響。

海生物附著燈浮標機理

目前，燈浮標上附著的海生物主要包括甲殼類、貝類、藻類、菌膜、端足類等多種類型，這些海生物的附著會隨著海域、港灣、洋流、季節等的不同而明顯不同。以海口航標處為例，每年回收保養的燈浮標中，都長滿了大量的海洋附著生物，其中以海蠣、藤壺、青口貝和滸苔為主。為能夠充分認識海生物生長環境和不同的生長階段的特點，我國已有多項關于此類的研究，其中以中國科學院南海海洋研究所曹文浩團隊最具代表性。他們認為，海生物的附著機理，是從浮游生物的孢子和貝殼類幼蟲分泌出一種酸性粘結性物質，此類物質與燈浮標的水下表面部分接觸后，海生物就開始附著。海生物的附著分三個方面，一是細胞與細胞的粘附，這為多細胞生物體的形成與生長提供了條件;二是生物體有生命組織和無生命部分之間的粘附;三是生物體與外部表面的粘附。同時研究證明，海生物附著燈浮標的過程可分為形成條件膜、形成微生物膜、形成大型污損生物層三個階段，具體如下：

形成條件膜

條件膜是一種帶有負電荷、黏著力強的有機膜，厚度在10～20nm之間，平整且緊緊粘附在浮鼓和錨鏈表面。條件膜主要含有多聚糖、蛋白質、蛋白多糖等，也可能包含一些無機物，這些物質主要來自生命有機體的排泄物或死亡生物的自溶物和分解產物。條件膜改變了浮鼓和錨鏈表面的物理化學性質，同時為微生物的附著提供營養物質，是海生物附著的基礎。

形成微生物膜

有了條件膜的基礎，細菌和硅藻等微生物會相繼在上面附著生長，形成一層由水、有機物、微生物及其EPS （Extracellular polymeric substances，EPS胞外聚合物）組成的微生物膜或黏膜;

形成大型污損生物層

微生物膜的形成為甲殼類、貝類、藻類、菌膜、端足類等海洋附著生物提供了充足的營養和良好的生長環境，使其不斷地在微生物膜上大量附著繁殖，逐漸地由微生物發展成為多細胞動植物的污損生物層。隨著時間的推移，水下浮鼓和錨鏈上的污損面積越積越大，越積越厚，最終形成大型污損生物層。

超聲波特點以及對海洋生物的影響

超聲波的特點

聲波的分類是按照頻率來劃分的，包括次聲波、正常聲波、超聲波等。其中次聲波是指頻率低于20Hz的機械波，正常聲波是指人耳所能聽到的，頻率在20Hz～20kHz的機械波，超聲波是指頻率高于20kHz的機械波，如下表：

超聲波的頻率高，波長短，能量大、方向性好，幾乎沿直線傳播，穿透能力強，甚至能透過幾米厚的金屬，易于獲得較集中的聲能。雖然人耳感受不到，但很多動物都有完善的發射和接受超聲波的器官，如蚊子、蝙蝠、貓和狗等家禽就能聽到超聲波，西方一種叫做犬笛的口哨用于呼喚愛犬，發出的就是超聲波，還有海豚的“聲納”、蝙蝠的“飛行導航”都也是超聲波，此外在人類醫學超聲波診斷儀，超聲波吸脂美容、超聲波手術以及工業上探測金屬內部缺陷，探傷儀、超聲波清洗器、超聲波焊接器等領域都有廣泛的應用。

超聲波對海洋生物的影響

長期以來，全球有很多的學者在研究超聲波對海洋生物的影響，其中美國加利福尼亞大學曾研究成功一種新法除船體附著物，由發電機、電纜、音響器和安裝物體組成的一套發聲設備，安裝在船體上，可以有效防止軟體動物和藻類附著在船底，隨后專家們曾作類似試驗在一條長10米的鋁快艇上運用上述方法，結果船體上果然沒有附一只軟體動物，更無藻類。由此可以證明，超聲波對海洋生物的生長是有顯著影響的。

我國廈門大學也曾做過關于聲波對海洋生物的影響實驗，實驗采用一定頻率和強度的超聲波對大彈涂魚的魚卵進行輻照，由于受精卵吸收了超聲波的高頻振動能量，并將其轉化為促進胚胎發育的能力，從而達到了提高受精卵孵化率的效果。實驗過程中，當超聲波的強度增強，在水中當超聲波輻射面上的強度達0.3W/cm2時就會出現超聲空化氣泡，超聲處理后，用顯微鏡觀察會看到受精卵內原來清晰的胚體消失，卵膜內呈現為一團絮狀物，即受精卵死亡。實驗結果表明，適當的聲波劑量對海洋生物的作用所產生的聲學生物效應是積極的，可促使生物體向有利的方向產生變異，達到增產的目的，而強度較大的超聲波，在20～200 kHz范圍內的超聲波對海洋附著生物進行驅趕，其效果明顯，可防止海生物附著，對海洋生物有致傷甚至致死的影響。

利用超聲波驅趕燈浮標海洋附著生物的設想

國內超聲波驅趕海生物附著的應用，在船舶、核電站取水口、海上平臺等海洋附著生物防治方面都已經有了比較成熟的技術，但在燈浮標方面卻是鮮有嘗試。

（一）超聲波驅趕海洋附著物的原理

超聲波驅趕燈浮標海生物附著主要是利用超聲波的“空化效應”，即在燈浮標周圍的海水里存在的微小氣泡核在超聲波作用下產生振動，當聲壓達到一定值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然爆破，在氣泡閉合時產生沖擊波，這種膨脹、閉合、振蕩等一系列動力學過程被稱為超聲波空化效應，可以利用這一效應驅趕燈浮標周圍的海洋微生物卵、幼蟲等靠近浮鼓，防止產生粘滑的層狀物生物膜，以達到讓海洋附著物無法附著的目的。

（二）超聲波設備的構成和技術參數要求

截止到目前為止，超聲波防海生物技術已分別應用在海洋石油113FPSO、QHD32-6FPSO（渤海世紀號）、海洋石油161平臺、QK17-2平臺、BZ28-2SCEP平臺，有效防止了海生物帶來的該類影響，并且具有投入少、操作維護簡單、防護效率高等優點，結合以上案例中超聲波應用情況，超聲波驅趕海洋生物在燈浮標方面應大有可為，具體可設計一款如下的設備：該設備共有六部分組成，分別是太陽能電源、超聲波發生器、電源線纜、超聲波換能器、換能器線纜以及遙測遙控模塊等，其中直流電源輸入：DC12V或DC24V，功率不能太大：1W--5W之間，分成3組不同頻率間歇性發射，連續發出頻率為58000Hz的超聲波300ms后停止500ms，然后發射頻率為25000Hz超聲波400ms后停止500ms，再以頻率為46000Hz超聲波800ms后停止500ms，所有頻率組運行完畢后重復以上步驟;主機尺寸最好偏小一些，寬和長在10cm-20cm之間，能夠實現岸基人員隨時監控的功能。具體技術參數要求如下：

利用超聲波驅趕燈浮標海生物附著，因超聲波的傳遞不受空間形狀限制，只要在超聲波的作用范圍內，都能在超聲波空化效應下起到防護作用，而且目前超聲波產生裝置有比較成熟的技術，成本低、操作維護簡單、節能環保、高效等優勢，使得超聲波在驅趕燈浮標海洋附著生物方面有著非常光明的應用前景。

結束語

目前，因超聲波在驅趕燈浮標海洋附著生物還停留在理論階段，如何把理論應用在實際工作中還有待進一步深入研究。雖然該技術在理論上是可行的，并且筆者通過研究也提出了相應的超聲波設備要求和相關的技術參數，但是在具體的實施工作中必然會遇到更多的復雜問題，甚至需要較長時間的實驗和嘗試，在此拋磚引玉，希望能有更多感興趣的航保朋友一起參與研究和探討，爭取能夠早日實現，為我國航海保障事業貢獻力量。

參考文獻

曹文浩，嚴濤，劉永宏等. 海洋生物防污作用機制及應用前景[J]. 生態學雜志，2009，28（1）： 146-151.

周時強，王清池等. 聲波對海洋生物的影響與作用的研究. 海洋技術，2001（02）.

作者簡介：

劉華順，男，漢，1988年10月生，河南駐馬店人，本科，工程師，海口航標處，研究方向：航標管理

作者簡介：

何榮坤，男，漢，1990年4月生，廣東省信宜市人，本科，助理工程師，海口航標處，研究方向：航標管理。