水处理套件

Precision Acoustics 可提供一套循环系统，用于对水进行消毒和脱气，以套件形式供应，供用户自行组装。

概述

纯净无杂质的水对于精确测量声场至关重要，IEC TR62781 就此提供了许多建议。自来水虽然廉价易得，但并不理想，应在用于声学测量前进行处理。水处理套件（WTK）旨在为用户提供解决这些问题的方法。

去离子化

基本原理

自来水中常含有大量溶解的离子物质。最明显的副作用是水导电性增加，可能导致某些共面薄膜水听器的电极之间形成“短路”路径。导电性增加还会为电磁干扰提供传导路径，从而增加水听器接收到的噪声。此外，这些溶解的固体物可能会在水槽内任何物体表面结晶析出。这在“硬水”地区尤为严重，水垢会沉积在水槽内所有物品表面。若水听器上形成此类沉积物，随着污染层增厚，水听器灵敏度将逐渐下降。

即将发布的 IEC62127-1 标准（详述超声水听器的使用）建议，对于涉及非屏蔽膜水听器的测量，电导率不应超过 5 mS。IEC61102 也建议了相同的数值，IEC61161 同样建议使用蒸馏水。

预防措施

• 离子交换树脂：此类树脂含有阴离子和阳离子试剂的混合物，可将所有溶解离子替换为其相应的氢离子或氢氧根离子，从而得到纯净水。离子交换系统的初始设备成本相对较低，但交换树脂为消耗品，需定期补充。此方法适用于不频繁使用的情况，因为若需处理大量水，运行成本（树脂更换）可能较高。

• 蒸馏：通过煮沸然后重新冷凝水，溶解固体物会留在蒸馏器内表面，得到的水离子含量较低。蒸馏器资本成本虽低，但蒸馏水的去离子效果不如离子交换树脂，通常需要二次或三次蒸馏才能接近离子交换树脂的纯度。此方法最适合于生产大量水且对去离子程度要求不高的情况。

• 反渗透：反渗透使用半透膜，允许待纯化的水通过，同时阻止其他离子和污染物通过。反渗透系统通常较昂贵，但运行成本相对较低。此方法最适合于需要大量高纯度去离子水且能承受较高初始设备成本的应用。

补救措施

若水听器表面已形成碳酸钙（水垢）沉积物，可将水听器受影响部分浸泡在柠檬汁中轻轻去除。其原理是柠檬汁中的柠檬酸与碱性碳酸钙反应将其溶解——但该溶液酸性足够弱，不会损坏水听器其他部件。将水听器浸泡在柠檬汁中不超过 30 分钟，然后用去离子水彻底冲洗，再自然风干。

切勿用布或纸巾擦拭水听器，否则可能磨损金电极并造成损坏。

脱气

基本原理

自来水通常溶解气体（主要是氧气）过饱和。气泡会带来严重的实验问题，因为它们几乎是超声的理想反射体，会干扰被测声场。更严重的是，若气泡恰在水听器有效元件前方形成，将阻止超声传播至水听器，导致无法测量。此外，在高声压场中，气泡会产生空化效应，在低频（稳定空化）和高频（惯性空化）产生虚假声学信号。应特别注意避免惯性空化，因为气泡破裂具有破坏性，若发生在水听器表面，可能会损坏水听器。需注意，肉眼可见宏观气泡，但微观气泡可能难以察觉，却同样会造成问题。

许多国际标准要求使用脱气水，包括 IEC61161、IEC61689、IEC61102、IEC61220、IEC60854 及即将发布的 IEC62127-1。这一问题的重要性使得 IEC61161 Ed 2.0 专门设立附录讨论水脱气方法。

预防措施

有多种脱气方法，但建议参考 IEC61161 Ed2.0 附录 D 或 Fowlkes 和 Carson（1991）以获取更全面的综述。另需注意，所有暴露的水表面都会发生气体再吸收，因此应尽量覆盖水面以防止再吸收。

简要介绍几种脱气方法：

• 真空脱气：对静止水体施加真空时，压力降低使溶解气体无法保持在溶液中。在此条件下，水会像沸腾一样，气泡迅速膨胀并在水面破裂。在强真空下，溶解氧水平可降至 1 mg/L 以下。此方法适用于小量水（如功率平衡所需），但对大量水（如扫描水听器测量槽所需）实施较为困难。

• 减压循环：可视为真空脱气的衍生方法，但能以低成本实现大规模脱气。该系统由大流量泵通过硬壁管连接到静止水体。进水管上安装限流器，使泵试图以超过允许进水量的速度抽水，从而在硬壁管内产生部分真空，溶解气体气泡增大并最终成核形成较大气泡。这些较大气泡（因表面积与体积比更小）不易重新溶解回水中，因此通过泵进入出水管时仍以气泡形式存在，随后浮到水面逸散至大气。需注意进水管和出水管口应尽量置于水槽底部，以防止附近湍流促进气体再吸收。此方法的有效性取决于进水管内所能实现的压降，但配置适当时，氧含量可降至 2–3 mg/L。

• 煮沸：这是一种简单有效的脱气方法。煮沸 5 分钟即可达到可接受的脱气水平（氧含量低于 2 mg/L）。冷却时不应搅拌水，否则会促进气体再吸收。

• 添加亚硫酸钠：亚硫酸钠与水中溶解氧反应。浓度低至 4 g/L 即可使氧含量保持在 2 mg/L 以下至少 40 小时。但该技术会引入大量离子，电导率将升至约 5 mS/cm——这与第 1 节去离子化的努力相悖。此外，亚硫酸钠溶液呈碱性，会对包括铝和镍在内的许多金属造成腐蚀。

生物活性/生长的预防

基本原理

虽然超声测量标准未明确提及，但防止生物生长是一个重要问题。水槽内生物活动最明显的副作用是水变浑浊，呈黄绿色，并可能产生异味。长期暴露的物品表面会形成一层滑腻的薄膜。这些沉积物会像钙化一样影响水听器性能（见第 1 节）。最重要的是，水中细菌生长可能对测量槽使用者的健康构成风险。

预防措施

去除溶解溶质和气体（见第 1、2 节）可通过减少“食物来源”来减缓生物生长。但这些方法无法杀灭已存在的细菌，以下列出几种方法。请注意，化学方法中的任何一种都会重新引入离子，从而影响第 1 节所述的去离子效果。

• 紫外线过滤：高强度紫外线照射是杀灭水中细菌的有效方法。市面上有多种紫外线过滤器，可串联安装在现有循环水处理系统中。

• 氯基化学品：氯基化学品常用于游泳池的抑菌处理。有时也用作测量槽的抗菌剂，但高浓度氯溶液可能导致织物褪色。此外，长期皮肤接触可能导致使用者皮肤过敏和刺激。

• 铜基化学品：铜基化合物广泛用于海洋工业作为防污剂，也有专门用于游泳池的铜基溶液。但需注意铜可能与其他金属（尤其是铝）发生反应，也可能与常见于水听器和换能器的薄金电极反应，从而降低器件灵敏度。

悬浮颗粒物的去除

基本原理

超声测量标准同样未明确提及悬浮颗粒物问题。但水中悬浮颗粒增加会导致高频散射增强，从而增加衰减。悬浮物最常见的来源是空气中颗粒物（灰尘）落入水槽。此外，换能器和水听器进出测量槽时也常引入悬浮颗粒。由于许多颗粒物为有机物质，它们也是生物活动的“食物来源”。因此，去除悬浮颗粒物可抑制生物生长，同时提高水的透明度。

预防措施

• 颗粒过滤：带颗粒过滤器的循环系统可显著降低悬浮物含量。常见方法是采用两级过滤：粗滤器（如 5 μm）去除大部分颗粒物，后续精滤器（如 1 μm 以下）去除残留悬浮物。

• 覆盖水面：薄塑料膜或空心塑料球（如聚丙烯）可有效防止空气中碎屑落入水槽。这些方法也可减少暴露于空气的表面积，从而减少气体再吸收。

关键参数摘要（表格）

技术规格

脱气速率

气体在水中的溶解度是温度和压力的函数。此外，气体重新溶解到水中仅发生在与空气接触的水表面附近。因此，水槽中水的暴露表面积和体积也是重要的考量因素。最后，如果表层水受到扰动或混合，重新溶解气体的水将被带入水槽内部，使溶解气体分布在整个水体中。

下图 显示了具有以下参数的水体的脱气性能曲线：

• 水量：480 升

• 暴露表面积：0.8 m²

• 环境条件：21°C，1030 mbar

• 混合/扰动：无

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