为了发展海洋经济,近年来人们在海中放置了多种海洋监测仪器。然而海洋生物污损对监测仪器的运行产生了严重的干扰。针对这种情况,前期的工作已经设计了海洋水下监测仪器超声清洗装置,并在浮码头初步进行了岸边实验,在不限制功耗的情况下,证明了超声清洗方法的可行性。但是在电能供给有限的浮标上应用,对超声清洗装置提出了严格地功率限制。本文在研究有机玻璃类监测仪器表面污损生物膜的附着机理的基础上,通过数值模拟和有限元分析相结合的方法,优选了超声清洗的工作频率并对板声源的设计进行了优化,得到了限定功率条件下的有机玻璃类监测仪器超声清洗装置的最优设计方案。⑴通过超声空化气泡运动的动力学方程,分析了超声波参数(频率、幅值)以及环境因素(液体的表面张力、周围水体的压力)对超声空化气泡运动的影响。研究表明,降低超声波的频率、增大超声波的幅值、减小液体的表面张力以及降低周围水体的压力均可增强超声空化效应。⑵使用有限元分析软件建立了海洋水下超声清洗系统的模型,通过观察超声波作用在水中小球表面使其产生的形变,确定了超声清洗的工艺条件以及板声源材料。研究表明,当其他条件相同时,超声清洗系统中选择频率为40kHz的超声换能器,TC4钛合金制作的板声源,能够达到最优清洗效果。⑶以薄板弯曲振动理论为基础,推导了在固定边界条件下的一阶阶梯圆盘的振动频率方程,并进行求解。根据求解的频率方程设计了一阶阶梯圆盘,并对其进行模态分析和谐响应分析。⑷使用有限元分析软件建立海洋水下超声清洗的板声源振动模型,对已有板声源进行有限元分析和结构优化,比较两种结构的圆盘表面振幅分布及水下声场分布。同时,分析换能器布阵方式对板声源振动特性的影响,比较在相同频率不同换能器布阵方式下板声源的振动分布,得出合理的布阵方式。⑸设计水下超声清洗装置实验平台,通过扫描电镜研究了超声清洗的不同的工作方式对超声去除效果的影响,并开展超声清洗装置的实海实验。研究证明了优化后的超声清洗装置应用在浮标上可有效地防止海洋水下监测仪器的生物附着,并且当超声作用的总时间相同时,超声间隔时间越短,超声去污的效果越显著。