超聲霧化噴嘴的研究現狀及在農業工程中的應用

陸岱鵬　呂曉蘭　雷嘵暉　張美娜　易中懿

摘要：超聲霧化噴嘴主要有壓電式和流體動力式2種形式，壓電式超聲霧化噴嘴適用于中、小流量的噴霧，其目標是對噴霧霧滴粒徑的控制，期望得到霧化顆粒在微米級、粒徑分布均勻的霧化微粒，在農業工程方面主要應用于超聲霧化栽培及超低量噴藥方面；而流體動力式超聲霧化噴嘴霧化量大、結構簡單、射程遠、工作可靠，在農業設施加濕降溫及設施內病蟲害防治方面具有較好的應用前景。從超聲霧化噴嘴的工作原理、研究現狀及農業應用3個方面的研究成果進行評述。從超聲霧化噴嘴的工作原理和研究現狀可以得出，改變壓電式超聲霧化噴嘴的變幅桿形狀和前后蓋板的材料及改變流體動力式噴嘴的閥芯結構成為今后的重要發展方向。從霧化栽培、農業設施加濕降溫及超低量噴藥3個方面詳細介紹了超聲霧化噴嘴在農業工程方面的應用及特點。最后，對超聲霧化噴嘴今后的研究方向進行了展望。

關鍵詞：超聲霧化；壓電換能式；流體動力式；噴嘴；農業應用

中圖分類號： S491文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0255-04

收稿日期：2016-12-13

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金編號：CX（15）1033]。

作者簡介：陸岱鵬（1987—），男，江蘇濱海人，碩士，助理研究員，主要從事農業機械設計及仿真研究。Tel：（025）84391123；E-mail：ludaipeng@163com。

通信作者：易中懿，博士，研究員，博士生導師，主要從事農業機械化技術與宏觀發展政策研究。Tel：（025）84391661；E-mail：yzy201@163com。

超聲霧化噴嘴主要有壓電式和流體動力式2種形式，壓電式超聲霧化噴嘴產生的霧滴具有霧滴粒徑細小、霧滴大小分布均勻、霧滴高度圓整性、相對較大的霧化量和液體輸送壓力低等優點1]，因此被廣泛地應用于霧化栽培2]、超低量噴藥3]、藥劑霧化治療4-6]、半導體刻蝕7]、電子產品鹽霧試驗以及光譜分析、制備電子陶瓷薄膜和粉體、光學材料、貴金屬材料等方面8-9]。而流體動力式超聲霧化噴嘴具有霧化量大、結構簡單、射程遠及工作可靠等優點，主要應用在高溫燃燒10]、工業除塵11]及設施加濕降溫等方面12]。本文從超聲霧化噴嘴的工作原理、研究現狀及農業應用3方面研究成果展開評述。

1超聲霧化噴嘴的結構

按發生超聲波的聲源不同來分，超聲波霧化噴嘴可分為2類，即壓電式和流體動力式。壓電式超聲霧化噴嘴的結構如圖1所示，噴嘴由壓電換能器和變幅桿組成，當液體到達噴嘴前端的霧化面時，受表面張力及親和力的作用，在噴孔端口形成薄液層，薄液層在超聲波振動下激起表面張力波，當振動面的振幅達到一定值時，液滴即從波峰上飛出而霧化13]。

流體動力式超聲霧化噴嘴的結構如圖2所示，主要包括噴嘴和共振腔2個部分?？諝鈮嚎s機射流出來的壓縮空氣經氣管后，由進氣口1流入超聲霧化噴嘴內，再經過導流管5以很高的速度從噴嘴出口6射出， 同時射入到共振腔內進而產生超聲波。當進水口3供入水后，也從噴嘴出口6射出，射流出來的水滴在超聲波的作用下產生破碎14]。

2超聲霧化噴嘴的研究現狀

壓電式超聲霧化噴嘴的霧化面的振幅是決定霧化性能的最主要參數15]，因此通過設計霧化振子的母線形狀及霧化振子的材料，可以增加振幅放大系數，提高噴嘴的霧化面的振幅是壓電式超聲霧化噴頭研究的一個重要發展方向。流體動力式超聲霧化噴嘴的霧化性能除了與噴嘴的氣液比有關，噴嘴內部閥芯結構對霧化性能也有著顯著的影響16]，而優化噴嘴閥芯結構是改善其霧化性能的一個研究熱點。

臺灣國立中興大學精密工程研究所的Wang等設計了一種帶有貝塞爾曲線形變幅桿的壓電式超聲霧化噴嘴，其具體的結構如圖3所示，結果表明，在相同長度和相同霧化面積的情況下，帶有貝塞爾曲線形變幅桿的壓電式超聲霧化噴嘴的振幅比傳統的懸鏈式超聲霧化噴嘴提高了71%17-18]。

Sono-Tek公司研制的超聲波霧化噴嘴的結構如圖4所示，該超聲霧化噴嘴的前蓋板6和后蓋板2中，至少有1個是陶瓷材料制成。研究表明，聲音在陶瓷材料中的傳播速度是金屬材料的23～27倍。當前、后蓋板都采用金屬材料時，噴嘴的振動頻率最高可達120 kHz，然而當前、后蓋板采用陶瓷材料時，它的工作頻率大大提高，可以達到250 kHz。因此，對于一給定的液體，霧滴的數量中徑下降了061倍。而且由于噴嘴頻率的提高，噴嘴霧化端5的截面積也相應增加，所以該霧化噴嘴的霧化量也比一般金屬的前、后蓋板大得多，約可達到600 mLmin19]。

燕山大學的楊超等設計了一種基于拉瓦爾效應的超音速噴嘴，其結構如圖5所示，適用于農業噴灑和植被降溫領域，噴嘴的輔助氣壓為03～06 MPa，水壓為01～04 MPa，霧滴粒徑可達 1852 μm。上述研究中還提出了流體動力式超聲霧化噴嘴的閥芯結構對霧化性能有顯著影響，拉瓦爾式噴嘴在霧化性能和效果上優于傳統的錐形結構噴嘴，而優化噴嘴閥芯結構是改善其霧化性能的一個研究熱點20-21]

3超聲霧化噴嘴的農業應用

超聲霧化被廣泛地應用在霧化栽培、農業設施加濕降溫、植物保護、超聲噴涂、藥劑霧化治療、半導體刻蝕、電子產品鹽霧試驗以及光譜分析、制備電子陶瓷薄膜和粉體、光學材料、貴金屬材料、高溫燃燒場合等領域。本文著重介紹超聲霧化在農業領域的應用及所采用的超聲霧化噴嘴在形式和結構方面的特點。

31霧化栽培

霧化栽培中植物根系生長在相對濕度為100%的空氣中，氧氣得以最大化供給，水、肥通過霧化方式提供，只要營養液配方正確，根系將處于最佳的水、氣、肥環境中，使植物發揮出最大的生長潛能。與常規栽培模式相比，霧化栽培具有節水節肥、提高植物生長速度等優點，是速生高產、環境友好型的植物生產模式22]。endprint

江蘇大學高建民等設計了一種桁架式超聲霧化栽培器，其超聲霧化噴頭采用高頻壓電振子（圖6），工作頻率為 180 kHz，直徑為12 mm，厚度為15 mm，霧化量為500 mLh，驅動電壓為30 V23]。江蘇省農業科學院聞婧等設計了一種新型超聲波霧化栽培裝置，其超聲霧化噴頭為直徑20 mm、厚度15 mm的高頻壓電振子，霧化量為3 Lh，功率為 250 W24]。由上述研究可知，應用于超聲霧化栽培的噴頭多采用高頻壓電振子，具有結構簡單、驅動電壓低、可產生超細霧滴等優點，但是該霧化振子在高頻振蕩下容易達到疲勞極限，可靠性不高。

針對高頻壓電振子容易達到疲勞極限、可靠性不高的缺點，江蘇大學農業工程研究院高建民等設計了工作頻率為 28 kHz 的低頻超聲霧化栽培噴頭及60 kHz的微型指數振子超聲霧化噴頭（圖7），28 kHz的超聲霧化噴頭在110 V電壓驅動下，霧滴體積中徑為1623 μm，60 kHz的超聲霧化噴頭在36 V電壓驅動下，霧滴體積中徑為5471 μm，2種噴嘴的流量均為35 mLmin，均能滿足超聲霧化栽培的要求，同時還提出壓電式超聲霧化噴嘴的變幅桿結構對霧化性能有顯著影響，指數形變幅桿在霧化性能和效果上優于傳統的錐形結構噴嘴，而優化變幅桿結構是改善其霧化性能的一個研究熱點25-27]。

32農業設施加濕降溫

我國南方大部分地區夏季氣溫高，室外溫度常在30 ℃以上，且持續時間較長，因此常使得南方農業設施內部溫度超過40 ℃，對設施內的多數農作物造成高溫影響，很大程度上限制了作物的正常生長，不利于南方農業設施的發展。南方農業設施夏季降溫已成為一個亟待解決的問題。噴霧降溫技術不但能夠迅速降低環境溫度，而且能夠使空氣中含有大量的負離子，增加空氣濕度的同時，還可以凈化空氣，優化環境28]。噴霧降溫的方式主要有高壓噴霧和超聲噴霧，高壓噴霧存在對水質要求較高，且須要經常對噴嘴進行清洗等維護工作的缺點，而超聲噴霧采用的是流體動力式超聲霧化噴嘴，其結構簡單，霧化量大，射程遠，霧滴粒徑小，可達到十幾微米，能迅速彌漫整個設施內部，起到加濕降溫的效果29]。

太原理工大學劉旭澤等設計了流體動力式超聲霧化噴嘴（圖8），其輔助氣壓為03～06 MPa，水壓為01～04 MPa，氣壓由03 MPa升到05 MPa時，霧滴粒徑由幾十微米迅速降低到十幾微米，但是從05 Mpa升到06 Mpa時，霧滴粒徑基本沒有差異30]。

33超低量噴藥

超低容量精確噴霧技術可以提高農藥的利用率，減少農藥使用量，可實現05 mLm2的施藥量，霧滴大小在5～50 μm 范圍內31-33]。華南農業大學數學與信息學院張建桃等根據超聲霧化換能器的工作原理和農藥噴施對換能器提出的霧化要求設計了一種頻率為153 MHz的農用超聲霧化換能器，它由文氏管、容腔、橡膠墊圈、超聲振子、法蘭蓋、平墊圈和螺栓等零件組成（圖9）。其中，超聲振子由壓電陶瓷圓片和不銹鋼薄片組成。換能器超聲振子的直徑為25 mm，厚度為12 mm。試驗結果表明，93%的霧滴顆粒直徑分布在設定的3～5 μm范圍內，可實現超低容量噴霧34]。

4超聲霧化噴嘴的前景展望

本文從超聲霧化噴嘴的工作原理、研究現狀及農業應用3個方面的研究成果進行評述，著重介紹了超聲霧化噴嘴在霧化栽培、農業設施加濕降溫及超低量噴藥3個方面的應用。綜合國內外研究學者對超聲霧化噴嘴的研究進展及農業應用總結出以下幾個研究方向：

（1）對壓電式超聲霧化噴嘴的變幅桿進行優化設計，提高噴嘴霧化面的振幅，可以得到超細霧滴CM（25]。（2）由于聲波在陶瓷材料中的傳播速度是金屬材料的23～27倍，故當前、后蓋板都采用陶瓷材料時，它的工作頻率大大提高；由于聲波在硅中的傳播速度比在金屬材料中快，且可以用微機電系統（MEMS）進行大規模地制造，故基于硅的高頻超聲霧化噴嘴也是壓電式噴嘴的發展趨勢。

（3）在噴嘴氣液比恒定的情況下，流體動力式超聲霧化噴嘴的閥芯結構對霧化性能有顯著影響，優化噴嘴閥芯結構是改善其霧化性能的一個研究熱點。

（4）結合壓電式超聲霧化噴嘴及流體式超聲霧化噴嘴的優點，設計壓電二相流超聲霧化噴嘴是一種新的發展方向。它能夠在低能耗的情況下產生大量的超細霧滴，以克服傳統技術無法同時兼顧霧化量大、霧滴粒徑細、能耗低、射程遠及定向噴霧不足等缺點。

參考文獻：

1]ZK（#]Rajan R，Pandit A B Correlations to predict droplet size in ultrasonic atomizationJ] Ultrasonics，2001，39（4）：235-255

2]徐偉忠，王利炳，詹喜法，等 一種新型栽培模式——氣霧培的研究J] 廣東農業科學，2006（7）：30-33

3]張建桃，文晟，江定心，等 超聲霧化在超低量噴霧中的應用前景J] 中國植保導刊，2014，34（10）：67-70

4]Gareth M F，James F Production of biodegradable nano and micro particles via ultrasonic atomization for biopharmaceutical deliveryC] Proceedings of the 2006 WSEAS Int，2006：128-130

5]Ho J，Wang H，Forde G M Process considerations related to the microencapsulation of plasmid DNA via ultrasonic atomizationJ] Biotechnology and Bioengineering，2008，101（1）：172-181endprint

6]Zhang Z G，Cai L C Medical ultrasonic atomizer design parameters analysisC] International Conference on Biomedical Engineering and Informatics IEEE，2010：1519-1522

7]馬海力 納米結構ZnO超聲霧化熱解噴涂法制備與摻雜特性研究D] 廣州：華南理工大學，2014

8]黃衛星 超聲霧化試驗研究D] 鎮江：江蘇大學，2007

9]向東，瞿德剛，牟鵬，等 節省光刻膠的超聲霧化噴涂工藝霧錐特性研究J] 機械工程學報，2013，49（7）：13-20

10]ZK（#]王建勛 流體動力式超聲波燃油燃燒器的霧化特性研究D] 北京：北京工業大學，2010

11]王光旭，徐國棟，劉文婧，等 應用電聲換能超聲波霧化方法提高超細顆粒捕集效率J] 環境工程學報，2013，7（1）：294-300

12]戴麗燕，王東軍，郝文閣 超聲霧化增濕降溫強化高比電阻粉塵靜電收塵效果J] 有色礦冶，2016，32（5）：48-51

13]高建民，任寧，顧峰，等 低頻超聲霧化噴頭優化設計及試驗J] 江蘇大學學報（自然科學版），2009，30（1）：1-4

14]劉旭澤 超聲霧化噴嘴的研究D] 太原：太原理工大學，2016

15]Vukasinovic B，Smith M K，Glezer A Mechanisms of free surface breakup in vibration-induced liquid atomizationJ] Physics of Fluids，2007，19（1）：13-20

16]Gerdroodbary M B，Jahanian O，Mokhtari M Influence of the angle of incident shock wave on mixing of transverse hydrogen micro-jets in supersonic crossflowJ] International Journal of Hydrogen Energy，2015，40（30）：9590-9601

17]Wang D A，Chuang W Y，Hsu K，et al Design of a bézier-profile Horn for high displacement amplificationJ] Ultrasonics，2011，51（2）：148-156

18]Roopa Rani M，Rudramoorthy R Computational modeling and experimental studies of the dynamic performance of ultrasonic Horn profiles used in plastic weldingJ] Ultrasonics，2013，53（3）：763-772

19]Harvey L B，Park H，Mowbray D F Ultrasonic atomizing nozzle and method：US7712680 P] 2010-05-11

20]楊超，陳波，姜萬錄，等 基于拉瓦爾效應的超音速噴嘴霧化性能分析與試驗J] 農業工程學報，2016，32（19）：57-64

21]王平，劉學山，喬立民 軸對稱拉瓦爾噴管流場分析J] 飛機設計，2013，33（2）：23-26

22]湯靜 中、低頻超聲霧化栽培系統關鍵部件設計及霧培試驗研究D] 鎮江：江蘇大學，2016

23]高建民，黃桂珍，尹文楚，等 桁架式超聲霧化栽培器的霧滴沉降和根際溫濕度變化規律J] 農業工程學報，2013，29（6）：185-192

24]聞婧，程瑞鋒，孟力力，等 超聲波霧化栽培裝置的研制和應用效果J] 江西農業學報，2012，24（1）：23-25HJ174mm]

25]高建民，陸岱鵬，劉昌鑑，等 微型指數振子低頻超聲霧化噴頭的研制及噴霧試驗J] 農業工程學報，2014，30（4）：40-46

26]任寧 基于聚焦式超聲懸浮的低頻超聲霧化噴頭仿真及試驗研究D] 鎮江：江蘇大學，2008

27]任寧，高建民 低頻超聲霧化栽培噴頭阻抗特性的數值模擬J] 農業工程學報，2009，25（5）：115-118

28]萬正林，李立志，鄧儉英，等 南方農業設施常用降溫方法及其基本原理J] 廣西農業科學，2010，41（7）：739-741

29]陳昭輝，劉媛媛，吳中紅，等 噴霧與縱向負壓通風相結合的封閉牛舍降溫效果J] 農業工程學報，2016，32（19）：211-218

30]劉旭澤，高貴軍 基于Hartmann哨超聲噴嘴的霧化特性研究J] 真空科學與技術學報，2016，36（3）：268-272

31]周海燕，楊炳南，嚴荷榮，等 我國高效植保機械應用現狀及發展展望J] 農業工程，2014，4（6）：4-6

32]Ferguson J C，Gaussoin R E，Eastin J A，et al Effect of application carrier volume on a conventional sprayer system and an ultra-low volume sprayerJ] Pesticide Formulation and Delivery Systems，2014，23：13-22

33]Ferguson J C，Gaussoin R E，Eastin J A，et al Comparison of herbicide efficacy and adjuvants using a conventional sprayer and an ultra-low volume sprayerJ] Pesticide Formulation and Delivery Systems，2014，33：23-25

34]張建桃，李晟華，文晟，等 農用超聲霧化換能器參數優化設計與試驗J] 農業工程學報，2015，31（12）：8-15endprint