基于液電效應的智能驅鳥炮設計與試驗

張曉，胡少兵，楊德寬，陳 華，王軍民

（1.長江大學地球物理與石油資源學院，湖北武漢 430100；2.中石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司，山東東營 257086；3.武漢長大物探科技有限公司，湖北武漢 430100）

近年來，隨著我國自然環境不斷改善，鳥類的數量日益增加，破壞農作物的事情也日益增多。因此，有必要在農作物即將成熟階段，采取非捕殺式驅鳥措施，以保障農作物收成[1]。

目前，常用的驅鳥方式包括煤氣炮驅鳥、語音驅鳥、超聲波驅鳥、無人機驅鳥等。但這些驅鳥方式都有各自的缺陷或特定的使用環境，比如煤氣炮爆破聲大，驅鳥效果較好，但卻要攜帶煤氣罐，不夠安全和環保；語音驅鳥和超聲波驅鳥智能化程度高，在開始使用時驅鳥效果也不錯，但時間長了，鳥類容易適應，使用效果會顯著變差；無人機驅鳥只適合在中、高空使用，在果園中受到環境限制，且成本和能耗都較高[2-4]。

鑒于此，針對農田和果園的低空環境，設計了基于液電效應的驅鳥炮。該驅鳥炮可產生不低于煤氣炮的爆鳴聲，具有良好的驅鳥效果和較大的驅鳥范圍，而且比煤氣炮更為安全環保。

1 液電效應的基本原理

當給放置于液體中的正負電極施加脈沖高壓時，電極間液體被瞬間擊穿，形成放電通道，放電通道中的電流可達幾十千安至幾百千安，溫度可達幾千開爾文，在高溫作用下，通道內的液體汽化并迅速膨脹，產生強大的沖擊波和爆鳴聲，如同炸藥爆炸[5-8]。文中驅鳥炮即利用了液電效應將電能轉化為聲能的原理。

2 智能驅鳥炮設計

2.1 驅鳥炮整體設計

驅鳥炮系統整體設計如圖1 所示。

圖1 驅鳥炮系統整體設計

該驅鳥炮系統主要由四個部分組成：智能充放電控制單元（虛線框內部分）、12 V（50 Ah）鋰電池、脈沖電容器、放電電極[9]。儀器工作時，智能充放電控制單元聯通充電系統，斷開放電開關，由12 V 鋰電池給脈沖電容充電，直至脈沖電容達到額定電壓值；然后斷開充電系統，并導通放電開關，脈沖電容的儲能會瞬間通過放電電極釋放，產生爆鳴聲。

2.2 智能充放電控制單元

智能充放電控制單元是該儀器的核心，包含遙控器、MCU主控單元、光電隔離、充電系統、放電開關。

2.2.1 遙控器設計

遙控器面板有兩個功能鍵，若A 鍵持續按下超過5 s，驅鳥炮進入自動工作模式，將按照MCU 主控單元預置程序自動充放電；否則為手動模式，按下A鍵給脈沖電容充電，若想停止充電，只需再次按下A鍵，電能儲存于脈沖電容，按下B 鍵即放電。

遙控器無線信號發送采用的是靈T3A 芯片，MCU 主控單元無線信號接收則采用的是靈R1L 芯片，這兩款芯片是蜂鳥科技開發的配對收發芯片，最大收發距離為100 m。

2.2.2 MCU主控單元設計

采用STM32F103 作為主控單片機，這是當前最常用的單片機類型，文中省略其介紹[10-12]。其主要作用是接收遙控器發來的控制命令，按照命令選擇不同的工作方式，并控制充電和放電系統的工作狀態。

MCU 主控單元程序流程如圖2 所示。

圖2 MCU主控單元流程圖

采用中斷方式響應遙控按鍵。設置了兩個狀態標志，m 狀態標志區分自動模式和手動模式，初始狀態為0，當m=1 時為自動模式，驅鳥炮每隔5 min 自動充放電一次，m=0 時為手動模式，A 鍵控制充電，B 鍵控制放電；s 狀態標志區分A 鍵是否已經被按下過一次，初始狀態為0，s=1 表示A 鍵被按下過一次。

若有鍵按下，MCU 進入中斷服務程序，首先判斷目前是否在自動模式，若在自動模式，則判斷是A鍵還是B 鍵按下，若是A 鍵按下，直接返回；若是B 鍵按下，接著判斷是否持續按鍵超過5 s，如果沒有直接返回，如果超過了5 s，立刻放掉已充的電，停止自動充放電狀態，并將m 置零，然后返回。若在手動模式，則判斷是A 鍵還是B 鍵按下，若是B 鍵按下，直接放電；若是A 鍵按下，判斷A 鍵按下持續時間超過5 s否，不超過5 s，則認為是充電或停止充電命令，超過5 s 則進入自動充放電模式。

2.2.3 光電隔離電路設計

光電隔離電路采用的是HCNR201 芯片，電路圖如圖3 所示，該電路的主要作用就是防止充、放電系統的強電流影響MCU 主控單元[13]。

圖3 光電隔離電路圖

2.2.4 充電系統設計

充電系統框圖如圖4 所示，其主要包括固頻變壓器、三相變壓器、三相整流器。

圖4 充電系統電路框圖

SPWM 固頻變壓器將12 V 直流電逆變為電壓從0 V 到220 V 線性升壓的400 Hz 三相交流電，線性升壓的斜率受MCU 中的脈寬編碼控制；從固頻變壓器出來的400 Hz 三相交流電經過三相變壓器和三相整流器升壓成0～10 kV 線性變化的直流電壓給脈沖電容充電[14]。

2.2.5 放電開關設計

放電開關采用真空斷路器結構，真空斷路器在導通時，由于大電流以及橫向磁場的影響，其觸頭會急劇發熱，當觸頭接觸時，其金屬分子互相滲透，放電結束后，金屬又會迅速冷卻，導致兩個觸頭就如同焊接在一塊，不能彈開。因此，選擇放電開關時，從兩個方面進行了定制加工：第一，與材料商合作，在觸頭原有材料中加入稀土元素，使其保持良好導電性的同時，金屬分子不易互相滲透；第二，改變觸頭接觸面的面積大小、切口形狀，增強其滅弧效果。

2.3 脈沖電容器

脈沖電容器屬于金屬化膜電容器的一種，也被稱作儲能電容器，其特點是能夠較長時間持續充電，而在極短時間內放電，從而形成一個巨大的脈沖功率[15-16]。脈沖電容器充電后的總儲能公式為：

式中，C為電容；U為電容的儲能電壓。

文中所用脈沖電容器額定電壓為10 kV，電容為60 μF，理論儲能3 kJ。

2.4 鋰電池電源

該設計采用12 V、30 Ah 鋰電池作為工作電源。經過現場測試，鋰電池滿電的狀態下，可以支持驅鳥炮充電600 次以上。

假如驅鳥炮采用自動工作模式，每3 min 充放電一次，則每小時20次，以夏日白天14 h 工作時間算，總共需充放電280 次。因此，鋰電池充滿電可以工作兩天。

2.5 放電電極設計與優選

放電電極俗稱炮頭，即使脈沖電容儲能一樣，不同類型的炮頭發出的聲音大小也有很大的區別。該設計中，制作了長短不一的兩種炮頭，并通過試驗對比，加以優選。

炮頭的主體是同軸放電電極，其軸心是由鎢銅合金制作的正極，外殼是不銹鋼負極，正負極之間是尼龍絕緣膠；長炮頭則是在同軸放電電極的基礎上焊接了加長外殼而制成的，因為液電效應需要正負極之間有水，加長外殼后可在炮管內盛水；短炮頭則是在同軸電極上焊接了很短的一圈外殼。

采用同樣的主機，脈沖電容充電至7 kV，分別對兩種炮頭進行放電試驗，將分貝儀放在距離炮頭5 mL處檢測聲壓。試驗數據如表1，觀察試驗現象發現，長炮頭激發的聲壓比短炮頭的低，但水花噴射得卻更高，考慮到該設計的主要目的是發聲驅鳥，因此優選短炮頭。

表1 長短驅鳥炮頭聲壓試驗數據

由于液電效應需要炮頭的正負電極被水淹沒，當把短炮頭垂直向上放置時，其筒內可裝入50 mL水，根據自動放炮間隔時間，控制補水裝置的給水量，每次在放炮間隔時間自動補滿50 mL 水。

3 現場試驗與分析

為了驗證驅鳥炮的實際使用效果，在長江大學武漢校區附近的姚家嶺生態園進行了現場試驗，該生態園有一萬平米左右的果園。

該次試驗主要是為了測試驅鳥炮的有效范圍。采用的是手動放炮方式，每次電容充電至7 kV；采用短炮頭，放炮后手動補水；設計了等間距的10 個測量點，最近的測量點距離炮頭5 m，最遠的50 m，每個測量點利用分貝儀測5 次聲壓，對5 次測量結果取平均作為該測量點的聲壓，試驗數據如表2 所示。

表2 驅鳥炮果園現場聲壓試驗數據

與表2 對應的聲波衰減曲線如圖5 所示。

圖5 聲波衰減曲線

其擬合公式為：

果園試驗結果表明，在距離炮頭25 m 范圍以內，聲壓超過100 dB，現場試驗人員感覺有巨大聲響，觀察周遭鳥類反應，都直接飛走，說明25 m 內驅鳥效果為100%；在距離炮頭50 m內，聲壓依然超過90 dB，現場試驗人員感覺有較大聲響，周遭鳥類部分飛走，還有少部分左右觀察，在連續幾次爆炸過后，也全部飛走，根據觀察統計，在距離炮頭50 m處，單炮驅鳥效果約為80%，而多次放炮的驅鳥效果為100%。因此，認為該驅鳥炮在果園中的有效驅鳥半徑約為50 m，守護面積接近10 000 m2。

4 結論

文中設計的驅鳥炮樣機總重量約為20 kg，生產成本不到1 000元人民幣。果園試驗結果表明，該驅鳥炮的有效驅鳥半徑約為50 m，保護范圍近10 000 m2，可滿足中小型果園或魚塘的驅鳥要求，具有一定的實用價值，性價比較高。

該驅鳥炮與市場上的煤氣驅鳥炮相比，更為安全環保，與智能語音驅鳥器相比，驅鳥范圍更大，有一定的市場需求。

智能驅鳥炮是液電效應的一種簡單應用，液電效應在能源勘探、污染治理、破巖等方面都有廣泛應用前景，該設計為研制相關儀器提供了借鑒價值。