超声雾化喷嘴的研究现状及在农业工程中的应用

陆岱鹏　吕晓兰　雷哓晖　张美娜　易中懿

摘要：超声雾化喷嘴主要有压电式和流体动力式2种形式，压电式超声雾化喷嘴适用于中、小流量的喷雾，其目标是对喷雾雾滴粒径的控制，期望得到雾化颗粒在微米级、粒径分布均匀的雾化微粒，在农业工程方面主要应用于超声雾化栽培及超低量喷药方面；而流体动力式超声雾化喷嘴雾化量大、结构简单、射程远、工作可靠，在农业设施加湿降温及设施内病虫害防治方面具有较好的应用前景。从超声雾化喷嘴的工作原理、研究现状及农业应用3个方面的研究成果进行评述。从超声雾化喷嘴的工作原理和研究现状可以得出，改变压电式超声雾化喷嘴的变幅杆形状和前后盖板的材料及改变流体动力式喷嘴的阀芯结构成为今后的重要发展方向。从雾化栽培、农业设施加湿降温及超低量喷药3个方面详细介绍了超声雾化喷嘴在农业工程方面的应用及特点。最后，对超声雾化喷嘴今后的研究方向进行了展望。

关键词：超声雾化；压电换能式；流体动力式；喷嘴；农业应用

中图分类号： S491文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0255-04

收稿日期：2016-12-13

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金编号：CX（15）1033]。

作者简介：陆岱鹏（1987—），男，江苏滨海人，硕士，助理研究员，主要从事农业机械设计及仿真研究。Tel：（025）84391123；E-mail：ludaipeng@163com。

通信作者：易中懿，博士，研究员，博士生导师，主要从事农业机械化技术与宏观发展政策研究。Tel：（025）84391661；E-mail：yzy201@163com。

超声雾化喷嘴主要有压电式和流体动力式2种形式，压电式超声雾化喷嘴产生的雾滴具有雾滴粒径细小、雾滴大小分布均匀、雾滴高度圆整性、相对较大的雾化量和液体输送压力低等优点1]，因此被广泛地应用于雾化栽培2]、超低量喷药3]、药剂雾化治疗4-6]、半导体刻蚀7]、电子产品盐雾试验以及光谱分析、制备电子陶瓷薄膜和粉体、光学材料、贵金属材料等方面8-9]。而流体动力式超声雾化喷嘴具有雾化量大、结构简单、射程远及工作可靠等优点，主要应用在高温燃烧10]、工业除尘11]及设施加湿降温等方面12]。本文从超声雾化喷嘴的工作原理、研究现状及农业应用3方面研究成果展开评述。

1超声雾化喷嘴的结构

按发生超声波的声源不同来分，超声波雾化喷嘴可分为2类，即压电式和流体动力式。压电式超声雾化喷嘴的结构如图1所示，喷嘴由压电换能器和变幅杆组成，当液体到达喷嘴前端的雾化面时，受表面张力及亲和力的作用，在喷孔端口形成薄液层，薄液层在超声波振动下激起表面张力波，当振动面的振幅达到一定值时，液滴即从波峰上飞出而雾化13]。

流体动力式超声雾化喷嘴的结构如图2所示，主要包括喷嘴和共振腔2个部分。空气压缩机射流出来的压缩空气经气管后，由进气口1流入超声雾化喷嘴内，再经过导流管5以很高的速度从喷嘴出口6射出， 同时射入到共振腔内进而产生超声波。当进水口3供入水后，也从喷嘴出口6射出，射流出来的水滴在超声波的作用下产生破碎14]。

2超声雾化喷嘴的研究现状

压电式超声雾化喷嘴的雾化面的振幅是决定雾化性能的最主要参数15]，因此通过设计雾化振子的母线形状及雾化振子的材料，可以增加振幅放大系数，提高喷嘴的雾化面的振幅是压电式超声雾化喷头研究的一个重要发展方向。流体动力式超声雾化喷嘴的雾化性能除了与喷嘴的气液比有关，喷嘴内部阀芯结构对雾化性能也有着显著的影响16]，而优化喷嘴阀芯结构是改善其雾化性能的一个研究热点。

台湾国立中兴大学精密工程研究所的Wang等设计了一种带有贝塞尔曲线形变幅杆的压电式超声雾化喷嘴，其具体的结构如图3所示，结果表明，在相同长度和相同雾化面积的情况下，带有贝塞尔曲线形变幅杆的压电式超声雾化喷嘴的振幅比传统的悬链式超声雾化喷嘴提高了71%17-18]。

Sono-Tek公司研制的超聲波雾化喷嘴的结构如图4所示，该超声雾化喷嘴的前盖板6和后盖板2中，至少有1个是陶瓷材料制成。研究表明，声音在陶瓷材料中的传播速度是金属材料的23～27倍。当前、后盖板都采用金属材料时，喷嘴的振动频率最高可达120 kHz，然而当前、后盖板采用陶瓷材料时，它的工作频率大大提高，可以达到250 kHz。因此，对于一给定的液体，雾滴的数量中径下降了061倍。而且由于喷嘴频率的提高，喷嘴雾化端5的截面积也相应增加，所以该雾化喷嘴的雾化量也比一般金属的前、后盖板大得多，约可达到600 mLmin19]。

燕山大学的杨超等设计了一种基于拉瓦尔效应的超音速喷嘴，其结构如图5所示，适用于农业喷洒和植被降温领域，喷嘴的辅助气压为03～06 MPa，水压为01～04 MPa，雾滴粒径可达 1852 μm。上述研究中还提出了流体动力式超声雾化喷嘴的阀芯结构对雾化性能有显著影响，拉瓦尔式喷嘴在雾化性能和效果上优于传统的锥形结构喷嘴，而优化喷嘴阀芯结构是改善其雾化性能的一个研究热点20-21]

3超声雾化喷嘴的农业应用

超声雾化被广泛地应用在雾化栽培、农业设施加湿降温、植物保护、超声喷涂、药剂雾化治疗、半导体刻蚀、电子产品盐雾试验以及光谱分析、制备电子陶瓷薄膜和粉体、光学材料、贵金属材料、高温燃烧场合等领域。本文着重介绍超声雾化在农业领域的应用及所采用的超声雾化喷嘴在形式和结构方面的特点。

31雾化栽培

雾化栽培中植物根系生长在相对湿度为100%的空气中，氧气得以最大化供给，水、肥通过雾化方式提供，只要营养液配方正确，根系将处于最佳的水、气、肥环境中，使植物发挥出最大的生长潜能。与常规栽培模式相比，雾化栽培具有节水节肥、提高植物生长速度等优点，是速生高产、环境友好型的植物生产模式22]。endprint

江苏大学高建民等设计了一种桁架式超声雾化栽培器，其超声雾化喷头采用高频压电振子（图6），工作频率为 180 kHz，直径为12 mm，厚度为15 mm，雾化量为500 mLh，驱动电压为30 V23]。江苏省农业科学院闻婧等设计了一种新型超声波雾化栽培装置，其超声雾化喷头为直径20 mm、厚度15 mm的高频压电振子，雾化量为3 Lh，功率为 250 W24]。由上述研究可知，应用于超声雾化栽培的喷头多采用高频压电振子，具有结构简单、驱动电压低、可产生超细雾滴等优点，但是该雾化振子在高频振荡下容易达到疲劳极限，可靠性不高。

针对高频压电振子容易达到疲劳极限、可靠性不高的缺点，江苏大学农业工程研究院高建民等设计了工作频率为 28 kHz 的低频超声雾化栽培喷头及60 kHz的微型指数振子超声雾化喷头（图7），28 kHz的超声雾化喷头在110 V电压驱动下，雾滴体积中径为1623 μm，60 kHz的超声雾化喷头在36 V电压驱动下，雾滴体积中径为5471 μm，2种喷嘴的流量均为35 mLmin，均能满足超声雾化栽培的要求，同时还提出压电式超声雾化喷嘴的变幅杆结构对雾化性能有显著影响，指数形变幅杆在雾化性能和效果上优于传统的锥形结构喷嘴，而优化变幅杆结构是改善其雾化性能的一个研究热点25-27]。

32农业设施加湿降温

我国南方大部分地区夏季气温高，室外温度常在30 ℃以上，且持续时间较长，因此常使得南方农业设施内部温度超过40 ℃，对设施内的多数农作物造成高温影响，很大程度上限制了作物的正常生长，不利于南方农业设施的发展。南方农业设施夏季降温已成为一个亟待解决的问题。喷雾降温技术不但能够迅速降低环境温度，而且能够使空气中含有大量的负离子，增加空气湿度的同时，还可以净化空气，优化环境28]。喷雾降温的方式主要有高压喷雾和超声喷雾，高压喷雾存在对水质要求较高，且须要经常对喷嘴进行清洗等维护工作的缺点，而超声喷雾采用的是流体动力式超声雾化喷嘴，其结构简单，雾化量大，射程远，雾滴粒径小，可达到十几微米，能迅速弥漫整个设施内部，起到加湿降温的效果29]。

太原理工大学刘旭泽等设计了流体动力式超声雾化喷嘴（图8），其辅助气压为03～06 MPa，水压为01～04 MPa，气压由03 MPa升到05 MPa时，雾滴粒径由几十微米迅速降低到十几微米，但是从05 Mpa升到06 Mpa时，雾滴粒径基本没有差异30]。

33超低量喷药

超低容量精确喷雾技术可以提高农药的利用率，减少农药使用量，可实现05 mLm2的施药量，雾滴大小在5～50 μm 范围内31-33]。华南农业大学数学与信息学院张建桃等根据超声雾化换能器的工作原理和农药喷施对换能器提出的雾化要求设计了一种频率为153 MHz的农用超声雾化换能器，它由文氏管、容腔、橡胶垫圈、超声振子、法兰盖、平垫圈和螺栓等零件组成（图9）。其中，超声振子由压电陶瓷圆片和不锈钢薄片组成。换能器超声振子的直径为25 mm，厚度为12 mm。试验结果表明，93%的霧滴颗粒直径分布在设定的3～5 μm范围内，可实现超低容量喷雾34]。

4超声雾化喷嘴的前景展望

本文从超声雾化喷嘴的工作原理、研究现状及农业应用3个方面的研究成果进行评述，着重介绍了超声雾化喷嘴在雾化栽培、农业设施加湿降温及超低量喷药3个方面的应用。综合国内外研究学者对超声雾化喷嘴的研究进展及农业应用总结出以下几个研究方向：

（1）对压电式超声雾化喷嘴的变幅杆进行优化设计，提高喷嘴雾化面的振幅，可以得到超细雾滴CM（25]。（2）由于声波在陶瓷材料中的传播速度是金属材料的23～27倍，故当前、后盖板都采用陶瓷材料时，它的工作频率大大提高；由于声波在硅中的传播速度比在金属材料中快，且可以用微机电系统（MEMS）进行大规模地制造，故基于硅的高频超声雾化喷嘴也是压电式喷嘴的发展趋势。

（3）在喷嘴气液比恒定的情况下，流体动力式超声雾化喷嘴的阀芯结构对雾化性能有显著影响，优化喷嘴阀芯结构是改善其雾化性能的一个研究热点。

（4）结合压电式超声雾化喷嘴及流体式超声雾化喷嘴的优点，设计压电二相流超声雾化喷嘴是一种新的发展方向。它能够在低能耗的情况下产生大量的超细雾滴，以克服传统技术无法同时兼顾雾化量大、雾滴粒径细、能耗低、射程远及定向喷雾不足等缺点。

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