超声雾化系统的设计与开发开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1超声波雾化简介

超声学是一门研究频率高于人耳可闻域上限（18kHz）的声音的学科，主要研究超声波的产生方法，传播规律以及应用。超声波具有以下几个优点：

①超声波有良好的指向性—频率越高，指向性越强。

②随着频率的提高，波长可以变得很短，在测量领域中可以达到很高的分辨率。

③由于超声波的频率高于人耳的可闻极限，所以用起来很安静。

正是因为超声波具有这样的优点，超声波的应用越来越广泛，超声雾化就是其中之一。

超声波雾化主要分为两大类：流体动力式和压电换能式。流体动力式超声波喷雾器能大流量的喷雾，但产生的雾滴粒径大，分布范围也较大。而压电换能式超声波喷雾器可以进行小流量喷雾，且产生的雾滴尺寸分布均匀，更加适用于要求喷洒流量低、雾滴粒径细小的应用场合^[1]，因而，现在普遍应用的是压电换能式。

超声雾化具有雾滴细小、大小分布均匀、高度圆整性、雾化量相对较大、液体输送压力低和喷雾速度非常低（典型的轴向平均液滴速度是V=1m/s）等优点，且超声雾化喷嘴具有能量损耗低和无堵塞的特性^[2]，由于超声雾化能在很低的液体传输速度下获得极佳的雾化质量，所以在各个领域有着普遍的应用。在医学方面，通过超声雾化药物，直接通过呼吸道给药，有效地治疗各种急慢性呼吸道疾病、鼻炎、哮喘以及慢性阻塞性肺部疾病等病痛^[3]。在农业方面，可以通过超声雾化农药、化肥，减少其用量并提高利用效率，同时可以有效的降低环境污染^[4]。在工业方面，超声雾化技术被应用于半导体刻蚀、电子产品盐雾试验、光谱分析、喷雾干燥、喷雾热解液相气相化学沉积、熔融液滴沉积、喷涂以及材料的制备等。生活方面，超声雾化常用于空气加湿^[5]，既能提高空气湿度，又能使空气中的有害粒子沉积，达到净化空气的效果。总的来说，超声雾化技术的应用越来越广泛了。

1.2典型压电换能式超声波喷雾器简介

1.2.1 超声雾化原理

压电换能式超声波雾化机理：在超声波发生器上通过一定频率的震荡电流，产生高频电能信号，通过换能器将其转换为超声机械振动，超声波通过雾化介质传播，在气液界面形成表面张力波，由于超声空化作用而使液体分子作用力破坏，从液体表面脱出形成雾滴，从而实现液体的雾化。

此类雾化形式主要有两种：一种是压电换能器产生的超声波直接将液体雾化，另一种是产生的超声波通过谐振腔或变幅杆，将振动幅度放大后再将液体雾化。后者的结构示意图如图1^[1]所示。

图1 压电换能式超声波喷雾器结构示意图

1.2.2典型压电换能式超声喷雾器结构

典型的压电换能式超声喷雾器（图1）由两部分组成：换能器和变幅杆。

换能器是可以把一种形式的能量转换成另外一种形式的能量的器件^[6]。压电换能式超声波喷雾器的换能器是将超声能转换为机械能的器件。压电换能器是利用压电效应而工作的，是可逆的。它的工作频率可以从20kHz到10GHz。

超声波变幅杆(超声波变幅器)顾名思义就是配合超声波换能器改变超声波振动幅度的功能组件。它可以把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上即聚能，因此也称超声变速杆或超声聚能器。其主要作用是改变换能器的振幅(一般是增大)、提高振速比、提高效率，提高机械品质因数，加强耐热性，扩大适应温度范围，延长换能器的使用寿命。超声波换能器通过安装变幅杆(超声波变幅器)调整了换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小了谐振阻抗，使其在谐振频率工作提高了电声转换效率，有效降低了超声波换能器的发热量，提高使用寿命。

1.3超声雾化的国内外研究现状

超声雾化系统包含超声波发生系统（电路部分）和超声波雾化喷头（机械部分），现在国内外主要的研究是设计超声波雾化喷头的结构。超声雾化喷头的结构和形式多种多样，通常根据实际需求选择合适的雾化喷头。下面介绍几种典型的超声雾化喷头。

Daniel Sindayihebura等提出了低频超声雾化器的理论设计与实验分析。文中详细介绍了低频超声雾化喷头的设计方法和喷头的材料选择等方面，同时指出要想使雾滴发生雾化，雾化表面的振幅必须大于2μm。文中主要研究带有阶梯形超声雾化聚能器的低频超声雾化器的设计方法和超声雾化器材料的机械阻抗特性对超声雾化面的振幅的影响，具体结构图如下图2所示^[7]。该阶梯型超声雾化变幅杆具有较高的放大系数，但也具有较高的应力集中。

图2 阶梯形超声雾化喷头结构图

美国UCI大学研制了一种新型的硅基高频超声波雾化喷嘴如图3所示^[2]。这种超声波喷雾器是利用MEMS制造工艺基于硅制造的，由换能驱动级和硅基超声波共振级组成。换能驱动级由一对压电换能器中间通过银浆粘合在矩形硅块上构成。超声波共振级是由一节或多节傅里叶喇叭型超声波变幅杆构成，该喷嘴用了3节傅里叶喇叭型变幅杆。其中换能驱动级的矩形硅块和喇叭型共振子的中心开有液体通道，并如图3所示，支撑节点放在在振动幅度为0的位置上。每一节傅里叶喇叭型喷嘴长度为超声波的半波长且振动幅度放大两倍。而其横截面方向的尺寸小于四分之一波长，以保证液体雾化机制主要是超声波的纵向振动引起的，从而使产生的雾滴粒径分布非常集中。三节傅里叶喇叭型的变幅杆级联理论上能够将振动放大8倍，而不需要增大变幅杆输入输出端的面积比。实际工作时雾化频率比理论的共振频率稍微低些，这是由于受到换能驱动级中粘合换能器和矩形硅块的银浆的影响。1MHz 3节傅里叶喇叭型喷嘴得到的雾化频率为961．3±1．5kHz，比理论计算的工作频率971．1kHz低。在1MHz的驱动电信号下喷嘴产生的雾滴有84％直径小于5．4μm，其雾化流量为300ul／min。在1．5MHz或更高的频率下喷嘴产生的雾滴粒径分布更加细微且分布更加集中。但是，该雾化喷头所需驱动频率较高，雾化流量小，又因连续使用三节傅里叶喇叭型变幅杆，结构突变多，应力集中也多，导致喷头强度降低，容易折断。

图3 UCI大学研制的压电换能式超声波雾化嚣

Sono-Tek公司是全球超声波喷涂技术的引领者。图4为Sono-Tek公司研制的压电式超声波液体雾化喷嘴的结构示意图^[8]。图中圆片状陶瓷压电换能器一侧直接贴在钛合金的超声变幅杆上，另外一侧也贴在钛合金材料上。采用的钛合金材料具有高抗拉强度和极好的抗腐蚀性。由图看出，喷嘴的两端是超声波振动的波腹位置，此时超声波的振幅在位于喷嘴前端的雾化面时达到最大。由于喷嘴两端都是振动的波腹位置，喷嘴的长度就必须是超声波振动的半波长或者半波长的整数倍。超声波的波长取决于传播材料和振动频率，由于材料为钛合金，因此，波长仅取决于喷嘴的工作频率，喷嘴的尺寸也就取决于其工作频率。一般，高频喷嘴的尺寸比较小，产生的雾滴也比较小，且雾化流量较低。Sono-Tek公司生产的这些钛合金超声波雾化喷嘴工作在几十kHz到上百kHz，产生的雾滴直径在十几μm到几十μm。小流量喷嘴的雾化流量大约在0.3ml/s左右，最大流量的喷嘴可达6ml/s左右。

图4 Sono-Tek公司研制的压电换能式超声波雾化喷头

台湾国立中兴大学精密工程研究所Dung．An．Wang等，运用有限元分析方法

和多目标最优化算法相结合，设计了一种带有贝塞尔曲线形超声雾化喷头聚能器

的压电式超声雾化喷嘴，具体结构如下图5所示^[9]。基于有限元分析软件ANSYS得出贝塞尔曲线形超声雾化喷头聚能器的最大应力云值远低于悬链形超声雾化喷头聚能器。对超声雾化喷头的样机，进行振幅大小的试验，试验结果表明：在相同长度和相同雾化面积的情况下，带有贝塞尔曲线形超声雾化喷头聚能器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的振幅提高了71％。此外，在相同的工作频率和电压幅值时，与传统的悬链形和阶梯形超声雾化喷头聚能器相比贝塞尔曲线形超声雾化喷嘴的效率更高，并且它具有高的振幅放大和低的应力集中。

图5 贝塞尔曲线形超声雾化喷头结构图

江苏大学的高建民和陆岱鹏等人设计了2种超声雾化喷头聚能器，分别是傅里叶型超声雾化喷头聚能器和带有指数形过渡段的阶梯型超声雾化喷头聚能器，并对2种超声雾化喷头聚能器的谐振频率、振幅比大小和最大应力做了分析，最后选择带有指数形过渡段的阶梯型超声雾化喷头聚能器（图6）^[11]。

根据频率方程确定了微型指数振子低频超声雾化喷头的基本尺寸，建立了喷头的有限单元模型，根据该模型进行了喷头的模态分析和谐响应分析。该喷头的谐振频率计算值为61550Hz，驱动电压为36V时雾化面振幅计算值为8μm；应用阻抗分析仪Pvc70A和激光微位移传感器CD5．L25对该喷头样机的谐振频率和雾化面的振幅进行了测试，喷头谐振频率的测试值为59699Hz，与设计频率的相差O.5％，与有限元模态计算的频率相差3.O％，驱动电压为36V时振幅的测试值为8.63μm，与有限元谐响应分析结果相差7.8％；应用Winner318B工业喷雾激光粒度分析仪对驱动电压分别为36和30V喷头所产生的雾滴尺寸进行了测量，测量结果表明，电压对雾滴粒径分布没有显著影响，但是对最大雾化量影响较大；与28kHz的超声雾化喷头相比，喷头的最大雾化量基本一致，体积和质量分别仅为28kHz超声雾化锥状喷头的5.54％和9.81％，并且其产生的雾滴更细。该超声雾化喷头结构简单，拥有较大的放大系数，且因为采用了指数形过渡，减小了阶梯形变幅杆的应力集中，整体效果良好。

图6 带有指数形过渡段的阶梯形超声雾化喷头

1．后盖板 2.压电陶瓷片 3.前盖板 4.指数型振子

综上所述，现在国内外对超声雾化喷头的研究主要是设计变幅杆的结构和其材料的选择。变幅杆的结构主要有阶梯形、指数形和圆锥形等。阶梯形变幅杆具有较高的放大系数，但同时也具有较大的应力集中；圆锥形变幅杆，结构简单，易于设计和制造，缺点是放大系数低；指数形变幅杆具有光滑的应力分布，但是它的放大系数低。现在的变幅杆结构的研究趋势是将多个结构进行综合考虑进行优化设计，使变幅杆同时具有结构简单，放大系数较大，应力集中较小的特点，带有指数形过渡阶段的阶梯形的变幅杆就是最好的例子。材料方面，由于声波在硅中的速度比较快，且可以用MEMS进行大规模的制造，基于硅的高频超声波喷雾器是压电换能式喷雾器的发展趋势的一种。但是，因为其成本较高，快速推广受到限制。钛合金具有较高的抗拉强度和良好的抗腐蚀性，同时具有良好的机械加工性能，且价格相对不是很高，故具有较大的发展前景。

1.4研究的目的及意义

在不同的应用场合，对雾化液滴有不同的要求。通过超声雾化喷嘴的结构设计和控制超声雾化时的液滴流量大小，可以得到不同的喷雾形状、喷雾速度、雾滴分布和雾滴粒径等^[12]。高频超声雾化器存在可靠性低、连续工作时间短、对水质要求高、不能雾化高黏度液体、雾化量小且不稳定等缺点，因而其应用前景受到了极大的限制。低频超声雾化器具有雾化量大且稳定、可靠性高、对水质没有要求以及可以雾化高黏度液体等优点。由超声雾化的各种应用表明低频超声雾化喷嘴是一种非常具有发展前景的喷嘴，因而本论文拟设计1种驱动电压较低、工作效率高、体积小以及雾滴分布均匀的低频超声雾化喷头，频率65kHz。

2. 研究的基本内容与方案

2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 研究（设计）的基本内容

本次研究（设计）的基本内容是设计超声波雾化喷头。超声波雾化喷头设计包括超声波雾化喷头的换能器设计和变幅杆设计。其中，超声波雾化喷头的变幅杆设计是重点。主要的内容有以下几点

3. 研究计划与安排

第1周：选题介绍，了解设计任务 ，查找相关文献和书籍

第2周：阅读文献，完成文献综述和英文翻译

4. 参考文献（12篇以上）

4．阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇）

【1】陈涛，王晓彧，张德，高怀. 压电换能式超声波雾化喷嘴的研究进展[j].声学技术，2010（4）：1-3.

【2】吴小霞，李小云，刘晓燕，等.超声雾化治疗支气管内膜结核效果分析[j].当代医学，2013（332）.