张建桃， 汤镇安， 尹选春， 文 晟， 兰玉彬

(1.华南农业大学数学与信息学院，广东广州 510642； 2.国际农业航空施药技术联合实验室，广东广州 510642；3.华南农业大学工程学院，广东广州 510642； 4.华南农业大学工程基础教学与训练中心，广东广州 510642)

微孔压电超声雾化是一种新型的超声雾化方式，它利用压电驱动的方式使流体通过孔径为微米级的微孔板而形成雾滴，具有雾滴粒径均匀细小、雾化效率高、功率消耗低等优点[1-3]。该技术已被用于诸多领域，如工业制造中常用的喷雾热解[4]与喷雾冷却[5]、医疗卫生中的气雾吸入治疗[6]、日常生活的空气净化[7]等都涉及了微孔压电超声雾化，在农业领域该雾化方式最近还被用于防治虫害[8]。随着精细农业的发展和喷雾技术的完善，喷施作业在达到防治虫害效果的同时，更应注重保护环境和节约用水[9]，这对喷雾的精度及可控程度提出了更高的要求，而微孔压电超声雾化在这些方面有一定优势[10]。

由于农药制剂品种繁多，且物理性质差异较大[11]，因此研究液体物理性质对微孔压电超声雾化效果的影响，对将微孔压电超声雾化广泛应用到精细农业领域具有极其重要的意义。近年来，为探究微孔压电超声雾化效果的影响因素，不同应用领域的研究者分别采用理论分析、模拟仿真、试验研究等方法进行了大量的研究。Maehara等设计出一种雾化片直径为80 μm的微孔压电超声雾化器，研究了微孔数量对雾化量的影响，得出雾化流量与微孔的数量成正比的结论[12]。王国辉等研制出一种用于雾化吸入治疗的雾化器，并以水作为工作流体对该微孔压电超声雾化器进行了测试，得出影响雾滴粒径大小的主要因素为微孔雾化片的孔径，探讨了雾滴粒径与驱动电压和驱动频率的关系[13]。Dhand等在微孔压电超声雾化在临床应用中，得出雾滴粒径主要取决于雾化片中微孔直径和驱动频率的结论[14-15]。Shen研发了一种钹形高功率微孔压电超声雾化器，实现了薰衣草油的雾化，证明了微孔压电超声雾化器可用于雾化高黏度流体[16]。Kiyama等用扭转郎之万型微孔超声雾化器进行试验，得出雾化黏度较高的硅油须要用更大孔径的雾化片[17]。Percin等设计出一种微孔出口朝下的压电超声雾化器，通过有限元分析雾滴形成过程，得出雾化片在最低阶谐振频率下形变最大[18]。在有关液体物理性质对微孔压电超声雾化效果影响的研究当中，Ghazanfari等用Aeroneb雾化器进行液体物理性质对雾化效果影响试验，当工作流体为浓度低于30%的甘油水溶液时，随着黏度的增加，雾滴粒径增大，雾化流量减小；当工作流体为无水乙醇和硅油时，得出雾滴粒径随着表面张力的降低而减小[19]。Beck-Broichsitter等用聚乙烯醇等有机溶剂作为工作流体，当工作流体动力黏度为0.9～1.2 cP 时，雾滴粒径随黏度的增加而减小，当动力黏度大于 1.2 cP时，雾滴粒径随黏度的增加而逐渐增大[20]。液体表面张力对雾化流量的影响则少有详细研究，Maehara等初步研究得到雾化流量与液体的表面张力成正比的结论，但在试验中未考虑工作流体的黏度等其他液体物理性质的变化[12]。另外，现有微孔压电超声雾化试验所研究的液体动力黏度的范围大都在1.00～2.74 cP之间，对较大黏度液体的雾化效果少有研究。综上所述，目前，在液体物理性质等因素对微孔压电超声雾化效果的影响方面缺乏系统的研究。因此，本研究搭建微孔压电超声雾化效果试验系统，用纯水、乙醇、聚山梨酯-80、甘油等配制出不同物理性质参数的溶液，研究液体物理性质等对微孔压电超声雾化效果的影响，以期为农用微孔压电超声雾化器的研制提供参考。

1 雾化器结构及工作原理

1.1 微孔压电超声雾化器结构

本试验采用的微孔压电超声雾化器(图1)由雾化片、棉棒、盛液容器等组成，微孔压电雾化片(图2)是该雾化器的核心部件，它由圆形的金属片和黏附在金属片中心的空心环状压电陶瓷片组成，金属基片的直径为20.00 mm，厚度为 0.15 mm；压电陶瓷片的外径为16.00 mm，内径为8.00 mm，厚度为0.80 mm，额定驱动频率为113 kHz。微孔压电雾化片的中心区域为微锥孔群，雾滴从该区域喷出，该区域分布着约600个微孔，微孔呈上小下大的锥喇叭状，锥角为40°。

1.2 理论分析

当在压电陶瓷片上施加正弦交流电信号，压电陶瓷片由于逆压电效应产生机械振动，带动金属基片发生谐振。由于雾化片的边缘被固定，中心区域的位移最大，微锥孔群位移显著增加，工作流体随着振动而加速。微锥孔群中的微孔发生形变，产生扭转运动或弯曲振动，从微孔下端进入的液体在惯性力、表面张力、流体动力等的作用下从微孔上端挤出，从而达到喷雾效果。若液体在微锥孔受到的腔内压力能维持足够长时间，而且能克服惯性和表面张力，雾滴就能连续喷出。参考现有文献对雾化机理的推断[21]，并结合实际的观察，微孔压电超声雾化过程可以具体分为以下几个阶段：(1)金属基片从上止点振动到下止点，微锥孔内容积增大，腔内压力为正，工作流体向上流入容腔；(2)金属基片从下止点向上弯曲振动，微锥孔内容积减小，腔内压力为负，由于流体流动的惯性作用，容腔内流体在极短的瞬间被挤压向上，其中一部分急剧波动喷出形成粒径较大的雾滴串，其余部分开始向孔内回流；(3)回流流体沿着微锥孔内壁移动，流体在孔内部分逐渐变细，在多次往复运动中分别克服重力、回拉力及向外拉的表面张力，随后断裂形成雾滴脱离微孔，形成长尾并伴有微小的卫星雾滴；(4)由于液体表面张力的作用，尾部雾滴加速追上头部主体雾滴并融入其中，形成完整的雾滴，末端部分因过于细小，逐渐脱离并耗散在空气中。

雾滴的平均粒径[22]可以表示为

(1)

式中：k为修正因子；ν为雾滴从微孔喷出时的速度；D为雾化片孔径；f为驱动频率。k与液体的物理性质如表面张力、黏度等有关；ν由声压、振幅等决定，即受驱动电压影响。Brenn等依据该公式设计了一种金属基片直径为105 mm，有613个孔径为41或76 μm微孔的压电超声雾化器，并初步研究了驱动频率及驱动电压对雾滴形成的影响[22]。

在雾化过程中，微孔内的流体同时受到超声振动的影响及微孔的边界约束，当前对微孔压电超声雾化原理一般用Plateau-Rayleigh不稳定原理解释[23]，当液柱达到足够的高度，自由液面变得不稳定进而被夹断形成雾滴。如果表面张力波波长λ远小于微孔直径D，雾滴将不能从微孔中喷出[22]，即

λ≥πD；

(2)

表面张力波波长可结合Kelvin方程[24]来计算，即

(3)

式中：λ为表面张力波波长；σ为工作流体的表面张力；ρ为工作流体的密度。

微孔雾化片的一面接触液体，另一面接触空气，在2种不同介质之间振动时会产生表面张力波。液体表面张力是促使液体表面收缩或抵抗液体表面伸张的力[25]，雾滴在脱离微孔的瞬间，表面张力的合力垂直于金属基片指向雾滴内部，与重力方向相反，即在雾滴向上喷射中起促进作用。引入关于表面张力的无量纲数S[26]，其公式如下：

(4)

该无量纲数S是判定液体能否形成雾滴脱离雾化片的一个依据，雾滴从微孔喷出的条件为S≥1。

公式(4)忽略了工作流体的黏度在雾滴形成中的作用，在实际的雾化过程中会有黏滞能量耗散[27]。作用于液体的总能量在雾化过程中要克服黏滞能量耗散，克服表面张力，转化为雾滴的动能以及改善雾化效果等。遵循能量守恒定律，黏滞能量耗散增加，可用于改善雾化效果的能量就会减少，因此较高的黏度会增加雾滴粒径及减小雾化流量[28]。由于微孔压电超声雾化孔径较小，因此黏度对雾滴粒径的影响较大，引入表征黏度影响的无量纲数Re[22]，其公式如下：

(5)

式中：μ为工作流体的动力黏度；Re必须足够大才可以保证雾滴从微孔中喷出，Re越小，黏滞力对雾滴的影响越明显[29]，即黏度越大，对雾化效果的影响越显著。

刘长庚等认为雾滴粒径由微孔大小、驱动能量、液体黏度、表面张力决定，并假设雾滴粒径近似为微孔直径大小，得到微孔压电超声雾化器在工作时的雾化流量Q[30]为

(6)

式中：n为雾化片上的微锥孔数目。

但该公式没有考虑驱动能量、液体黏度、表面张力等对雾化流量的影响。

由上述理论分析可知，液体的物理性质与雾滴形成条件相关，会影响雾滴粒径和雾化流量，但具体的影响程度尚不清楚。从现有的文献来看，还未见到有关液体物理性质等因素对微孔压电超声雾化效果的影响的详细研究及论述。

2 试验系统及液体物理性质等试验因素水平的确定

2.1 试验系统

试验于2017年3—5月在国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心农业航空喷施雾化实验室进行，室内温度控制为22.7 ℃，湿度为64%。采用微孔压电超声雾化效果测试系统测量液体物理性质等对微孔压电超声雾化效果的影响，该系统的工作原理如图3-a所示，信号发生器产生的电信号经功率放大器放大后，激励压电陶瓷片产生超声振动，引起微孔压电雾化片共振并产生形变，使得与微孔接触的液体在惯性力、表面张力、流体动力等共同作用下从微孔板挤出。通过调节信号发生器输出信号的频率可以改变引起雾化片振动的驱动频率；通过调节信号发生器输出信号的电压幅值、功率放大器的放大倍数可以改变施加在雾化片上的驱动电压幅值，示波器用于测量输出信号的频率和电压幅值。雾滴粒径大小采用激光粒度仪测量，用体积分布中值粒径(D50)作为雾滴粒径的指标，当每次试验中观察到连续稳定的雾化效果时开始进行持续1 min的记录，并通过计算机统计分析出D50。雾化流量则采用精度为0.01 g的电子天平，通过称量法测出试验前后雾化装置的质量，测量时间为1 min；计算出工作流体的减少量，即为雾化流量。为获得更为精确的结果，每组重复试验连续进行5次，记录其雾滴粒径及雾化流量，并求平均值。

微孔压电超声雾化效果试验系统实物如图3-b所示，主要由激光粒度仪(型号：DP-02，购自珠海欧美克仪器有限公司，量程为1～1 500 μm，重复性误差小于3%)、微孔超声雾化器、电子天平(型号：YP-B5002，购自上海光正医疗仪器有限公司，量程为0～500 g，精度为0.01 g)、试验升降台、信号发生器(型号：WF1948，购自日本株式会社NF回路设计，正弦波频率量程为1×10-8～3×107Hz，精度为0.01 μHz；输出电压量程为-10～10 V，精度为0.1 mV，输出阻抗为50 Ω)、功率放大器(型号：HSA4014，购自日本株式会社NF回路设计，量程为0～90倍，输出阻抗为50 Ω)、示波器(型号：GDS 2204A，购自深圳市鼎阳科技有限公司，采样率为200 M，实时采样频率为2 GSa/s，通道数为4，最大输入电压为300 V)、计算机(型号：E500-1098，购自清华同方股份有限公司)等组成。压电超声微孔雾化器放置于电子天平上方，具体位置为激光粒度仪的准直激光发生装置与信号采集装置正中间、激光光束正下方5 cm处。试验过程中可通过试验升降台微调雾化器与激光粒度仪的垂直高度差，目的是使雾柱分散临界点在激光光束正中间，统一测量标准以确保试验数据的可信度。

2.2 表面张力水平的确定

液体的物理性质主要有密度、黏度、表面张力等，由于液体的可压缩性极小，如果液体的其他物理性质和外部环境不发生变化，液体的密度基本不会改变[31]。因此，本研究不考虑液体密度对雾化效果的影响，重点分析表面张力和黏度对雾化效果的影响。同时考虑到雾化片孔径、驱动频率、驱动电压对雾化效果的影响较大，因此本研究选择表面张力、黏度、雾化片孔径、驱动频率、驱动电压等5个影响因素，并对5个影响因素进行单因素试验研究，分析这5个因素对微孔压电雾化效果的影响。为测量表面张力对微孔压电超声雾化效果的影响，须要选择几种表面张力相差较大，而黏度相差很小的液体。在过去关于表面张力对微孔压电超声雾化效果影响的研究中，常选用乙醇及其水溶液作为主要的工作流体。如Mccallion等研究表面张力对超声雾化效果的影响时，采用黏度均较低的纯水、10%甘油水溶液、乙醇等作为工作流体，这3种溶液的动力黏度差异较大[32]。刘联胜等用纯水、50%乙醇水溶液及无水乙醇作为工作流体进行雾化效果试验[33]。本研究在环境温度为22.7 ℃，湿度为64%时，用表面张力仪(型号：BYZ-101，购自上海方瑞仪器有限公司)测量几种液体的表面张力，用旋转黏度计(型号：NDJ-SS/8S，购自上海越平科学仪器有限公司)测量其动力黏度，发现乙醇水溶液的表面张力随乙醇浓度的增大而减小，动力黏度则先增大后减小(表1)，纯水、50%乙醇水溶液、乙醇的动力黏度差异较大，试验结果受到动力黏度的干扰。在测量表面张力对雾化效果的影响的试验中，为尽可能减小黏度对试验结果的干扰，本研究选用4种不同浓度的聚山梨酯-80水溶液作为工作流体。聚山梨酯-80作为一种表面活性剂，可显著改变水的表面张力，从表1中可以看出，不同浓度聚山梨酯-80水溶液的动力黏度变化较小，表面张力变化明显。因此，本研究选用纯水及0.000 005%、0.000 015%、0.000 025%、0.000 050% 聚山梨酯-80水溶液为工作流体，对应的5个表面张力值作为该因素的水平值，研究表面张力对微孔压电超声雾化效果的影响。

表1 乙醇、聚山梨酯-80水溶液的物理特性

2.3 黏度水平的确定

为研究黏度对微孔压电超声雾化效果的影响，须要选择几种动力黏度相差较大，而表面张力相差很小的液体。在环境温度为22.7 ℃，湿度为64%时，由表2可知，纯水及10%、20%、30%、40%、50%、60%甘油水溶液随着浓度的增加，在动力黏度增加的同时，表面张力的变化较小，适合用于研究黏度对雾化效果的影响。本研究将10%、20%、30%、40%、50%甘油水溶液的动力黏度值作为黏度水平值，研究黏度对微孔压电超声雾化效果的影响。

表2 甘油溶液的物理特性

2.4 其他工况水平的确定

按一定梯度增加或减小雾化片孔径、驱动频率、驱动电压等作为这3个试验因素的水平值。雾化片孔径选用5～19 μm，梯度为2 μm；驱动频率选用105～160 kHz，梯度为 5 kHz；驱动电压选用15～80 V，梯度为5 V。

综上所述，对5个试验因素设置的相应水平如表3所示。

3 结果与分析

3.1 表面张力对微孔压电超声雾化效果的影响

固定微孔压电超声雾化器的驱动频率为113 kHz，驱动电压幅值为35 V，选用孔径为6、7、8、9、10 μm的雾化片，分别用纯水及0.000 005%、0.000 015%、0.000 025%、0.000 050% 聚山梨酯-80水溶液进行5组试验，测量并记录动力黏度相近的工作流体在不同表面张力下的雾滴粒径和雾化流量，根据试验结果绘制液体表面张力与雾滴粒径的关系。由图4可知，在液体动力黏度和其他试验因素几乎不变的条件下，雾滴粒径随着液体表面张力的增加而增大。由图5可知，雾化流量随着液体表面张力的增加而增大，此趋势在雾化片孔径为10 μm时尤为明显，对应记录的试验结果中，体积中径最大值与最小值相差7.22 μm，雾化流量最大值与最小值相差0.45 g/min。试验结果与Maehara等所得结论[12，19]一致。由公式(3)可知，液体表面张力越大，表面张力波越大，雾滴越能在空气中维持更大的粒径后再被夹断。在雾化过程阶段(4)中，液体表面张力增大促使更多的雾滴融合，形成更大的雾滴。若表面张力较小，末端部分就更容易脱离在空中飘散，使平均粒径减小。同时在雾滴脱离微孔的瞬间，表面张力的合力垂直于金属基片指向雾滴内部，与重力方向相反，即在雾滴向上喷射中起促进作用。表面张力越大，单位时间内有越多的雾滴向上喷出，因此雾化流量较大。

表3 试验因素水平值

3.2 动力黏度对微孔压电超声雾化效果的影响

固定微孔压电超声雾化器的驱动频率为113 kHz，选用孔径分别为5、9、13 μm的雾化片，分别用10%、20%、30%、40%、50%甘油水溶液进行试验。在预备试验中发现，当雾化片孔径小于9 μm，驱动电压幅值为35 V时，50%甘油水溶液无法出雾，但当驱动电压幅值增加到50 V后得到明显改善，因此固定驱动电压幅值为50 V。由图6可知，当雾化片孔径为5 μm时，随着动力黏度的增大，粒径变化不明显。从另外2组试验数据所绘制的点线图可以发现它们有共同的变化趋势，即随着动力黏度的增大，雾滴粒径也逐渐增大，雾化片孔径越大趋势越明显。当雾化片孔径为13 μm时，比较当雾化动力黏度为1.32、7.78 cP时2种液体的体积中径，两者相差8.54 μm。由图7可知，从图中的3条关系线同样可以发现相同的变化趋势，即雾化流量随着动力黏度的增大而减小，当雾化片孔径为13 μm，动力黏度从1.32 cP增大到1.94 cP时，雾化流量明显减小。

上述试验结果中，动力黏度与雾化流量关系与Ghazanfari等所得结论[19]一致，动力黏度对雾滴粒径影响的结论与之不同，但与Beck-Broichsitter等所得结论[20]一致。结合分析认为这与试验选用雾化片孔径有关，Ghazanfari在试验中仅选用了孔径为5 μm的雾化片，如“1.2”节理论部分阶段(2)中提到的急剧喷出的雾滴很少，大部分液体要回流到孔内，如阶段(3)中所述经过多个周期逐渐变细直至可从微锥孔喷出，由此延长了雾化时间，这也能解释雾化流量随动力黏度增加而减小。由雾化片孔径为5 μm的动力黏度与粒径关系曲线可证实微锥孔大小对高动力黏度流体雾化所得雾滴粒径的限制，本试验采用了更大孔径的雾化片以减小该限制。在较大孔径的雾化片中，急剧喷出的雾滴所占比例增加，雾化流量较大，这可从图7中雾化片孔径为13 μm的曲线中低黏度部分的斜率变化看出。随着动力黏度增加，黏滞能量耗散增加，因为驱动电路提供的雾化能量一定，可用于细化雾滴的能量就会减少，液体变细周期缩短，即雾滴粒径增大。

3.3 雾化片孔径对微孔压电超声雾化效果的影响

固定驱动电压幅值为50 V，驱动频率为113 kHz，工作流体分别选取纯水、40%甘油水溶液、60%甘油水溶液。由图8、图9可知，在保持其他影响因素不变的前提下，雾滴粒径和雾化流量均随雾化片孔径的增大而增大。3种不同黏度的工作流体之间雾滴粒径相差不大，但3种不同黏度的工作流体之间雾化量相差较大。即黏度对雾化流量的影响比对雾滴流量的影响要明显得多。在驱动电压幅值为50 V，频率为 113 kHz 的条件下，雾化片孔径增大到11 μm时，可雾化出60%甘油水溶液，表明加大雾化片微孔直径是实现黏度大的液体雾化的有效途径之一。60%甘油水溶液在雾化片孔径为11、13 μm条件下的雾化流量很小，特别是在11 μm条件下，会发生堵塞情况，持续喷雾时间无法到达1 min，测得雾化流量仅有0.02 g/min，不足以分析出雾滴的体积中径，因此图8中60%甘油水溶液曲线上只记录到4个数据。当继续加大雾化片孔径，雾化流量会有明显提高。以上趋势符合理论分析中雾滴粒径公式(1)，且与王国辉等所得结论[13]一致，表明雾化片孔径是影响雾滴粒径的主要因素，同时直接影响雾化流量的大小。

3.4 驱动频率对微孔压电超声雾化效果的影响

固定驱动电压幅值为50 V，选择纯水、0.000 050%聚山梨酯-80水溶液、50%甘油水溶液等作为工作流体，雾化片孔径选用9 μm。由图10可知，3条线有相似的变化趋势，即在105～160 kHz范围内雾滴粒径随着驱动频率的增大先增大后减小。当工作流体为50%甘油水溶液时，最大的雾滴体积中径为24.49 μm，此时对应的驱动频率为110 kHz；当工作流体为纯水和0.000 050%聚山梨酯-80水溶液时，体积中径均在驱动频率为115 kHz时测得最大值，分别为19.86、15.82 μm。由图11可知，在不同驱动频率的影响下，雾化流量先增大后减小。驱动频率对雾化流量的影响比对雾滴粒径的影响更明显。雾化流量达到峰值所对应的驱动频率与雾滴粒径达到峰值时基本吻合。当工作流体为50%甘油水溶液、纯水、0.000 050%聚山梨酯-80水溶液时，最大雾化流量分别为0.52、1.71、0.42 g/min。综上所述，驱动频率对雾滴粒径与雾化流量的影响具有相同的变化规律，均为先增大后减小，且两者达到峰值时所对应的频率非常接近。

本研究中雾滴粒径与驱动频率的关系与Maehara等得出的规律[12]是一致的。结合理论分析认为，当驱动电压一定时，输入功率也一定，即用于雾化的能量一定。在达到谐振频率前，随着驱动频率的增大，振型逐渐变得复杂且无规律，导致压电超声振动的能量利用率减小，结合其工作原理，产生形变的利用率也随之降低，雾滴粒径增大。达到谐振频率后，如公式(1)中的趋势，驱动频率越大，雾滴粒径越小。总体上，驱动频率呈先增大后减小的趋势。当驱动频率接近微孔压电超声雾化器的谐振点时能够最有效地进行工作，因此随着驱动频率的增大，雾化流量先增大后减小，在谐振频率点达到峰值。

3.5 驱动电压对微孔压电超声雾化效果的影响

固定微孔压电超声雾化器的驱动频率为113 kHz，工作流体选取纯水、0.000 050%聚山梨酯-80水溶液、60%甘油水溶液等。在预备试验中选用孔径为11 μm的雾化片，当工作流体为60%甘油水溶液时，将电压幅值增加到30 V可观察到大颗粒液体黏附在雾化片上，不能形成雾滴喷出，当驱动电压增加到45 V时开始出雾，增加到60 V时雾化流量明显提高，但雾化片迅速发热致使用于吸附液体的棉棒变形，停止出雾。分析认为使用孔径≤11 μm的雾化片在雾化60%甘油水溶液时容易堵塞，造成短路现象，不宜进行试验。因此所选雾化片孔径定为13 μm，进行重复试验。由图12可知，在25～80 V的电压幅值影响下，其中纯水与0.000 050%聚山梨酯-80水溶液的雾滴粒径随着电压幅值的升高先增大后减小，峰值对应的电压幅值约为70 V。60%甘油水溶液的雾滴粒径有同样的趋势，峰值所对应的电压幅值在50 V附近。由图13可知，电压幅值对雾化流量的影响趋势与对雾滴粒径的影响类似，3种液体的雾化流量均随着电压的增大呈先增大后减小的趋势。这是因为随着驱动电压的增加，功率增大，压电陶瓷环片形变增大，使金属基片及锥形微孔形变也增大，雾滴粒径和雾化流量增大。同时驱动电压增加直接使振幅增大，从而提高雾滴从微孔喷出时的速度，符合公式(1)的规律。当驱动电压达到一定值时，微孔的形变达到极限，雾化流量最大，称为雾化最大电压。当驱动电压超过雾化最大电压时，由于空化作用，雾滴粒径和雾化流量反而逐渐减小，该趋势与Maehara等所得结论[12]一致。

纯水与0.000 050%聚山梨酯-80水溶液的雾化起始电压约为15 V，60%甘油水溶液的雾化起始电压为25 V，这是因为微孔压电超声雾化需要输入足够大的输入功率提供能量形成雾滴并喷出，雾化黏度越大的液体所需的输入功率越大。改变驱动电压就是改变输入功率的有效方法，这表明增大输入功率很可能是实现黏度稍大的液体通过微孔压电超声雾化的一个途径。另一方面，纯水与0.000 050%聚山梨酯-80水溶液在电压幅值达到80 V时仍能出雾，而60%甘油水溶液在电压幅值为70 V时几乎观察不到有雾滴形成。综上分析可知，在微孔压电超声雾化中，动力黏度大的液体，雾化起始电压更高，雾化最大电压更低。液体的动力黏度越大，雾化所需的功率越大。

4 结论

本研究搭建了一个微孔压电超声雾化效果测试系统，研究了液体物理性质等对微孔压电超声雾化效果的影响，重点探究液体的表面张力、黏度及各种工况对超声雾化的雾滴粒径和雾化流量的影响规律，最终得到以下结论：在液体黏度相近，雾化片孔径、驱动频率、驱动电压相同的条件下，雾滴粒径和雾化流量均随着液体表面张力的增大而增大。在液体表面张力相近，其他工况参数相同的条件下，动力黏度越大，雾滴粒径越大，雾化流量越小。在液体表面张力、黏度、驱动频率及驱动电压恒定的情况下，雾滴粒径和雾化流量均随孔径的增大而明显增大。当工作流体为60%甘油溶液时，孔径≤9 μm 的雾化片无法出雾，孔径≥11 μm的雾化片有雾滴形成。在液体表面张力、黏度、雾化片孔径及驱动电压恒定的情况下，雾滴粒径和雾化流量随着驱动频率的增大呈先增大后减小的趋势，雾化流量达到峰值所对应的驱动频率与雾滴粒径达到峰值时基本吻合。在液体表面张力、黏度、雾化片孔径及驱动频率恒定的情况下，雾滴粒径和雾化流量随着驱动电压幅值的升高先增大后减小。液体的动力黏度越大，雾化所需的输入功率越大，雾化起始电压更高，提高驱动电压有助于雾化黏度较大的液体。

本研究通过单因素试验研究了液体物理性质等因素对雾化效果的影响，为农用微孔压电超声雾化器的研发提供了参考依据。由于液体的表面张力、黏度、密度等物理性质难以同时调节，没有进行多因素试验，不能进行各因素对雾化效果影响的相关性分析。后续将从理论分析、数值计算等角度进一步研究液体物理性质等对微孔压电超声雾化效果的影响。