基于液電效應(yīng)的智能驅(qū)鳥炮設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張曉，胡少兵，楊德寬，陳 華，王軍民

（1.長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)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(huán)境不斷改善，鳥類的數(shù)量日益增加，破壞農(nóng)作物的事情也日益增多。因此，有必要在農(nóng)作物即將成熟階段，采取非捕殺式驅(qū)鳥措施，以保障農(nóng)作物收成[1]。

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

鑒于此，針對農(nóng)田和果園的低空環(huán)境，設(shè)計(jì)了基于液電效應(yīng)的驅(qū)鳥炮。該驅(qū)鳥炮可產(chǎn)生不低于煤氣炮的爆鳴聲，具有良好的驅(qū)鳥效果和較大的驅(qū)鳥范圍，而且比煤氣炮更為安全環(huán)保。

1 液電效應(yīng)的基本原理

當(dāng)給放置于液體中的正負(fù)電極施加脈沖高壓時(shí)，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(dá)幾十千安至幾百千安，溫度可達(dá)幾千開爾文，在高溫作用下，通道內(nèi)的液體汽化并迅速膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波和爆鳴聲，如同炸藥爆炸[5-8]。文中驅(qū)鳥炮即利用了液電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為聲能的原理。

2 智能驅(qū)鳥炮設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)鳥炮整體設(shè)計(jì)

驅(qū)鳥炮系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 驅(qū)鳥炮系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該驅(qū)鳥炮系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成：智能充放電控制單元（虛線框內(nèi)部分）、12 V（50 Ah）鋰電池、脈沖電容器、放電電極[9]。儀器工作時(shí)，智能充放電控制單元聯(lián)通充電系統(tǒng)，斷開放電開關(guān)，由12 V 鋰電池給脈沖電容充電，直至脈沖電容達(dá)到額定電壓值；然后斷開充電系統(tǒng)，并導(dǎo)通放電開關(guān)，脈沖電容的儲能會瞬間通過放電電極釋放，產(chǎn)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(tǒng)、放電開關(guān)。

2.2.1 遙控器設(shè)計(jì)

遙控器面板有兩個(gè)功能鍵，若A 鍵持續(xù)按下超過5 s，驅(qū)鳥炮進(jìn)入自動工作模式，將按照MCU 主控單元預(yù)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(fā)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(fā)的配對收發(fā)芯片，最大收發(fā)距離為100 m。

2.2.2 MCU主控單元設(shè)計(jì)

采用STM32F103 作為主控單片機(jī)，這是當(dāng)前最常用的單片機(jī)類型，文中省略其介紹[10-12]。其主要作用是接收遙控器發(fā)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(tǒng)的工作狀態(tài)。

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(yīng)遙控按鍵。設(shè)置了兩個(gè)狀態(tài)標(biāo)志，m 狀態(tài)標(biāo)志區(qū)分自動模式和手動模式，初始狀態(tài)為0，當(dāng)m=1 時(shí)為自動模式，驅(qū)鳥炮每隔5 min 自動充放電一次，m=0 時(shí)為手動模式，A 鍵控制充電，B 鍵控制放電；s 狀態(tài)標(biāo)志區(qū)分A 鍵是否已經(jīng)被按下過一次，初始狀態(tài)為0，s=1 表示A 鍵被按下過一次。

若有鍵按下，MCU 進(jìn)入中斷服務(wù)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(xù)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(tài)，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(xù)時(shí)間超過5 s否，不超過5 s，則認(rèn)為是充電或停止充電命令，超過5 s 則進(jìn)入自動充放電模式。

2.2.3 光電隔離電路設(shè)計(jì)

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(tǒng)的強(qiáng)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(tǒng)設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)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(tǒng)電路框圖

SPWM 固頻變壓器將12 V 直流電逆變?yōu)殡妷簭? 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(jīng)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(guān)設(shè)計(jì)

放電開關(guān)采用真空斷路器結(jié)構(gòu)，真空斷路器在導(dǎo)通時(shí)，由于大電流以及橫向磁場的影響，其觸頭會急劇發(fā)熱，當(dāng)觸頭接觸時(shí)，其金屬分子互相滲透，放電結(jié)束后，金屬又會迅速冷卻，導(dǎo)致兩個(gè)觸頭就如同焊接在一塊，不能彈開。因此，選擇放電開關(guān)時(shí)，從兩個(gè)方面進(jìn)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(dǎo)電性的同時(shí)，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(qiáng)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(diǎn)是能夠較長時(shí)間持續(xù)充電，而在極短時(shí)間內(nèi)放電，從而形成一個(gè)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(shè)計(jì)采用12 V、30 Ah 鋰電池作為工作電源。經(jīng)過現(xiàn)場測試，鋰電池滿電的狀態(tài)下，可以支持驅(qū)鳥炮充電600 次以上。

假如驅(qū)鳥炮采用自動工作模式，每3 min 充放電一次，則每小時(shí)20次，以夏日白天14 h 工作時(shí)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(shè)計(jì)與優(yōu)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(fā)出的聲音大小也有很大的區(qū)別。該設(shè)計(jì)中，制作了長短不一的兩種炮頭，并通過試驗(yàn)對比，加以優(yōu)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(fù)極，正負(fù)極之間是尼龍絕緣膠；長炮頭則是在同軸放電電極的基礎(chǔ)上焊接了加長外殼而制成的，因?yàn)橐弘娦?yīng)需要正負(fù)極之間有水，加長外殼后可在炮管內(nèi)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(jī)，脈沖電容充電至7 kV，分別對兩種炮頭進(jìn)行放電試驗(yàn)，將分貝儀放在距離炮頭5 mL處檢測聲壓。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，長炮頭激發(fā)的聲壓比短炮頭的低，但水花噴射得卻更高，考慮到該設(shè)計(jì)的主要目的是發(fā)聲驅(qū)鳥，因此優(yōu)選短炮頭。

表1 長短驅(qū)鳥炮頭聲壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于液電效應(yīng)需要炮頭的正負(fù)電極被水淹沒，當(dāng)把短炮頭垂直向上放置時(shí)，其筒內(nèi)可裝入50 mL水，根據(jù)自動放炮間隔時(shí)間，控制補(bǔ)水裝置的給水量，每次在放炮間隔時(shí)間自動補(bǔ)滿50 mL 水。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證驅(qū)鳥炮的實(shí)際使用效果，在長江大學(xué)武漢校區(qū)附近的姚家?guī)X生態(tài)園進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，該生態(tài)園有一萬平米左右的果園。

該次試驗(yàn)主要是為了測試驅(qū)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(bǔ)水；設(shè)計(jì)了等間距的10 個(gè)測量點(diǎn)，最近的測量點(diǎn)距離炮頭5 m，最遠(yuǎn)的50 m，每個(gè)測量點(diǎn)利用分貝儀測5 次聲壓，對5 次測量結(jié)果取平均作為該測量點(diǎn)的聲壓，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 驅(qū)鳥炮果園現(xiàn)場聲壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

與表2 對應(yīng)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(yàn)結(jié)果表明，在距離炮頭25 m 范圍以內(nèi)，聲壓超過100 dB，現(xiàn)場試驗(yàn)人員感覺有巨大聲響，觀察周遭鳥類反應(yīng)，都直接飛走，說明25 m 內(nèi)驅(qū)鳥效果為100%；在距離炮頭50 m內(nèi)，聲壓依然超過90 dB，現(xiàn)場試驗(yàn)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(xù)幾次爆炸過后，也全部飛走，根據(jù)觀察統(tǒng)計(jì)，在距離炮頭50 m處，單炮驅(qū)鳥效果約為80%，而多次放炮的驅(qū)鳥效果為100%。因此，認(rèn)為該驅(qū)鳥炮在果園中的有效驅(qū)鳥半徑約為50 m，守護(hù)面積接近10 000 m2。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)的驅(qū)鳥炮樣機(jī)總重量約為20 kg，生產(chǎn)成本不到1 000元人民幣。果園試驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)鳥炮的有效驅(qū)鳥半徑約為50 m，保護(hù)范圍近10 000 m2，可滿足中小型果園或魚塘的驅(qū)鳥要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值，性價(jià)比較高。

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

智能驅(qū)鳥炮是液電效應(yīng)的一種簡單應(yīng)用，液電效應(yīng)在能源勘探、污染治理、破巖等方面都有廣泛應(yīng)用前景，該設(shè)計(jì)為研制相關(guān)儀器提供了借鑒價(jià)值。