超声波模块化育苗.doc

超声波模块化育苗新技术模块化的超声波气雾高效快繁新技术所谓模块化,就是由原来植物非试管快繁的平面苗床变成了，模块化育苗板的立体式育苗，这种模块具有利用率高，移动方便，生根后还可以把模块搬出苗床进行继续通气培养，对于实现多代循环的增殖快繁体系来说，减免了移栽环节，可以在模块板上直接生长增殖，使增殖速度大大加快。另外，这种育苗模块是由内空的泡沫夹层组成，可以通入含有营养元素及生根激素的营养雾，让根系在夹层空间的空气中完成生根，具有氧气充足，切口愈合及根原基发育快的特点，空气中生根除了氧气充足外，而且还可以随时进行激素补充与营养调配，能为切口环境创造出真正的最适环境因子与生根生理条件。 这种育苗技术是原来非试管快繁技术的改进与提升，原本技术中的珍珠岩基质由模块育苗板内的空气介质所取代，原来离体材料一次性切口浸泡或速蘸变成了以通气供应的方式，可以长时间地对切口进行刺激，对难生根植物来说促进作用特为明显，原本由营养液池全面喷洒苗床的供应法变成了有效的通气供给法，营养液更省作用部位准确无浪费，而且切口能得以最大化的接触吸收。夹层式的泡沫板构育苗模块，还能为夹层空间创造出相对隔热的环境，冬季温度可以起保温效果，夏季又不会太阳骤晒而出现高温危害，温度环境比珍珠岩基层更易创造，如低温季节可以在通入超声波雾时进行空气加温，吹入夹层的雾气温度为适合生根的环境温度比珍珠岩基层苗床的加温更有效，更节能，而且能长时间地稳定至一定的温度，耗电量省，更利于寒冷冬季切口的发育与生根，还可以结合输入纯氧以实现切口的空气富氧化更利于切口呼吸与生根代谢。 垂立的育苗模块使空间利用率得以数倍提高，原本1米宽30米长的苗床可以按60厘米置一块板的距离进行布局，育苗量可达3万株以上，也就是一个普通四畦的苗床就可以一次培育12万株。但垂立模块有碍下部离体材料的光照的通透度，需于两块模板间垂装补光灯两支，这种置于板间的补光效率可以比平面苗床补光效率提高两倍以上，因为这种模板为两面育苗，可以让光照发散照射到两个垂面，一般以安装红光灯为主，当然盛夏光强度大的环境下也无需补光以节省能源，补光方式通常采用夜晚补光，可以进行脉冲间歇式也可以是持续补光，补光时间以5-10小时为佳。这种育苗模式能实现空间利用最大化，补光、营养、激、温度等调控的最有效化，是目前最为高效的一种新型育苗方式。 为了让大家能对该育苗技术有更为形象直观的了解，请参看以下附图 传统的育苗技术大多以土壤基质育苗为主，近年也有水培育苗与气雾培育苗等先进方法，但这些育苗技术都存在着一个苗期长，长期慢，以及空间利用率低的缺点，特别是一种无性苗的繁殖，如扦插及非试管快繁技术，会出现切口缺氧，生根难而且根系数量少的不足，同时也存在因基质的限制性难以实现立体化高效率的繁苗。为了解决这问题，我们开发了以模块化的育苗板为育苗载体，以超声波雾化气为供肥送水方式，形成了一种立体化程度高，光资源充分利用，又省水节肥的新型育苗法，现把有关优点及操作简介如下： 一、超声波育苗法的优势1、超声波气雾育苗法适合于有性的种子育苗与无性的扦插及快繁育苗，适用的品种广，不管瓜果蔬菜、药用植物、经济林等皆可采用，比传统的育苗方法有更广宽的运用空间。2、立体化的育苗板设计，让空间利用率提高了近十倍，这样就可大大节省空间，提高温室或植物工厂的利用率，使各项管理成本及能耗得以大幅度的提高。3、 育苗过程中，根系生长的根域空间容易控制，不管是温度、湿度、水份、营养都可以进行最优化与灵活性阶段性的控制。4、工厂化程度高，一个十平方数面积的育苗场所可年繁育种苗量数十万株，它的效率是当前任何一种种苗生产技术所不能比拟的。5、因为空间的高度利用与密集化的管理，可以采用完全人工环境控制的育苗车间或大棚，以实现稳定的周年的快速育苗，为生产提供实时的符合时令的商品苗。超声波雾化育苗的技术简介。 该育苗技术由三大部份组成，即、模块化的空心育苗板；超声波雾化器；环境控制计算机及相关组件。 模块化的空间育苗板，是由隔热性较好的高密度泡沫板组装而成，它的特点是内空而隔热，内空空间一般是由两块长2米宽1米的泡沫板平行夹制而成，夹制成有1015厘米厚的内空空间，以便于根系的悬浮生长，育苗时，根系的生长空间就是这个夹层的内空空间，也是超声波雾化供水送肥的空间。采用隔热性好的材料制作，主要是为了创造稳定的温湿度环境，实现冬暖夏凉的良好效果，也便于加温与制冷，达到最小的耗能与最稳定的根域环境。 超声波雾化器，是该技术得以运用与创新的核心，水或营养液通过超声波震荡形成了小于5微米的细雾，这种细微具有颗粒小植物易吸收的优点，还具有随风飘移便于随风送达至目标空间的最佳供给效果，也为立体化供水肥提供了技术支撑，为实施空间育苗提供了条件。植物的根系完全伸展于超细雾化的空气中，可以高效快速地吸取生长所需的养分、水、激素，为植物的生长与长理调控创造了最准确最灵活的技术实施平台，可以按不同生长发育阶段，实时灵活地调节供应的营养成份与激素配比，这对于育苗来说是关键的一环，也是培育壮苗商品苗的优势所在。 环境的优化，包括育苗场所外围空间的创造，外围空间可以是温室大棚，也可以是室内的厂房，因它具有占地小，空间利用率大的特点，在冬季进行工厂化育苗采用室内的场所具有环境易调节，能耗最省化的优点，可以采用植物工厂的完全人工气候型的控制模式。把需要控制的各项系统与设施完全集成于一台装有环境控制相关软件与硬件的环境智能控制计算机即可，就可以在计算机控制下，实现温光气热水肥等生长因子的最准确化科学化控制。在大棚环境下，也可以采用半人工气候型的控制方式，以达到育苗环境的最优化，以及根域环境的最佳化供雾。 采用上述方法育苗可以让育苗技术简易化与一体化，能够正真培养出均等一致商品性好的工厂化苗木，在无性繁殖育苗上，超声波雾化育苗法具有激素及营养成份的可调性，实现了难繁殖生根品种的高效快繁，这与种子或离体扦插快繁材料的切口都是处于氧气最充足的空中环境有关，常规的育苗如土壤或基质，甚至是水体，都会因缺氧而导致生根困难问题的产生，而超声波雾完全可以在最富氧的空中完成生根，这是许多品种生根的关键因子。而且，不需进行基质的消毒，只需往超声波雾化气中加入双氧水就可以实现消毒增氧的效果，不需进行繁琐的消毒操作，它可以随着气雾弥漫到整个系统的根域空间，也就是模块的内空空间。如果一些需要进行激素补充处理的植物，也可以随时地调入所需的激素即可，可以进行阶段性的激素处理，这对于种子或离体材料的生理调控来说是致关重要的。另外，移栽后的移苗也极为方便，可以进行完整的无损育苗，直接从模块化育苗板的定植孔中拔出就行，不需像土壤工基质苗那般要小心操作，以防根系失伤。在生产运用上，模块化育苗以其立式布局的育苗板构建成的工厂化生产模式，既解决了效率问题，又使工人的操作实现了直立走动式的省力化管理，不需平面育苗或土壤育苗的躬身操作。是未来农业与工厂化育苗发展的一个趋势性产业与技术，它是现代农业及工业化工厂化生产植物模式的一种重要配套技术。利用长方形的箱体，代替类似于组培的大试管，运用各种物理技术创造无菌环境，结合计算机控制技术，创造温光气热适宜环境，利用生物技术提供适合离体材料发育的营养液，从而达到组织分化与生长生根的技术目的。现将箱体的结构及功能介绍如下：它是一种适合于小规模农场、家户进行自供育苗的一种简易装置，也可用于细胞工程进行组培培养或科研活动。 这种育苗箱由三大部份及各种组件构成：育苗室、气雾室、超声波发生器。整个箱体由全透明的玻璃制作而成，规格大小视生产量而定，玻璃内壁喷涂上纳米银杀菌材料，起到空间抑菌的效果。然后用不透光的隔板，在箱体一端1/5空间处隔一气室，注意隔板需选择不透光且较厚的塑料隔板，以防气室内紫外线穿透进入育苗室。并于气室内装上紫外线杀菌灯，气室内壁要求喷涂光触媒纳米杀菌材料，这种材料在紫外线照射下能发挥极强的杀菌作用，从而创造了一个具有杀菌抑菌功能的无菌气室空腔。箱体外配置一台小型的超声波雾化器，并外接一条输雾管道，把气雾接入玻璃箱的气雾室内，这些气雾是由营养液、激素或加入糖配制而成的培养液，经雾化器产生的气雾，先进入气雾室进行杀菌处理，然后经隔板上小孔进入育苗室。 以上三大部份构成了超声波生物育苗箱的总体框架，要达到好的育苗效果还需配置若干组件：（1）接种网架，由普通24mm网孔的塑料网制成的一个支撑架，把它置于育苗室内，作为接种固定支撑离体材料用；（2）环控系统：由二极管补光灯、半导体致冷加热器、直流小风扇、电场发生装置、永磁体、微控制器组成。在育苗箱的顶面与侧面装贴二极管补光灯，由红蓝灯组成，R/B比例为5/1，光强达30005000LX。半导体致冷加热片装于气雾室的顶端起到加温与致冷作用，直流防水小风扇均匀布设于网架上下育苗室内，起到微风对流的作用，再于接种网架上方平行布设一层电场网，并接上发生器，产生电场能促进离体材料发育及细胞组织的极性化。箱体的底部均匀放置几块强度为0.8T的永磁体，也是起到极化组织促进生根的作用。最后把这些环控小部件都联接上微控制器实现运行的自动控制；（3）离体培养，这种装置即可以用于大材料的生根培养，也可以用于微材料的分化生长培养，如果大材料生根培养可不需加糖，作为快速催根装置使用；如果是茎尖或组培分化培养产生的微型茎段，可以在营养液中加入糖，以利于快速分化与生根；但如果是用于规模生产，可以配上二氧化碳钢瓶进行强制供气，实现光自养无糖培育，也可在不加糖情况下，实现微型离体材料如茎尖的分化与生根培养。 这种装置具有很强的实用性，箱体虽小但一次也至少可育几千株苗，适合于农场及小企业农业生产中自给苗的生产。使用时安装与操作方便，培育的小苗根系特别发达，稍经炼苗即可移栽，可用于蔬菜、绿化苗、果树、药材等植物的培养，特别是一些较难生根的品种，采用这种方法可以取得更理想的效果，现在这种装置除了用于生产外，还用于科研上的试管外生根培养与细胞工程的组织培养，是一种较为先进而实用的非试管育苗新技术。 植物非试管克隆技术的研究及快繁产业的发展都是一个无止境的产业，特别是当今各交叉学科发展迅猛的时代，时时都有可能产生新技术革命，快繁技术也是如此，它没有止境更不会停止发展的脚步，它将以国际前沿为纵坐标，以交叉学科为横坐标，进行无限的沿伸与发展。在21纪世的今天，计算机技术、生物技术、及纳米材料技术等已成为高科技标志与划时代的象征，特别是纳米技术中的生物效应，很有可能就成为快繁技术下一次技术提升的突破口，如纳米抑菌杀菌效果，纳米材料的远红外效应、磁效应、波效应、量子效应等，都将对植物快繁技术的突破提升，带来预见性的启发与科学的预言。科学的梦想在科学家的不断努力下，终将成为现实。模块化气雾快繁新技术植物非试管快繁技术是项全新的育苗新技术，以其神奇的生根效果与快速的扩繁速度而成为当今农业生产用苗的主导技术，利用它能够让产业构调整步伐加快，能够解决珍稀濒危植物种类的保存与增殖问题，是一项极具生产与科研意义的实用技术。但尽管是最为完美的技术与体系，肯定也存在一些美中不足之处与还需解决提高的一些问题，比如，在原来快繁技术基础上，能否让生根时间更短，培育代数与周期增加，单位面积利用率及空间占用率能否再提高，育苗的工序是否还可以更加简化，生根难的品种能否有更有效的解决方案。针对这些问题，形成了一种新型的育苗方法与解决方案，这就是基于植物非试管快繁技术基础之上的模块化气雾快繁新技术，它是对原有技术的提高与发展，也是对原有技术完善与改进。 现把两者技术进行比较，以便让读者对照异同点，更加深入理解这项新型快繁技术的实质与体系。 原来的植物非试管快繁技术是以珍珠岩为载体的基质培育法，这种方法当然比传统的土壤扦插与沙培法有了很大的改进，但还存在着利用率低，及检查发育进度不便的弊病，这种以基质为栽体的苗床是一种平面利用型的苗床，只是一维低效率布局，而模块化气雾法则完全摆脱了基质的局限实现三维化的立体高效率布设，把一块块双面利用的育苗模块立体垂置于苗床上，形成了极高效率的育苗阵列。由原来每平方米200800株，提高到现在每平方米至少10006000株，至少提高48倍以上，可以大大提高了设备设施的利用率，以减管理及硬件成本之投入，实现数倍效率与效益的提高，迄今为止我国甚至国际上生产效率最高的立体式模块化快繁新技术。育苗模块是由隔热保温性较好的硬质泡沫组装而成的长方型内空育苗块，这种育苗模块的长边扣板设计成可滑动的便于抽拉的观察窗，可以方便地拉开，以观察所育离体材料切口发育与生根情况，也极易统计生根率，生产者可以动态地观察记录生根过程与进度，可以因切口发育程度而进行灵活的生化调控，不像基质快繁，切口观察需拔苗，生化调控又受基质之局限，而模块化的气雾繁可轻松实现，灵活有效地解决基质繁存在的缺陷。 以超声波雾化的方式为模块上的离体材料提供切口所需的水份与营养，甚至生长激素与活性物质，这种供给体系的建立对于实现人工的生化调控来说是迈出了一大步。数千年来的传统扦插，与近代的光雾扦插及非试管快繁技术，都沿袭着基质媒介繁殖法，切口植入基质中，不能阶段性地进行激素及活性物质的调控与补给，也不能清晰地观察与了解动态的发育过程，而这种超声波供雾水的方式能随时地进行营养液及激素地调控与供应。实现切口环境最优化的同时，还实现了生理生化环境的最优化调控，如一些难生根的内源生根激素缺陷型的品种，可以因不同的阶段供应不同种类与浓度的雾化激素液，大大促进了发育进程与生根激发。也可以进行矿质营养及生根活性微量物质的补充，能综合地利用各种生根有利因素，实现难生根植物的快速生根。生根过程可灵活的进行动态调整，为生根创造最佳的环境条件与生理生化条件。切口处于模块内空的雾化空间，氧气的摄取得以最大化的补充，可以完全避免切口缺氧腐烂问题，这是其它各种育苗方法难以达到的富氧环境，因它的切口就处于空中。经超声波发生器高频震荡形成的小分子水，能比常规的弥雾水与灌溉水，有更高的切口或根系吸收效率，因其水分子的团粒结构发生了变化，由水分子团变为小分子的水。这对于切口易氧化造成维管束堵塞的难生根品种来说，又是一大促进与改进的措施。 采用硬质绝缘泡沫材料构建的育苗模块，具有比其它任何基质有更好的内温度稳定性，能用最节能的方式实现切口温度调控的最优化。以往的各种育苗技术，在实现切口环境温度的控制上常因苗床的保温性不佳而导致加温能源的大量浪费性消耗，而采用隔热板制成的内空模块可以实现加温致冷的最节能化运行。可以经过雾化管道轻松地输入热空气或冷气，实现各育苗块切口温度的最适化控制，这对冬季及高温盛夏育苗来说是一项很大的技术促进。另外，就是通入一些诸如已烯、臭氧、纯氧、双氧水等进行气体成份之调节也极为方便，这是其它育苗方法难以实现的。 立体式垂置的方式，除了可以提高育苗的空间利用率以外，还极便于生根后或生根前的繁育移栽运输工作，可以整块地拆卸移至栽苗地，进行无损化的移栽与运输，是一种高效率工作化的工艺与操作流程，是未来及当代育苗的趋势和必走之路。是工厂化育苗的高级模式，更是育苗植物工厂的主要方法。 该模式能对温光气热等自然或人工资源进行最充分的利用，能对切口生理生化及温湿度与气体成份进行最为科学的调节，是离体材料优化技术中实施最为全面，考虑最为周到，实现最为便捷的育苗新技术，它的诞生将会对我国及国际现有的育苗技术注入强大的活力与引起巨大的冲击。是目前国内国际上最为先进的育苗新技术-模块化气雾快繁技术。 快繁苗弱光冷贮技术的运用随着农业产业化进程的推进，未来农业生产中农户自育苗的自供型的种苗培育将会越来越少，渐渐会往种苗工程专业化产业化的方向发展。特别是农业生产也如其它产业一样，产业分工将会越来越细，农业整个产业链将会由众多的产业环节来分工分化组成。而种苗的需求是农业产业的首要环境，对它的需求也将渐渐从传统自育苗走向市场化的商品苗。而这种方式则需有工厂化的种苗工程所支持，由此必将会出来，种苗生产出货与栽培季节间的脱节或暂时滞留问题，也就是出生产待售的种苗还未能及时用于生产栽培时，就需考虑到种苗的储藏来缓解销售之问题。 周年生产的种苗工程，与季节性定植间的矛盾缓解，只有通过商品苗的贮藏来解决。一般而言春秋两季是种苗需求量最大的时候，而种苗生产量最大的反而是在夏季，这种季节差对于销售是有一定影响的。种苗基地面积的有限性，而种苗需求的大市场无限性，就必须形成种苗基地周转利用率不断提高的问题，以实现栽植有淡季而种苗生产均衡无淡季的目的，使种苗基地设施及工人能得到最充分的利用。这样可大大提高种苗生产劳动率与种苗的成本。也可以利用较小的面积为生产及时生产供应最大量的苗木。 当前的种苗生产大多采用期货预订的方式，或者进行季节性的按排，这种方式常会出现天气的因素或人为的估算的因素而出现供期的偏差，此时，如果有部份贮藏苗备用，就可缓解这种矛盾，可以为生产提供指定日期供货的标准化商品苗，少受气候及人为因素的影响，这对于企业诚信建立及市场的竞争来说是极为有利的。 这种苗木储藏技术其实一直以来人们也在运用，如苗木的沙藏，窖藏等传统方法，但它们只是利用秋冬的低温季节进行售前的贮藏，而具只针对裸根的木本落叶苗木，而用于农业生产的苗木则不同，它需要在贮藏过程中，达到既延缓生产，又能少影响树势的目的，这就需要在原来贮藏技术基础上进行改进，就是改无光贮藏变为补光贮藏，让植物在低温抑制下，也还具有一定的光合能力，以满足树势保持的生理需要，防止贮藏过程中的徒长与黄化弱化现象发生。 于是，我们研究了一种弱光低温贮藏法，就是在贮藏室中安装蓝光的弱光灯，让植株保持一定的光合作用，使它达到光合与呼吸的尽量平衡，但也不能太强，否则会造成贮期的过份生长，而影响苗木的规格或发育的生理进程加快，这种低水平的光合作用，既不会使苗徒长弱化与黄化，又能较长时间保持苗的规格与苗势，是当前种苗快繁工程建设中一项较为重要的辅助技术。当然这种方法也同样可用于蔬菜药草及瓜果的贮藏保持，也能让蔬菜达到同样的光合保绿效果，大大延长蔬果的保鲜期，在生产上可以进行综合利用，以提高贮藏室的利用效率。 总之，随着种苗生产的周年化，产业化，贮藏技术也必将会受到生产的重视与运用，它是稳定供应规格标准化商品苗的有力保障。以下是利用能发蓝光二极管进行补光的一个贮藏室，它具有不放热，可贴近植物及耐潮湿环境的优点，是一种既节能又实用的好方法。低频超声雾化喷头优化设计及试验气雾培也叫气雾耕，是指让植物的根系离开了基质与水，而生长在营养液气雾环境中的一种新型栽培技术。气雾培具有比其它任何一种耕作方法生长更快、管理更方便、投入工时更小的特点，将成为未来农业生产中的一种重要栽培方式。1 2 3 4雾化栽培器是实现气雾培的关键因素之一，其中雾化器作为雾化栽培器的核心装置，其性能直接影响气雾培的效果。但是目前为止，国内外很少有文献涉及其工作机理的研究。特别是超声雾化器，5由于其雾化效果极佳（雾滴极细并且分布均匀），并且可以实现对营养液的超声灭菌作用，是最有发展前景的一种雾化器。但目前的超声雾化器工作频率大于1MHz（一般是1.7MHz）6，属于高频雾化。其利用金属薄片的高频振荡来实现雾化，存在着可靠性低、雾滴大小不可调、难以产生超细雾滴等缺点,很难推广使用。因此，研发一种高可靠性、可以方便调节营养液雾滴大小、能够生成超细（粒径小于5微米）营养液雾滴的超声雾化器是实现气雾培的核心任务。1低频超声喷头设计及仿真传统的超声雾化技术是运用电子高频振荡原理，在超声波发生器上通上高频率的振荡电流，产生高频电能信号，通过换能器将其转换为超声机械振动（即超声波）。超声波通过雾化介质传播，在气液界面处形成表面张力波，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。7一般工作频率大于1MHz的可以认为是高频。高频雾化器应用在超声雾化栽培器中存在如下问题： 雾化量小。因为该型雾化器的换能器结构为薄片，难以实现大功率，因而限制了其雾化量。要加大雾化量，必须增加雾化器数量，成本显著增加。 超声换能器的可靠性差。因为换能器结构为金属薄片，并且长期工作在高频振动状态，极易产生疲劳断裂。 雾滴大小不可调，不利于研究根系生长与营养雾滴大小的关系。该型雾化器的雾滴大小计算公式如式（1）8。可以看出，工作频率确定，其雾滴大小也确定了。 （1）式中 T表面张力系数 液体密度 f声波频率。 难以产生超细雾滴。根据理论计算结果，要产生粒径1微米的雾滴，换能器的厚度为0.3mm，显然这个厚度无论从制造角度，还是从强度可靠性考虑，都存在很大问题。 为克服高频雾化存在的问题，笔者设计了一种新型低频超声驱动的营养雾滴雾化喷头，其驱动频率介于28.4KHz，其结构示意图如图1。1.输入电压 2.压电圆片 3.放大转换 4.流通 5.雾化面图1 低频超声雾化喷头结构图Fig.1 Schematic diagram of low-frequency Ultrasonic Atomizing Nozzle设计的喷头长度正好等于一个压力波的波长，压力波在喷头两个端面的来回反射造成压力波的叠加和共振，形成标准波模式。由于自由端的边界条件限制，波峰位于喷头的两个端面处。共振振幅的大小与外壳的直径有关，由于喷头出口端外壳的直径变小，因而共振的振幅被放大，出口端振幅远远大于入口端振幅，增大的幅度与喷头直径的变化相等。 1.1结构设计该雾化器主要由超声换能器和变幅杆两部分组成。换能器用于实现电能和机械能的相互转换，是由轴向极化的压电陶瓷圆环、等截面圆柱体形状的前后金属盖板、预应力螺栓、金属电极片以及预应力螺栓绝缘套管等组成的纵向复合式换能器。10换能器中央部分的陶瓷晶堆由若干压电陶瓷圆环组成，压电陶瓷晶堆中各晶片之间采用机械串联而电路并联的方式连接。相邻两片晶片的极化方向相反，使得各个晶片的纵向振动能够同相叠加，以保证压电陶瓷晶堆能够协调一致地振动。变幅杆采用圆锥形过渡的阶梯形，其主要作用是增大换能器振动表面的振幅，提高整个振动系统的前后振速比。考虑到28kHz的超声驱动电路市场上比较常见，为了降低研发成本，选择超声换能器的谐振频率为28kHz，圆环形压电陶瓷4片，每片陶瓷的内径为14.7mm，外径为35mm，厚度为5mm，前、后盖板的外径均为35mm。图2节面在前换能器示意图Fig.2 Schematic diagram of Energy Converter1. 后盖板 2.陶瓷片 3.前盖板 根据半波长纵向复合换能器的频率方程计算前、后盖板的长度，当节面设置在陶瓷元件与前盖板的交界面上时，如图2所示。节面右侧仅有一个前盖板，节面左侧包括陶瓷体和后盖板，整个换能器由三部分组成，其频率方程简化为9 即 式中 波数,i=1,2,3,4 换能器各个部分的特性声阻抗， 材料的密度 声速 轴上的截面积、 压电陶瓷晶堆在截面两边的长度、 前后盖板的长度取陶瓷片的 , ,前盖板铝合金7075的 ，后盖板45号钢的 ，代入频率方程即可得前后盖板的尺寸分别为： ， 。图3 变幅杆结构图Fig.3 Schematic diagram of Amplitude Transformer变幅杆采用圆锥形过渡的阶梯形，结构示意图如图3所示。假设，节面位置左侧是大圆柱体部分，右侧由圆锥体和小圆柱体两部分组成。大端直径 ，小端直径 ， 取为1.2，节面右侧的频率方程为 (3)变幅杆硬铝合金7075的， ，经计算得变幅杆各部分尺寸为： ， ， 。1.2模态分析为了初步确认模态分析借助著名的显式动力学分析软件LS-DYNA来实现。选择不同参数可以得到不同模态分析结果，本次模态分析的目的就是为了求解合适工作频率。从20kHz到45Hz之间搜索20阶模态，求解后部分模态见图4。图4（a）结点位移图（26917Hz） （b）结点位移图29706Fig. 4（a）Sketch of Node Displacement（26917Hz） （b）Sketch of Node Displacement（29706）（c）结点位移图（30310Hz）（c）Sketch of Node Displacement（30310 Hz）低频超声雾化器的工作频率为29.706kHz时的模态为纯拉伸模态，完全可以满足低频超声雾化的需要。制造完成后，经过阻抗分析仪PV70A的测定，雾化器的工作频率为28.4kHz，误差仅为4.6%。 2试验7本试验是采用相位多普勒测量（PDPA/PDA）技术对喷雾进行测量。5相位多普勒技术发明于上世纪70年代，应用于80年代，是在传统的激光多普勒测速仪（LDA/ADV）的基础上发展起来的，在国外习惯上叫相位风速计(PhaseDopplerAnemometry，简称PDA），或是相位多普勒粒子分析仪(Phase DopplerParticle Analyzer，简称PDPA）。 PDPA/PDA是基于激光多普勒效应的“点”测量技术，具有较高的测量精度，但其通常只能测量获取通过控制体的粒子的大小和速度。相位多普勒风速计的测速原理就是利用信号频率来测量速度，其粒径测量原理则是利用测量信号的相位来测量粒径。由于本PDA一次只可测量二维空间内的数据，而喷嘴口喷出的雾滴在整个空间的分布形状为圆锥体，假设圆锥体沿水平方向的两轴的喷雾情况是一致的，因此选取垂直方向和水平方向任意一个轴组成一个二维平面，所有测量点都分布在该平面上，具体测量点分布见图5。由于雾化器的喷嘴直径12mm，且雾化角度不大，因此采用以下的测试方法和顺序（单位：mm）。图5 测量点分布图Fig. 5 Measurement Point Distributes试验中的水流量为29ml/min。现沿射流中心喷嘴处及下方60mm、180mm、300mm处的测量点。图6是各个测量点所作的雾滴粒径直方图，每一个包含了2000个以内雾滴的数据，随着雾滴的不断下降，在离喷嘴出300mm的地方，只能测得1000多个数据。图中横坐标表示为雾滴粒径，纵坐标表示雾滴累积数量。图6（a）雾滴分布图 （0mm）Fig. 6 (a) Droplet Distributes（0mm） （b）雾滴分布图（60mm） (b) Droplet Distributes（60mm）（c）雾滴分布图 （180mm）(c) Droplet Distributes （180mm） （d）雾滴分布图 （300mm）(d) Droplet Distributes （300mm）从上面的直方图可以看到，在喷嘴口处，雾滴比较集中，粒径大多在100 以下，但是存在一个大雾滴群，粒径在150180 。如果去掉这些大雾滴的话，雾滴近似的呈正态分布，但是随着雾滴的不断产生和下落，大雾滴群数量不断增加，分布范围也越来越宽。整个分布也比较杂乱无序。但是从这些直方图中还是可以看出，每一个图中都存在着雾滴累积数量最高峰值，峰值的范围在3545 之间。图（c）中因为存在着两个比较接近的峰值，因此可以取两个峰值的中间值作为该分布的最终峰值。从整个雾场的情形来看，雾滴的整体分布是很不均匀的，造成这种不均匀的原因主要是由于大雾滴群的存在。尤其是在喷嘴处，存在着大雾滴群，雾滴直径在150 180 ，在这一区域内体积中径为162.3 ，而数量中径为41 ，均值为44.9 ，峰值为40 ，而该大雾滴群的比例只占该区域内雾滴总数的3%都不到。从喷嘴处的雾滴分布情况来看，如果去掉这些大雾滴群，则数量中径为40.7 ，体积中径为变为47.2 ，均值变为为41.5 ，散比DR则变为0.86，体积中径小于5 的为22.3%。可见，该大雾滴群的存在严重影响了雾滴分布的均匀性。通过式（1）计算，工作频率为28kHz时，雾滴大小为45 ，与试验均值41.5 基本吻合。3结论通过笔者研究，可以得出以下结论：低频超声雾化器雾化量大。因为该雾化喷头采用郎之万夹心结构，可以实现大功率，从而实现大雾化量。低频超声雾化器可靠性高。因为该雾化喷头采用郎之万夹心结构，其结构可靠性大为提高。在试验当中可以连续正常工作4小时以上，表明其可靠性较高。工作频率为28kHz的低频超声雾化器产生的雾滴体积中径为47.2 ，体积中径小于5 的超细雾滴占22.3%，说明其可以产生超细雾滴，满足雾化栽培的需要，但是超细雾滴所占比例较小，要完全满足雾化栽培的需要，必须对雾滴进行二次雾化，气雾培存在的问题及进一步完善的思路雾培技术在无土栽培领域可以说是最为先进的技术，它具有空间优势，生产优势，及品质优势，但从健康与营养的概念角度来说，还有较大的技术空间可以改进与突破，完全可以成为最为先进最为完全最为绿色环保的超级模式。自李比希提出矿质营养学说后，全球的农业就标志性地从传统有机农业迈进了化学农业的历史阶段，为产量的提高、品质的改善及解决人类食物保障方面作出了极大的贡献，但同时所带来的环境污染、营养退化、健康危害也是空前的。如果人类社会还是长期以往地延续这种耕作模式与技术体系，人类社会的可持续性将来面临严重的危机与挑战。所食用的农产品除了残留超标外营养价值已极为匮乏，据资料记载分析现代生产的蔬菜与60年前没有使用化肥农药的蔬菜相比营养价值减损率达60%，而运用化肥后，作物生长所涉的元素仅仅局限于大量元素氮磷钾的补充为主，很少对农业生产环境进行大面积的微肥补充，而微肥的作用对于植物来说是最具营养价值的元素。而矿质营养学说把植物的需肥规律框框在17-18种元素范畴内，没有更大范围地进行研究与拓展分析，这种狭窄的理论体系只以解决植物生长的必须元素问题，未能正真解决营养健全问题。这种农产品作为人类主要食物摄入来源，就必然会导致人体机能的衰退与疾病的异变。地球的矿质化过程是一个漫长的过程，地球岩石先经由冰川运动的大啮磨，让大块的岩石变为碎粒或者粉末，再经由地球气候环境与综合作用，如风化、雨水酸化、微生物作用而形成如今的土壤。随着地球发育与生物进化的协同作用，地球土壤的矿化速度越来越快，从而使地球早期的植物处于营养充分的矿化环境中，使古生生物都有了良好的营养基础，不管是动物还是植物微生物都具有丰富的矿质元素供给，生物的个体发育硕大寿命特长，生物的进化速率也得以加快，形成了如今丰富多彩的生物世界。但随着人类社会农耕活动的界入及工农业生产开发的加剧，环境破坏，与掠夺性的摄取经营，使土壤矿化物流失加剧，土壤退化严重，特别是工业化带来的酸雨，更使土壤的脱钙过程加快。特别是化学农业在全球的掀起，人们只顾从土壤中不断获取农作物，而不知科学合理的培育土壤与回馈营养元素，只是泛滥性地过多施用氮磷钾，使微量元素严重缺乏与失衡。而微量元素的蓄存在土壤中则因风化摄取离析出而日渐减少，如何获取微量元素，并适时科学地给土壤以补充，正是我们当前要解决的核心问题。 据不完全分析统计，地球可被生物利用的元素多达70余种，而这些元素以固化的方式存在于岩石中与深海中较多，最近研究表明，深海的元素种类与人体的含量与组成比例基本一致，这也证明了海洋是蕴育生命与生物起源的有力证据。而这些元素的获取利用开发就成为当前解决土壤退化确保食物营养安全的技术所在。印尼海啸后作物获得丰产，就是海水带来了大量的微量元素，这些微量元素使植物的产量潜能得以发挥、质量口味得以改善，所以开发深海资源提取海水晒发后的微量元素结晶，或者综合性地利用海洋生物提取肥料也是一大路径。获取最为便捷容易的就是开采岩石并研磨成非常细的矿粉，再结合堆肥微生物发酵矿化获取。当前植物生长所需的元素通常由以下几种：碳氢氧氮磷钾钙镁氯硫铜锌锰铁钼硼钠，其中碳氢氧从空气当中获取，氮磷钾以化学方式施入，其它元素则由土壤缓缓矿化释放为主，而人为耕作过于依赖化肥使土壤矿化所依赖的微生物环境受到破坏，使矿化的速度受阻，每年不断地从土壤中收获作物，而并没有得到补充与培育，从而使土壤的微生态环境破坏，物理化学生物结构恶化，造成土壤严重退化，使培育出来的作物只有虚长而无营养。但从人体所需的营养与植物生长最佳营养来说，上述的几大元素仅仅是生长发育的必须元素，让植物更健康更有营养的其它各种微量元素还是极为匮乏，为解决这问题就必须进行人为补充。使作物生长除了必须元素外，还得有营养元素，这样才能培育出健康的农产品。 如硅酸盐矿就含有近100多种元素，这些元素矿化后将是植物巨大的营养元素源，还有可利用的冰碛、石材加工厂的粉尘，或者火山灰，海底沉积物等，目前可利用较多的资源有花岗岩、玄武岩、磷矿石等都可以通过细磨而被利用。或得从海藻当中提取，也可以产海产的下脚料中获取，最为科学的是从大洋深处的海水中获取，它含有上亿年前沉积下来的各种元素，它更接近于史前的古地球成份，是栽培作物或者营养添加剂的最好原料。 有了微量元素之类的营养补充，一可以使作物的抗病虫性得以提高，不会像化肥作物那般脆弱，可以在不使用农药的条件下健康生长。综合施用微量元素的植物，其植株的糖度会明显提高使昆虫的消化系统受抑而达到遏制虫害暴发的作用。同时也使抗病性增强，受侵害的病部可以很快愈合催生形成综合免疫力。当前的少元素耕作会形成以下恶性循环，大量施用化肥农药，导致抗性与免疫力衰退，又增加剂量，又使植物抗性再次下降，从而尽管三天两头用药最终还是控制不了病虫的滋生，导致作物农药超标的健康危害。如果供给作物充足的元素，通过免疫力的提高来达到抑制病虫的效果，这就是健生栽培所必须的，也是未来农业革新的主要突破口。 对于当前气雾栽培存在的问题，也就是其营养液的配伍思路没有突破传统的矿质营养学说，在传统无土栽培的巢臼中徘徊，这就是现代无土栽培及传统耕作存在的主要问题与敝端。基于这方面的制限，气雾培必须进行创造性的革新，把营养源的调整作为完善气雾栽培的主体技术来抓，因为气雾栽培具有营养吸收最直接的优点，也具有吸收矿质元素效率最高的优势，又具有闭锁循环不外排的特点。当前的气雾培技术已解决了耕作空间的问题，它可以数倍甚至数十倍地提高农业生产的耕作层，甚至可以采用耕作大楼的方式进行集约化工厂化的高效生产。可以让较少的土地为人类提供最丰富的食物，这些突破只有气雾栽培技术方可以轻松实现。但健康与营养问题得解决就必须从营养元素着手，从丰富微量元素种类激活植物潜在基因着手，从提高免疫力与抗性着手。 传统无土栽培大多采用可溶性的矿质元素进行比例配制而成，而加入岩石粉尘的矿物质大多是不可溶性的固化状态，如何让这些粉尘转化为可被植物吸收利用的微量元素，就必须采用与有机物混合进行微生物发酵的方式进行鳌合，把固定的离子化学置换出来，成为相对稳定的鳌合物或者可溶性的离子。这期间的生物化学变化，需要大量的微生物参予才能完成，所以必须按照一定的比例加入到有机堆肥中进行发酵处理。再把充分发酵的固态堆肥底物进行浸渍，泡滤出液肥，这种液肥除了含有充分的大量元素以外，还溶入了大量可被植物利用的微量元素，而且其利用率与稳定性也比直接施入土壤中要好。在堆肥发酵过程中要让堆料处于好氧状态，才不会产生臭味，才可以让堆肥的养分发酵完全，而且岩石粉尘