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孔內波動對醫用壓電霧化裝置振動特性的影響

bwin900手机版體積34，文章號:123（2021）<一個href="#citeas" class="c-article-info-details__cite-as u-hide-print" data-track="click" data-track-action="cite this article" data-track-label="link">引用本文

摘要

口服霧化藥物已廣泛應用於咽喉、肺部病變等身體器官的治療，在減少藥物劑量和藥物副作用方麵比靜脈滴注、肌注、外用等傳統治療方法更有效。然而，傳統的霧化裝置總是存在許多缺陷。例如，霧化顆粒分布不均勻、瞬時霧化量不穩定、難以精確控製能量等，嚴重限製了霧化吸入治療的廣泛應用。在本研究中，充分解釋了孔內波動現象發生的原理，並估計了采出體積的變化。此外，建立了霧化裝置霧化速率的數學表達式。進一步闡明了微型泵的工作機理，並從理論上分析了霧化膜振動特性對霧化行為的影響。利用多普勒激光振動儀得到了壓電振子的掃描頻率隨速度和振幅的變化曲線，並得到了相應諧振點的振型。通過實驗驗證了振動特性對霧化速率、霧化高度和霧化粒徑的影響。實驗結果和理論計算均可為今後此類霧化裝置的設計提供指導。

簡介

目前，2019冠狀病毒病(COVID-19)在全球範圍內廣泛傳播，造成了嚴重的經濟損失和人員傷亡[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" title="1" href="#ref-CR1" id="ref-link-section-d70951649e425">1，<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" title="2" href="#ref-CR2" id="ref-link-section-d70951649e425_1">2，<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 3" title="3." href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e428">3.］．到目前為止，還缺乏針對COVID-19病毒的特異性有效藥物和疫苗預防，因此在與這種可怕病毒的鬥爭過程中，患者的自身免疫能力就顯得尤為重要。幹擾素(IFN)可以實現酪氨酸激酶信號傳遞，提供轉錄激活通路，從而產生一係列以IFN刺激基因為主的因子。這揭示了通過影響IFN調控基因的表達，可以產生多種蛋白質，酶可以直接作用於病毒，保護機體不受病毒感染[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 4" title="4" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e431">4，<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 5" title="5" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e434">5］．當含ifn的藥物通過霧化裝置的作用充分分散成微小液滴後，直接作用於呼吸道上皮細胞。值得注意的是，在吸入治療中使用相對較小的劑量，以避免和/或減少全身用藥，從而削弱藥物的毒副作用。此外，由於吸入療法操作簡單方便，可緩解注射和給藥帶來的疼痛[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" title="6" href="#ref-CR6" id="ref-link-section-d70951649e437">6，<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" title="7" href="#ref-CR7" id="ref-link-section-d70951649e437_1">7，<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 8" title="8" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e441">8］．但傳統的霧化裝置存在霧化顆粒分布不均勻、瞬態霧化量不穩定、能量難以精確控製等不足，嚴重製約了其廣泛應用。因此，近幾十年來人們對振動網醫用霧化裝置進行了大量的研究。

設計了一種醫用霧化器，利用電鍍技術在網板上製造了6000個直徑為3 μ m的小孔[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 9" title="9" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e447">9］．壓電換能器在交變電流電壓的激勵下產生高頻振動，使藥物溶液霧化形成氣溶膠。直接對病灶進行呼吸係統操作，實現針對性、定量給藥，減少全身給藥帶來的副作用。隨後，采用激光燒蝕技術和電鑄技術製備了噴嘴直徑為5 μm的鈀鎳合金噴嘴板[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 10" title="10" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e450">10］．用這種方法製作噴嘴板的難度很大，隻能在頻率為100 kHz的工作條件下工作。研究表明，該噴嘴在藥物溶液霧化過程中可以有效地控製藥物液滴的粒徑。霧化液滴的平均粒徑約為3 μm才能滿足要求，其中藥物顆粒被肺部吸收時直徑必須小於4 μm。提出了一種振動網式霧化器，用於霧化製備的納米顆粒藥物[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 11" title="11" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e453">11］．相關實驗數據證實，使用納米顆粒包封西地那非可以保持其穩定性，霧化過程不影響顆粒尺寸、分布和西地那非含量。奧斯卡等人[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 12" title="12" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e456">12]利用微機電係統(MEMS)技術，設計了一種基於矽技術的振動篩霧化裝置。該裝置產生的液滴尺寸為3.75 μm。此外，Rottier等人[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 13" title="13" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e459">13]，萊尼等人。[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 14" title="14" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e463">14]，蒙哥馬利等。[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 15" title="15" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e466">15]， Pourheidar等。[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 16" title="16" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e469">16]，麥卡錫等。[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 17" title="17" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e472">17]，張等。[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 18" title="18" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e475">18]也研究了吸入療法。

許多學者也研究了振網霧化裝置與傳統噴霧霧化裝置的應用比較。吳等。[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 19" title="19" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e481">19]發現振動網霧化裝置在治療嬰幼兒細支氣管炎方麵與傳統霧化裝置療效相同，且具有攜帶方便、操作方便、噪音低的特點，更受患者家屬的歡迎。穆迪等人。[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 20" title="20." href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e484">20.]發現振動網霧化裝置在治療小兒哮喘方麵比傳統的噴射噴霧器裝置有更好的治療效果，可以顯著降低兒童的發病率。

霧化速率和顆粒大小都被證明在吸入治療中起著顯著的作用。Olseni等人[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 21" title="21" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e490">21]和米切爾等人。[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 22" title="22" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e493">22]發現，當藥物顆粒不大於5 μm時，它們很容易進入氣道和肺部，然後在重力作用下沉積在病變部位。需要指出的是，沉積後藥物顆粒的直徑可以保持在初始尺寸，即小於4 μm。而且，恒定的霧化速率可以使患者在治療過程中感到舒適。但由於缺乏理論研究，現有的霧化裝置仍難以保證霧化速率和粒徑分布的穩定性。

本研究深入揭示了孔內波動誘導醫用壓電霧化裝置的霧化機理，並從理論上分析了霧化膜振動特性對霧化性能的影響。通過實驗進一步驗證了理論分析，證明了理論分析的正確性。本工作有望為今後研製霧化性能穩定的醫用壓電霧化裝置提供理論基礎。

孔內波動誘導醫用壓電霧化裝置的霧化機理

霧化膜結構與微錐孔

數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">1(a)為霧化膜結構示意圖。對應的灰色部分和黃色部分分別表示為壓電陶瓷(PZT)環和分散劑。PZT的厚度設定為0.63 mm, PZT環的外徑和內徑分別為15.96 mm和7.69 mm。數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">1(b)和(c)分別為霧化器膜的頂部和底部。通過激光技術在霧化膜的中間凸起處加工了約400個微錐孔。激光加工也會產生一些缺陷。在本研究中，將其簡化為微錐孔。霧化膜的底部與液體接觸，頂部與空氣接觸。數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">1(d)為掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察到的微錐孔圖像，其中液體出口和進口分別用紅圈和綠圈標記。

圖1
圖1

霧化膜結構:一個原理圖,b前視圖,c視圖,d微錐孔孔徑的掃描電鏡觀察[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 23" title="23" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e543">23］

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井內波動現象

數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">2給出了動態錐角的圖解。霧化器的振動變形屬於周期性小變形。在整個循環過程中有一個中性表麵，沒有任何應變或應力。中性表麵兩側的金屬基板產生反拉伸和反壓縮變形以抵消位移。在周期性激勵下，微錐孔內壁非中性表麵上的一個點將完成從初始平衡到拉伸到最大值，然後拉伸幅度減小到初始平衡值，然後壓縮到最大值，然後壓縮減小，最後達到初始平衡的過程。隻要壓電陶瓷環還在，這樣的周期循環就會繼續進行，以提供所需的刺激。在周期信號的激勵下，微錐孔內壁會周期性波動，導致微錐孔體積發生變化。

圖2
圖2

動態錐角圖解[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 24" title="24" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e575">24］

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體積變化的理論分析

為了計算微錐孔在循環過程中的體積變化，以基板中心孔為研究對象。如圖所示<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">3.時，選取中性麵作為邊界，微錐孔可分為上下兩部分。在分析微錐孔變形時，假設中性麵孔徑為常數值。當襯底變形時，由於發生拉伸或收縮，微錐孔的大小邊徑會發生變化，最終體積會發生變化V向上而且V下來微錐孔上下部分的變化，即微錐孔的總體積發生變化。

圖3
圖3

微錐孔參數在一個周期內的變化

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當襯底位於平衡位置、上死點和下死點時，微錐孔的大小直徑表示為d1，d2，d1 d，d二維，d1 u，d2 u,分別。

當襯底中心由上死點向下死點移動時，其順序為d1 u>d1 d，d2 u<d二維，微錐孔上下部分體積變化為:

$ $ \三角洲V_{{{文本\{起來}}}}= \壓裂{{\ uppi}} {8} \ cdot \離開({d_{{1{文本\ d {}}}} ^ {2} - d_{{1{\文本{你}}}}^ {2}}\)\ cdot t < 0, $ $
(1）
$ $ \三角洲V_{{{文本\{下來}}}}= \壓裂{{\ uppi}} {8} \ cdot \離開({d_{{2{文本\ d {}}}} ^ {2} - d_{{2{\文本{你}}}}^ {2}}\)\ cdot t > 0。$ $
（2）

計算微錐孔體積變化如下:

$ ${對齊}\ \開始δV & = \三角洲V_{{{文本\{起來}}}}+δV_ \{{{{\文本 }}}} \\ & = \ 壓裂{{\ uppi}} {8} \ cdot \離開({d_{{1{文本\ d {}}}} ^ {2} - d_{{1{\文本{你}}}}^ {2}}\)\ cdot t + \壓裂{{\ uppi}} {8} \ cdot \離開({d_{{2{文本\ d {}}}} ^ {2} - d_{{2{\文本{你}}}}^ {2}}\)\ cdot t \ \ & = \壓裂{{\ uppi}} {8} \ cdot \離開({d_{{1{文本\ d {}}}} ^ {2} + d_{{2{文本\ d {}}}} ^ {2} - d_{{1{\文本{你}}}}^ {2}- d_{{2{\文本{你}}}}^ {2}}\)\ cdot t \ \ & = \壓裂{{\ uppi}} {16} \ cdot t ^{3}左\ cdot \ [{\ tan ^{2}(α+ \ \ theta_{{{{\文本 }}}} ) - \ 譚^{2}(α+ \ \ theta_{{{文本\{起來}}}})}\右)> 0,\ \ \{對齊}$ $
（3）

在哪裏t是基材的厚度，α為錐孔母線與襯底法線方向的夾角，θ向上減少的量是α(向上彎曲時為負值)，和θ下來是遞增的量嗎α(向下彎曲時為正值)。在此過程中，隨著微錐孔體積的增大，相應的內壓減小。流體可以通過微錐孔的作用從下端吸收，該微錐孔位於微型泵的吸入範圍內。

同樣，當襯底的中心從下死點移到上死點時，d1 u>d1 d，d2 u<d二維時，微錐孔上下部分體積變化計算如下:

$ $ \三角洲V_{{{文本\{起來}}}}= \壓裂{{\ uppi}} {8} \ cdot \離開({d_{{1{\文本{你}}}}^ {2}- d_{{1{文本\ d {}}}} ^ {2}} \) \ cdot t > 0, $ $
（4）
$ $ \三角洲V_{{{文本\{下來}}}}= \壓裂{{\ uppi}} {8} \ cdot \離開({d_{{2{\文本{你}}}}^ {2}- d_{{2{文本\ d {}}}} ^ {2}} \) \ cdot t < 0。$ $
（5）

計算微錐孔體積變化如下:

$ $ \{對齊}{\三角洲}開始V & ={\三角洲}V_{{{文本\{起來}}}}+{\三角洲}V_{{{{\文本 }}}} \\ & = {\ 壓裂{\ uppi} {8}} \ cdot \離開({d_{{1{\文本{你}}}}^ {2}- d_{{1{文本\ d {}}}} ^ {2}} \) \ cdot t +{\壓裂{\ uppi} {8}} \ cdot \離開({d_{{2{\文本{你}}}}^ {2}- d_{{2{文本\ d {}}}} ^ {2}} \) \ cdot t \\ & = {\ 壓裂{\ uppi} {8}} \ cdot \離開({d_{{1{\文本{你}}}}^ {2}+ d_{{2{\文本{你}}}}^ {2}- d_{{1{文本\ d {}}}} ^ {2} - d_{{2{文本\ d {}}}} ^ {2}} \) \ cdot t \\ & = {\ 壓裂{\ uppi} {16}} \ cdot t ^{3}左\ cdot \ [{\ tan ^{2}(α+ \ \ theta_{{{{\文本 }}}} ) - \ 譚^{2}(α+ \ \ theta_{{{文本\{下來}}}})}\右]< 0,\ \ \{對齊}$ $
(6）

在哪裏t是基材的厚度，α為錐孔母線與襯底法線方向的夾角，θ向上減少的量是α(向上彎曲時為負值)，θ下來是遞增的量嗎α(向下彎曲時為正值)。在當前情況下，隨著微錐孔體積的減小，內部壓力增大。流體通過微錐孔向上噴射形成霧化，這就是微泵的調度。

綜上所述，在PZT環激勵下，微錐孔變形導致微錐孔體積變化，進而引起微錐孔內部壓力的變化。

流動阻力及霧化速率分析

根據容積式無閥壓電泵流量公式[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" title="25" href="#ref-CR25" id="ref-link-section-d70951649e1974">25，<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" title="26" href="#ref-CR26" id="ref-link-section-d70951649e1974_1">26，<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 27" title="27" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e1977">27]，則霧化速率公式定義為:

左$ $ \ \{\{聚集}開始Q =δVf \ \ xi_ {v} \ hfill \ \ \ xi_ {v} = \壓裂{{\眉題{{\ xi{(} \氣 {)}_{ + } }} - \ 習上劃線{{\{(}\氣 {)}_{ - } }} }}{{\ 習上劃線{{\{(}\氣 {)}_{ + } }} { + }\ 習上劃線{{\(\氣 {)}_{ - } }} }}, \ 習hfill \ \ \眉題{\ \氣 )}_{ + } = \ 壓裂{{\ int \ limits_{\氣\ \ infty}{\ξ(\氣 )_{ + } } {\ 文本{d}} \氣}}{\氣}\ hfill \ \ \眉題{\ξ(\氣 )}_{ - } = \ 壓裂{{\ int \ limits_{\氣\ \ infty}{\ξ(\氣 )_{ - } } {\ 文本{d}} \氣}}{\氣},\hfill \\ \end{collected} \right.$$
(7）

Δ在哪裏V為微錐孔的體積變化，f為驅動頻率，\(\overline{\xi (\chi)}_{+}\)為正向的平均流動阻力，\(\overline{\xi (\chi)}_{-}\)是反方向的平均流動阻力。微錐孔的體積變化和流動阻力特性分別為霧化過程提供了動力來源和條件。

綜上所述，在不同的諧振點下會發生各種振動模式，這些振動模式會影響霧化器的振動幅度，從而影響微錐孔的變形，最終影響霧化量和霧化粒徑。對霧化器的振動特性進行研究具有重要的意義和意義。

壓電振動器振動特性實驗

本研究選用德國Polytec公司的PSV 300F-B型多普勒激光振動儀對壓電振子的振動模式和諧振點進行測試。數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">4給出了激光振動測量的原理圖。

圖4
圖4

激光振動測量原理圖

全尺寸圖像

數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">5圖為壓電振子振動模態測量設備照片。測量過程中，利用高精度激光幹涉儀發射的激光照射霧化器薄膜，利用擺鏡移動測量位置。從而得到壓電振子表麵不同測點的響應。同時將信號響應反饋給計算機處理部分，要求進行數據記錄。

圖5
圖5

測量壓電振動器振動模式的照片[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 28" title="28" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e2476">28］

全尺寸圖像

數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">6分別顯示掃描頻率隨振動速度和振幅的變化曲線。橫坐標為驅動頻率，單位為kHz，左縱坐標為振動速度，單位為μm/s，右縱坐標為振動振幅，單位為nm/s。圖中的黑色曲線<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">6表示振動速度的掃描頻率曲線，紅色曲線為振動幅度的掃描頻率曲線。壓電振子的諧振頻率分別為15.9 kHz、78.2 kHz、106.1 kHz、116.5 kHz、121.1 kHz和148.3 kHz。相應的模態振型也如圖所示<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">6．實驗結果表明，當諧振頻率達到121.1 kHz時，霧化效果最強。

圖6
圖6

振動速度和振幅的掃頻曲線[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 29" title="29" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e2509">29］

全尺寸圖像

壓電振子振動特性對霧化性能的影響

霧化速率和高度

數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">7顯示了測量霧化速率和高度的設備照片。在測量霧化速率時，將霧化器置於高精度分析天平上，秒表用於計時給霧化器供電的電壓。當時間達到1分鍾時停止對霧化器的供電電壓，用高精度分析天平測量液腔內液體每分鍾的還原量，得到霧化速率。實驗值取三次測量記錄的平均值。分別在驅動電壓設置為60 V、70 V、80 V、90 V和100 V時，測量了不同諧振頻率下的霧化速率和霧化高度。

圖7
圖7

霧化速率及高度測試設備照片[<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 30" title="30." href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e2545">30.］

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數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">8分別為驅動電壓為60 V、70 V、80 V、90 V和100 V時，不同諧振頻率下的霧化速率。在15.9 kHz諧振頻率以下無法觀察到霧化現象，僅在霧化器表麵形成一些水滴。隨著共振頻率的升高，霧化速率逐漸增大，在共振頻率121.1 kHz時，霧化速率達到最大值。而在共振頻率為148.3 kHz時，霧化速率明顯降低。

圖8
圖8

不同諧振點的霧化速率

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根據式(<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="equation anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">7)時，霧化速率應與驅動頻率成正比。當驅動頻率為148.3 kHz時，實驗數據與理論分析不一致。這種現象可以用以下事實來解釋:在這種情況下，壓電振子的變形更為複雜，導致微錐孔體積變化率的減小程度降低，微錐孔的微泵浦效應減弱。

數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">9分別為驅動電壓為60 V、70 V、80 V、90 V和100 V時，不同諧振頻率下的霧化高度。當工作頻率為15.9 kHz時，由於霧化器不能產生霧化，霧化高度值不存在。之後，隨著共振頻率的增加，霧化高度逐漸增加。當共振頻率達到121.1 kHz時，霧化高度最大。當共振頻率為148.3 kHz時，霧化高度大大降低。有趣的是，霧化高度的變化趨勢與霧化速率是一致的。這是因為霧化高度由霧化粒子的初始速度決定。霧化速率越大，霧化液滴的初始速度越大，霧化高度越高。

圖9
圖9

不同諧振點的霧化高度

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霧化粒子的粒徑

為了驗證霧化膜振動特性對液滴尺寸的影響，圖中給出了液滴尺寸的測量平台<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">10［<一個d一個t一個-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 20" title="20." href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7" id="ref-link-section-d70951649e2619">20.］．在實驗中，電源由信號發生器和功放提供，驅動電壓由示波器監測。設計了升降平台，調節霧化器高度，使激光束精確照射霧化液滴，使明顯斑點占上風。為了更清晰地觀察霧化液滴，在霧化器背麵使用了黑色的紙張作為背景。可以清楚地看到，綠色圓圈標記的是霧化液滴群。

圖10
圖10

測量霧化粒子的粒徑

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數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">11為工作電壓為80V時液滴粒徑在不同諧振頻率下的累積分布及分析結果。數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">12顯示了不同電壓下液滴尺寸與諧振頻率的關係。

圖11
圖11

工作電壓為80 V時，霧化顆粒在不同共振頻率下的粒徑累積分布及分析結果

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圖12
圖12

不同共振點的粒子直徑

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數字<一個d一個t一個-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00635-7">12分別為驅動電壓為60 V、70 V、80 V、90 V和100 V時，不同諧振頻率下霧化粒子的粒徑。實驗結果表明，當工作頻率為78.2 kHz時，由於霧化速率低，霧化液滴濃度受到限製，激光粒度分析儀無法檢測到霧化液滴的存在，從而無法分析其粒徑分布。在106.1 kHz ~ 150 kHz範圍內測量了霧化粒徑的分布，粒徑隨共振頻率的增加而增大。這種現象可以用以下事實來解釋:液滴從霧化器流出的速度隨著頻率的增加而加快。隨著液滴速度的增加，液滴由於範德華力的作用而積累，導致sauter平均直徑(SMD)粒徑的增加。

結論

本文係統地研究了孔內波動引起的振動特性對醫用壓電霧化裝置霧化性能的影響。主要結論如下:

  1. (1）

    詳細解釋了孔內波動現象，推導了孔內波動現象引起的體積變化。同時，建立了霧化裝置霧化速率的數學表達式。闡明了微型泵的相應機理，探討了霧化膜振動特性對霧化行為的影響。

  2. （2）

    利用多普勒激光振動儀分別測量了壓電振子的掃描頻率隨速度和振幅的變化曲線，從而得到了相應諧振點的振型。研究還發現壓電振子的最佳諧振頻率在121.1 kHz左右。

  3. （3）

    通過實驗分別驗證了振動特性對霧化速率、霧化高度和霧化粒徑的影響。實驗結果表明，當共振頻率在121.1 kHz左右時，霧化速率和霧化高度均達到最大值，但隨著共振頻率的增加，霧化粒徑逐漸增大。

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下載參考

確認

感謝遙感科學國家重點實驗室和廣東省基礎與應用研究基金會對本文的資助。

資金

遙感科學國家重點實驗室開放基金(批準號:;廣東省基礎與應用基礎研究基金(No. 2019B151520017)。

作者信息

作者及隸屬關係

  1. 南通大學電氣工程學院，江蘇南通226019

    閆秋峰，張磊，王紅梅

  2. 哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150001

    想要陽光

  3. 廣州大學機電工程學院，廣東廣州510006

    Jianhui張

作者
  1. Qiufeng嚴
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  2. 想要陽光
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  3. Lei張
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  4. 紅煤王
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  5. Jianhui張
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貢獻

JZ和QY負責整個試驗;QY撰寫稿件;WS對這份手稿的英文進行了修改。LZ和HW對這篇稿件的修改提出了建議。所有作者都閱讀並批準了最終的手稿。

作者的信息

閆秋峰，1988年出生，現任北京大學講師電氣工程學院，南通大學，中國．他獲得了博士學位南京航空航天大學（NUAA)，中國2019年。主要研究方向為壓電驅動技術和超聲霧化裝置。電話:+ 86-181-12223232;電子郵件:yanqf@nuaa.edu.cn。

孫婉婷，1987年出生，現就職於材料科學與工程學院“，，哈爾濱工業大學，中國．她獲得了博士學位哈爾濱工業大學，中國2018年。她的研究興趣主要集中在工業工程中高性能輕合金的設計。電子郵件:sunwt_hit@126.com。

張磊，1992年出生，現任北京師範大學講師電氣工程學院，南通大學，中國．他獲得了博士學位中國礦業大學，中國2019年。他目前的研究方向包括電力電子、SiC mosfet應用和可再生能源發電係統。電子郵件:nttzzl@ntu.edu.cn。

王紅梅，1986年出生，現任講師電氣工程學院，南通大學，中國．她獲得了博士學位遙感與數字地球研究所“，，中國科學院2019年。主要研究方向為大氣遙感和定量遙感。電子郵件:wanghongmei@ntu.edu.cn。

張建輝，生於1963年，現任北京大學教授機電工程學院“，，廣州大學，中國．他獲得了博士學位山形大學，日本2001年。主要研究方向為鏈傳動技術、壓電驅動技術、超聲霧化裝置。電子郵件:zhangjh@nuaa.edu.cn。

相應的作者

對應到<一個id="corresp-c1" href="mailto:yanqf@nuaa.edu.cn">Qiufeng嚴．

道德聲明

相互競爭的利益

作者聲明沒有相互競爭的經濟利益。

權利和權限

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嚴Q.，孫偉，張麗。et al。孔內波動對醫用壓電霧化裝置振動特性的影響。下巴。j .機械工程。Eng。34， 123(2021)。https://doi.org/10.1186/s10033-021-00635-7

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關鍵字

  • 壓電
  • Intra-hole波動
  • 振動特征
  • 霧化
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