摘要：水体是鱼类生活的环境，水中的溶解氧是鱼类赖以生存的最基本的必要条件之一。在鱼、虾高密度养殖中，水中溶解氧的多少决定着水体容纳生物的密度，因此增氧显得尤为重要。对现有各类增氧机的初步分析得出，现有的增氧机装置存在某种缺点：增氧的速度和效率不高，生产中需要配置庞大的设备，消耗大量的能源；而且由于增氧速度慢，导致诸如水产养殖业中鱼类缺氧需要快速救治时无法及时反应而影响生产，甚至鱼类窒息死亡的事故。通过对超声波及超声发生装置的研究，利用其空化效应能达到增氧的效果，结合所设计的简易超声波发生装置。从理论和实验上得出该装置能产生预期的超声波。

关键词：增氧机；超声波；溶解氧

随着环境变化和捕捞能力的增长，海洋渔业资源大面积衰退，有些资源甚至趋于枯竭。而人类对水产品的需求消费量呈持续增长趋势，这种需求刺激了水产养殖业的兴起和发展。随着养殖技术的提高以及出于经济角度考虑，水产养殖业逐渐向高密度、高产量的集约化、工厂化发展。高密度养殖受到不少因素的制约，水中的溶氧浓度就是其中之一。在工厂化的鱼塘养殖环境中，水体处于封闭状态，而养殖生物密度又高，耗氧量大，如果没有额外的氧气输入，将会造成鱼类窒息死亡。

为了提高水产养殖的产量及成活率，就必须增加水中的溶解氧。于是，各种增氧机应运而生。但是现有的增氧设备存在一定的缺陷，例如增氧速度慢和增氧的效率不高，使得水中的溶解氧满足不了养殖中鱼虾等对氧的需求量。超声波增氧技术有其它增氧机所不及的增氧效果，其机理和实现方法尚存争议，对其应用研究的探索有助于新型增氧技术的开发。

1 养殖增氧途径

在鱼虾高密度养殖过程中，溶解氧浓度也许是最重要的一个因素。水是鱼类生活的环境，而水中的溶解氧又是鱼类赖以生存的最基本的必要条件之一。一般说来，养殖鱼类的正常生活适宜溶氧量在5～5.5mg/l以上。若溶解氧低于2～3mg/l时，就会影响鱼类摄食生长；低于l～2mg/l时，就会因缺氧而浮头；低于0.5mg/l鱼就会窒息死亡。池水缺氧时，会加快水质腐败，鱼类呼吸困难，食欲减退，不但不能健康生长，反而因体弱易受细菌感染而得病。从理论计算和生产实践中证实，一般水深2～2.5 m的水池，要使产量达到0.8kg/m2，仅靠鱼池本身的溶氧量是无法实现的，而要人为地采取增氧措施才能保证。

增氧通常是通过机械的方式增加鱼塘的溶氧，有几种类型的增氧需要：(1)紧急增氧，用来在缺氧期间防止鱼类死亡。在正常情况下，谨慎地控制放养密度和饲料投喂量，就不会发生缺氧。然而在阴天，缺氧的时间较长，特别是在浮游生物死亡的情况下，缺氧较为严重。在鱼塘水体中的溶解氧没有得到自然恢复之前，通过紧急增氧可有效地防止鱼类死亡；(2)在气候炎热，以及鱼塘中的溶氧上下分布不均等情况下而造成的缺氧，通过增氧可减少这一类的危险。

1．1常用增氧机类型

目前，国内的增氧机有多种类型：叶轮式、水车式、射流式、管式等等。上述各类型的增氧机都基于一个同样的原理：通过扩散原理增氧，氧可以从空气传播到水体中。大气中含有大量的氧气，当鱼塘中水体的溶氧浓度呈低水平状态时，大气中的部分氧气将会自然扩散到水体中。反之，如果鱼塘水体中的溶氧浓度呈现高水平状态时，水体中的氧就会自动逸出而回到大气中去。

氧在大气层和水体之间，可以通过施加外力而引起氧的有效传递，使其较快地达到平衡。氧的传递通过气、水分界面引起氧气进入或逸出水体，这一气、水分界面是由一层非常薄的水膜与空气接触构成。水体中氧越欠缺或越过剩，进入或逸出这个膜的速度越快。一个不受其它因素影响的水体，氧的传递量将取决于水体中氧的欠缺或者过剩的程度。气一水接触的表面积，温度和时间跨度对氧的传递都有影响。当气一水接触的面积很小且温度很低时，即使水体含氧离平衡点差距很大，氧的净传递速率仍是很慢的。随着氧向水体的扩散，在气、水分界面这层膜的表面，水和氧就会迅速达到平衡，进而继续由扩散运动向周围传递。自然界的水体是从来不完全平静的，氧传递速率是由水体的扰动程度自动调节的。

扩散的速率取决于三个基本因素：氧在水中的欠缺程度，水与空气接触的表面积大小，以及水体扰动程度。通过增氧机的作用，一是增加空气中的氧气向池塘水体溶解；二是促进水体上下交换。池水上层由于浮游生物的光合作用而富含氧气，水体中层及下层由于光照条件差、残饵、淤泥分解耗氧量大而呈贫氧状态，使用增氧机，可促进上下水层交换，改善和提高整个水体的溶氧状况；三是曝气作用。养殖鱼类或其它水生生物的新陈代谢废物以及残饵、淤泥分解所产生的有害气体通过增氧机搅动水体，散逸到大气中，从而改善池水水质状况。

1．1．1水车式增氧机

水车式增氧机是用电动机作动力，通过蜗轮蜗杆减速器，降低到一定转速而带动旋转轴上叶轮的叶板击水，发挥机械搅水作用。增氧机安装使叶轮与水面相切。当叶板转入水中时，冲击水表面，激起水花，把空气带入水中，同时产生一个作用力，一方面把表层的水压人池底，另一方面促使水向后流动；当叶板离开水面后，在离心力作用下，叶板带上的水和叶板及轮缘上附着的水，均抛向空中，激起强烈水花和水雾，增加水和空气接触，加速空气中氧气向水中溶解。这样，使养殖池溶氧量上下水层分布均匀，改变池底缺氧状况。

1．1．2叶轮式增氧机

主要由电机、减速装置、撑架、叶轮和浮体等部分组成。电机经过减速装置带动叶轮，使叶轮以一定的转速旋转，叶片与搅水管产生离心力，因此在叶轮中央下方产生了一个负压区，将底层水提上来，提水深度可达叶轮直径的2～3倍。另外，叶轮旋转时，其周边的搅水管在旋转方向的背面也产生了负压区，空气就会从搅水管一排小孔混入水体，形成气泡，增加水的溶氧。同时，由于叶轮和搅水管的旋转，产生强烈的搅水作用，一方面起到曝气的效果，另一方面也扩大了水和空气的接触机会，提高了增氧效果。叶轮增氧机是一种效果较好的增氧设备，增氧能量和动力效率都I七较高。

1．1．3射流增氧机

当水泵将具有一定压力的水流经喷嘴喷出时，由于喷嘴截面积比进水管截面积小得多，因而在喷嘴出水口的流速很高，压力急剧下降，此时由于大气压力的作用，空气被高速的水流所带人，形成了水、空气混合物，水气交融。其后压力不断升高，被吸人的空气中的一部分氧在此溶解于水，未被溶解的氧在喷入水体与水混合并上升的过程中继续完成溶解。水流喷入水中的同时，在增氧机出水口前方形成一股射流，推动水体，促进了水体交换。

1．1．4旋涡风机增氧机 

以一个外缘带数十片叶片的圆盘叶轮，与机身盖组成同心流道，叶轮与机身、机盖设计成仅有很小间隙的结构，间隙不超过0.1mm。旋涡风机所产生的风压是由离心力与滞后气流组成的复合纵向旋涡所致。当叶轮旋转时，离心力气流进人流道，其旋转速度低于高速旋转的叶轮，因而流人后面的叶片，气流自流道的吸人口与排出口之间多次不断地出入，渐次增加能量。因此，对于直径和转速相同的风机，旋涡风机的风压要比离心风机大几十倍，可以做到转速高，体积小，结构紧凑。

1．1．5扩散增氧机

扩散增氧机是将空气或氧气的气泡注入水中，用气泡石扩散器将气流分化。氧气的渗透率与气泡的大小有关，小气泡可产生空气与水界面间较大面积，溶解度较大。扩散增氧系统在要求水中氧气含量较高时特别有用，因为纯氧或压缩空气能增加溶解氧饱和值。

上述增氧机装置存在着一些共同的缺点：增氧的速度和效率不高，生产中需要配置庞大的设备，消耗大量的能源；而且由于增氧速度慢，导致诸如水产养殖业中鱼类需要快速救治时无法快速反应而影响生产，甚至鱼类窒息死亡的事故。因此，需要从别的途径来解决这个问题，超声波增氧就是其中一种新的途径。

2 超声波对水——气交融的作用

波是媒质中传播的扰动。在媒质任意一点量度扰动的量都是时间的函数，媒质中有声波存在的区域叫做声场。超声波是频率高于可闻声频率范围的声波，范围为20～106kHz。它具有声波的各种特性，如方向性、反射性、干涉、衍射等。超声波更有两个特点：一个是高能，一个是直线传播。超声波的应用就是按照这两个特点展开的，经过几百年的探索，凭借新技术新材料的采用，在各方面应用取得了很大的进展，超声学已成为近代声学中发展最快的一个分支。现在可以说，人们已经掌握了产生、接收各种所需频率、频谱、声强、功率、及波形超声的方法、技术与设备。具体说来，就是利用各种超声换能器，将其他形式的能量，如机械能、电磁能、光能等，转换为声振动能量并向各种媒质中发射。

2．1超声产生基本设备

2．1．1机械式超声产生设备

声波既属机械波，直接利用机械能产生超声自然最容易想到。最早采用的机械能方式大都与研究可听声的频率上限有关，因而多在空气中进行。1820年Wollaston和1830年Savart用手摇大齿轮产生出24kHz的超声。1883年，Gahon首次采用了一种气哨，将压缩气体经过环形狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动并激励附设的空腔共振。用此方法产生超声的频率可达50kHz。1919年，Hartmann将Galton哨改进锥形喷嘴和共振空腔结构，可排列多个喷嘴并附加喇，产生超声频率可达60kHz，声功率可达100W。

2．1．2压电型超声换能器

某些电介质(例如晶体，陶瓷，高分子聚合物)在其适当的方向施加作用力时，内部的电极化状态会发生变化，在电介质的某相对两表面内会出现与外力成正比的符号相反的束缚电荷。相反，在电介质上加一外电场，在此电场作用下，电介质内部电极状态又会发生对应的变化，产生与外加电场强度成正比的应变现象，这就是压电效应。作为压电型超声换能器，常用的单晶体有石英、罗谢尔盐、铌酸锂等，其中石英性能稳定。利用材料不同的切割方向可构成各种不同振动方式，从而在媒质中产生不同波型。压电陶瓷材料制作工艺简单、成本低，可制成各种形状并通过不同极化方式制成各种形式的超声换能器。其中，夹心式换能器，或称郎之万型的复合振子，一般工作在20～100kHz，多用于功率超声的各种处理，水下声源，非金属材料检测及超声治疗等。

2．1．3磁致伸缩型换能器

常用的磁致伸缩材料，在金属中有镍、铁铝合金等，非金属中有铁氧体等。1972年，美国海军的Clark首先发现了稀土铁超磁致伸缩材料，其饱和应力比镍大50～60倍，比压电材料的压电应力大10多倍，而它的声速只有压电陶瓷的一半，特别适合制作低频大功率水下声源和非金属超声检测探头，是一种非常有发展前景的新型材料。与压电超声换能器相比，磁致伸缩超声换能器具有机械强度高，性能稳定，等效输入阻抗低，可在较低激励电压下输出较大声功率的优点，主要用于100kHz以下的低频超声设备，如超声清洗、加工、粉碎、焊接等工业应用；以及水下探测及非金属检测等方面。

2．2超声波的获取技术

2．2．1超声仪器设计

实验性超声波发生器电路原理见图1。

2．2．2超声波发生器电原理分析

超声波能量来源于电能的转换。本电路通过15 V低压电路来控制150V高压电路进行工作。工作原理如下：当接通电源时，从集成块8脚输出的5 V标准直流电，通过集成块4脚的控制，在R2、C2构成的振

荡电路里产生振荡锯齿波脉冲，经过集成块处理后，从集成块6脚输出矩形振荡脉冲，VMOS管起开关的作用，在矩形脉冲的作用下，周期性地开闭。150V电压端在VMOS管瞬时的高频率的周期性开闭下，在线圈G36初级产生了瞬时变化的电流，从而在线圈中产生很高反向电势，调节振荡电路中的滑动变阻器w，使振荡电路产生的振荡脉冲频率产生变化，当频率与超声波发射器的固定频率相同时，产生谐振，变压线圈两端的反向电压会突然升高，在经过变压器升压后，接在超声波

发射器上的交流电压达到要求，使得超声波发射器中的压电晶体产生电致伸缩效应，超声波发射器开始工作，发出超声波。在这里电阻R1起稳定集成块内部工作的作用，电阻R4起保护VMOS管的作用，电容C1对150V直流电起滤波作用。电容C3起滤波稳压作用。R6起电流反馈保护的作用：当通过VMOS管的电流太大时，通过第3脚的控制切断第6脚的电压输出，这样VMOS管就截止了，此时流过R6的电流下降；电流下降到安全电流时，第3脚又控制第6脚让其输出电压，VMOS管再次接通。同理，R3起电压反馈作用。

3 讨论

鱼类水族依靠摄取水中的溶解氧而呼吸，如何提高水体的含氧水平，提高水体养殖密度，已成为人们研究人工养殖方法、探索高密度工厂化养鱼技术的关键。为此目的而研制开发的增氧机具)已有许多种类和结构，利用不同的构造设计，努力在提高增氧机的增氧效果和减轻增氧的功率消耗上下功夫。

提高增氧效果的关键在于增加水气交换界面，不同的设计都在努力朝着这一目标努力。超声波水中辐射传播时，正可以利用其波动的疏密变化打破水中原有的气泡隔膜，分化成更小尺度的气泡结构，产生空化，促进水一气交换界面的增加，并增加分子动能，使气体更活泼地溶人到水中。

实验设计的超声波仪器已经获得了稳定的超声波输出，并经长周期运行考验，工作稳定正常，可以为下一步的环境测试评价提供技术支持。

来源：《浙江海洋学院学报》