摘要：针对鸟类在农业、航空和电力等领域所带来的危害，本文对超声波技术进行了深入的研究。阐述了超声驱鸟原理，介绍了超声波驱鸟设备的硬件设计内容，并分析了超声波驱鸟的软件设计内容。同时论述了驱鸟设备性能的影响因素，包括超声波频率、声压级、发声模式等，然后结合实际试验，对实验测试与数据分析内容进行了系统论述，主要内容包括实验设置、数据采集和数据分析三个方面，以期为解决鸟类危害问题提供一种高效、环保的技术方案。

关键词：超声技术；驱鸟器；鸟害；硬件设计；软件设计

引言

在农业生产过程中，鸟类会啄食作物的种子和果实，对作物的产量和品质造成很大的影响。在航空领域中，飞机与鸟发生碰撞会导致严重的飞行安全事故；在电力系统中，鸟类在输电线路上筑巢栖息，易造成线路短路、跳闸等故障，严重威胁电网的稳定运行。传统的驱鸟方法有稻草人和反光法等，但效果越来越差，有一定的局限性。随着科学技术的进步，超声驱鸟技术以其非接触性、环境友好、作用范围广等优势，逐渐成为一个研究热点，基于此，本文从理论分析、软硬件设计和实验验证三个方面，对超声驱鸟装备进行深入研究，为其实用化提供有力支撑。

一、超声波驱鸟原理

鸟类的听觉范围和人类存在较大差异，大部分鸟类能感知400Hz-25 kHz的声波，而且对特定频率的声波更敏感。超声波是指频率在20千赫以上的声波，当超声波被发射到鸟类活动的地方时，超声波可以刺激鸟类的听力系统。这些刺激会引起鸟类的耳部不舒服，干扰它们正常的神经系统信号传导，从而引起焦虑和恐惧等情绪。从行为学上讲，这种不舒服的感觉会使鸟类主动避开声波来源，达到驱赶鸟类的目的[1]。

二、驱鸟设备的硬件设计

（一）超声波发生器

超声波发生器是驱鸟装备的核心部件，它以产生一定频率、功率的超声信号为主要功能。目前常用的超声发生器都是采用振荡回路的原理，利用电容和电感等器件来产生高频振荡信号，这种方式改变频率很不方便。在设计过程中，我们使用单片机的高速脉冲输出功能，实现可控的超声波信号输出，通过功率放大后接入超声换能器。超声波频率视要求而定，一般取18 kHz -30 kHz。同时，还要考虑超声发生器输出功率，小了不能驱鸟，大了又会影响到周围环境及其他生物。例如，在小范围农田驱鸟时，可以选用10 W～30 W的超声超声发生器，如果是大型的机场和变电站，可能需要50—100瓦的超声发生器。

（二）超声波换能器

超声换能器是将超声发生器产生的电信号转化为超声机械波，然后向周围空间辐射。压电换能器是一种常用的超声换能器，它是利用压电材料的逆压电效应，在电场的作用下发生机械变形而产生超声。另外，传感器的发射角度、覆盖范围等也是影响传感器性能的重要因素。如利用定向发射换能器，可使超声波在某一特定方向上聚集，从而提高远距离驱鸟效果。而全向发射换能器，适合在一定距离范围内进行全方位驱鸟，适用于小果园、库房等场合。

（三）控制器

控制器是驱鸟装备的重要组成部分，它负责控制、协调各种部件的工作。微控制器通常是以单片机为核心控制单元的，控制器的主要功能有：对超声波发生器的起动和停止进行控制，对超声波的频率、功率进行调节，对驱鸟装置工作时间（如连续工作、间歇工作等）进行设置[2]。例如，在间歇工作模式中，可设定超声波发射一定时间后停止，从而达到节能的目的，避免鸟类对超声波的适应。同时，该控制器还可与外部传感器（如光敏、红外线等）相连接，根据周围环境光、有无鸟类接近等情况，对驱鸟装置的工作状态进行调整。

（四）电源模块

电源模组提供稳定的电源供应给驱鸟装置的各个组件，对于某些小型便携的驱鸟设备，可使用锂电池作为动力，具有较高的能量密度，较长的使用寿命，较低的自放电率。对于固定安装于大型场所（如机场、变电站）的驱鸟装置，可以使用市电供电，并配有功率变换电路，把市电转换成设备需要的直流电压。为了保证驱鸟装置的长期稳定运行，在设计时应充分考虑其稳定性、抗干扰性及过压和过流保护。

三、驱鸟设备的软件设计

（一）控制逻辑

首先，在设备启动阶段，首先对系统进行初始化，包括初始化控制器、超声发生器、传感器等。然后按照预先设定的运行方式进入主回路程序。在主循环中，不断地检测来自传感器的信号，如是否有鸟类进入驱鸟区等。一旦侦测到有鸟接近，控制装置就会启动超声波发生器，以设定好的频率及功率发出超声波。同时，利用预先设定的时间间隔，对超声波的发射参数进行调整[3]。比如，如果观察到鸟飞了一段时间还没有走远，可以适当增加超声波的频率或者功率；如果鸟已经飞走了，为了节约能量和减少对环境的破坏，可以减少发射功率或者暂停发射。

（二）频率调制策略

在驱鸟时，可预先设定一系列的频率，并按一定时间间隔或任意次序进行超声波发射。例如，先发出25 KHz的超声波，然后转换成18KHz继续发送，接着又转换到22KHz等等。通过这种方式，鸟类会持续受到不同频率的超声波刺激，使其难以适应，从而提高了驱鸟效果。

四、驱鸟设备性能影响因素

（一）超声波频率

一般而言，低频超声传播距离越远，指向性越差，高频超声的指向性更好，而在空气中传播时衰减更快。在实际应用中，应综合考虑目标鸟的种类分布和驱鸟区面积等因素，综合选用合适的超声频率。如在机场周边驱鸟，因其覆盖范围广，且可能有多只鸟在活动，故可通过多频率组合，在不同时段、不同地域发出不同频率的超声波，增强对不同种类鸟类的驱鸟效果。同时，当鸟类逐渐适应了超声波后，适时调整超声波频率，可以使驱鸟效果更持久。

（二）声压级

声压作为衡量超声波强度的一个重要指标，与超声波对鸟的刺激程度有直接的关系。因此，在确定驱鸟装置的声压级时，既要保证驱鸟效果，又要遵守有关环境噪声标准及安全规程。一般而言，驱鸟器材的声压级应控制在对鸟类有明显驱避作用，且对环境及人体危害最小的范围。如在农田驱鸟时，可以根据农田到周围居民区的距离，适当调节声压级，以避免干扰居民；在机场驱鸟时，声波压力等级既要满足机场周围环境的要求，又要保证对各种鸟类有足够的威慑作用[4]。

（三）发声模式

驱鸟器的发声方式有连续发声、间歇发声、变频发声等，持续发声可以持续产生超声波信号，使鸟类长期处于兴奋状态，但易使其产生适应性，导致驱鸟效果下降。间歇发声模式是指周期性开闭超声波发生器，在一定程度上避免了鸟类对超声信号的过度适应，提高了驱鸟效果的持久性。变频发声方式是通过在一定时间内连续改变超声波频率，模拟自然界复杂多变的声环境，引起鸟类的不适，提高驱鸟效果。

五、实验测试与数据分析

（一）实验设置

为验证驱鸟装备的有效性，将驱鸟装置安装在变电站附近的输电铁塔上，对运行前和运行后的鸟类活动进行监测。选择具体变电站位置：某110 kV变电站邻近的输电线路塔为试验方案。该地区输电线路为鸟类栖息筑巢之地，鸟类活动引发的线路故障频繁发生，严重威胁电网安全稳定运行。把驱鸟装置安装在距塔2米左右的输电塔横担上。采用特制的绝缘固定装置，保证了设备和线路间的安全电气距离，并能防止因风力、振动等原因引起的设备移位和损坏。这些装置发出的声波分别朝向电线两边和电线下面，以便把可能接近电线的鸟赶走。

（二）数据采集

在电气试验中，用高清摄像机24小时连续监控输电线路上的鸟类活动。该系统利用图像识别技术，对输电线路上的鸟类筑巢行为进行自动识别，记录鸟巢的位置、时间、大小、形状等信息。同时，对输电线路上鸟类栖息的频率进行统计，即单位时间内在输电线路上停留的次数与总时间。在驱鸟设备投入使用之前，由于鸟类在输电线上筑巢和栖息而引起的线路故障，每月平均发生5次。驱鸟装置投入使用后，其后三个月只发生过一次因鸟类活动造成的线路故障。在驱鸟装置投入使用前，在输电线上筑巢的成功率约为40%，每天停留约10次，运行之后，输电线上筑巢的成功率降至不到10%，停留次数降至每天约3次[5]。

实验过程中，利用专用数据采集仪实时采集驱鸟机的运行参数，所采集到的数据包括从15 kHz -35 kHz的超声波发射频率，精度可达±100赫兹；超声波发射功率从10 W到30 W可调，测量精度达到±0.5 W；设备运行时间：记录设备每天开机时间、关机时间和累计工作时间，并精确到秒。另外，通过对装置的供电电压、电流等参数的采集，了解装置的能量消耗状况及工作稳定性。实验期间，驱鸟器平均每天开机12小时，供电电压稳定于12 V，工作电流介于0.5～1.5 A之间。数据采集装置用数据线连接到驱鸟装置的控制端口上，按规定时间间隔（例如每隔5秒进行一次）对装置的运行参数进行自动采集，并将数据存入本地数据库。

（三）数据分析

在电气试验中，对输电线路故障数量进行分析，对驱鸟设备投入运行前后一定时间（如一年）内，因鸟类活动引起的输电线路失效次数进行统计。在投入运行前，若因鸟类活动而造成的故障数为60次，经运行后，故障次数减少到10次，则可得到减少次数的比率是（60-10）/60×100%=83.3%。利用卡方检定等统计方法，检验驱鸟器在减少输电线路故障次数方面的效果。若检验结果显示 P<0.05，则表明驱鸟装置对保障电网的安全、稳定运行有明显的作用。通过卡方检验，计算出的卡方值为具体数值，根据实测数据进行计算， P值远远小于0.05，说明驱鸟设备在降低线路故障次数方面有明显的作用。

分析驱鸟设备投入使用前后，鸟类在输电线上的筑巢、栖息行为的变化。利用高分辨率摄像机采集的视频数据，统计鸟类在输电线路上筑巢的成功率（即成功筑巢数/尝试筑巢数的比值）和停留频率的变化。例如，运行前鸟类筑巢成功率为40%，每天停留10次，运行后筑巢成功率降至不到10%，停留次数降至每日3次，则说明驱鸟装置能有效抑制输电线路上鸟类的筑巢、栖息行为。在此基础上，分析不同作业参数对鸟类筑巢、栖息行为的影响规律，确定最优作业参数组合，提高驱鸟作业效率，降低鸟类活动对电网安全的威胁。研究结果表明，当超声波频率约为35000赫兹，功率20 W时，对输电线路上鸟类筑巢、栖息行为的驱避效果最好。

六、结论

利用超声技术研制的驱鸟装备，对解决鸟类危害具有明显优势，应用前景广阔。在对超声波驱鸟机理进行深入研究的基础上，进行软硬件设计，并进行实验测试和数据分析，验证所提方法的有效性和可靠性。今后，随着科技的不断进步，驱鸟装备的性能可以进一步优化，如提高超声波的发射效率，提高装备的智能化水平，扩大作用范围等等。在此基础上，还需研究该技术在农业、航空、电力等领域的应用，降低鸟类危害造成的经济损失和安全风险，达到人鸟和谐共存的目的。

参考文献

[1] 刘慧君，司马芊，李程亮，等. 基于超声波技术的驱鸟设备研究与实践[J]. 现代农业研究，2024，30（2）：107-110.

[2] 沈俊男. 多能态的智能驱鸟系统导向驱离技术研究[D]. 盐城工学院，2024.

[3] 李英翔. 农用仿生驱鸟无人机的研制与试验[D]. 山东：山东理工大学，2023.

[4] 南京工业职业技术大学. 一种基于激光和超声波的风机驱鸟器：CN202011123486.X[P]. 2024-05-10.

[5] 张顾峰，吴犀，邱时盈. 基于图像识别的驱鸟装置[J]. 农村电工，2023，31（7）：33-34.