摘要：該文基于亥姆霍茲共振腔設(shè)計(jì)了一個(gè)香味自動(dòng)排放裝置，可以應(yīng)用到洗手間的香味自動(dòng)排放。當(dāng)檢測(cè)到有人使用洗手間后，光電開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)單片機(jī)，啟動(dòng)正弦信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生亥姆霍茲共振腔的共振頻率信號(hào)，此時(shí)共振腔就會(huì)排放出香味，凈化空氣。

關(guān)鍵詞：亥姆霍茲共振腔；共振頻率；光電開(kāi)關(guān)；自動(dòng)排放；LabVIEW

中圖分類(lèi)號(hào)：TTP272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2012）31-7589-03

家用洗手間會(huì)采用放置固體芳香劑或噴灑空氣清新劑的方式改善空氣的味道，公用洗手間會(huì)用點(diǎn)燃蚊香的方式。這些方式存在資源浪費(fèi)、效果不佳的缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于亥姆霍茲共振腔的香味自動(dòng)排放裝置，當(dāng)不使用洗手間時(shí)，沒(méi)有香味排出；如果有人使用洗手間，光電開(kāi)關(guān)自動(dòng)觸發(fā)單片機(jī)，產(chǎn)生亥姆霍茲共振腔的共振頻率信號(hào)，在共振頻率下，共振腔內(nèi)的劇烈的空氣振動(dòng)會(huì)推動(dòng)出口處的空氣，腔內(nèi)放置的香料的香氣就會(huì)散發(fā)出來(lái)。單片機(jī)設(shè)置香味排放兩秒，兩秒后自動(dòng)停止排放，既能有效地排放出香味，又避免了浪費(fèi)。

1　排放原理

對(duì)于一個(gè)亥姆霍茲共振腔而言，當(dāng)其內(nèi)部空氣受到聲波的作用時(shí)，在聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于共振腔幾何尺度的情形下，可以認(rèn)為共振腔內(nèi)空氣振動(dòng)的動(dòng)能集中于管道內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能僅與腔體內(nèi)空氣的彈性形變有關(guān)。這樣，這個(gè)共振腔是由管道內(nèi)空氣有效質(zhì)量和腔體內(nèi)空氣彈性組成的一維振動(dòng)系統(tǒng)，因而對(duì)施加作用的波動(dòng)有共振現(xiàn)象，其共振頻率為：

[f=ω2π=c2πSlV]

公式中[f]是亥姆霍茲共振腔的最低共振頻率，[c]是聲速，[S]是管道的截面積，[l]是短管的等效長(zhǎng)度，[V]為空腔體積[1]。

本排放裝置在亥姆霍茲共振腔的基礎(chǔ)上做了一些改裝[2]，改裝后的腔體如圖1所示，采取的玻璃腔的規(guī)格為：25cm*12.6cm*12cm。玻璃腔的玻璃厚度為5mm。在底部開(kāi)有一個(gè)5cm的大孔作為產(chǎn)生聲波的揚(yáng)聲器的接入口。在頂部開(kāi)著9個(gè)直徑為6mm的排氣孔。由公式計(jì)算出玻璃腔的共振頻率約為142Hz。圖2是不同頻率的排放效果（為了便于觀察，用蚊香片代替香料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)）。

由圖2知，當(dāng)揚(yáng)聲器振膜的振動(dòng)頻率與共振腔的共振頻率一致時(shí)，產(chǎn)生諧振，劇烈而高速的空氣振動(dòng)在管道出口用力推動(dòng)管道里的空氣，排放效果最為明顯；揚(yáng)聲器工作在其它頻率時(shí)，蚊香片的煙幾乎不能排放出來(lái)。

2　系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)的框架圖如圖3所示。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器放大后作為揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，亥姆霍茲共振腔放置在封裝后的揚(yáng)聲器上，共振腔的底部開(kāi)孔作為揚(yáng)聲器的接入孔。為了驗(yàn)證共振腔的共振頻率是否對(duì)應(yīng)于排放效果最為明顯的揚(yáng)聲器的振動(dòng)頻率，采用壓電陶瓷片、數(shù)據(jù)采集卡以及LabVIEW軟件作為數(shù)據(jù)的采集與分析裝置。利用光電開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。在共振腔內(nèi)放置好芳香劑，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到活動(dòng)的人時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)單片機(jī)，啟動(dòng)正弦信號(hào)發(fā)生器，使揚(yáng)聲器產(chǎn)生亥姆霍茲共振腔的共振頻率信號(hào)，此時(shí)共振腔就會(huì)排放出香味。

1）信號(hào)發(fā)生器

信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)為正弦信號(hào)，進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作，產(chǎn)生聲源作為腔體工作的能源。用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率和峰峰值都可調(diào)的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器[3]。使用排放裝置時(shí)，信號(hào)發(fā)生器按照與共振腔的共振頻率一致的頻率來(lái)工作。

2）揚(yáng)聲器

本實(shí)驗(yàn)采用的揚(yáng)聲器規(guī)格為：4[Ω]、3W。這樣的小功率揚(yáng)聲器能大大減少能量的消耗，通過(guò)功放的作用讓較低電壓的信號(hào)輸入便足以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的工作。

3）光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)裝置

在單片機(jī)程序中，把紅外檢測(cè)裝置的觸發(fā)方式設(shè)為可重復(fù)觸發(fā)，光電開(kāi)關(guān)的信號(hào)輸出端接單片機(jī)的外部中斷輸出口，并設(shè)置單片機(jī)的外部中斷觸發(fā)方式為脈沖觸發(fā)[4]。當(dāng)光電開(kāi)關(guān)感應(yīng)到有人活動(dòng)時(shí)，信號(hào)輸出端輸出一個(gè)高電平（在此之前程序默認(rèn)為低電平）并持續(xù)幾秒，之后當(dāng)人靜止時(shí)信號(hào)輸出端輸出低電平，當(dāng)人再次活動(dòng)時(shí)信號(hào)輸出端再次輸出高電平并持續(xù)幾秒。此時(shí)標(biāo)志變量置1，外部中斷被觸發(fā)，信號(hào)發(fā)生器啟動(dòng)，并持續(xù)工作2秒，2秒后定時(shí)器中斷程序?qū)?biāo)志變量清零。這樣就實(shí)現(xiàn)了有人使用洗手間時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)排放香味并持續(xù)2秒。

4）壓電陶瓷檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集分析裝置

利用蚊香片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)揚(yáng)聲器的振動(dòng)頻率與共振腔的共振頻率一致時(shí)，從視覺(jué)上看，排放的效果達(dá)到最佳。為了進(jìn)行定量分析，采用具有壓電效應(yīng)的壓電陶瓷作為檢測(cè)的工具。用一塊小木板將兩塊壓電陶瓷片固定在共振腔上，壓電陶瓷片放置在排放孔處，當(dāng)有氣體排出時(shí)，會(huì)沖擊壓電陶瓷片，使其產(chǎn)生形變，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)。通過(guò)NI-USB6009數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)，用LabVIEW軟件繪制頻率—電壓曲線[5]。

3　結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，把信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓的峰峰值調(diào)節(jié)為0.5V。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的不同頻率，記錄壓電陶瓷片電壓信號(hào)的峰峰值，繪制成的頻率—電壓峰峰值曲線如圖4所示。由圖可知，電壓峰峰值在136Hz左右，達(dá)到了最大值，與計(jì)算出的理論共振頻率142Hz較為接近。證明了在共振頻率處，腔體的振動(dòng)達(dá)到了最強(qiáng)，氣體排放達(dá)到最佳效果。采集到的電壓數(shù)據(jù)與壓電陶瓷片的固定方位有關(guān)，并受外界干擾，如果改進(jìn)檢測(cè)裝置，有望得到更接近理論值的頻率。

4　結(jié)論

利用壓電陶瓷檢測(cè)裝置和數(shù)據(jù)采集分析裝置，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)試，達(dá)到了讓亥姆霍茲共振腔作為一個(gè)香味排放裝置的最佳效果。并通過(guò)光電開(kāi)關(guān)和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，可以應(yīng)用于洗手間的香味自動(dòng)排放，有效實(shí)現(xiàn)空氣改善，避免了香料的浪費(fèi)，也防止洗手間的香味濃度過(guò)大而讓人不舒服，具有實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[5]　楊樂(lè)平，李海濤，楊磊.LabVIEW　程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2005：384-411.