張釗++劉偉++鄭會鋼

摘 要：應(yīng)用聲學(xué)共振結(jié)構(gòu)實驗與赫姆霍茲機械共振原理，將赫姆霍茲共鳴器擴展運用于排煙除塵，并通過多腔共振原理讓腔內(nèi)氣體在低音音樂頻帶中的多個頻率產(chǎn)生共振。以單片機系統(tǒng)為核心，進(jìn)行煙霧濃度的采集處理，提供共振源經(jīng)放大使結(jié)構(gòu)箱內(nèi)氣體振動，最終實現(xiàn)小空間的排煙除塵。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)共振排煙 赫姆霍茲共振 單片機

中圖分類號：O442 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0073-02

本設(shè)計利用有機玻璃模擬KTV房的環(huán)境，運用赫姆霍茲機械共振原理和聲學(xué)共振的方法實現(xiàn)有效排煙功能。多腔共振原理拓寬了共振的頻率帶，利用一定頻帶的音樂可實現(xiàn)共振排煙。

系統(tǒng)要求：自動狀態(tài)下，單片機提供共振源以實現(xiàn)模擬赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)箱隨煙霧濃度自動排煙調(diào)節(jié)，通過溫濕度傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境檢測，實現(xiàn)小幅度的空間去潮。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)選用STC12C5A60S2作為主控芯片，用以完成對系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的控制、信息處理和液晶顯示。單片機產(chǎn)生共振結(jié)構(gòu)箱所需的機械共振源，檢測空間煙霧濃度和溫濕度參數(shù)，并實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計方案和要求，可將系統(tǒng)分為赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)，傳感器數(shù)據(jù)采集，機械共振源和單片機主控4部分。

1.2.1 赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)

赫姆霍茲共鳴器是一種高效率的聲能轉(zhuǎn)換裝置：通過驅(qū)動其內(nèi)部空氣，可將微小振動轉(zhuǎn)換為高強度的振動把煙霧從管口排出。

單節(jié)赫姆霍茲消聲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

赫姆霍茲共振消聲結(jié)構(gòu)的消聲性能以共振頻率和傳遞損失來評價。常用于古典赫姆霍茲理論設(shè)計或預(yù)測共振消聲器的傳遞損失和共振頻率，該理論采用集中參數(shù)模型給出共振消聲結(jié)構(gòu)的共振頻率和傳遞損失。

式子1： （1）

式子2：

（2）

式中：為聲速（取=340 m/s），為管的長度，為連接管道的截面積，V為共振腔體積，為頻率，為共振頻率。

從消聲聯(lián)想到排煙除塵：赫姆霍茲共振消聲結(jié)構(gòu)中，腔體空氣在揚聲器的作用下達(dá)到聲共振，腔內(nèi)的氣體能量最大以至于劇烈振動，產(chǎn)生的強烈氣流與外界的氣體交換，便實現(xiàn)了排煙效果。因此，當(dāng)腔內(nèi)存在大量濃煙時，系統(tǒng)可自動通過氣體的流動來實現(xiàn)排煙效果。

1.2.2 單片機主控

STC12C5A60S2單片機內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），強干擾場合，適合系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用。單片機最小系統(tǒng)組成（包括I/O口，復(fù)位電路，晶振和LCD1602等部分）作為系統(tǒng)的主控部分，主要完成對共振箱內(nèi)部煙霧濃度和溫濕度信息的采集與顯示，通過處理實現(xiàn)控制共振源放大共振排煙。

1.2.3 傳感器數(shù)據(jù)采集

（1）煙霧報警模塊。

煙霧濃度的采集使用MQ-2煙霧傳感器，具有模擬量及TTL電平信號輸出，TTL輸出有效信號為低電平，模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高電壓越高。其具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適用于液化氣、丁烷、酒精、氫氣、煙霧等監(jiān)測。

（2）溫濕度傳感器模塊。

采用傳感器DHT11對環(huán)境溫度和濕度參數(shù)進(jìn)行采集，該傳感器具有相對溫度和濕度測量，全部校準(zhǔn)及數(shù)字輸出，采用單總線協(xié)議的串行接口，直接單片機相連。DHT11校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)存中，在傳感器內(nèi)部檢測信號處理時調(diào)用。防止電源不穩(wěn)定，常加電容濾去干擾信號，DATA引腳直接與單片機I/O引腳連接，單片機對其進(jìn)行控制處理。

1.2.4 機械共振源模塊

機械共振源模塊包括機械源、信號放大器和揚聲器。由式子1可以計算出共振腔所需的共振頻率。共振源利用單片機輸出，主要通過定時器或PWM發(fā)出方波的共振源。在赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)箱中進(jìn)行排煙測驗時，方波作為共振源能使揚聲器振動更完整，因而形成的聲場能量和氣流更大，排煙效果達(dá)到最佳。方波的產(chǎn)生利用單片機PWM產(chǎn)生，STC12C5A60S2單片機具有模塊0和模塊1兩路可編程計數(shù)器陣列 PCA/PWM寄存器，使用計數(shù)器0的溢出作為時鐘源可實現(xiàn)低頻方波的輸出。

單片機輸出共振源控制方便，比傳統(tǒng)文氏橋波形產(chǎn)生要易于控制，相比教學(xué)信號發(fā)生器有著成本上的優(yōu)勢。機械共振源從單片機發(fā)出，經(jīng)過信號放大器進(jìn)行電壓幅值放大后驅(qū)動揚聲器，最后驅(qū)動腔體內(nèi)氣體強烈振動，產(chǎn)生氣流實現(xiàn)共振箱的排煙。在揚聲器性能允許的范圍內(nèi)，提高揚聲器的輸出功率，排煙效果更佳。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)編程采用C語言的模塊化設(shè)計思想，在主程序調(diào)用定義的子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的信息采集、處理和共振源的開/關(guān)。系統(tǒng)軟件主要包括主控模塊，控制模塊和檢測模塊3部分，軟件流程圖如圖3所示。

3 結(jié)語

該共振排煙系統(tǒng)由赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)、傳感器探測模塊、機械共振源模塊和單片機主控模塊組成。通過煙霧濃度的探測，利用低音揚聲器使煙霧共振，從而使煙霧快速從排氣孔排除。串聯(lián)共振腔在多個頻率產(chǎn)生共振，通過腔體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低音音樂共振排煙。利用K房的低音效果，實現(xiàn)排煙換氣的效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作快捷、低能耗，尤其適合于小空間的排煙除塵。

參考文獻(xiàn)

[1] 李增光.機械振動噪聲設(shè)計入門[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[2] 王憲緯，遲逞，曹正東.聲共振排煙設(shè)計實驗[J].實驗室研究與探索，2008（8）：

52-53.endprint

摘 要：應(yīng)用聲學(xué)共振結(jié)構(gòu)實驗與赫姆霍茲機械共振原理，將赫姆霍茲共鳴器擴展運用于排煙除塵，并通過多腔共振原理讓腔內(nèi)氣體在低音音樂頻帶中的多個頻率產(chǎn)生共振。以單片機系統(tǒng)為核心，進(jìn)行煙霧濃度的采集處理，提供共振源經(jīng)放大使結(jié)構(gòu)箱內(nèi)氣體振動，最終實現(xiàn)小空間的排煙除塵。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)共振排煙 赫姆霍茲共振 單片機

中圖分類號：O442 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0073-02

本設(shè)計利用有機玻璃模擬KTV房的環(huán)境，運用赫姆霍茲機械共振原理和聲學(xué)共振的方法實現(xiàn)有效排煙功能。多腔共振原理拓寬了共振的頻率帶，利用一定頻帶的音樂可實現(xiàn)共振排煙。

系統(tǒng)要求：自動狀態(tài)下，單片機提供共振源以實現(xiàn)模擬赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)箱隨煙霧濃度自動排煙調(diào)節(jié)，通過溫濕度傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境檢測，實現(xiàn)小幅度的空間去潮。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)選用STC12C5A60S2作為主控芯片，用以完成對系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的控制、信息處理和液晶顯示。單片機產(chǎn)生共振結(jié)構(gòu)箱所需的機械共振源，檢測空間煙霧濃度和溫濕度參數(shù)，并實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計方案和要求，可將系統(tǒng)分為赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)，傳感器數(shù)據(jù)采集，機械共振源和單片機主控4部分。

1.2.1 赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)

赫姆霍茲共鳴器是一種高效率的聲能轉(zhuǎn)換裝置：通過驅(qū)動其內(nèi)部空氣，可將微小振動轉(zhuǎn)換為高強度的振動把煙霧從管口排出。

單節(jié)赫姆霍茲消聲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

赫姆霍茲共振消聲結(jié)構(gòu)的消聲性能以共振頻率和傳遞損失來評價。常用于古典赫姆霍茲理論設(shè)計或預(yù)測共振消聲器的傳遞損失和共振頻率，該理論采用集中參數(shù)模型給出共振消聲結(jié)構(gòu)的共振頻率和傳遞損失。

式子1： （1）

式子2：

（2）

式中：為聲速（取=340 m/s），為管的長度，為連接管道的截面積，V為共振腔體積，為頻率，為共振頻率。

從消聲聯(lián)想到排煙除塵：赫姆霍茲共振消聲結(jié)構(gòu)中，腔體空氣在揚聲器的作用下達(dá)到聲共振，腔內(nèi)的氣體能量最大以至于劇烈振動，產(chǎn)生的強烈氣流與外界的氣體交換，便實現(xiàn)了排煙效果。因此，當(dāng)腔內(nèi)存在大量濃煙時，系統(tǒng)可自動通過氣體的流動來實現(xiàn)排煙效果。

1.2.2 單片機主控

STC12C5A60S2單片機內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），強干擾場合，適合系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用。單片機最小系統(tǒng)組成（包括I/O口，復(fù)位電路，晶振和LCD1602等部分）作為系統(tǒng)的主控部分，主要完成對共振箱內(nèi)部煙霧濃度和溫濕度信息的采集與顯示，通過處理實現(xiàn)控制共振源放大共振排煙。

1.2.3 傳感器數(shù)據(jù)采集

（1）煙霧報警模塊。

煙霧濃度的采集使用MQ-2煙霧傳感器，具有模擬量及TTL電平信號輸出，TTL輸出有效信號為低電平，模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高電壓越高。其具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適用于液化氣、丁烷、酒精、氫氣、煙霧等監(jiān)測。

（2）溫濕度傳感器模塊。

采用傳感器DHT11對環(huán)境溫度和濕度參數(shù)進(jìn)行采集，該傳感器具有相對溫度和濕度測量，全部校準(zhǔn)及數(shù)字輸出，采用單總線協(xié)議的串行接口，直接單片機相連。DHT11校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)存中，在傳感器內(nèi)部檢測信號處理時調(diào)用。防止電源不穩(wěn)定，常加電容濾去干擾信號，DATA引腳直接與單片機I/O引腳連接，單片機對其進(jìn)行控制處理。

1.2.4 機械共振源模塊

機械共振源模塊包括機械源、信號放大器和揚聲器。由式子1可以計算出共振腔所需的共振頻率。共振源利用單片機輸出，主要通過定時器或PWM發(fā)出方波的共振源。在赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)箱中進(jìn)行排煙測驗時，方波作為共振源能使揚聲器振動更完整，因而形成的聲場能量和氣流更大，排煙效果達(dá)到最佳。方波的產(chǎn)生利用單片機PWM產(chǎn)生，STC12C5A60S2單片機具有模塊0和模塊1兩路可編程計數(shù)器陣列 PCA/PWM寄存器，使用計數(shù)器0的溢出作為時鐘源可實現(xiàn)低頻方波的輸出。

單片機輸出共振源控制方便，比傳統(tǒng)文氏橋波形產(chǎn)生要易于控制，相比教學(xué)信號發(fā)生器有著成本上的優(yōu)勢。機械共振源從單片機發(fā)出，經(jīng)過信號放大器進(jìn)行電壓幅值放大后驅(qū)動揚聲器，最后驅(qū)動腔體內(nèi)氣體強烈振動，產(chǎn)生氣流實現(xiàn)共振箱的排煙。在揚聲器性能允許的范圍內(nèi)，提高揚聲器的輸出功率，排煙效果更佳。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)編程采用C語言的模塊化設(shè)計思想，在主程序調(diào)用定義的子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的信息采集、處理和共振源的開/關(guān)。系統(tǒng)軟件主要包括主控模塊，控制模塊和檢測模塊3部分，軟件流程圖如圖3所示。

3 結(jié)語

該共振排煙系統(tǒng)由赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)、傳感器探測模塊、機械共振源模塊和單片機主控模塊組成。通過煙霧濃度的探測，利用低音揚聲器使煙霧共振，從而使煙霧快速從排氣孔排除。串聯(lián)共振腔在多個頻率產(chǎn)生共振，通過腔體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低音音樂共振排煙。利用K房的低音效果，實現(xiàn)排煙換氣的效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作快捷、低能耗，尤其適合于小空間的排煙除塵。

參考文獻(xiàn)

[1] 李增光.機械振動噪聲設(shè)計入門[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[2] 王憲緯，遲逞，曹正東.聲共振排煙設(shè)計實驗[J].實驗室研究與探索，2008（8）：

52-53.endprint

摘 要：應(yīng)用聲學(xué)共振結(jié)構(gòu)實驗與赫姆霍茲機械共振原理，將赫姆霍茲共鳴器擴展運用于排煙除塵，并通過多腔共振原理讓腔內(nèi)氣體在低音音樂頻帶中的多個頻率產(chǎn)生共振。以單片機系統(tǒng)為核心，進(jìn)行煙霧濃度的采集處理，提供共振源經(jīng)放大使結(jié)構(gòu)箱內(nèi)氣體振動，最終實現(xiàn)小空間的排煙除塵。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)共振排煙 赫姆霍茲共振 單片機

中圖分類號：O442 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0073-02

本設(shè)計利用有機玻璃模擬KTV房的環(huán)境，運用赫姆霍茲機械共振原理和聲學(xué)共振的方法實現(xiàn)有效排煙功能。多腔共振原理拓寬了共振的頻率帶，利用一定頻帶的音樂可實現(xiàn)共振排煙。

系統(tǒng)要求：自動狀態(tài)下，單片機提供共振源以實現(xiàn)模擬赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)箱隨煙霧濃度自動排煙調(diào)節(jié)，通過溫濕度傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境檢測，實現(xiàn)小幅度的空間去潮。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)選用STC12C5A60S2作為主控芯片，用以完成對系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的控制、信息處理和液晶顯示。單片機產(chǎn)生共振結(jié)構(gòu)箱所需的機械共振源，檢測空間煙霧濃度和溫濕度參數(shù)，并實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計方案和要求，可將系統(tǒng)分為赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)，傳感器數(shù)據(jù)采集，機械共振源和單片機主控4部分。

1.2.1 赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)

赫姆霍茲共鳴器是一種高效率的聲能轉(zhuǎn)換裝置：通過驅(qū)動其內(nèi)部空氣，可將微小振動轉(zhuǎn)換為高強度的振動把煙霧從管口排出。

單節(jié)赫姆霍茲消聲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

赫姆霍茲共振消聲結(jié)構(gòu)的消聲性能以共振頻率和傳遞損失來評價。常用于古典赫姆霍茲理論設(shè)計或預(yù)測共振消聲器的傳遞損失和共振頻率，該理論采用集中參數(shù)模型給出共振消聲結(jié)構(gòu)的共振頻率和傳遞損失。

式子1： （1）

式子2：

（2）

式中：為聲速（取=340 m/s），為管的長度，為連接管道的截面積，V為共振腔體積，為頻率，為共振頻率。

從消聲聯(lián)想到排煙除塵：赫姆霍茲共振消聲結(jié)構(gòu)中，腔體空氣在揚聲器的作用下達(dá)到聲共振，腔內(nèi)的氣體能量最大以至于劇烈振動，產(chǎn)生的強烈氣流與外界的氣體交換，便實現(xiàn)了排煙效果。因此，當(dāng)腔內(nèi)存在大量濃煙時，系統(tǒng)可自動通過氣體的流動來實現(xiàn)排煙效果。

1.2.2 單片機主控

STC12C5A60S2單片機內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），強干擾場合，適合系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用。單片機最小系統(tǒng)組成（包括I/O口，復(fù)位電路，晶振和LCD1602等部分）作為系統(tǒng)的主控部分，主要完成對共振箱內(nèi)部煙霧濃度和溫濕度信息的采集與顯示，通過處理實現(xiàn)控制共振源放大共振排煙。

1.2.3 傳感器數(shù)據(jù)采集

（1）煙霧報警模塊。

煙霧濃度的采集使用MQ-2煙霧傳感器，具有模擬量及TTL電平信號輸出，TTL輸出有效信號為低電平，模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高電壓越高。其具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適用于液化氣、丁烷、酒精、氫氣、煙霧等監(jiān)測。

（2）溫濕度傳感器模塊。

采用傳感器DHT11對環(huán)境溫度和濕度參數(shù)進(jìn)行采集，該傳感器具有相對溫度和濕度測量，全部校準(zhǔn)及數(shù)字輸出，采用單總線協(xié)議的串行接口，直接單片機相連。DHT11校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)存中，在傳感器內(nèi)部檢測信號處理時調(diào)用。防止電源不穩(wěn)定，常加電容濾去干擾信號，DATA引腳直接與單片機I/O引腳連接，單片機對其進(jìn)行控制處理。

1.2.4 機械共振源模塊

機械共振源模塊包括機械源、信號放大器和揚聲器。由式子1可以計算出共振腔所需的共振頻率。共振源利用單片機輸出，主要通過定時器或PWM發(fā)出方波的共振源。在赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)箱中進(jìn)行排煙測驗時，方波作為共振源能使揚聲器振動更完整，因而形成的聲場能量和氣流更大，排煙效果達(dá)到最佳。方波的產(chǎn)生利用單片機PWM產(chǎn)生，STC12C5A60S2單片機具有模塊0和模塊1兩路可編程計數(shù)器陣列 PCA/PWM寄存器，使用計數(shù)器0的溢出作為時鐘源可實現(xiàn)低頻方波的輸出。

單片機輸出共振源控制方便，比傳統(tǒng)文氏橋波形產(chǎn)生要易于控制，相比教學(xué)信號發(fā)生器有著成本上的優(yōu)勢。機械共振源從單片機發(fā)出，經(jīng)過信號放大器進(jìn)行電壓幅值放大后驅(qū)動揚聲器，最后驅(qū)動腔體內(nèi)氣體強烈振動，產(chǎn)生氣流實現(xiàn)共振箱的排煙。在揚聲器性能允許的范圍內(nèi)，提高揚聲器的輸出功率，排煙效果更佳。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)編程采用C語言的模塊化設(shè)計思想，在主程序調(diào)用定義的子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的信息采集、處理和共振源的開/關(guān)。系統(tǒng)軟件主要包括主控模塊，控制模塊和檢測模塊3部分，軟件流程圖如圖3所示。

3 結(jié)語

該共振排煙系統(tǒng)由赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)、傳感器探測模塊、機械共振源模塊和單片機主控模塊組成。通過煙霧濃度的探測，利用低音揚聲器使煙霧共振，從而使煙霧快速從排氣孔排除。串聯(lián)共振腔在多個頻率產(chǎn)生共振，通過腔體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低音音樂共振排煙。利用K房的低音效果，實現(xiàn)排煙換氣的效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作快捷、低能耗，尤其適合于小空間的排煙除塵。

參考文獻(xiàn)

[1] 李增光.機械振動噪聲設(shè)計入門[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[2] 王憲緯，遲逞，曹正東.聲共振排煙設(shè)計實驗[J].實驗室研究與探索，2008（8）：

52-53.endprint