基于亥姆霍兹共振腔香味自动排放装置设计

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1、基于亥姆霍兹共振腔香味自动排放装置设计摘要：该文基于亥姆霍兹共振腔设计了一个香味自动排放装置，可以应用到洗手间的香味自动排放。当检测到有人使用洗手间后，光电开关会自动触发单片机，启动正弦信号发生器，产生亥姆霍兹共振腔的共振频率信号，此时共振腔就会排放出香味，净化空气。关键词：亥姆霍兹共振腔；共振频率；光电开关；自动排放；LabVIEW中图分类号：TTP272文献标识码：A文章编号:1009-3044(2012)31-7589-03家用洗手间会采用放置体芳香剂或喷洒空气清新剂的方式改善空气的味道，公

2、用洗手间会用点燃蚊香的方式。这些方式存在资源浪费、效果不佳的缺点。本文设计了一个基于亥姆霍兹共振腔的香味自动排放装置，当不使用洗手间时，没有香味排出；如果有人使用洗手间，光电开关自动触发单片机，产生亥姆霍兹共振腔的共振频率信号，在共振频率下，共振腔内的剧烈的空气振动会推动出口处的空气，腔内放置的香料的香气就会散发出来。单片机设置香味排放两秒，两秒后自动停止排放，既能有效地排放出香味，又避免了浪费。1排放原理对于一个亥姆霍兹共振腔而言，当其内部空气受到声波的作用时，在声波波长远大于共振腔几何尺度的情

3、形下，可以认为共振腔内空气振动的动能集中于管道内空气的运动，势能仅与腔体内空气的弹性形变有关。这样，这个共振腔是由管道内空气有效质量和腔体内空气弹性组成的一维振动系统，因而对施加作用的波动有共振现象，其共振频率为：［f=o2jt=c2jtSIV］公式中［f］是亥姆霍兹共振腔的最低共振频率，［c］是声速，［S］是管道的截面积，［1］是短管的等效长度，［V］为空腔体积［1］。本排放装置在亥姆霍兹共振腔的基础上做了一些改装［2］,改装后的腔体如图1所示，采取的玻璃腔的规格为：25cm*12.6cm*12

4、cmo玻璃腔的玻璃厚度为5mm。在底部开有一个5cm的大孔作为产生声波的扬声器的接入口。在顶部开着9个直径为6mm的排气孔。由公式计算出玻璃腔的共振频率约为142Hzo图2是不同频率的排放效果（为了便于观察,用蚊香片代替香料进行实验）。由图2知，当扬声器振膜的振动频率与共振腔的共振频率一致时，产生谐振，剧烈而高速的空气振动在管道出口用力推动管道里的空气，排放效果最为明显；扬声器工作在其它频率时，蚊香片的烟几乎不能排放出来。2系统介绍本系统的框架图如图3所示。信号发生器产生的信号经过功率放大器放大后

5、作为扬声器的驱动信号，亥姆霍兹共振腔放置在封装后的扬声器上，共振腔的底部开孔作为扬声器的接入孔。为了验证共振腔的共振频率是否对应于排放效果最为明显的扬声器的振动频率，采用压电陶瓷片、数据釆集卡以及LabVIEW软件作为数据的采集与分析装置。利用光电开关，实现自动化控制。在共振腔内放置好芳香剂，当光电开关检测到活动的人时，自动触发单片机，启动正弦信号发生器，使扬声器产生亥姆霍兹共振腔的共振频率信号，此时共振腔就会排放出香味。1）信号发生器信号发生器的输出信号为正弦信号，进行功率放大后驱动扬声器工作，

6、产生声源作为腔体工作的能源。用单片机设计了一个频率和峰峰值都可调的简易信号发生器［3］。使用排放装置时，信号发生器按照与共振腔的共振频率一致的频率来工作。2）扬声器本实验采用的扬声器规格为：4［Q］、3WO这样的小功率扬声器能大大减少能量的消耗，通过功放的作用让较低电压的信号输入便足以驱动扬声器的工作。3）光电开关检测装置在单片机程序中，把红外检测装置的触发方式设为可重复触发，光电开关的信号输出端接单片机的外部中断输出口，并设置单片机的外部中断触发方式为脉冲触发［4］。当光电开关感应到有人活动时，

7、信号输出端输出一个高电平（在此之前程序默认为低电平）并持续几秒，之后当人静止时信号输出端输出低电平，当人再次活动时信号输出端再次输出高电平并持续几秒。此时标志变量置1,外部中断被触发，信号发生器启动，并持续工作2秒，2秒后定时器中断程序将标志变量清零。这样就实现了有人使用洗手间时，系统自动排放香味并持续2秒。4）压电陶瓷检测和数据采集分析装置利用蚊香片进行实验，当扬声器的振动频率与共振腔的共振频率一致时，从视觉上看，排放的效果达到最佳。为了进行定量分析，采用具有压电效应的压电陶瓷作为检测的工具。用

8、一块小木板将两块压电陶瓷片固定在共振腔上，压电陶瓷片放置在排放孔处，当有气体排出时，会冲击压电陶瓷片，使其产生形变，从而产生电压信号。通过NI-USB6009数据采集卡送入计算机，用LabVIEW软件绘制频率一电压曲线［5］o3结果及分析实验过程中，把信号发生器的输出电压的峰峰值调节为0.5VO调节信号发生器的不同频率，记录压电陶瓷片电压信号的峰峰值，绘制成的频率一电压峰峰值曲线如图4所示。由图可知，电压峰峰值在136Hz左右，达到了最大值，与计算出的理论共振频率142Hz较为接近