基于赫姆霍兹机械共振原理的排烟系统设计
2014-11-11张钊刘伟郑会钢
张钊++刘伟++郑会钢
摘 要：应用声学共振结构实验与赫姆霍兹机械共振原理，将赫姆霍兹共鸣器扩展运用于排烟除尘，并通过多腔共振原理让腔内气体在低音音乐频带中的多个频率产生共振。以单片机系统为核心，进行烟雾浓度的采集处理，提供共振源经放大使结构箱内气体振动，最终实现小空间的排烟除尘。
关键词：声学共振排烟 赫姆霍兹共振 单片机
中图分类号：O442 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0073-02
本设计利用有机玻璃模拟KTV房的环境，运用赫姆霍兹机械共振原理和声学共振的方法实现有效排烟功能。多腔共振原理拓宽了共振的频率带，利用一定频带的音乐可实现共振排烟。
系统要求：自动状态下，单片机提供共振源以实现模拟赫姆霍兹共振结构箱随烟雾浓度自动排烟调节，通过温湿度传感器，实现对环境检测，实现小幅度的空间去潮。
1 系统设计
1.1 系统组成
系统选用STC12C5A60S2作为主控芯片，用以完成对系统执行机构的控制、信息处理和液晶显示。单片机产生共振结构箱所需的机械共振源，检测空间烟雾浓度和温湿度参数，并实现系统自动控制。系统结构设计如图1所示。
1.2 系统的硬件设计
根据设计方案和要求，可将系统分为赫姆霍兹共振结构，传感器数据采集，机械共振源和单片机主控4部分。
1.2.1 赫姆霍兹共振结构
赫姆霍兹共鸣器是一种高效率的声能转换装置：通过驱动其内部空气，可将微小振动转换为高强度的振动把烟雾从管口排出。
单节赫姆霍兹消声结构如图2所示。
赫姆霍兹共振消声结构的消声性能以共振频率和传递损失来评价。常用于古典赫姆霍兹理论设计或预测共振消声器的传递损失和共振频率，该理论采用集中参数模型给出共振消声结构的共振频率和传递损失。
式子1： （1）
式子2：
（2）
式中：为声速（取=340 m/s），为管的长度，为连接管道的截面积，V为共振腔体积，为频率，为共振频率。
从消声联想到排烟除尘：赫姆霍兹共振消声结构中，腔体空气在扬声器的作用下达到声共振，腔内的气体能量最大以至于剧烈振动，产生的强烈气流与外界的气体交换，便实现了排烟效果。因此，当腔内存在大量浓烟时，系统可自动通过气体的流动来实现排烟效果。
1.2.2 单片机主控
STC12C5A60S2单片机内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），强干扰场合，适合系统设计应用。单片机最小系统组成（包括I/O口，复位电路，晶振和LCD1602等部分）作为系统的主控部分，主要完成对共振箱内部烟雾浓度和温湿度信息的采集与显示，通过处理实现控制共振源放大共振排烟。
1.2.3 传感器数据采集
（1）烟雾报警模块。
烟雾浓度的采集使用MQ-2烟雾传感器，具有模拟量及TTL电平信号输出，TTL输出有效信号为低电平，模拟量输出0～5 V电压，浓度越高电压越高。其具有长期的使用寿命和可靠的稳定性、快速的响应恢复特性。用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适用于液化气、丁烷、酒精、氢气、烟雾等监测。
（2）温湿度传感器模块。
采用传感器DHT11对环境温度和湿度参数进行采集，该传感器具有相对温度和湿度测量，全部校准及数字输出，采用单总线协议的串行接口，直接单片机相连。DHT11校准系数以程序形式储存在OTP内存中，在传感器内部检测信号处理时调用。防止电源不稳定，常加电容滤去干扰信号，DATA引脚直接与单片机I/O引脚连接，单片机对其进行控制处理。
1.2.4 机械共振源模块
机械共振源模块包括机械源、信号放大器和扬声器。由式子1可以计算出共振腔所需的共振频率。共振源利用单片机输出，主要通过定时器或PWM发出方波的共振源。在赫姆霍兹共振结构箱中进行排烟测验时，方波作为共振源能使扬声器振动更完整，因而形成的声场能量和气流更大，排烟效果达到最佳。方波的产生利用单片机PWM产生，STC12C5A60S2单片机具有模块0和模块1两路可编程计数器阵列 PCA/PWM寄存器，使用计数器0的溢出作为时钟源可实现低频方波的输出。
单片机输出共振源控制方便，比传统文氏桥波形产生要易于控制，相比教学信号发生器有着成本上的优势。机械共振源从单片机发出，经过信号放大器进行电压幅值放大后驱动扬声器，最后驱动腔体内气体强烈振动，产生气流实现共振箱的排烟。在扬声器性能允许的范围内，提高扬声器的输出功率，排烟效果更佳。
2 系统软件设计
系统编程采用C语言的模块化设计思想，在主程序调用定义的子程序实现系统的信息采集、处理和共振源的开/关。系统软件主要包括主控模块，控制模块和检测模块3部分，软件流程图如图3所示。
3 结语
该共振排烟系统由赫姆霍兹共振结构、传感器探测模块、机械共振源模块和单片机主控模块组成。通过烟雾浓度的探测，利用低音扬声器使烟雾共振，从而使烟雾快速从排气孔排除。串联共振腔在多个频率产生共振，通过腔体结构实现低音音乐共振排烟。利用K房的低音效果，实现排烟换气的效果。系统结构简单、工作快捷、低能耗，尤其适合于小空间的排烟除尘。
参考文献
[1] 李增光.机械振动噪声设计入门[M].北京：化学工业出版社，2013.
[2] 王宪纬，迟逞，曹正东.声共振排烟设计实验[J].实验室研究与探索，2008（8）：
52-53.endprint
摘 要：应用声学共振结构实验与赫姆霍兹机械共振原理，将赫姆霍兹共鸣器扩展运用于排烟除尘，并通过多腔共振原理让腔内气体在低音音乐频带中的多个频率产生共振。以单片机系统为核心，进行烟雾浓度的采集处理，提供共振源经放大使结构箱内气体振动，最终实现小空间的排烟除尘。
关键词：声学共振排烟 赫姆霍兹共振 单片机
中图分类号：O442 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0073-02
本设计利用有机玻璃模拟KTV房的环境，运用赫姆霍兹机械共振原理和声学共振的方法实现有效排烟功能。多腔共振原理拓宽了共振的频率带，利用一定频带的音乐可实现共振排烟。
系统要求：自动状态下，单片机提供共振源以实现模拟赫姆霍兹共振结构箱随烟雾浓度自动排烟调节，通过温湿度传感器，实现对环境检测，实现小幅度的空间去潮。
1 系统设计
1.1 系统组成
系统选用STC12C5A60S2作为主控芯片，用以完成对系统执行机构的控制、信息处理和液晶显示。单片机产生共振结构箱所需的机械共振源，检测空间烟雾浓度和温湿度参数，并实现系统自动控制。系统结构设计如图1所示。
1.2 系统的硬件设计
根据设计方案和要求，可将系统分为赫姆霍兹共振结构，传感器数据采集，机械共振源和单片机主控4部分。
1.2.1 赫姆霍兹共振结构
赫姆霍兹共鸣器是一种高效率的声能转换装置：通过驱动其内部空气，可将微小振动转换为高强度的振动把烟雾从管口排出。
单节赫姆霍兹消声结构如图2所示。
赫姆霍兹共振消声结构的消声性能以共振频率和传递损失来评价。常用于古典赫姆霍兹理论设计或预测共振消声器的传递损失和共振频率，该理论采用集中参数模型给出共振消声结构的共振频率和传递损失。
式子1： （1）
式子2：
（2）
式中：为声速（取=340 m/s），为管的长度，为连接管道的截面积，V为共振腔体积，为频率，为共振频率。
从消声联想到排烟除尘：赫姆霍兹共振消声结构中，腔体空气在扬声器的作用下达到声共振，腔内的气体能量最大以至于剧烈振动，产生的强烈气流与外界的气体交换，便实现了排烟效果。因此，当腔内存在大量浓烟时，系统可自动通过气体的流动来实现排烟效果。
1.2.2 单片机主控
STC12C5A60S2单片机内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），强干扰场合，适合系统设计应用。单片机最小系统组成（包括I/O口，复位电路，晶振和LCD1602等部分）作为系统的主控部分，主要完成对共振箱内部烟雾浓度和温湿度信息的采集与显示，通过处理实现控制共振源放大共振排烟。
1.2.3 传感器数据采集
（1）烟雾报警模块。
烟雾浓度的采集使用MQ-2烟雾传感器，具有模拟量及TTL电平信号输出，TTL输出有效信号为低电平，模拟量输出0～5 V电压，浓度越高电压越高。其具有长期的使用寿命和可靠的稳定性、快速的响应恢复特性。用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适用于液化气、丁烷、酒精、氢气、烟雾等监测。
（2）温湿度传感器模块。
采用传感器DHT11对环境温度和湿度参数进行采集，该传感器具有相对温度和湿度测量，全部校准及数字输出，采用单总线协议的串行接口，直接单片机相连。DHT11校准系数以程序形式储存在OTP内存中，在传感器内部检测信号处理时调用。防止电源不稳定，常加电容滤去干扰信号，DATA引脚直接与单片机I/O引脚连接，单片机对其进行控制处理。
1.2.4 机械共振源模块
机械共振源模块包括机械源、信号放大器和扬声器。由式子1可以计算出共振腔所需的共振频率。共振源利用单片机输出，主要通过定时器或PWM发出方波的共振源。在赫姆霍兹共振结构箱中进行排烟测验时，方波作为共振源能使扬声器振动更完整，因而形成的声场能量和气流更大，排烟效果达到最佳。方波的产生利用单片机PWM产生，STC12C5A60S2单片机具有模块0和模块1两路可编程计数器阵列 PCA/PWM寄存器，使用计数器0的溢出作为时钟源可实现低频方波的输出。
单片机输出共振源控制方便，比传统文氏桥波形产生要易于控制，相比教学信号发生器有着成本上的优势。机械共振源从单片机发出，经过信号放大器进行电压幅值放大后驱动扬声器，最后驱动腔体内气体强烈振动，产生气流实现共振箱的排烟。在扬声器性能允许的范围内，提高扬声器的输出功率，排烟效果更佳。
2 系统软件设计
系统编程采用C语言的模块化设计思想，在主程序调用定义的子程序实现系统的信息采集、处理和共振源的开/关。系统软件主要包括主控模块，控制模块和检测模块3部分，软件流程图如图3所示。
3 结语
该共振排烟系统由赫姆霍兹共振结构、传感器探测模块、机械共振源模块和单片机主控模块组成。通过烟雾浓度的探测，利用低音扬声器使烟雾共振，从而使烟雾快速从排气孔排除。串联共振腔在多个频率产生共振，通过腔体结构实现低音音乐共振排烟。利用K房的低音效果，实现排烟换气的效果。系统结构简单、工作快捷、低能耗，尤其适合于小空间的排烟除尘。
参考文献
[1] 李增光.机械振动噪声设计入门[M].北京：化学工业出版社，2013.
[2] 王宪纬，迟逞，曹正东.声共振排烟设计实验[J].实验室研究与探索，2008（8）：
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摘 要：应用声学共振结构实验与赫姆霍兹机械共振原理，将赫姆霍兹共鸣器扩展运用于排烟除尘，并通过多腔共振原理让腔内气体在低音音乐频带中的多个频率产生共振。以单片机系统为核心，进行烟雾浓度的采集处理，提供共振源经放大使结构箱内气体振动，最终实现小空间的排烟除尘。
关键词：声学共振排烟 赫姆霍兹共振 单片机
中图分类号：O442 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（a）-0073-02
本设计利用有机玻璃模拟KTV房的环境，运用赫姆霍兹机械共振原理和声学共振的方法实现有效排烟功能。多腔共振原理拓宽了共振的频率带，利用一定频带的音乐可实现共振排烟。
系统要求：自动状态下，单片机提供共振源以实现模拟赫姆霍兹共振结构箱随烟雾浓度自动排烟调节，通过温湿度传感器，实现对环境检测，实现小幅度的空间去潮。
1 系统设计
1.1 系统组成
系统选用STC12C5A60S2作为主控芯片，用以完成对系统执行机构的控制、信息处理和液晶显示。单片机产生共振结构箱所需的机械共振源，检测空间烟雾浓度和温湿度参数，并实现系统自动控制。系统结构设计如图1所示。
1.2 系统的硬件设计
根据设计方案和要求，可将系统分为赫姆霍兹共振结构，传感器数据采集，机械共振源和单片机主控4部分。
1.2.1 赫姆霍兹共振结构
赫姆霍兹共鸣器是一种高效率的声能转换装置：通过驱动其内部空气，可将微小振动转换为高强度的振动把烟雾从管口排出。
单节赫姆霍兹消声结构如图2所示。
赫姆霍兹共振消声结构的消声性能以共振频率和传递损失来评价。常用于古典赫姆霍兹理论设计或预测共振消声器的传递损失和共振频率，该理论采用集中参数模型给出共振消声结构的共振频率和传递损失。
式子1： （1）
式子2：
（2）
式中：为声速（取=340 m/s），为管的长度，为连接管道的截面积，V为共振腔体积，为频率，为共振频率。
从消声联想到排烟除尘：赫姆霍兹共振消声结构中，腔体空气在扬声器的作用下达到声共振，腔内的气体能量最大以至于剧烈振动，产生的强烈气流与外界的气体交换，便实现了排烟效果。因此，当腔内存在大量浓烟时，系统可自动通过气体的流动来实现排烟效果。
1.2.2 单片机主控
STC12C5A60S2单片机内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），强干扰场合，适合系统设计应用。单片机最小系统组成（包括I/O口，复位电路，晶振和LCD1602等部分）作为系统的主控部分，主要完成对共振箱内部烟雾浓度和温湿度信息的采集与显示，通过处理实现控制共振源放大共振排烟。
1.2.3 传感器数据采集
（1）烟雾报警模块。
烟雾浓度的采集使用MQ-2烟雾传感器，具有模拟量及TTL电平信号输出，TTL输出有效信号为低电平，模拟量输出0～5 V电压，浓度越高电压越高。其具有长期的使用寿命和可靠的稳定性、快速的响应恢复特性。用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适用于液化气、丁烷、酒精、氢气、烟雾等监测。
（2）温湿度传感器模块。
采用传感器DHT11对环境温度和湿度参数进行采集，该传感器具有相对温度和湿度测量，全部校准及数字输出，采用单总线协议的串行接口，直接单片机相连。DHT11校准系数以程序形式储存在OTP内存中，在传感器内部检测信号处理时调用。防止电源不稳定，常加电容滤去干扰信号，DATA引脚直接与单片机I/O引脚连接，单片机对其进行控制处理。
1.2.4 机械共振源模块
机械共振源模块包括机械源、信号放大器和扬声器。由式子1可以计算出共振腔所需的共振频率。共振源利用单片机输出，主要通过定时器或PWM发出方波的共振源。在赫姆霍兹共振结构箱中进行排烟测验时，方波作为共振源能使扬声器振动更完整，因而形成的声场能量和气流更大，排烟效果达到最佳。方波的产生利用单片机PWM产生，STC12C5A60S2单片机具有模块0和模块1两路可编程计数器阵列 PCA/PWM寄存器，使用计数器0的溢出作为时钟源可实现低频方波的输出。
单片机输出共振源控制方便，比传统文氏桥波形产生要易于控制，相比教学信号发生器有着成本上的优势。机械共振源从单片机发出，经过信号放大器进行电压幅值放大后驱动扬声器，最后驱动腔体内气体强烈振动，产生气流实现共振箱的排烟。在扬声器性能允许的范围内，提高扬声器的输出功率，排烟效果更佳。
2 系统软件设计
系统编程采用C语言的模块化设计思想，在主程序调用定义的子程序实现系统的信息采集、处理和共振源的开/关。系统软件主要包括主控模块，控制模块和检测模块3部分，软件流程图如图3所示。
3 结语
该共振排烟系统由赫姆霍兹共振结构、传感器探测模块、机械共振源模块和单片机主控模块组成。通过烟雾浓度的探测，利用低音扬声器使烟雾共振，从而使烟雾快速从排气孔排除。串联共振腔在多个频率产生共振，通过腔体结构实现低音音乐共振排烟。利用K房的低音效果，实现排烟换气的效果。系统结构简单、工作快捷、低能耗，尤其适合于小空间的排烟除尘。
参考文献
[1] 李增光.机械振动噪声设计入门[M].北京：化学工业出版社，2013.
[2] 王宪纬，迟逞，曹正东.声共振排烟设计实验[J].实验室研究与探索，2008（8）：
52-53.endprint
