声波灭火器的设计制作与调试

王子晶+张勇+邱忠媛+高洪岩

摘 要：设计制作了一种声波灭火器，由电源、波形发生器、功率放大器、扬声器和声腔组成。对声波灭火器进行了整体调试，找到了最合适的波形频率及主要参数。

关键词：声波灭火器；波形发生器；功率放大器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.253

传统的干粉灭火剂，二氧化碳灭火剂和泡沫灭火剂等的应用还受到一定限制。干粉灭火器和二氧化碳灭火器不能扑灭轻金属物火灾，而泡沫灭火器对电气火灾无能为力[1]。本文所研究的声波灭火器解决了传统灭火器的不足，具有许多优势。传统灭火器都是用化学制剂做成的，而声波灭火器则无需化学试剂，比较环保。且声波灭火器体积轻小，便于携带，易于存放，能在多种场合下应用，其响应时间和反应速度很快[2]。

1 声波设计与制作原理

1.1 电源电路的設计

电源电路由变压器B2进行降压输出50Hz频率的交流电、交流电再经过四个1N4000整流二极管构成经典的桥式整流电路进行整流、再通过8个滤波个电容两个集成稳压器芯片9812和7912够成[3]。这个电源电路可提供±12V双路电源电压为18650电池进行充电，从而来驱动整个电路的平稳运行。

1.2 波形发生电路的设计

信号发生器电路的主体为ICL8038芯片。电阻R1、R2为电路的方波输出占空比调整电位器，波形占空比例的改变，利用调节两电阻的比值来实现[4]。电阻阻值为8.2K，用精密电位器W1微小调节R1、R2；调整精密电位器W2与W3可改变ICL8038芯片的8脚输入电压；C3到C7电容为外接定时电容。通过前面的分析得知：定时电容的大小可以决定充电时间，从而间接控制触发器触发发出信号以便转换电路改变开关K1的位置，可获得多个频段的输出信号；两套微调网络W5和W6，分别去微调芯片1脚和12脚的电位，可减小正弦波的失真度。ICL8038信号发生器通过多次的修正和实验最终得以设计完成。

1.3 功率放大器电路的设计

功率放大器采用TPA3116D2多功能高精度的数字功率放大芯片，它具备AM干扰和抑制噪音功能，能分析去除杂波干扰[5]。采用12v直流供电，单声道模式，可以为多层印刷电路板提供2×60W/4Ω的功率。该芯片器件可针对电路故障和意外情况进行全面保护，故障情况例如短路、过热、过压、欠压和直流保护等。如果遇到过载输出的情况下，TPA3116D2会将错误信号发送给微处理器，能避免自身满负荷运行遭到损坏。其中的一个内部ADC是用于检测8个输入状态。前四阶段设置在主模式中获得的收益与下一个四个阶段获得的收益均为20，26，32，36分贝。增益设置作为设备供电时不可以改变。其输入是一个全差分输入级，也就是说如果输入阻抗的变化增益设置从9KΩ在增益36dB至60KΩ在20dB。此时输入电阻值误差最小值高于7.2KΩ。20 Hz以下的低音是平坦而有力的，经过计算，确定截止频率为2Hz。在SDZ输入端正常运行时，它的拉低作用将输出设为静音状态，放大器进入低电流状态。在关断模式的情况下，将消除电源之前带来的供应。在启动周期结束时选择的增益设置，不能更改，直到下一次电源来临。内置一个电压限制器可用于限制电源轨的突变，从而限制了输出功率的大小。也可以使用并联一个1μF的电容可以确保和提升稳定性。

1.4 扬声器与声腔的设计

采用阻抗较低的大功率双磁环扬声器，其响应频率高，所以能输出宽频率高能量的声波。由于燃烧的稳定性受到声波的冲击影响较大，根据扬声器的锥形结构，对声腔的设计预测一个声腔模块设计的初步形状，在模拟现有的扬声器结构加上喇叭的尺寸，设计声腔的形状。前面的挡板中间设计一个小孔，目的是将声波进行集中的发射出去，使得能量集中发射出去。

2 声波灭火器的调试

波形发生器的总设计电路图如图1所示。通过调节集成运放器的电压TL081可以减小由于运放芯片带来的信号失真，我们在运放芯片TL081的1引脚和5引脚放了一个精密电位器w7通过调节精密电位器的阻值从而减小TL081输入失调电压的影响，在3脚无输入的情况下，TL081的输出电压应调为0V左右。

最初调试样板图如图2。采用方波对称性调节方法对灭火系统进行了调试。方波相对于正弦波信号不同，占空对于方波的影响更为明显和直接，所以我们对ICL8038的4引脚和5引脚外接了两个电阻R1和R2之前我们提到过通过调节R1和R2的阻值比例可以调节方波的占空比，当R1=R2时，占空比为50%，电阻阻值的离散性可由精密电位器W4进行细调。频率调节：通过调用开关K1改变外接在芯片10引脚的定时电容时可获得1Hz～100kHz的频率输出，K1处于不同的位置，可获1Hz～10Hz、10Hz～100Hz、100Hz～1kHz、1kHz～10kHz、10kHz～100kHz五段输出。先将开关K1拨至初始位置，我们先将开关定时电容C3相接，然后将W2电位器滑动端调至最上端最大阻值，改变W1电位器这时信号频率为10Hz左右；接下来保持上述的参数不变，我们将W2电位器滑动端调至最下端阻值最小处，这时通过调节W3使输出信号频率为1Hz左右，在多多次试验调试后，实现了改变W2输出信号频率就可在1Hz～10Hz范围内呈连续线性。

3 结语

本设计采用卡尔曼滤波来降低纹波干扰，利用数字音频功放替代普通模拟功放，以降低振幅抖动干扰。与传统灭火器相比，声波灭火器体积小，重量轻，更易于携带。在灭火过程中不产生任何气体、液体、固体，且能广泛应用于图书馆、航天飞机和精密电气设备等各种物质的灭火而不受局限，避免了灭火过程中对物体的二次破坏。

参考文献：

[1]郭新荣，刘跟年.灭火器选择中存在的问题及解决对策[J].化学工程与装备，2016（09）：288-289.

[2]路昊，官洪运，于融正等.低频声波灭火器的研究与设计[J].电脑知识与技术，2017（05）：177-178.

[3]陈东.超声波灭火器[J].消防技术与产品信息，1996（04）：95-97.

[4]杨杰.基于ICL8038的任意波形发生器设计与实现[J].电子制作，2014（05）：125-127.

[5]王卫东.模拟电子技术基础[M].北京：电子工业出版社.2010.