基于赫姆霍茲機械共振原理的排煙系統設計

張釗++劉偉++鄭會鋼

摘 要：應用聲學共振結構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氣體在低音音樂頻帶中的多個頻率產生共振。以單片機系統為核心，進行煙霧濃度的采集處理，提供共振源經放大使結構箱內氣體振動，最終實現小空間的排煙除塵。

關鍵詞：聲學共振排煙 赫姆霍茲共振 單片機

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

本設計利用有機玻璃模擬KTV房的環境，運用赫姆霍茲機械共振原理和聲學共振的方法實現有效排煙功能。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共振排煙。

系統要求：自動狀態下，單片機提供共振源以實現模擬赫姆霍茲共振結構箱隨煙霧濃度自動排煙調節，通過溫濕度傳感器，實現對環境檢測，實現小幅度的空間去潮。

1 系統設計

1.1 系統組成

系統選用STC12C5A60S2作為主控芯片，用以完成對系統執行機構的控制、信息處理和液晶顯示。單片機產生共振結構箱所需的機械共振源，檢測空間煙霧濃度和溫濕度參數，并實現系統自動控制。系統結構設計如圖1所示。

1.2 系統的硬件設計

根據設計方案和要求，可將系統分為赫姆霍茲共振結構，傳感器數據采集，機械共振源和單片機主控4部分。

1.2.1 赫姆霍茲共振結構

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

單節赫姆霍茲消聲結構如圖2所示。

赫姆霍茲共振消聲結構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計或預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模型給出共振消聲結構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。

從消聲聯想到排煙除塵：赫姆霍茲共振消聲結構中，腔體空氣在揚聲器的作用下達到聲共振，腔內的氣體能量最大以至于劇烈振動，產生的強烈氣流與外界的氣體交換，便實現了排煙效果。因此，當腔內存在大量濃煙時，系統可自動通過氣體的流動來實現排煙效果。

1.2.2 單片機主控

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

1.2.3 傳感器數據采集

（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定性、快速的響應恢復特性。用于家庭或工廠的氣體泄漏監測裝置，適用于液化氣、丁烷、酒精、氫氣、煙霧等監測。

（2）溫濕度傳感器模塊。

采用傳感器DHT11對環境溫度和濕度參數進行采集，該傳感器具有相對溫度和濕度測量，全部校準及數字輸出，采用單總線協議的串行接口，直接單片機相連。DHT11校準系數以程序形式儲存在OTP內存中，在傳感器內部檢測信號處理時調用。防止電源不穩定，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發出方波的共振源。在赫姆霍茲共振結構箱中進行排煙測驗時，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，排煙效果達到最佳。方波的產生利用單片機PWM產生，STC12C5A60S2單片機具有模塊0和模塊1兩路可編程計數器陣列 PCA/PWM寄存器，使用計數器0的溢出作為時鐘源可實現低頻方波的輸出。

單片機輸出共振源控制方便，比傳統文氏橋波形產生要易于控制，相比教學信號發生器有著成本上的優勢。機械共振源從單片機發出，經過信號放大器進行電壓幅值放大后驅動揚聲器，最后驅動腔體內氣體強烈振動，產生氣流實現共振箱的排煙。在揚聲器性能允許的范圍內，提高揚聲器的輸出功率，排煙效果更佳。

2 系統軟件設計

系統編程采用C語言的模塊化設計思想，在主程序調用定義的子程序實現系統的信息采集、處理和共振源的開/關。系統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 結語

該共振排煙系統由赫姆霍茲共振結構、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。串聯共振腔在多個頻率產生共振，通過腔體結構實現低音音樂共振排煙。利用K房的低音效果，實現排煙換氣的效果。系統結構簡單、工作快捷、低能耗，尤其適合于小空間的排煙除塵。

參考文獻

[1] 李增光.機械振動噪聲設計入門[M].北京：化學工業出版社，2013.

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

52-53.endprint

摘 要：應用聲學共振結構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氣體在低音音樂頻帶中的多個頻率產生共振。以單片機系統為核心，進行煙霧濃度的采集處理，提供共振源經放大使結構箱內氣體振動，最終實現小空間的排煙除塵。

關鍵詞：聲學共振排煙 赫姆霍茲共振 單片機

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

本設計利用有機玻璃模擬KTV房的環境，運用赫姆霍茲機械共振原理和聲學共振的方法實現有效排煙功能。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共振排煙。

系統要求：自動狀態下，單片機提供共振源以實現模擬赫姆霍茲共振結構箱隨煙霧濃度自動排煙調節，通過溫濕度傳感器，實現對環境檢測，實現小幅度的空間去潮。

1 系統設計

1.1 系統組成

系統選用STC12C5A60S2作為主控芯片，用以完成對系統執行機構的控制、信息處理和液晶顯示。單片機產生共振結構箱所需的機械共振源，檢測空間煙霧濃度和溫濕度參數，并實現系統自動控制。系統結構設計如圖1所示。

1.2 系統的硬件設計

根據設計方案和要求，可將系統分為赫姆霍茲共振結構，傳感器數據采集，機械共振源和單片機主控4部分。

1.2.1 赫姆霍茲共振結構

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

單節赫姆霍茲消聲結構如圖2所示。

赫姆霍茲共振消聲結構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計或預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模型給出共振消聲結構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。

從消聲聯想到排煙除塵：赫姆霍茲共振消聲結構中，腔體空氣在揚聲器的作用下達到聲共振，腔內的氣體能量最大以至于劇烈振動，產生的強烈氣流與外界的氣體交換，便實現了排煙效果。因此，當腔內存在大量濃煙時，系統可自動通過氣體的流動來實現排煙效果。

1.2.2 單片機主控

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

1.2.3 傳感器數據采集

（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定性、快速的響應恢復特性。用于家庭或工廠的氣體泄漏監測裝置，適用于液化氣、丁烷、酒精、氫氣、煙霧等監測。

（2）溫濕度傳感器模塊。

采用傳感器DHT11對環境溫度和濕度參數進行采集，該傳感器具有相對溫度和濕度測量，全部校準及數字輸出，采用單總線協議的串行接口，直接單片機相連。DHT11校準系數以程序形式儲存在OTP內存中，在傳感器內部檢測信號處理時調用。防止電源不穩定，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發出方波的共振源。在赫姆霍茲共振結構箱中進行排煙測驗時，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，排煙效果達到最佳。方波的產生利用單片機PWM產生，STC12C5A60S2單片機具有模塊0和模塊1兩路可編程計數器陣列 PCA/PWM寄存器，使用計數器0的溢出作為時鐘源可實現低頻方波的輸出。

單片機輸出共振源控制方便，比傳統文氏橋波形產生要易于控制，相比教學信號發生器有著成本上的優勢。機械共振源從單片機發出，經過信號放大器進行電壓幅值放大后驅動揚聲器，最后驅動腔體內氣體強烈振動，產生氣流實現共振箱的排煙。在揚聲器性能允許的范圍內，提高揚聲器的輸出功率，排煙效果更佳。

2 系統軟件設計

系統編程采用C語言的模塊化設計思想，在主程序調用定義的子程序實現系統的信息采集、處理和共振源的開/關。系統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 結語

該共振排煙系統由赫姆霍茲共振結構、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。串聯共振腔在多個頻率產生共振，通過腔體結構實現低音音樂共振排煙。利用K房的低音效果，實現排煙換氣的效果。系統結構簡單、工作快捷、低能耗，尤其適合于小空間的排煙除塵。

參考文獻

[1] 李增光.機械振動噪聲設計入門[M].北京：化學工業出版社，2013.

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

52-53.endprint

摘 要：應用聲學共振結構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氣體在低音音樂頻帶中的多個頻率產生共振。以單片機系統為核心，進行煙霧濃度的采集處理，提供共振源經放大使結構箱內氣體振動，最終實現小空間的排煙除塵。

關鍵詞：聲學共振排煙 赫姆霍茲共振 單片機

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

本設計利用有機玻璃模擬KTV房的環境，運用赫姆霍茲機械共振原理和聲學共振的方法實現有效排煙功能。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共振排煙。

系統要求：自動狀態下，單片機提供共振源以實現模擬赫姆霍茲共振結構箱隨煙霧濃度自動排煙調節，通過溫濕度傳感器，實現對環境檢測，實現小幅度的空間去潮。

1 系統設計

1.1 系統組成

系統選用STC12C5A60S2作為主控芯片，用以完成對系統執行機構的控制、信息處理和液晶顯示。單片機產生共振結構箱所需的機械共振源，檢測空間煙霧濃度和溫濕度參數，并實現系統自動控制。系統結構設計如圖1所示。

1.2 系統的硬件設計

根據設計方案和要求，可將系統分為赫姆霍茲共振結構，傳感器數據采集，機械共振源和單片機主控4部分。

1.2.1 赫姆霍茲共振結構

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

單節赫姆霍茲消聲結構如圖2所示。

赫姆霍茲共振消聲結構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計或預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模型給出共振消聲結構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。

從消聲聯想到排煙除塵：赫姆霍茲共振消聲結構中，腔體空氣在揚聲器的作用下達到聲共振，腔內的氣體能量最大以至于劇烈振動，產生的強烈氣流與外界的氣體交換，便實現了排煙效果。因此，當腔內存在大量濃煙時，系統可自動通過氣體的流動來實現排煙效果。

1.2.2 單片機主控

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

1.2.3 傳感器數據采集

（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定性、快速的響應恢復特性。用于家庭或工廠的氣體泄漏監測裝置，適用于液化氣、丁烷、酒精、氫氣、煙霧等監測。

（2）溫濕度傳感器模塊。

采用傳感器DHT11對環境溫度和濕度參數進行采集，該傳感器具有相對溫度和濕度測量，全部校準及數字輸出，采用單總線協議的串行接口，直接單片機相連。DHT11校準系數以程序形式儲存在OTP內存中，在傳感器內部檢測信號處理時調用。防止電源不穩定，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發出方波的共振源。在赫姆霍茲共振結構箱中進行排煙測驗時，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，排煙效果達到最佳。方波的產生利用單片機PWM產生，STC12C5A60S2單片機具有模塊0和模塊1兩路可編程計數器陣列 PCA/PWM寄存器，使用計數器0的溢出作為時鐘源可實現低頻方波的輸出。

單片機輸出共振源控制方便，比傳統文氏橋波形產生要易于控制，相比教學信號發生器有著成本上的優勢。機械共振源從單片機發出，經過信號放大器進行電壓幅值放大后驅動揚聲器，最后驅動腔體內氣體強烈振動，產生氣流實現共振箱的排煙。在揚聲器性能允許的范圍內，提高揚聲器的輸出功率，排煙效果更佳。

2 系統軟件設計

系統編程采用C語言的模塊化設計思想，在主程序調用定義的子程序實現系統的信息采集、處理和共振源的開/關。系統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 結語

該共振排煙系統由赫姆霍茲共振結構、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。串聯共振腔在多個頻率產生共振，通過腔體結構實現低音音樂共振排煙。利用K房的低音效果，實現排煙換氣的效果。系統結構簡單、工作快捷、低能耗，尤其適合于小空間的排煙除塵。

參考文獻

[1] 李增光.機械振動噪聲設計入門[M].北京：化學工業出版社，2013.

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

52-53.endprint