聲波滅火器的設計制作與調試

王子晶+張勇+邱忠媛+高洪巖

摘 要：設計制作了一種聲波滅火器，由電源、波形發生器、功率放大器、揚聲器和聲腔組成。對聲波滅火器進行了整體調試，找到了最合適的波形頻率及主要參數。

關鍵詞：聲波滅火器；波形發生器；功率放大器

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

傳統的干粉滅火劑，二氧化碳滅火劑和泡沫滅火劑等的應用還受到一定限制。干粉滅火器和二氧化碳滅火器不能撲滅輕金屬物火災，而泡沫滅火器對電氣火災無能為力[1]。本文所研究的聲波滅火器解決了傳統滅火器的不足，具有許多優勢。傳統滅火器都是用化學制劑做成的，而聲波滅火器則無需化學試劑，比較環保。且聲波滅火器體積輕小，便于攜帶，易于存放，能在多種場合下應用，其響應時間和反應速度很快[2]。

1 聲波設計與制作原理

1.1 電源電路的設計

電源電路由變壓器B2進行降壓輸出50Hz頻率的交流電、交流電再經過四個1N4000整流二極管構成經典的橋式整流電路進行整流、再通過8個濾波個電容兩個集成穩壓器芯片9812和7912夠成[3]。這個電源電路可提供±12V雙路電源電壓為18650電池進行充電，從而來驅動整個電路的平穩運行。

1.2 波形發生電路的設計

信號發生器電路的主體為ICL8038芯片。電阻R1、R2為電路的方波輸出占空比調整電位器，波形占空比例的改變，利用調節兩電阻的比值來實現[4]。電阻阻值為8.2K，用精密電位器W1微小調節R1、R2；調整精密電位器W2與W3可改變ICL8038芯片的8腳輸入電壓；C3到C7電容為外接定時電容。通過前面的分析得知：定時電容的大小可以決定充電時間，從而間接控制觸發器觸發發出信號以便轉換電路改變開關K1的位置，可獲得多個頻段的輸出信號；兩套微調網絡W5和W6，分別去微調芯片1腳和12腳的電位，可減小正弦波的失真度。ICL8038信號發生器通過多次的修正和實驗最終得以設計完成。

1.3 功率放大器電路的設計

功率放大器采用TPA3116D2多功能高精度的數字功率放大芯片，它具備AM干擾和抑制噪音功能，能分析去除雜波干擾[5]。采用12v直流供電，單聲道模式，可以為多層印刷電路板提供2×60W/4Ω的功率。該芯片器件可針對電路故障和意外情況進行全面保護，故障情況例如短路、過熱、過壓、欠壓和直流保護等。如果遇到過載輸出的情況下，TPA3116D2會將錯誤信號發送給微處理器，能避免自身滿負荷運行遭到損壞。其中的一個內部ADC是用于檢測8個輸入狀態。前四階段設置在主模式中獲得的收益與下一個四個階段獲得的收益均為20，26，32，36分貝。增益設置作為設備供電時不可以改變。其輸入是一個全差分輸入級，也就是說如果輸入阻抗的變化增益設置從9KΩ在增益36dB至60KΩ在20dB。此時輸入電阻值誤差最小值高于7.2KΩ。20 Hz以下的低音是平坦而有力的，經過計算，確定截止頻率為2Hz。在SDZ輸入端正常運行時，它的拉低作用將輸出設為靜音狀態，放大器進入低電流狀態。在關斷模式的情況下，將消除電源之前帶來的供應。在啟動周期結束時選擇的增益設置，不能更改，直到下一次電源來臨。內置一個電壓限制器可用于限制電源軌的突變，從而限制了輸出功率的大小。也可以使用并聯一個1μF的電容可以確保和提升穩定性。

1.4 揚聲器與聲腔的設計

采用阻抗較低的大功率雙磁環揚聲器，其響應頻率高，所以能輸出寬頻率高能量的聲波。由于燃燒的穩定性受到聲波的沖擊影響較大，根據揚聲器的錐形結構，對聲腔的設計預測一個聲腔模塊設計的初步形狀，在模擬現有的揚聲器結構加上喇叭的尺寸，設計聲腔的形狀。前面的擋板中間設計一個小孔，目的是將聲波進行集中的發射出去，使得能量集中發射出去。

2 聲波滅火器的調試

波形發生器的總設計電路圖如圖1所示。通過調節集成運放器的電壓TL081可以減小由于運放芯片帶來的信號失真，我們在運放芯片TL081的1引腳和5引腳放了一個精密電位器w7通過調節精密電位器的阻值從而減小TL081輸入失調電壓的影響，在3腳無輸入的情況下，TL081的輸出電壓應調為0V左右。

最初調試樣板圖如圖2。采用方波對稱性調節方法對滅火系統進行了調試。方波相對于正弦波信號不同，占空對于方波的影響更為明顯和直接，所以我們對ICL8038的4引腳和5引腳外接了兩個電阻R1和R2之前我們提到過通過調節R1和R2的阻值比例可以調節方波的占空比，當R1=R2時，占空比為50%，電阻阻值的離散性可由精密電位器W4進行細調。頻率調節：通過調用開關K1改變外接在芯片10引腳的定時電容時可獲得1Hz～100kHz的頻率輸出，K1處于不同的位置，可獲1Hz～10Hz、10Hz～100Hz、100Hz～1kHz、1kHz～10kHz、10kHz～100kHz五段輸出。先將開關K1撥至初始位置，我們先將開關定時電容C3相接，然后將W2電位器滑動端調至最上端最大阻值，改變W1電位器這時信號頻率為10Hz左右；接下來保持上述的參數不變，我們將W2電位器滑動端調至最下端阻值最小處，這時通過調節W3使輸出信號頻率為1Hz左右，在多多次試驗調試后，實現了改變W2輸出信號頻率就可在1Hz～10Hz范圍內呈連續線性。

3 結語

本設計采用卡爾曼濾波來降低紋波干擾，利用數字音頻功放替代普通模擬功放，以降低振幅抖動干擾。與傳統滅火器相比，聲波滅火器體積小，重量輕，更易于攜帶。在滅火過程中不產生任何氣體、液體、固體，且能廣泛應用于圖書館、航天飛機和精密電氣設備等各種物質的滅火而不受局限，避免了滅火過程中對物體的二次破壞。

參考文獻：

[1]郭新榮，劉跟年.滅火器選擇中存在的問題及解決對策[J].化學工程與裝備，2016（09）：288-289.

[2]路昊，官洪運，于融正等.低頻聲波滅火器的研究與設計[J].電腦知識與技術，2017（05）：177-178.

[3]陳東.超聲波滅火器[J].消防技術與產品信息，1996（04）：95-97.

[4]楊杰.基于ICL8038的任意波形發生器設計與實現[J].電子制作，2014（05）：125-127.

[5]王衛東.模擬電子技術基礎[M].北京：電子工業出版社.2010.