基于聲波頻閃的懸浮水珠簾

湯澤強(qiáng) 林凱升 陳鈞瀛 母德良 歐陽銳堅 梁佩瑩

摘 ?要：該文對頻閃原理和聲波干涉現(xiàn)象進(jìn)行研究，通過拍攝設(shè)備、頻閃LED等具有頻閃功能的設(shè)備，將水流進(jìn)行聲波干涉處理，調(diào)制聲波頻率和振幅，研究在某種特定頻率下，拍攝設(shè)備中的水流如何產(chǎn)生懸浮效應(yīng)，研究這種方式的水珠簾的懸浮原理和應(yīng)用價值。通過結(jié)合懸浮水珠簾的懸浮效應(yīng)原理的成像系統(tǒng)研究，研究工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品的快速檢測方法，提高產(chǎn)品檢測的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：頻閃原理 ?聲波干涉 ?懸浮效應(yīng)

中圖分類號：P332.5 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）10（c）-0068-02

在工業(yè)生產(chǎn)中，不可避免地存在海量的圖形模板，模板圖以其相似程度高、圖形繁多復(fù)雜等特點(diǎn)，常常需要人眼進(jìn)行圖形匹配和挑選。為了提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品往往處于一個運(yùn)動的狀態(tài)，人眼檢測的準(zhǔn)確率比較低，難以適應(yīng)傳統(tǒng)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。結(jié)合頻閃原理和人眼的視覺暫留特性，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品的快速檢測，提高產(chǎn)品檢測的準(zhǔn)確度。

1 ?基于頻閃聲波的懸浮水珠簾

該實(shí)驗(yàn)利用頻閃燈，使人眼接收圖像的頻率與水流振動頻率相同。如果水流振動頻率為25Hz，頻閃燈閃動頻率為25Hz。頻閃燈在0.04s，0.08s，0.12s……時人眼能看到水滴的閃亮。閃頻燈照射在水滴上的反射光進(jìn)入人眼，因?yàn)槿搜鄣囊曈X暫留特性，上一幅圖像留在腦海，此時新的一幅圖像又進(jìn)入人眼，所以看到水滴一直停留在半空的樣子，實(shí)現(xiàn)了“水滴懸浮”現(xiàn)象[1-5]。

除了用人眼觀察，使用CCD成像系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時的觀察和記錄、圖像識別和檢測，實(shí)時計算水珠的可視位置的移動速度，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地檢測。另一方面，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝紅外探測器，能夠?qū)崿F(xiàn)自動感應(yīng)人體并實(shí)現(xiàn)電路的自動開關(guān)控制，形成具有觀賞和應(yīng)用價值的水珠簾。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置由一個LED頻閃燈、可調(diào)音頻放大器、水泵、音響組成，采用50Hz拍照設(shè)備，水珠大小視情況而定，目前能夠?qū)崿F(xiàn)對可視水珠進(jìn)行懸浮，上下可調(diào)水珠所在可視位置的移動速度。實(shí)驗(yàn)用音響功率為56W，LED燈功率為24W，水泵功率為24W，最大負(fù)荷運(yùn)載時功率為104W，其中音響功率對實(shí)驗(yàn)影響較大，如果功率過小，則無法有效地達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的頻閃的頻率，實(shí)驗(yàn)中裝置產(chǎn)生的頻閃的頻率為50Hz左右。實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的門框高度為1m，寬度為0.5m，為了簡化實(shí)驗(yàn)，采用縮小了的門。水槽長度與門寬度相同，水槽寬度約為10cm，能夠有效地接住落下地水珠。實(shí)驗(yàn)中采用的是10mm外徑，8mm內(nèi)徑的透明軟膠管作為輸水管，輸水量適中，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。設(shè)置于門框頂部的輸水管的向下面被均勻地打出面積約為4mm2的出水孔，該大小的出水孔能夠讓水順利地呈水滴狀流下。制作出整個懸浮水簾裝置成本為145元左右。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)中頻閃的頻率達(dá)到50Hz左右，能夠產(chǎn)生人眼可見的水逆流或懸空現(xiàn)象，并且具有良好的觀賞價值。裝置在紅外探測模塊的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)自動感應(yīng)人體并實(shí)現(xiàn)電路的自動開關(guān)控制。水珠簾與水槽構(gòu)成的水循環(huán)系統(tǒng)能極大地節(jié)約水的使用。整體裝置的成本較低，基本符合預(yù)期。實(shí)驗(yàn)采用的是手工拼裝成的水珠簾裝置，若采用流水線生產(chǎn)，則有望進(jìn)一步降低成本。

區(qū)別于傳統(tǒng)簾子，利用聲波與光照閃動的頻率之間制定特定的特殊律動，并搭配水循環(huán)系統(tǒng)和自動感應(yīng)裝置呈現(xiàn)出的懸浮水簾效果，可以滿足高檔場所的裝飾品或應(yīng)用于居家裝飾，提升環(huán)境檔次。實(shí)驗(yàn)中采用24W，50Hz的LED燈和56W功率的音響，結(jié)合紅外探測器，從而呈現(xiàn)出可以感應(yīng)人體的可控懸浮水簾。在該實(shí)驗(yàn)中，最終的聲波與頻閃呈現(xiàn)的懸浮效果正確率達(dá)到100%。

3 ?結(jié)語

該文對頻閃原理和聲波干涉現(xiàn)象進(jìn)行探究和實(shí)踐，完成了磁懸浮水簾的設(shè)計，基于此功能實(shí)現(xiàn)的磁懸浮水簾成本低廉，具有良好的觀賞價值和應(yīng)用價值。結(jié)合頻閃原理和視覺暫留特性，研究了工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品快速檢測的有效方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚一鳴.基于視覺暫留現(xiàn)象的液滴微流控高通量信息檢測系統(tǒng)[D].上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，2017.

[2] Ralf Seemann，Martin Brinkmann， Thomas Pfohl，et al. Droplet based microfluidics[J].Reports on Progress in Physics，2012，75（1）：016601.

[3] Zhi-Xiao Guo，Qian Zeng，Meng Zhang，et al.Valve-based microfluidic droplet micromixer and mercury （II） ion detection[J].Sensors & Actuators： A.Physical，2011（2）：546-551.

[4] Caglar Elbuken， Tomasz Glawdel， Danny Chan， et al. Detection of microdroplet size and speed using capacitive sensors[J].Sensors & Actuators： A. Physical，2011（2）：55-62.

[5] A.Ernst，W. Streule，N.Schmitt，et al.A capacitive sensor for non-contact nanoliter droplet detection [J].Sensors & Actuators：A. Physical，2009（1）：57-63.