基于動(dòng)物鳴聲和音樂(lè)混合的聲頻助長(zhǎng)器的開發(fā)

姜仕仁,項(xiàng)小東

(浙江科技學(xué)院a.生物與化學(xué)工程學(xué)院;b.自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,杭州310023)

聲波助長(zhǎng)技術(shù)亦稱聲頻控制技術(shù),是近年發(fā)展起來(lái)的物理農(nóng)業(yè)新技術(shù),國(guó)內(nèi)外從基礎(chǔ)理論到應(yīng)用研究均有報(bào)道[1-8]。其基本原理是對(duì)生物以一定頻率的聲波刺激,通過(guò)聲波應(yīng)力作用[9-10],刺激生物的生理活動(dòng),以增強(qiáng)其對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)化,從而促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育,達(dá)到增產(chǎn)、增收、優(yōu)質(zhì)、抗病的目的。

聲頻助長(zhǎng)器實(shí)際上就是一種聲波播放器,目前國(guó)內(nèi)外使用的這種裝置所不同的是播放的聲波類型。播放的聲波有單一頻率的或混合頻率的,有純音樂(lè)的,也有音樂(lè)與其他聲音組合的,等等。如日本先拓公司對(duì)溫室蔬菜,法國(guó)聲學(xué)研究所和前蘇聯(lián)的研究人員對(duì)西紅柿和甜菜都是通過(guò)播放貝多芬等古典樂(lè)曲,日本東京大學(xué)是以不同頻率的聲波研究其對(duì)微生物繁殖時(shí)間的影響,美國(guó)科學(xué)家Dan Carlson的sonic bloom技術(shù)是對(duì)植物播放古典音樂(lè)或類似于鳥鳴聲和蟋蟀鳴聲的聲波[11];中國(guó)目前在許多地方示范應(yīng)用的植物聲頻控制器是由候天偵發(fā)明[12]、青島高鑫物理研究所生產(chǎn)的植物聲頻發(fā)生器。它有8種不同類型的類似于蜂鳴器和警報(bào)器的聲波,根據(jù)不同的氣候條件人工選用1種聲波類型。該設(shè)備經(jīng)多年來(lái)在一些作物上試用表明具有明顯的效果[4-8],尤其適宜于大面積的田地上使用,但在村莊附近使用會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲影響,目前也在改進(jìn)提高之中。另外,目前國(guó)內(nèi)外使用的聲頻助長(zhǎng)設(shè)備的價(jià)格較高,也是難以普及的原因之一。

為了使聲頻助長(zhǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上廣泛推廣應(yīng)用,研究開發(fā)操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、無(wú)噪聲影響的植物聲頻助長(zhǎng)器具有重要的意義。為此,筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了基于動(dòng)物鳴聲和音樂(lè)混合的聲頻助長(zhǎng)器[12],經(jīng)兩年多來(lái)的應(yīng)用試驗(yàn),具有良好的效果。

1 硬件的結(jié)構(gòu)及各部分的功能

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

該聲頻助長(zhǎng)器由U盤/SD卡、定時(shí)控制電路、AC220V/DC12V交直流電源轉(zhuǎn)換電路、U盤/SD插卡MP3模塊、功率放大電路、音量調(diào)節(jié)器和揚(yáng)聲器等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 各部分的功能

1)U盤/SD卡內(nèi)儲(chǔ)存各種由動(dòng)物鳴聲和音樂(lè)合成的聲頻。

2)定時(shí)控制電路用以控制電源自動(dòng)開、關(guān),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)播放和關(guān)機(jī)。

3)交直流電源轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)由220 V交流向直流12 V的轉(zhuǎn)換,以便向U盤/SD插卡MP3模塊、功率放大電路等提供工作電源。也可直接使用12 V的蓄電池供電。

4)U盤/SD插卡MP3模塊是一種集成的嵌入式MP3播放模塊,不用軟件可直接讀取并播放存儲(chǔ)在U盤/SD卡中的MP3音樂(lè)聲頻。

5)功率放大電路將U盤/SD插卡MP3模塊輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大,以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。

6)音量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的音量。

7)揚(yáng)聲器將功率放大器輸出的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音,由2只10 W動(dòng)圈式喇叭組成。

1.3 工作原理

本聲頻助長(zhǎng)器主要采用了近年市場(chǎng)上出現(xiàn)的U盤/SD插卡MP3模塊和電子定時(shí)控制模塊,其工作原理如下:

在定時(shí)控制電路的控制下,定時(shí)打開電源,經(jīng)交直流電源轉(zhuǎn)換電路將220 V交流電變換為12 V直流電源,為U盤/SD插卡MP3模塊和功率放大電路提供工作電源。當(dāng)電源接通后,U盤/SD插卡MP3模塊即自動(dòng)讀取U盤或SD卡中儲(chǔ)存的音頻文件,并將音頻信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后通過(guò)揚(yáng)聲器播放。根據(jù)面積大小和使用場(chǎng)合調(diào)節(jié)音量使聲音達(dá)到合適的響度(通常在80～100 dB)。

圖1 一種基于動(dòng)物鳴聲和音樂(lè)合成的聲頻助長(zhǎng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch map of audio growth-boost equipment based on animal voice and music

本聲頻助長(zhǎng)器的全部器件集成在一鋁制或高強(qiáng)度塑料的音箱中(圖2)。使用時(shí)只要在定時(shí)器上一次設(shè)定開/關(guān)機(jī)時(shí)間,接上電源,調(diào)節(jié)好音量,以后毋須任何操作。

2 聲頻的結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)聲波應(yīng)力理論[9-10]和國(guó)內(nèi)外用于聲波助長(zhǎng)的聲波頻率多為200～6 000 Hz之間,本聲頻助長(zhǎng)器采用的聲頻是以脈沖分明的自然動(dòng)物(某些昆蟲、鳥等)鳴聲和節(jié)奏明快的古典音樂(lè)混合而成的聲波(圖3)。自然界許多鳥蟲鳴聲的頻率多在此范圍內(nèi),它們與古典音樂(lè)的結(jié)合,不僅對(duì)動(dòng)植物等生物產(chǎn)生有效的聲波應(yīng)力的刺激,而且增強(qiáng)了勞動(dòng)環(huán)境的自然生氣和有助于勞動(dòng)者的身心快樂(lè)。

圖2 JSR05型聲頻助長(zhǎng)器Fig.2 JSR05 model of audio growth-boost equipment

圖3 聲頻結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Wave structure of sounds

3 應(yīng)用舉例

本設(shè)備經(jīng)兩年多來(lái)在20多種植物、食用菌上進(jìn)行了50多次試驗(yàn),結(jié)果表明,無(wú)論對(duì)生長(zhǎng)速度還是對(duì)產(chǎn)量等都有明顯提高。如在東陽(yáng)市花園農(nóng)業(yè)科技有限公司和杭州市西湖區(qū)轉(zhuǎn)塘鎮(zhèn)周浦無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)基地上的試驗(yàn),均在一塊地上分別設(shè)試驗(yàn)和對(duì)照樣地,并將試驗(yàn)樣地和對(duì)照樣地進(jìn)行對(duì)調(diào)重復(fù)試驗(yàn)。主要對(duì)同樣面積、相同植株數(shù)(一般每樣地設(shè)定植株數(shù)20～60株)的生長(zhǎng)速度和產(chǎn)量進(jìn)行比較。生長(zhǎng)速度比較是在植物生長(zhǎng)的2個(gè)不同時(shí)期分別測(cè)量試驗(yàn)/對(duì)照樣地所有植株的高度,然后比較2次測(cè)量之間植株的凈生長(zhǎng)高度。表1是7種作物12次試驗(yàn)的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)比較,雖然是在不同時(shí)間、不同季節(jié)進(jìn)行的試驗(yàn),但聲波對(duì)不同植物的生長(zhǎng)都有明顯的促進(jìn)作用。

如對(duì)大棚南瓜生長(zhǎng)、發(fā)育的影響,在一個(gè)長(zhǎng)75 m的大棚內(nèi),正中一行種了21株南瓜,聲頻助長(zhǎng)器安裝在第11、12株之間的位置,把2010年2月9日至3月12日每株南瓜的凈生長(zhǎng)高度數(shù)據(jù)以散點(diǎn)作圖(圖4),從5階多項(xiàng)式回歸分析的曲線可以看出,聲波作用區(qū)大多植株的生長(zhǎng)速度明顯較快,1～8株的平均增高為22 cm,9～21株平均增高37 cm,即平均增長(zhǎng)率為68.18%。同時(shí),聲波作用使南瓜提前開花,據(jù)3月12日觀察,在聲波作用范圍內(nèi)的南瓜大多已開花(圖中標(biāo)記為“”植株),有的已結(jié)出小南瓜,而對(duì)照區(qū)的植株均未開花。

表1 聲頻助長(zhǎng)器對(duì)幾種作物生長(zhǎng)的影響試驗(yàn)Table 1 Influence of audio growth-boost equipment on growth of several crops

這種聲頻助長(zhǎng)器不僅能有效地促進(jìn)植物生長(zhǎng),而且對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)均有不同程度的提高。經(jīng)對(duì)不同時(shí)期11種作物的17次試驗(yàn)產(chǎn)量的比較,增產(chǎn)效果在4%～36%不等,平均在16%左右。其中大棚青椒、溫室小黃瓜、溫室茄子和溫室番茄的試驗(yàn)結(jié)果見表2。同時(shí),果蔬的品質(zhì)也有不同程度的提高,如小黃瓜的Vc提高12.5%,青椒的Vc提高5%～50.4%不等。

這種聲波助長(zhǎng)設(shè)備對(duì)食用菌的菌絲體和子實(shí)體的生長(zhǎng)也有明顯的促進(jìn)作用。經(jīng)杭州華丹公司在6種食用菌的菌絲體上進(jìn)行7次試驗(yàn)的結(jié)果表明,聲波助長(zhǎng)設(shè)備可使菌絲體的生長(zhǎng)速度提高10.2%～21%。如2010年3月中旬接種的高溫姬菇(圖5),對(duì)照組長(zhǎng)滿袋的時(shí)間為45～54 d,平均(49.9±2.9)d,而在聲波處理下的試驗(yàn)組則只要36～42 d,平均(39.4±2.0)d,平均提前10.5 d。

表2 聲頻助長(zhǎng)器對(duì)幾種作物產(chǎn)量的影響比較Table2 Influence of audio growth-boost equipment on yield of several crops

通過(guò)對(duì)姬菇、黑平、姬菇18號(hào)3種食用菌子實(shí)體栽培上的試驗(yàn)結(jié)果表明,聲波助長(zhǎng)設(shè)備可促進(jìn)提早出菇,提前采菇并延長(zhǎng)采菇期,產(chǎn)量增加15%左右。如姬菇提早3 d出菇,提前5 d采菇,延長(zhǎng)采菇期8 d,產(chǎn)量增加15.76%。黑平增產(chǎn)13.38%(圖6),姬菇18號(hào)增產(chǎn)13.05%。

經(jīng)對(duì)姬菇18號(hào)子實(shí)體檢測(cè)結(jié)果,脂肪、蛋白質(zhì)和粗多糖含量分別增加5.88%、8.74%和2.78%。

圖6 聲頻對(duì)黑平日采菇量影響的比較Fig.6 Comparison of effect of audio frequency on picking amount of f ruiting body of helping edible mushrooms

4 結(jié) 語(yǔ)

聲波助長(zhǎng)技術(shù)是當(dāng)前生產(chǎn)有機(jī)、綠色、無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品的有效措施之一?；趧?dòng)物鳴聲和音樂(lè)混合的新型聲頻助長(zhǎng)器,可有效促進(jìn)植物生長(zhǎng),提高農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì),促進(jìn)早熟,從而提高農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本設(shè)備在使用過(guò)程中不但沒(méi)有環(huán)境噪聲污染,而且增加了勞動(dòng)環(huán)境的自然生氣,是一種值得推廣應(yīng)用的快樂(lè)農(nóng)業(yè)新設(shè)備。然而,本設(shè)備在許多方面有待于進(jìn)一步完善,如太陽(yáng)能電源利用等,以減少拉電線的麻煩并方便于無(wú)電山區(qū)使用。

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