聲波滅火器的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試

王子晶+張勇+邱忠媛+高洪巖

摘 要：設(shè)計(jì)制作了一種聲波滅火器，由電源、波形發(fā)生器、功率放大器、揚(yáng)聲器和聲腔組成。對(duì)聲波滅火器進(jìn)行了整體調(diào)試，找到了最合適的波形頻率及主要參數(shù)。

關(guān)鍵詞：聲波滅火器；波形發(fā)生器；功率放大器

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

傳統(tǒng)的干粉滅火劑，二氧化碳滅火劑和泡沫滅火劑等的應(yīng)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(zāi)，而泡沫滅火器對(duì)電氣火災(zāi)無(wú)能為力[1]。本文所研究的聲波滅火器解決了傳統(tǒng)滅火器的不足，具有許多優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)滅火器都是用化學(xué)制劑做成的，而聲波滅火器則無(wú)需化學(xué)試劑，比較環(huán)保。且聲波滅火器體積輕小，便于攜帶，易于存放，能在多種場(chǎng)合下應(yīng)用，其響應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)速度很快[2]。

1 聲波設(shè)計(jì)與制作原理

1.1 電源電路的設(shè)計(jì)

電源電路由變壓器B2進(jìn)行降壓輸出50Hz頻率的交流電、交流電再經(jīng)過四個(gè)1N4000整流二極管構(gòu)成經(jīng)典的橋式整流電路進(jìn)行整流、再通過8個(gè)濾波個(gè)電容兩個(gè)集成穩(wěn)壓器芯片9812和7912夠成[3]。這個(gè)電源電路可提供±12V雙路電源電壓為18650電池進(jìn)行充電，從而來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路的平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2 波形發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)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(diào)整電位器，波形占空比例的改變，利用調(diào)節(jié)兩電阻的比值來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。電阻阻值為8.2K，用精密電位器W1微小調(diào)節(jié)R1、R2；調(diào)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(shí)電容。通過前面的分析得知：定時(shí)電容的大小可以決定充電時(shí)間，從而間接控制觸發(fā)器觸發(fā)發(fā)出信號(hào)以便轉(zhuǎn)換電路改變開關(guān)K1的位置，可獲得多個(gè)頻段的輸出信號(hào)；兩套微調(diào)網(wǎng)絡(luò)W5和W6，分別去微調(diào)芯片1腳和12腳的電位，可減小正弦波的失真度。ICL8038信號(hào)發(fā)生器通過多次的修正和實(shí)驗(yàn)最終得以設(shè)計(jì)完成。

1.3 功率放大器電路的設(shè)計(jì)

功率放大器采用TPA3116D2多功能高精度的數(shù)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(duì)電路故障和意外情況進(jìn)行全面保護(hù)，故障情況例如短路、過熱、過壓、欠壓和直流保護(hù)等。如果遇到過載輸出的情況下，TPA3116D2會(huì)將錯(cuò)誤信號(hào)發(fā)送給微處理器，能避免自身滿負(fù)荷運(yùn)行遭到損壞。其中的一個(gè)內(nèi)部ADC是用于檢測(cè)8個(gè)輸入狀態(tài)。前四階段設(shè)置在主模式中獲得的收益與下一個(gè)四個(gè)階段獲得的收益均為20，26，32，36分貝。增益設(shè)置作為設(shè)備供電時(shí)不可以改變。其輸入是一個(gè)全差分輸入級(jí)，也就是說如果輸入阻抗的變化增益設(shè)置從9KΩ在增益36dB至60KΩ在20dB。此時(shí)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(jīng)過計(jì)算，確定截止頻率為2Hz。在SDZ輸入端正常運(yùn)行時(shí)，它的拉低作用將輸出設(shè)為靜音狀態(tài)，放大器進(jìn)入低電流狀態(tài)。在關(guān)斷模式的情況下，將消除電源之前帶來(lái)的供應(yīng)。在啟動(dòng)周期結(jié)束時(shí)選擇的增益設(shè)置，不能更改，直到下一次電源來(lái)臨。內(nèi)置一個(gè)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(lián)一個(gè)1μF的電容可以確保和提升穩(wěn)定性。

1.4 揚(yáng)聲器與聲腔的設(shè)計(jì)

采用阻抗較低的大功率雙磁環(huán)揚(yáng)聲器，其響應(yīng)頻率高，所以能輸出寬頻率高能量的聲波。由于燃燒的穩(wěn)定性受到聲波的沖擊影響較大，根據(jù)揚(yáng)聲器的錐形結(jié)構(gòu)，對(duì)聲腔的設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)一個(gè)聲腔模塊設(shè)計(jì)的初步形狀，在模擬現(xiàn)有的揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)加上喇叭的尺寸，設(shè)計(jì)聲腔的形狀。前面的擋板中間設(shè)計(jì)一個(gè)小孔，目的是將聲波進(jìn)行集中的發(fā)射出去，使得能量集中發(fā)射出去。

2 聲波滅火器的調(diào)試

波形發(fā)生器的總設(shè)計(jì)電路圖如圖1所示。通過調(diào)節(jié)集成運(yùn)放器的電壓TL081可以減小由于運(yùn)放芯片帶來(lái)的信號(hào)失真，我們?cè)谶\(yùn)放芯片TL081的1引腳和5引腳放了一個(gè)精密電位器w7通過調(diào)節(jié)精密電位器的阻值從而減小TL081輸入失調(diào)電壓的影響，在3腳無(wú)輸入的情況下，TL081的輸出電壓應(yīng)調(diào)為0V左右。

最初調(diào)試樣板圖如圖2。采用方波對(duì)稱性調(diào)節(jié)方法對(duì)滅火系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。方波相對(duì)于正弦波信號(hào)不同，占空對(duì)于方波的影響更為明顯和直接，所以我們對(duì)ICL8038的4引腳和5引腳外接了兩個(gè)電阻R1和R2之前我們提到過通過調(diào)節(jié)R1和R2的阻值比例可以調(diào)節(jié)方波的占空比，當(dāng)R1=R2時(shí)，占空比為50%，電阻阻值的離散性可由精密電位器W4進(jìn)行細(xì)調(diào)。頻率調(diào)節(jié)：通過調(diào)用開關(guān)K1改變外接在芯片10引腳的定時(shí)電容時(shí)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(guān)K1撥至初始位置，我們先將開關(guān)定時(shí)電容C3相接，然后將W2電位器滑動(dòng)端調(diào)至最上端最大阻值，改變W1電位器這時(shí)信號(hào)頻率為10Hz左右；接下來(lái)保持上述的參數(shù)不變，我們將W2電位器滑動(dòng)端調(diào)至最下端阻值最小處，這時(shí)通過調(diào)節(jié)W3使輸出信號(hào)頻率為1Hz左右，在多多次試驗(yàn)調(diào)試后，實(shí)現(xiàn)了改變W2輸出信號(hào)頻率就可在1Hz～10Hz范圍內(nèi)呈連續(xù)線性。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用卡爾曼濾波來(lái)降低紋波干擾，利用數(shù)字音頻功放替代普通模擬功放，以降低振幅抖動(dòng)干擾。與傳統(tǒng)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(chǎn)生任何氣體、液體、固體，且能廣泛應(yīng)用于圖書館、航天飛機(jī)和精密電氣設(shè)備等各種物質(zhì)的滅火而不受局限，避免了滅火過程中對(duì)物體的二次破壞。

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