专利名称：一种测量不规则物体体积的装置和方法
技术领域：
应用声学领域的“亥姆霍兹共振原理”在计量领域中测量不规则物体的体积。
背景技术：
测量不规则物体体积如静水力学法——是将装有专用水的容器放在电子磅中间，先称出被测物体在空气中的重量G，再将该物体浸没于水中测得其重量G1，对水的比重
进行温度系数校正，计算被测物体的体积V= "^，按γ= @得出被测物体的比重Y、重量
1水V
G、体积V。静水力学法有如下不足一、只能测量比重大于水的固体；二、需要专用水，增加了测量成本又容易污染被测物体；三、测量有小间隙、小孔、小洞的物体偏差值大；四、操作较烦杂，难做成小型便携式，也不能普及使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量不规则物体体积的装置和方法，应用“亥姆霍兹共振原理”，用亥姆霍兹共鸣器来测量不规则物体的体积可克服上述静水力学法的缺点。“亥姆霍兹共振原理”一般是用于吸音、乐器、音响领域，本发明将其应用于测量不规则物体的体积，由于各自的用途不同，技术指标和结构上也有所区别。如音响上用做重放终端设备的倒相式音箱(亥姆霍兹共鸣器)，要求宽频带、总品质因数队。相对较低，本发明如图3、4所示的亥姆霍兹共鸣器3用窄频带高Qt。，音响上用的管道一般只有一个，本发明用8个均勻地布置在空腔4上端的四周围，原因是空腔4内的振荡气流使管道口周围的流速更快，如果将被测物体放置于管道口傍或远离管道口时，由于被测物体对气流产生的阻力不同，这使共振频率f0产生不同的值，这样就影响了测量的准确度，在空腔4上端四周围均勻地布置8个(或多个)管道6后，不论被测物体放入空腔4内的任何位置，对气流产生的总(合)阻力是近似相等的，这就有效地解决了被测物体放入空腔4内由于所处位置不同而对测量结果的影响。在空腔4的一侧装有一个将被测物体放入或取出用的带有紧压机构的门5，测量时将门5关上后通过紧压机构使其紧贴于空腔4的一侧。空腔4上端中间位置装有扬声器Y及靠一角位置装有传声器MIC与其相连通。扬声器Y和传声器MIC与电子电路板箱2(见图1、幻中的放大电路(见图幻相连接，扬声器Y通过空腔4内的空气做媒质将信号传给传声器MIC、经放大后又推动扬声器Y，周而复始，便形成了自激振荡，共振频率是f。根据“亥姆霍兹共振原理” :f。=￡^^;其中是亥姆霍兹共鸣器的共振频
率，C是声速，S是管道的截面积，L是管道的长度，D是管道的直径，V是空腔的容积(“亥姆霍兹共振原理”是声学领域重要的原理，关于该原理的详细信息可从网上下载)。设
，代入上式后得Λ2|，这说明亥姆霍兹共鸣器的空腔容积V做直
3线变量时，共振频率fo按指数曲线变化。本发明正是利用了 V和&的变化关系，将被测物体放入空腔4内，使空腔4的容积V发生变化，f0也随之变化，并且是&的变化量取决于放入空腔4内的被测物体体积的大小。例如音响领域打造倒相式音箱(亥姆霍兹共鸣器) 时，有意将音箱的箱体(空腔)做得稍大一点，调整时向箱体内放一些材料(物体)，使其共振频率fo升高向扬声器Y的固有共振频率fy靠去，以达在频带曲线上不出现双峰，即频带宽和平滑为止。这说明将被测物体放入亥姆霍兹共鸣器3的空腔4内空积V就减少了，共
振频率4相应升高了是符合fc)= ￡ +二y的。在亥姆霍兹共鸣器3的空腔4未放入被测物体前的容积是原始容积(下同R1，放入被测物体后剩下的容积是V2,空腔4容积的变量Δ \_2 = V1-V2, Δ \_2实际就等于被测物体的体积。原始容积V1时产生的共振频率是，容积V2时产生的共振频率是f2，共振频率的变量Δ。= f2-fi; Δ。的大小取决于Δ \_2的大小。将Δ。分成m等份，并使每一等份刚好等于1个单位的被测物体体积得Δ V" = Δ f^Xm,在电子技术方面，Δ 是取样信号，经量化信号m量化后就得出被测物体的体积，即Δν" =Δ f^Xm，这是第一种方
法。用共振频率的周期★及★作为取样信号，得AVp2二Xm是第二种方法。第一种
方法最直接，但用电子技术实现是不可能的，原因是Δ V1^2较小时(如1至2立方厘米)， 那&Kf1高不了多少很接近。没有这么高品质因数Q值的选频网络将它们区分开来。第
二种方法，电子技术方面是可以实现的，但的时间很短(窄)m量化电路的工作频率很
高(超过MHz级别)，元件选取要求高，制造成本高，所以，实现有困难。第三种是本发明采用的方法用
1及女作为取样信号，将其扩展28倍得女X28及+X28，并且由于量化信号要求稳定、准 m,本i明用2MtU振作为量化信号源，fc去分频具体实施时分两步第一
!、J\
步，空腔4在原始容积V1时产生用其周期*作为取样信号扩展2s倍后经，量化得
1 X28X^-；第二步将被测物体放入空腔4内剩下的容积V2时产生f2,用其周期*作为
lfo信号扩^ 2s倍后经’量化得*X28X’作为被减数，与^X2SX’通运算
电路进行减数运算后得-=AV1-,, 于Δν;_2=被测物体的
体积，所以(·}Χ28Χ^4 — X28X^)=被测物体的体积。 /iNΛN本发明测量不规则物体体积对比静水力学法有如下优点一、可以测量任何比重的固体和液体的体积；二、不需要辅助测量材料，用的是空气做媒质，清洁干净又节省测量成本；三、测量有小间隙、小孔、小洞的物体，不影响其结果值；四、操作简单，能做成小型便携式，易于普及使用。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的结构分解示意图顶盖1-主要用来防尘。电子电路板箱2-内置电子电路和电池组Ε，面板装有显示屏LED I、II、III、IV，电源开键K1、电源关键K2、测量键K3、置“0”键K4,传输线7连接扬声器Y、传声器MIC。亥姆霍兹共鸣器3-空腔上端周围均勻地布置有8个管道6，中间位置装有扬声器Y、靠一角的位置装有传声器MIC，空腔4 一侧装有一个带有紧压机构的门5 ；图3是本发明的亥姆霍兹共鸣器3的府视图有8个管道6均勻地布置在四周围， 中间位置装有扬声器Y，靠一角位置装有传声器MIC ；图4是本发明的亥姆霍兹共鸣器3的侧面剖视图空腔4上端的管道6、扬声器Y、 传声器MIC与其相连通，门5关上后通过紧压机构使其紧贴于空腔4的一侧；图5是本发明的电子电路原理图。
具体实施例方式依上述本发明采用的是第三种方法，即是
C7- (yX28X 2 =被测偏缺的什用电子技术进行数据处理的过
hNΛN物体的体积、，
程分成两步，每步都经过取样、扩展、量化、运算，其过程如下如图5所示，第一步按一下电源开键K1,接通电源，关紧门5，这时空腔4是原始容积V1, 二进制串行计数器⑶4040的Q10端为“1”，按置“0”键K4 一下，由于Q10端接着自身的置“0”端Cr和D型触发器⑶4013 I、II的置“0”端礼、R2以及十进制加/减计数器MC14510IV、V、VI、VII的置“0”端Cr，所以，这些集成电路都被置“0”，双向模拟开关 CD4066III的Vc3端为“ 1”而被开通，将Vis3端的“0”通过Vos3端送到译码器MC14513 I、 II、III、IV的锁存端LE，将锁存的“0000”传给显示屏LED I、II、III、IV显示出来。由于 CD4040此时已被置“0”，所以Q10端为“0”，双向模拟开关CD4066 II的Vc2端为“0”而被关断，传声器MIC通过空腔4内的空气做媒质接收到扬声器Y传来的1个电冲击信号，该信号通过量程偏差补偿电路C4、&(下面有说明)、限幅器D1A2、带通(中心频率为170HZ左右) 滤波器C6、I 6、C7、R7到运算放大器LM386的输入端3，经放大后又推动扬声器Y，周如复始，便
形成自激振荡，这一共振频率经BC^R11X1PR12组成的脉冲限幅放大器放大后，用*作为
取样脉冲信号送到⑶4040进行计数。经过28个脉冲后在⑶4040的％端输出“1”到双向模拟开关⑶40661的Va端而使其开通，再经过28个脉冲(扩展)后，⑶4040的％端变回
“0”。这样就在⑶40661的Vel端得到一个脉冲宽度为的开通“1”信号，将⑶40661的
Vosl端的“0”通过Visl接到十进制加/减计数器MC14510IV的( “0”计数，“ 1，，不计数) 端，使其设置于计数状态。由I 15、I 16、I 17、I 18、I 19、R2Q、2MHz晶振、BQ、B(}4组成的量化信号源
产生2MHZ的信号经预置数j分频器MC14510 I、II、III组成的预置数是N = M2 (下同，请
见图5，注意MC14510 I、II、III分频器的预置数端D1, D2、D3、D4分别与“ 1”线或“0”线相交处的粗黑点标示；个位数MC14510I的D1, D3、D4为“0”，D2为“ 1 ”这是二进制数的0010, 十进制数是2，10位数MC14510II的D1A^D4为“0”，D3为“1”，这是二进制数的0100，十进制数的4，100位数MC14510III的D1A^D4为“0”，D2为“1”，这是二进制数的0010，十进制数是2。所以，N= 1X2+10X4+100X2 = M2，该值在实际应用时是可以调整的)分频后
就^^个量化脉冲信号送到十进制加/减计数器MC14510IV、V、VI、VII的输入端CP，由于
5MC14510IV的^7端设置了| X28脉宽计数时间，所以，就有个脉冲信号通过
输入端CP送到MC14510IV、V、VI、VII进行的加数(U/D端“0”减计数，“ 1 ”加计数，U/D接着D型触发器⑶40131的这端为“1”)运算并将数据寄存。在⑶4040的％端变回“0”的同时，Qltl端跳为“1”，⑶4066II的￥(2是“1”而使其开通，将传声器MIC到运算放大器LM386 之间的信号通过Vis2接到V。s2端，因Vfe2端接着“地”也就是将传声器MIC输出信号接“地” 短路了，振荡电路停振。0型触发器0)40131翻转，仏端为“1”，这为“0”，1045101￥、￥、￥1、 VII的U/D端为“0”，将其设置为减数运算。第二步，打开门5，将被测物体放入空腔4内，这时容积是V2,关紧门5，按测量键 K3 一下，只给CD4040的Cr端“ 1 ”而使其置“0”，Q10端变回“0”，CD4066II被关断，电路形成自激振荡，接下去的过程同上述第一步按置“0”键K4后的电路工作过程大致一样。不同
的是一、此时的共振频率是f2，所以有* X28>^个脉冲作为被减数送到MC14510IV、V、
VI、VII与原先寄存的女X28X罾进行减数运算得:(女X28X罾)一(女X28X罾)=
被测物体的体积，例如f\ = 170HZ(200HZ以下的低音无方向性，反射性较弱，本发明是将被测物体放入亥姆霍兹共鸣器3的空腔4内，声波对不同体积和形状的物体有不同的反射效果，对测量结果有影响。因此，本发明的&就是设计在170HZ左右)f2= 173Hz代入上式得
权利要求
1.将不规则物体放入亥姆霍兹共鸣器(3)的空腔内测量不规则物体的体积。
2.据权利要求1所述的亥姆霍兹共鸣器(3)，其特征是在空腔的一侧装有一个将被侧物体放入或取出用的带有紧压机构的门(5)，空腔(4)上端四周围均勻地布置有8个 (或多个)管道(6)，中间位置装有扬声器Y靠一角的位置装有传声器MIC。
3.据权利要求1所述的测量不规则物体的体积所采用的技术方案其特征是扬声器Y 通过空腔内的空气做媒质将信号传给传声器MIC，经放大电路放大后又推动扬声器Y， 从而形成了振荡。空腔(4)未放入被测物体前亥姆霍兹共鸣器(3)产生的共振频率是f1;空腔(4)放入被测物体后产生的共振频率是f2，用|及★作为取样信号，经扩展28倍后，将其分成m等份，使每一等份刚好等于1个单位的被测物体的体积，即将其用m量化，由于得(+X28X— ) 一 (^X28X=被测物体的物体。
全文摘要
一种测量不规则物体体积的装置和方法，在亥姆霍兹共鸣器空腔的一侧装有一个将被测物体放入或取出的带有紧压机构的门，空腔上端四周围均匀地布置有8个(或多个)管道，中间位置装有扬声器、靠一角的位置装有传声器与放大电路相连接后便形成自激振荡，产生了共振频率。将被测物体放入空腔内，其共振频率随之变化，变化量取决于放入空腔内被测物体体积的大小，用电子技术对共振频率的周期进行取样、扩展、量化、运算就得出被测物体的体积。本发明可以测量任何比重的固体和液体的体积；用空气做媒质，清洁干净；测量有小间隙、小孔、小洞的物体，不影响其结果值；操作简单，能做成小型便携式，易于普及使用。
文档编号G01F17/00GK102252729SQ20111016546
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月8日 优先权日2011年6月8日
发明者张仲生 申请人:张仲生