一种基于爆炸燃烧的强声发生装置及方法与流程

本发明属于强声发生领域，具体涉及燃烧技术、流体技术、气动声学技术、控制技术、嵌入式技术，更具体的涉及一个爆炸燃烧系统、声共振腔以及一个扩音装置，一个控制系统，用于反恐防暴、机械声疲劳测试等场合。

背景技术：

强声在防暴反恐、材料或医学测试、机械系统声疲劳测试、人工降雨、管道疏堵等领域均已得到广泛应用。

目前，电声转换，以及气动发声是强声产生的两种机制。其中，电声转换机制下，单个转换器产生强声小，无法满足较高强声场合的需求，且消耗电功率大，无法在小容量电池供电场合下使用；气动发声需要外部提供高压气体，需要电磁铁配合堵头移动形成高速气流，实现复杂；高速气流由于其温度高，对其系统中的气动阀损伤极大，导致系统寿命大大缩减。

基于目前电声转换、气动发声两种机制存在的问题，提供一种能够在不使用大量电能的情况下工作，结构更简单、更容易实现、强声大小调节灵活，能长期稳定可靠工作，便携性强，可用于机械声疲劳测试，反恐、农业、医疗等行业的爆炸燃烧的强声发生装置。

技术实现要素：

针对以上背景技术中存在的缺陷和不足，本发明提出一种便携式、电能耗低、结构简单、更易实现的爆炸燃烧强声发生装置及强声发生方法，由爆炸燃烧系统产生频谱较宽的爆炸强声，爆炸强声经过谐振腔后，其频谱中的高频成分被滤除之后，扩音装置对其低频部分进行增强并输出。通过调节爆炸燃烧系统的工作频率来控制强声，系统仅控制系统消耗电能，可通过锂电池供电，结构简单，没有复杂的空气压缩机或功放电路，是一种简单、高效、自动化程度高、系统中无易损器件、可长期稳定工作，通用性强的便携式小型化强声发生器。

为了达到以上目的，采用以下技术方案来实现：

一种基于爆炸燃烧的强声发生装置，该系统至少包括：

爆炸燃烧装置，用于在控制系统的控制作用下，周期性的进行爆炸燃烧，由爆炸产生强声信号；

声谐振腔，用于滤除爆炸燃烧系统所产生强声中的高频分量，保留强声频谱中10khz以下的频率分量；

扩音装置，用于增强经过声谐振腔处理后脉冲强声频谱中10khz以下的频率分量；

控制系统包括参数设置装置和爆炸燃烧控制装置；

所述参数设置装置，用于完成包括频率、相位和占空比的用户参数输入；

所述爆炸燃烧控制装置，用于接收参数设置装置设定的参数，启动或停止爆炸燃烧装置；

所述爆炸燃烧装置分别连接控制系统和声谐振腔，通过控制系统中爆炸燃烧控制装置接收参数设置装置设定参数，控制爆炸燃烧装置启动或停止；并通过声谐振腔保留强声频谱中10khz以下的频率分量；经扩音装置增强声谐振腔保留强声频谱信号的频率分量，从而实现强声发生。

进一步，所述爆炸燃烧装置，包括依次连接的混合段、起爆器和爆震室，所述混合腔室上设有进气道，所述爆震室上连接有爆炸燃烧装置尾喷管；混合腔室通过电磁阀连接乙炔罐。

进一步，所述爆炸燃烧控制装置包括强声处理器，以及与强声处理器相连的火花塞驱动模块、电池监测模块、电磁阀驱动模块、通讯模块和供电模块，所述供电模块连接控制装置电池为各个模块提供电源。

进一步，所述参数设置装置包括参数设置处理器，以及与参数设置处理器f相连的存储模块、触摸屏驱动模块、无线通讯模块、工作指示模块、电量监测模块和电源系统，所述触摸屏驱动模块上设有触摸屏，所述电源模块连接设置装置电池为各个模块提供电源。

进一步，所述声谐振腔长度为8-8.5mm，强声发生装置的总长度在60-70cm。

本发明进而给出了基于爆炸燃烧的强声发生方法，包括下述步骤：

1)由爆炸燃烧控制装置控制爆炸燃烧装置的混合腔室进气道上的进气阀打开，并将连通乙炔罐的乙炔阀打开，燃料和空气在混合腔室按照一定的当量比混合，混合气体自混合腔室至充满爆震室，进气阀和乙炔阀关闭；

2)然后由控制系统控制爆炸燃烧控制装置的火花塞驱动模块驱动火花塞点火；

3)混合气体开始以缓燃形式燃烧，通过调节爆炸燃烧系统的工作频率来控制强声，并在爆震室内形成稳定的c-j爆炸波和膨胀波，形成多个爆炸中心，产生强声；

4)爆炸波传至尾喷管与周围空气形成强湍流，产生四极子强声；排气的同时，尾喷管管口不断产生膨胀波，向尾喷管管内传播；

5)在一段时间后，爆震管内和外界环境气体参数达到平衡；

6)当爆震管内压力低于燃料—空气喷射压力时，打开混合阀进行下次填充，进入下一次强声循环。

进一步，所述步骤3)中，通过调节爆炸燃烧控制装置电磁阀通道和点火器通道的开关频率，来调节爆炸燃烧系统的强声大小，开关频率5hz＜f＜120hz。

进一步，爆炸燃烧控制装置和参数设定装置均实时监测自身电池电量；

当爆炸燃烧控制装置电量不足时，自动关闭电磁阀通道和点火器通道的开关，中止强声发生器工作，并通过无线传输将电量不足信息传输至参数设置装置；

参数设定装置通过电量监测模块监测自身电量，当参数设定装置电量不足时，显示并同时将强声发生中止信号通过无线传输至爆炸燃烧控制装置，由爆炸燃烧控制装置关闭电磁阀和点火器开关，中止强声发生系统工作。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

1)采用爆炸燃烧的方法来产生强声。

2)原理简单，效率高，单个爆炸燃烧强声发生器可产生高达140db---170db的强声。

3)实现成本低，相对于电强声方式，不需要多级功放和功放阵列，可在小容量电池工作场合使用，便携性强；相对于气动强声发生装置，无需空气压缩机来提供高压气体，也不需要簧片等发生辅助发声部件，无易损器件、移动性，便携性较强、可长期稳定工作。

4)强声范围广，调节容易，适用性强。

本发明使用一种新型的强声产生方法，通过周期性产生的爆炸燃烧来产生强声，爆炸燃烧系统由乙炔罐，混合阀、爆震室、火花塞、尾喷管、控制系统组成；强声发生系统由爆炸燃烧系统、谐振腔、扩音装置组成。由爆炸燃烧系统产生强声，谐振腔对所产生的强声进行高频部分进行消除，保留其低频部分，扩音装置对所保留的低频部分进一步增强，使用单个强声发生装置就可产生宽140db---170db的宽范围强声，强声大小可控；且系统可在小容量电池供电场合工作，便携性、移动性强，其结构简单、成本低，无易损元件，是一种更可靠、高效的强声发生方法。

附图说明

图1是本发明爆炸燃烧强声系统结构图。

图2是图1中爆炸燃烧装置a的结构图。

图3是图1中的谐振腔b的结构图。

图4是图1中的扩音装置d的结构图。

图5是图1中的控制系统d的结构图。

图6是本发明中控制系统d中强声控制装置e的硬件结构图。

图7是本发明中控制系统d中强声控制装置e的工作流程图。

图8是本发明中控制系统d中参数设置装置f的硬件结构图。

图9是本发明中控制系统d中参数设置装置f的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明基于爆炸燃烧的强声发生装置，包括：

爆炸燃烧装置a，用于在控制器的控制作用下，周期性的进行爆炸燃烧，由爆炸产生强声信号。此装置包括乙炔罐a1、进气道a2、混合腔室a3、起爆器a4、爆震室a5和尾喷管a6。混合腔室a3、起爆器a4和爆震室a5依次连接，混合腔室a3上设有进气道a2，爆震室a5上连接有爆炸燃烧装置尾喷管a6；混合腔室a3通过电磁阀连接乙炔罐。

如图2所示。其中乙炔罐a1用来储存爆炸燃烧装置工作所需燃料乙炔，进气道a2用于输送空气来流，混合腔室a3由一个电磁阀的开关来控制乙炔和空气的混合和爆震管燃料的填充，起爆器a4用于在爆震室中起爆爆炸波，起爆器中安装一个电火花塞。

本发明中的爆炸燃烧装置采用间接起爆的方式，由控制器控制火花塞以较小的点火能量点燃混合气体，混合气体以爆燃的方式燃烧，经过一段距离，由爆燃转变为爆炸，并向爆震室a5传播，爆震室a5用来实现整个爆震循环过程，它的壁面周期性的处于高温、高压燃烧产物和低温、低压反应产物之中，其材料选择和冷却设计较为关键，尾喷管a6用于将爆炸燃烧产生的强声传送至谐振腔b。

声谐振腔b，声谐振腔为长度为8.5mm的声音谐振装置，如图3所示，用于改善爆炸燃烧装置产生强声的波形，使得所产生的脉冲强声信号上升和下降过程更加平滑，将爆炸燃烧强声频谱中的高频部分滤除，保留其频谱中10khz以下的部分。

扩音装置c，扩音装置用于增强强声中的低频成分，达到声音增强的目的，进一步提高声功率。其结构如图4所示。

控制系统d，控制系统由强声控制装置e和参数设置装置f组成，控制爆炸燃烧控制装置e的启动、停止；以及两个装置的电量监测；由于爆炸燃烧强声装置所产生的声音强度高，对操作者健康和听觉构成直接的危害，须远程进行操作控制。爆炸燃烧控制装置e，其作用是接收参数设置装置f设定的参数，根据其下达的启动、停止命令，启动或停止强声发生系统的工作，当它与参数设置装置f失去通讯时，爆炸燃烧控制装置e自动终止强声发生系统的工作，保持系统受控。

二者之间通过无线通讯进行信号传输，由于强声对人身体和听觉的直接损伤，在参数调节过程中，须远程进行操作，其结构如图5所示。

其中，强声控制装置e由电池e1，供电模块e2，处理器e3，火花塞驱动器e4，电磁阀驱动器e5，无线通讯模块e6和电量监测模块e7组成，如图6所示。供电模块e2将电池e1提供的电能转换为电磁阀工作所需24v电，火花塞工作所需5v电，处理器工作所需3.3v电；处理器e3和无线通讯模块e6之间采用异步串行总线usart通讯；火花塞驱动在处理器e3的控制下来输出点火信号，火花塞e4工作过程中会产生上万伏高压，其驱动必须和处理器之间隔离，处理器e3和火花塞驱动e4之间通过pwm进行接口；电磁阀驱动e5是处理器e3和电磁阀之间的桥梁，将处理器输出的pwm信号转换为电磁阀工作所需的24v脉冲信号；电量监测模块e7由专用集成芯片外加配置电路实现，它实时监测电池电量并通过twi总线和处理器e3进行通讯，报告监测结果。

强声控制装置e工作过程如图7所示，处理器实时监测无线通讯模块所传输的参数、爆炸启动、爆炸停止等命令，进行命令解析，并执行相应的命令，执行结束后将执行结果通过无线通讯方式传输至参数设置装置f，处理器和电量监测模块e7通过twi总线通讯，获取强声控制装置e实时电量，并将监测结果报告至参数设置装置，若电池电量过低，通过中止爆炸燃烧强声发生器的工作来保护电池。

参数设置装置f用于显示当前强声发生装置工作状态，进行人机交互，获取用户设定的频率，启动，停止等参数，并通过无线通讯部分下发至爆炸燃烧控制装置e，参数设置装置f实时监测自身电池电量，在电量不足时通过触摸屏提出充电提醒，并向爆炸燃烧控制装置e发出停止工作指令，保持爆炸燃烧控制装置e始终受控。

由电池f1、电源系统f2、存储模块f3、触摸屏驱动模块f4、触摸屏f5、无线传输模块f6、工作指示模块f7组成、电量监测模块f8和参数设置处理器f9，如图8所示。其中，触摸屏驱动模块f4上设有触摸屏f5，电池f1为系统整体供电入口，电源系统f2将电池f1供电转换为系统存储所需的3.3v、1.8v、触摸屏驱动模块f4、触摸屏f5、无线传输模块f6、电量监测模块f8工作所需的5v电；存储模块由nandflash、norflash、sdram组成，为系统linux操作系统提供运行环境，存储模块和参数设置处理器f9之间通过数据总线和地址总线进行交互；触摸屏驱动模块f4为参数设置处理器f9和触摸屏f5之间的桥梁，参数设置处理器通过数据总线和触摸屏驱动进行数据、命令交互，触摸屏驱动进一步控制触摸屏进行输入获取和输出指示；触摸屏f5用于系统人机交互，提供良好的交互界面，简洁的交互方式，方便用户进行爆炸燃烧频率、相位、占空比、爆震启动、停止等参数设置；无线传输模块f6是参数设置装置和爆炸燃烧控制装置e之间通讯的桥梁，用于参数、控制、心跳等数据的实时交互；工作指示模块f7由一组不同颜色的led组成，用于指示系统通讯状态、用电情况、爆炸燃烧强声系统工作状态等信息；电量监测模块f8用于系统电量监测，由专用集成芯片和相应的外围电路组成，各模块和参数设置处理器f9之间通过twi总线进行数据交互。

参数设置装置工作过程如图9所示，参数设置处理器实时获取参数设置装置用电状态，传送至触摸屏进行显示，当电量过低时，通过触摸屏发出缺电提醒，同时通过无线模块下发爆炸燃烧系统停止命令，防止系统突然断电时爆炸燃烧系统继续工作，导致系统不受控；处理器通过实时监测触摸屏输入，进行参数录取、并通过触摸屏进行人机交互，对用户输入的爆震频率、相位、占空比等信息进行时序计算，将计算结果通过无线模块传送至强声控制装置e，若用户通过触摸屏发出爆炸燃烧启动、停止等控制命令，处理器获取控制命令并通过无线模块下发，在没有控制命令或参数设置操作时，处理器通过无线模块发送心跳指令和控制器e保持通讯，同时，处理器通过无线模块接收控制器e返回的命令执行结果、心跳数据包、控制器电池电量等信息，进行相应的系统指示和提示操作。

当爆炸燃烧控制装置e电量不足时，自动关闭电磁阀通道和点火器通道的开关，中止强声发生器工作，并通过无线传输将电量不足信息传输至参数设置装置f；参数设定装置f通过电量监测模块f8监测自身电量，当参数设定装置f电量不足时，显示自身电量不足，并同时将强声发生中止信号通过无线传输，传送至爆炸燃烧控制装置e，由爆炸燃烧控制装置关闭电磁阀和点火器开关，中止强声发生系统工作。

爆炸燃烧的强声发生方法，包括下述步骤：

1)由爆炸燃烧控制装置e控制爆炸燃烧装置a的混合腔室a3进气道a2上的进气阀，并将连通乙炔罐的乙炔阀打开，使得燃料和空气在混合腔室a3按照一定的当量比混合，经混合后的气体自混合腔室a3至爆震室a5，直至混合气体充满爆震室a5，进气阀和乙炔阀关闭；

2)一段时间后，由控制系统d控制爆炸燃烧控制装置e的火花塞驱动模块e4驱动火花塞点火；

3)被点着的混合气体开始以缓燃形式燃烧，通过调节爆炸燃烧系统的工作频率来控制强声，待从关闭的进气阀和乙炔阀封闭段反射回来的一系列压缩波与向开口传播的压缩波相遇后，经不断加强从而形成稳定的c-j爆炸波，爆炸波紧跟着一束膨胀波，形成多个爆炸中心，产生强声；

调节爆炸燃烧系统的工作频率控制强声，通过调节爆炸燃烧控制装置电磁阀通道和点火器通道的开关频率，来调节爆炸燃烧系统的强声大小，开关频率5hz＜f＜120hz。

爆炸燃烧强声发生系统周期性的工作；

其控制周期体现在以下方面：

①用于控制乙炔和空气供给的电磁阀周期性的打开闭合，完成燃料和空气的混合；

②火花塞周期性的点火，实现爆炸燃烧。

实践表明，单位时间内爆炸燃烧次数越多，也就是爆炸燃烧频率越高，强声越大，因此，通过调节爆炸燃烧控制装置电磁阀通道和点火器通道的开关频率，来调节强声大小。

4)当爆炸波传至尾喷管c时，爆震室a5内充满了高温、高压燃气，以高速向外排出，排出的气体与周围空气形成强湍流，产生四极子强声；排气的同时，尾喷管c管口不断产生膨胀波，向尾喷管c管内传播；

5)经过膨胀波的作用，在一段时间后，爆震管5内和外界环境气体参数达到平衡；

6)当爆震管5内压力低于燃料—空气喷射压力时，打开混合阀进行下次填充，进入下一次强声循环。

本发明强声发生装置采用声谐振腔为长度仅为8-8.5mm，强声发生装置的总长度在60-70cm，优选为60cm。通过调节爆炸燃烧控制装置电磁阀通道和点火器通道的开关频率，来调节爆炸燃烧系统的强声大小，其便携性强，为一种适用于机械声疲劳测试，反恐、农业、医疗等行业的性能优良的强声发生装置。

以上所述，仅是本发明针对本发明应用的实施例，可以使本领域的技术人员更全面的理解本发明，但并非对本发明做任何限制。按照本发明技术方案，上述实施例可举出很多例子。凡是根据本发明技术方案所给出的范围和对以上实施例所做的任何简单的修改和变更，均属于本发明技术方案的保护范围。大量的实验结果表明，在本发明权利要求书所提出的范围，均可达到本发明的目的。