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摘要：蜂鸣器作为警示类电子元器件，存在音量小、维修困难、使用场合少等缺点。研究了一种新型警报用机械发声装置，主要由 电机、鸣轮、定轮、顶盖以及调节鸣轮和定轮之间间隙的支撑架组成。该装置以压缩空气作为声源，依赖空气振动发声。在电机高 速旋转时会带动鸣轮压缩周围的空气，然后将压缩空气源源不断地挤向定轮上密集的音窗。转动时，空气从侧面和上方的进风口进 入鸣轮。空气高速高压向定轮的音窗同时挤出而产生共鸣。采用2 通道，48 000 Hz 的采样频率和16 位深度麦克风开展性能测试， 收集新型机械装置发声并通过数据采集系统及Friture 软件进行声音波形的分析。测试结果表明，在电压平稳后，该装置在低频可以 发出频率为1000~2 500 Hz, 输出声压级约80 dB 的警报声音，具有穿透性和较好的响度级，装置在平稳运行时音量波动小且稳定。
关键词：窖藏警报,压缩空气发声,发声频率,性能分析
Development and Performance Analysis of a New Type Mechanical
Sounding Device for Cellar Alarm
(Wuxi Vocational and Technical College ,School of Mechanical Technology ,Wuxi ,Jiangsu 214028 ,China )
Abstract :Buzzer is one of the warning electronic components ,but has some shortcomings such as low volume ,difficult maintenance and fewer application occasions . A new type of mechanical sounding device for alarm is developed ,which is mainly composed of a motor ,a ringing wheel ,a fixed wheel ,a top cover and a support frame regulating the clearance between the ringing wheel and a fixed wheel. The device uses compressed ir as a sound source vibrates air to sound. When the motor rotates at high speed it will drive the sound wheel to compress air and then the compressed air flow continuously squeezed to the dense sound windows on the fixed wheel. Meanwhile ,air will enter from the side and above the air inlet into the sound wheel. High speed and high- pressure air extrudes through the sound windows at the same time and resonates . A 2 - channel ,48 000 Hz sampling frequency and 16- bit depth microphone is used to carry out the performance experiment ,and the sound of the new mechanical device is collected and the sound waveform is analyzed by the data acquisition system and Friture software . The test results show that fter the voltage is stable the device can send out an alarm sound with a frequency of 1 000 ~ 2 500 Hz and an output sound pressure level of about 80 dB at low frequency ,its penetration and loudness level are good ,and the volume fluctuation of the device is small and stable when it runs smoothly.
Key words :cellar alarm ;compressed air sound ;vocal frequency ;performance analysis
0 引言
蜂鸣器在生活中应用广泛，种类繁多，以电磁式蜂 鸣器与电子式蜂鸣器[1-3] 较为常见。例如，洗衣机中较 多采用了电磁式蜂鸣器，而电子钟、燃器具等电器中则 更多采用了电子式蜂鸣器[4-5] 。
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器、将音频信号转化为声音信号的发音器件，采用直流电压供电，广泛应用于微波炉、打印机、汽车电子设备、等电子产品中作发声器件[6-9]。由于产品的智能化和微型化需求，蜂鸣器的规格也趋向于小型化。蜂鸣器采用直流电压供电，通过执行元件与控制系统结合，实现产品的发声警 示功能，在应用过程中，存在音量小、维修困难、使用场合少等缺点[10-15]。窖藏环境较为潮湿，蜂鸣器的报警 声音会变得很小[15-18] 。
本文介绍了一种新型的机械式发声器，旨在解决目 前电蜂鸣器存在的缺陷。与传统的扬声器相比，这种机械式发声器具有较大的区别。传统扬声器是由多个能量转换层次和反馈组成的，利用电能产生各种驱动力，将 电能转换为机械能，再将机械能转换为声音输出。因此，在一个扬声器系统中同时存在着电学部分、声学部分和力学部分（机械振动部分）。
相比之下，本文所研究的新型机械式发声器不含任 何振动部件，从而降低了装置的复杂性。该发声器使用 一种特殊的声学技术。具体来说，它通过装置中的鸣轮高速旋转，快速强烈地将吸入的气体从定轮处的音窗中 挤压出来，使空气振动共鸣从而达到报警的目的。
发声器的核心是鸣轮和定轮，鸣轮通过电机驱动高 速旋转，而定轮则固定在鸣轮的周围。在旋转过程中， 鸣轮中心处设置有一个小孔，作为气体的进口。而定轮 上则设置有几个音窗，作为气体的出口。当鸣轮高速旋 转时，吸入的气体会被强烈挤压并迅速排出，从而形成
一种特殊的声波。这种声波具有较大的穿透力和警示效果，能够在广阔的空间内有效传播。
相对于传统的扬声器技术，新型机械式发声器具有 以下优点：首先是结构简单，没有振动部件，因此更加 耐用可靠；其次是声音输出效果更好，可以在更广阔的 范围内有效传播，并且具有较强的穿透力；最后是功率 消耗较低，使用寿命更长。
综上所述，新型机械式发声器具有很大的潜力，在报警、紧急警示等领域具有广泛的应用前景。
1 设计方法及原理
声音是一种机械波，其产生的根源是物体的振动。 在声波传播的过程中，空气分子会受到声源振动的作用 而产生周期性的压缩和膨胀，从而产生声波。由图1可 知，声音的响度大小取决于声波振幅的大小，即声波的 振动幅度越大，声音的响度越高。
通常使用分贝(dB) 来表示声音的强度，其中0dB 表示听觉阈值，而每增加1分贝则相当于声音强度增加 了大约1. 26 倍。因此，分贝的增长反映了音量的增加。
如图1 所示，声音的频率决定其音调，即不同频率的声波会被人耳识别为不同的音高。因此，高速运转设备产生的报警声音会随着鸣轮转速的升高而发生变化，因为更高的转速意味着更高的振动频率和更高的音调。
除了振幅和频率之外，声音的特性还包括相位、波 长和波速等。这些特性对于声学工程师来说非常重要， 因为他们需要根据声学原理来设计和优化各种声学系统，例如扬声器、麦克风和音频处理设备等。
2 新型警报用机械发声装置的结构
机械发生装置包括3个部分构成，分别为鸣轮、定 轮、支撑架。图2为装置图，主要功能实现方式为：定 轮固定，鸣轮旋转通过高效地吸入与挤出空气，高速高压的空气流从向定轮的音窗同时挤出产生共鸣。
各部分详细结构如图3~5 所示。由图3可知，鸣轮 底面中心设有一个通孔，沿鸣轮底面圆周方向分布有若干切削片结构，鸣轮底面外端和切削片结构外端形成圆台状结构。鸣轮底部连接有支撑架。顶盖上设有梯形截面的音窗，主要作用是为鸣轮旋转压缩空气提供气源， 其工作原理为以压缩空气作为声源，依赖空气振动发声。 由图4可知，定轮整体呈圆台状，中间镂空。定轮 侧壁设有梯形截面的音窗。由图5可知，在装配时，可 通过支撑架调节鸣轮与定轮的距离，在保证鸣轮不与定 轮接触的情况下，尽量缩小鸣轮与定轮的距离，以此避 免不必要的空气损失，更高效地将机械能转化为声能； 调整好距离后，通过螺栓将支撑架固定连接在卡扣式结 构上。实际的安装过程中，调节电机输出轴从支撑架的 轴孔中伸出距离，采用输出轴将鸣轮与定轮保持在合适 位置后固定电机，并通过电机安装孔固定连接支撑架，从而保证鸣轮在定轮中稳定旋转。
该装置中的鸣轮在高速旋转时会将周围的空气进行压缩，然后再将压缩的空气源源不断地挤向音窗，空气 从侧面和上方的进风口进入鸣轮，高速高压的空气流从向定轮的音窗同时挤出而产生的共鸣。图4 中的结构在保证空气排出量的同时为鸣轮提供了充足的空气吸入量， 并且梯形结构的音窗可以使空气的压缩排出更加猛烈， 引起更强烈的空气振动，使空气发声最大化。
本新型机械发声装置无任何振动部件，彻底消除了 传统扬声器的核心部件振膜，简化了装置结构、提高了使用寿命、增加了适用范围、提升了报警能力。
3 新型机械发声装置的测试
3 . 1 测试条件
本次测试实验的声音收集装置为笔记本设备麦克风， 采用2通道，48 000 Hz 的采样频率和16 位深度收集新型 机械装置发声，并通过数据采集系统及Friture 软件进行声音波形的分析。专业级音频分析仪Friture 软件可在 Windows 系统中根据时间和频率绘制不同电压下发声装置的音频数据。
测试新型机械发声装置的频率和音量需要在一个相对静音的环境中进行。为了消除空间中的噪声影响，可 以采用隔离措施，例如将实验室隔音或者在实验室中使 用降噪设备。此外，还应该避免在测试之前进行过多的 活动，以减少人体活动、呼吸等带来的噪声干扰。
在测试内容方面，为了确保测试的准确性和可靠性， 需要严格按照测试的标准程序进行操作。首先，需要对 发声装置进行预热，并校准测试仪器，以保证测量准确。 然后，可以通过不同的方法来测试发声装置的频率和音 量。例如，可以使用频谱分析仪等仪器来测量声音的频 率成分，并记录频率响应曲线；同时，也可以使用声压 级计等工具来测量声音的音量，进而得到声强度等参数。 最后，在测试结束后，需要对测试结果进行统计和 分析。如果发现测试结果有偏差或误差，需要重新检查 测试仪器和测试条件，并进行必要的修正。通过这些步 骤，可以得到准确可靠的测试数据，为发声装置的开发和改进提供重要的参考依据。
3 . 2 测试结果
测试结果如图6所示。从频率图可以看出，该装置 在所测声音为低频，在电压平稳后，可以获得其频率为 1 000 ~ 2 500 Hz 之间，属于低频，具有较好的穿透性。从 图中可以看出，装置在工作时输出声压级在80 dB 上下， 该特性可使该装置制造的声音具有穿透性的同时，具有较好的响度级。结合波形图可知该装置在平稳运行时音量波动小且稳定。与传统电子扬声器相比，具有显著的 优势。但由于装置制作得较为粗糙，各层表面不平整， 这也使得装置存在一定的安装不稳定性，实验效果没有达到最优。
图6 发声装置在输入额定电功率电信号下测得的频率和响度
4 结束语
本文开发了一种新型机械发声装置并对其开展了性 能测试。该装置采用电机、鸣轮、定轮、顶盖和支撑架等部件构成，通过利用空气振动产生声音。相比于传统 的零件碰撞或电蜂鸣器发声方式，该装置具有许多优点，如高穿透性、高响级、高稳定性等。它不依赖于传统的扬声器结构，没有任何振动部件，完全消除了传统扬声 器中核心部件振膜的问题，因此具有创新性和高效性。该装置还简化了结构，提高了使用寿命，并且增 加了适用范围和报警能力。初步的实验结果表明，该 装置在低频可以发出频率为1000 ~ 2 500 Hz, 输出声压 级约80 dB 的警报声音，可以作为一种可靠的新型机械发声装置使用。然而，由于该装置安装时存在不稳定性的问题，故今后需要进一步探索如何提高装置的安装效率和调试效果。在这方面，可以采用更先进的技术和方法，例如增 强装置的结构设计和制造工艺，改进安装和调试流程等，以达到更好的运行效果。
总之，本文研究的新型机械发声装置具有广阔的应 用前景和研究价值，可以为相关领域的进一步研究提供新思路和方向。
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