第二章 研究方法及原理
2-1 微哨音波偵測器
本實驗將自行研發的微哨音波偵測器與氣相層析儀結合，當氣體 流經層析管柱至末端時，會與微哨音波偵測器連接，即可發出單一基 頻的聲響。從分離管柱流出的混合氣體樣品會因壓力差快速通過微哨 裝置而產生哨音上的差異，以麥克風讀取並記錄氣體樣品通過微哨時 所發出正弦音波，透過自行編寫的 LabVIEW 程式進行傅立葉轉換成 音頻訊號，並以其音頻差距即可用於對照氣體樣品濃度。 [39-41]
基於層析管柱的分離特性，混合氣體樣品經管柱分離後，種類不 同的氣體會具有不一樣的滯留時間，將會依序析出並通過微哨偵測器，
此點特性正有利於定性分析的應用。另外由於微哨偵測器發出的音波 頻率與混合氣體的平均分子量具有密切的相關性，當流經微哨偵測器 的氣體平均分子量與載流氣體的分子量不同時，即會產生頻率上的變 化，而藉由其頻率差異更可進一步應用於定量分析的量測。
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2-1-1 微哨感測器的偵測原理
哨子的發音原理依據哨體之結構可分為主要三種:
狹縫音 (Slit tone)
空氣推進單一狹縫產生漩渦式的氣體波動，在坑間中部段往來而產音 頻[42]。
圖 2-1 狹縫音結構
邊稜音 (Edge tone)
氣體流經一個具有開口的尖端構造，在邊稜上下產生兩股週期性的渦 流氣體。共振腔的大小決定哨音頻率。[43]
圖 2-2 邊稜音結構
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空氣柱共振 (Air column)
空氣柱所產生的自然共振取決於管柱的長度以及氣流的振動方向 [44]。
圖 2-3 空氣柱示意圖
5 口端為波腹 (antinode)，閉口端則為波節 (node)，兩者之間可有其他 波節，當駐波為管長 L 的四分之一個波長的奇數倍時為最小的頻率，
稱為基頻 (fundamental frequency, n=1)，當管式空氣柱的振動頻率為 基頻的奇數倍時，統稱為泛頻 (overtone, n=3, 5, 7…)，音頻波長與管 內駐波之波長關係如下：
L = n( λ
4 ) (公式 2-3)
L：閉管空氣柱長度 n：頻率倍數 λ：駐波波長
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當總氣體流量為已知，待測氣體分子量亦為已知，即可算出待測 氣體與載流氣體之莫耳分率，進一步藉由最後公式以波峰頻率以及其 他參數推得待測氣體之分子量。
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2-1-2 微哨感測器的製作
準備內徑 1 mm 長度 15 mm 的鐵氟龍管一個，以及外徑 1 mm 的黃銅柱兩個。首先利用銼刀將其中一個黃銅柱測邊磨扁，再以 砂輪機將表面拋光形成梯形銅柱，銅柱厚度約為 0.85 ~ 0.95 mm，
將梯形銅柱由厚度最厚的一端置入吹口處，插入至距離管口深度 5 mm，另一端再取一銅柱利用砂輪機將其拋光後，以銅柱磨平處 從後方管口插入深度 5 mm 進行封口，兩段銅柱之間的距離為共 振腔的長度 (L)。
鐵氟龍管上方的切口與銅柱平滑程度皆會影響微哨偵測器 的訊雜比，因此鐵氟龍管盡量以單次斜切為優，銅柱也務必磨 至光滑，盡量不要刮傷鐵氟龍管內壁。
L
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圖 2-4 微哨製作流程示意圖
於上方開口 取一塑膠管
置入後方黃銅填料
置入前方斜面黃銅填料
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