概要
- ろうそくの炎 は長年にわたり ちらつき抑制 が最適化されてきた
- しかし、 3本束ねる と自然な 振動（9.9Hz） が発生
- この振動は 重力 と炎の 直径 に主に依存
- ワイヤーを炎に吊るす ことで、 容量変化 を検出し周波数測定
- 得られた信号を マイコンで処理 し 1Hzクロック として利用
ろうそくの進化とちらつきの最適化
- 現代のろうそく は 数千年 にわたり ちらつき防止 技術が発展
- 芯の設計 によって、供給される 燃料量（溶けたロウ） を絶妙に調整
- 燃料が多すぎる と、静止空間でも ちらつき発生
- 工業的な最適化 により、安定した炎を実現
3本束ねたろうそくの振動現象
- 3本のろうそく を近接配置すると 炎が同期 し 一体化
- 最適化が無効化 され、炎が 急激に高さを変化 し始める
- 明るさの時間変化 を記録すると 鋸歯状パターン を観測
- パワースペクトル密度 で 9.9Hz の安定したピーク
- 炎の振動数 は主に 重力 と 燃料源のサイズ で決定
炎の周波数検出方法
- 光センサ（I²Cベース） で高SNRな測定が可能だが 複雑
- フォトトランジスタ を使うと 簡易かつ高出力 な電気信号取得が可能
- 抵抗を介して電源に接続 し、 オシロスコープ で波形観測
- 9.9Hzの安定した信号 を取得可能、マイコンのADC入力に最適
静電容量式炎センシング
- マイコンのタッチセンサ機能 で 容量変化 を測定
- 炎中のイオン化分子 により 絶縁体特性が変化
- ワイヤーを炎に吊るし、 アース側ワイヤー をろうそく周囲に設置
- CH32V003マイコン を利用し、 TouchADC でデータ取得
- 32回平均化 でノイズ低減、 炎消失時 の信号急落も検出
信号処理と1Hzクロック生成
- Pythonスクリプト でデータ収集・解析
- IIRフィルタ でベースライン抽出、 ハイパスフィルタ で変動成分抽出
- ゼロクロス検出 で周期を計測、 デッドタイム でノイズ誤検出防止
- 9.9Hz→1Hz への分周は カウンタ で実現
- LED点滅 によるクロック出力、 DPLL による高安定化も可能
まとめと今後の展望
- ろうそくの炎 の 自然な振動 を 電子クロック源 として活用
- 裸ワイヤーとマイコン のみで 炎の周波数検出 が可能
- 電子ろうそくの完全再現 への新たなアプローチ
- 参考文献 として最新の科学論文も紹介
参考文献
- Okamoto, K., Kijima, A., Umeno, Y. & Shima, H. “Synchronization in flickering of three-coupled candle flames.” Scientific Reports 6, 36145 (2016).
- Chen, T., Guo, X., Jia, J. & Xiao, J. “Frequency and Phase Characteristics of Candle Flame Oscillation.” Scientific Reports 9, 342 (2019).
- J. Xia and P. Zhang, “Flickering of buoyant diffusion flames,” Combustion Science and Technology, 2018.