低頻聲波滅火器的研究與設(shè)計

路昊　官洪運　于融正　陳艷

摘要：社會進步的同時伴隨著各種各樣對人類生命財產(chǎn)安全造成影響的危害，火災就是其中一種，傳統(tǒng)滅火器無法滿足現(xiàn)有消防所面臨的各種滅火場景且會對環(huán)境造成二次污染。本文研究的低頻聲波滅火器體積輕巧，便于攜帶，能在多種特殊場合下利用低頻聲波能量滅火。本文針對燃燒，傳統(tǒng)滅火器原理、滅火劑及聲腔設(shè)計，提出了通過低頻聲波與空氣的共同作用進行滅火的低頻聲波滅火器。實驗結(jié)果表明，本滅火器的設(shè)計無需其他滅火介質(zhì)，不會對周圍環(huán)境造成二次污染，也不會對失火物品造成二次破壞，響應(yīng)時間和滅火速度快。

關(guān)鍵詞：聲波滅火器；聲腔；燃燒；低頻；滅火劑

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）05-0177-02

眾所周知，火災一直是威脅人們公眾安全和社會發(fā)展的主要災害之一。目前，常用的滅火器包括干粉、鹵代烷、二氧化碳、泡沫和清水燈滅火器[1]。隨著人類社會的迅速發(fā)展和人們安全意識的提高，滅火器已成為一種必備設(shè)施，消防所要面臨的各種滅火場景對滅火方式的需求遠遠超過現(xiàn)有的方法。但隨著用戶規(guī)模的擴大，火勢種類的增多，傳統(tǒng)滅火器在應(yīng)用中遇到了難以解決的問題。

①傳統(tǒng)氣體滅火系統(tǒng)如哈龍系列，二氧化碳常用于針對電氣設(shè)備等一系列特殊場所，然而，密閉空間內(nèi)氣體滅火系統(tǒng)的誤動作會威脅到火場內(nèi)人員的生命安全；

②傳統(tǒng)滅火器大多為高壓容器，因此對存放的條件較高，不可擠壓、不能碰撞，在高溫下易發(fā)生膨脹爆炸。

為解決上述問題，提出一種新型低頻聲波滅火器，消除隱患，預防二次傷害等意外情況的發(fā)生。該滅火器采用有線電源或移動電源供電即可使用，具有很好地便攜性，方便移動使用，便于攜帶進入火場滅火。

1 低頻聲波滅火原理

燃燒是燃料與氧氣的劇烈化學反應(yīng)，并伴隨著發(fā)光、發(fā)熱的現(xiàn)象，燃燒過程是一個循環(huán)的過程[2]。下圖1以蠟燭為例呈現(xiàn)循環(huán)燃燒過程。

壓力、溫度和氧濃度等因素都會對燃燒造成一定的影響，為了達到更好的滅火效果，需要對這幾個因素進行分析。

（1）壓力

聲音在空氣介質(zhì)中傳播產(chǎn)生壓力持續(xù)變化從而影響燃燒的化學反應(yīng)，達到滅火目的。等溫體系下，壓力的降低會促使體積增加，隨著體積的增加，活化分子之間發(fā)生碰撞的距離增加，從而達到減少活化分子碰撞的頻率，而達到降低燃燒化學反應(yīng)的反應(yīng)速率的目的；

（2）溫度

如上圖1，液化、汽化和升華這三個過程，會因為溫度的降低而被抑制。使用低頻聲波滅火，當持續(xù)的聲波作用于火災時，特定的空氣流動帶走了部分熱量，從而使燃燒的溫度減低，當溫度變低時，燃燒化學反應(yīng)的活化分子數(shù)就大大減小，部分分子含有的能量降低到活化能以下，從而失去反應(yīng)活性，燃燒的反應(yīng)速率減緩，使溫度朝著更低趨勢發(fā)展；

（3）氧濃度

氧濃度的變化一定程度影響化學反應(yīng)自由基的鏈引發(fā)和傳遞過程，低頻聲波擾動火焰區(qū)域，在一定時間內(nèi)，減少了[O2]的濃度，氧濃度降低時，減少了燃燒化學反應(yīng)中的鏈引發(fā)和傳遞支化過程，從而使燃燒化學反應(yīng)的速率降低，降低火焰目的。

根據(jù)以上分析，聲波滅火能達到很好的效果，剛加入聲波時，火焰周圍處的空氣質(zhì)點振動速度和振動幅度都會增加，有利于火焰周邊二氧化碳層的擴散和氧氣的進入，聲波對火焰是促進的作用。但是當聲壓級增加時，火焰周邊空氣質(zhì)點的振動速度以及幅度相對都加快，會使得火焰周邊的空氣流速加快，降低了火焰周邊的空氣溫度，抑制了火焰的燃燒[4]，在較長一段時間內(nèi)，可燃物氣體分子，呈疏密分布，火焰處的可燃氣體分子稀疏，使得沒有足夠多的可燃物到達火焰處，為燃燒提供燃料，這樣即可中止燃燒，最終火焰熄滅[3]。

相比高頻聲波，采用低頻聲波滅火的優(yōu)勢明顯，低頻聲波波長較長，空氣疏密間隔大，易調(diào)節(jié)火焰使其位置處于聲壓的波節(jié)處，此處的氧氣濃度一直處于很低的狀態(tài)。低頻聲波形成的駐波聲壓梯度明顯，可以使火焰一直處于一定聲壓數(shù)值的位置，從而低頻聲波形成的駐波可以使火焰一直向一邊偏倒，直至熄滅。

2 低頻聲波滅火器的總體設(shè)計

該模型主要由電源、波形發(fā)生器、功率放大器、揚聲器和聲腔組成。波形發(fā)生器產(chǎn)生低頻聲波模擬電信號，功率放大器用將低頻聲波模擬電信號進行放大，揚聲器的發(fā)聲端安裝有聲腔，揚聲器將放大后的低頻聲波模擬電信號轉(zhuǎn)換為聲波進行播放，聲腔對揚聲器播放的聲波進行定向聚集，電源采用有線電源或移動電源，使得滅火器具有良好的便攜性。

利用聲波頻率、幅度與氣壓的關(guān)系，影響火源所在環(huán)境的空氣壓力，進而減少火源所在環(huán)境的空氣中氧密度，使火源自行熄滅，具體步驟如下：

① 電源使用有線電源或移動電源，連接波形發(fā)生器；

② 用波形發(fā)生器產(chǎn)生頻率在20-80Hz的聲波模擬電信號，傳遞給下一級；

③ 功率放大器接收到波形發(fā)生器產(chǎn)生的低頻聲波模擬電信號后，在不改變聲波頻率的前提下進行功率放大，產(chǎn)生大電流的低頻聲波電信號，再將信號傳遞給下一級；

④ 聲腔呈圓柱形，由揚聲器產(chǎn)生的低頻聲波由聲腔進行定向增強，并朝著火源發(fā)出聲波，它會將聲波進行定向聚集后激發(fā)出來；

3 低頻聲波滅火器的各模塊研究與設(shè)計

3.1 電路設(shè)計

波形發(fā)生選用真任意波形發(fā)生技術(shù)（Ture arb），采用stm32平臺，波形數(shù)據(jù)通過DMA傳輸，經(jīng)片上數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）后輸出波形，波形的頻率和振幅均可以調(diào)節(jié)，其中波形數(shù)據(jù)為處理過后的波形曲線等間隔點數(shù)據(jù)。為驅(qū)動大功率揚聲器，采用一個功率放大器通過放大信號進而驅(qū)動揚聲器。

本文采用LM3886芯片，LM3886芯片是美國NS公司推出的IC音頻功率放大器系列中的佼佼者。它配置少量的外圍電子元件便可制作成一中功率放大器，采用11腳TO-220封裝，在額定工作電壓下最大可達68W的連續(xù)不失真平均功率，同樣具有比較完善的過壓過流過熱保護功能，此外它具有自動抗開關(guān)機時的電流沖擊的功能，使揚聲器能夠避免在功放電源開啟時收到電流沖擊造成損傷的問題。

3.2 聲腔模塊設(shè)計

由于燃燒的穩(wěn)定性受到聲波的沖擊影響較大，根據(jù)揚聲器的錐形結(jié)構(gòu)我們對聲腔的設(shè)計預測一個初步的形狀，在模擬現(xiàn)有的揚聲器結(jié)構(gòu)加上喇叭的尺寸將該聲腔設(shè)計成下圖4所示，前面的擋板中間設(shè)計一個小孔，目的是將聲波進行集中的發(fā)射出去，使得能量集中發(fā)射出去[5]。

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)滅火器的基礎(chǔ)上進行一部分改進，增加聲腔裝置，用于對揚聲器播放的聲波進行定向聚集，激發(fā)出來。提供這種低頻聲波滅火器，能滿足不對周圍環(huán)境造成二次傷害和不對失火物品造成二次破壞的前提下，使其能在多種特殊場合下利用聲波能量滅火，且本設(shè)備具有很好地便攜性和滅火性能的高效性。

參考文獻：

[1]基于聲波對周圍介質(zhì)分布影響的滅火原理[EB/OL].（2015-07-14）[2016-12-26] http：//wenku.baidu.com/link？Url=TOIqueu3StRPEtR2hMRaKJ4vZJkfXPwhia1heWWRTfUoZ119-s8Pat9faA96x5qLRT-hHLoVZ5NCsCZTcxhGUu4XCmASdG8H9wKTS0WeIK.

[2]鄭英超. 聲波影響燃燒的物理機理研究[D].華東電力大學，2011：12-13.

[3]拉夫羅夫. 燃料燃燒及氣化的物理化學基礎(chǔ)[M].科學出版社，1964：12-103.

[4]甄麗. 封閉空間內(nèi)的聲場分布及對燃燒的影響[D]. 華北電力大學.2013：1

[5]郭旗.L型板_聲腔系統(tǒng)動力學特性分析及實驗研究[D].哈爾濱工程大學.2013，6-13