超聲波測距技術(shù)在火場中的應(yīng)用探討

■ 李森 梁曉歌 馮春勇 宋寅卯 鄭州輕工業(yè)學(xué)院建筑環(huán)境工程學(xué)院

一、研究意義

隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，火災(zāi)形勢也變得異常嚴(yán)峻，頻發(fā)的火災(zāi)不但對建筑內(nèi)人員造成了重大的人員傷亡，同時也給承擔(dān)滅火救援任務(wù)的消防人員帶來了重大威脅。研究表明高溫、有毒氣體、低能見度是導(dǎo)致消防人員傷亡的主要原因。因此，開發(fā)相應(yīng)的消防裝備，提高消防人員在火災(zāi)中的生存能力，是減少消防人員傷亡的重要措施。

目前，國內(nèi)外消防科學(xué)界針對火場高溫和有毒氣體防護(hù)裝備開展了大量研究，并取得了較好的成果，如對消防服隔熱性能的改進(jìn)已使消防人員能夠承受一定的高溫，而自給式空氣呼吸器的出現(xiàn)則可有效降低有毒氣體的侵害。然而針對火場低能見度問題尚未有好的解決方案?；饒龅牡湍芤姸拳h(huán)境不僅造成消防人員辨識不清火場環(huán)境進(jìn)而引發(fā)大量傷亡，還導(dǎo)致人員疏散和人員搜救工作的緩慢，已成為當(dāng)前消防領(lǐng)域研究的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)。

二、火災(zāi)探測設(shè)備研究現(xiàn)狀

近幾年，國內(nèi)外大量學(xué)者已開始關(guān)注火場低能見度問題并積極探索火場環(huán)境偵測設(shè)備以輔助消防人員洞悉火場地形達(dá)到降低傷亡概率的目的。美國弗吉尼亞理工學(xué)院的StarrJW對可應(yīng)用于火場偵測的7種設(shè)備（包括3種成像設(shè)備和3種測距設(shè)備）在真實煙氣環(huán)境中進(jìn)行了對比測試，結(jié)果（表1）表明各偵測設(shè)備在煙氣環(huán)境中的適應(yīng)能力基本遵循了“波長越高，煙氣穿透能力越強(qiáng)，偵測效果越好”這一規(guī)律，表現(xiàn)最好的三種設(shè)備分別為紅外熱像儀、超聲波測距儀和雷達(dá)測距儀。

進(jìn)一步研究表明，火場中使用發(fā)現(xiàn)：紅外熱像儀，當(dāng)煙氣溫度接近物體（如人體）或場景中出現(xiàn)超高溫物體時，受制于分辨率影響，會出現(xiàn)信息遺漏的情況。而雷達(dá)測距儀則主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，技術(shù)總體保密性較強(qiáng)，設(shè)備笨拙、成本較高，短期難以實現(xiàn)消防裝備的單兵化。相比較而言，超聲波測距儀則已在海洋、醫(yī)療、金屬探傷、距離測量等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，技術(shù)較為成熟，并已實現(xiàn)了小型化，價格便宜，適合消防人員隨身攜帶。將超聲波測距技術(shù)引入到火場環(huán)境偵測之中，是解決當(dāng)前火場低能見度問題的可行方案。

表1 各種偵測設(shè)備的火場煙氣環(huán)境中的適用性

三、超聲波傳播特性影響因素分析

超聲波測距技術(shù)應(yīng)用于火場環(huán)境中要考慮環(huán)境介質(zhì)對超聲波傳播特性的影響。超聲波作為物質(zhì)波，其傳播特性會隨著煙氣環(huán)境溫度、煙氣顆粒等參量的改變而產(chǎn)生較大的變動。圖1描述了超聲波在煙氣環(huán)境中傳播時波形與空氣環(huán)境中的區(qū)別。受煙顆粒吸收和散射作用的影響，超聲波強(qiáng)度總體上呈衰減趨勢。但對于超聲波波長，當(dāng)溫度起主導(dǎo)作用時，會呈現(xiàn)明顯的拉伸現(xiàn)象，對應(yīng)著傳播速度的增加；而當(dāng)煙氣濃度占主導(dǎo)時，波長又會出現(xiàn)顯著的收縮。在高溫和煙顆粒的耦合作用下，超聲波的傳播特性變的更為復(fù)雜。

圖1 超聲波在煙氣環(huán)境和空氣環(huán)境傳播時波形差異示意圖

1.超聲波測距準(zhǔn)確度的影響分析

超聲波測距原理是依據(jù)渡越時間法，超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波遇到障礙物發(fā)生反射，通過發(fā)射接收時間差值計算距離。測距原理依據(jù)（式-1），其中t1是超聲波發(fā)射時刻，t2代表超聲波接收時刻，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，S就是超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。

假設(shè)超聲波傳播速度固定，若將超聲波發(fā)射和接收的傳播時間誤差控制在μs級，就足以確保超聲波測距精度能保持在mm級以內(nèi)。在計算技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)前，這一點(diǎn)并不是技術(shù)難題。而在傳播速度方面，其傳播速度受測量介質(zhì)的影響較大。因此，為了保證超聲波在火場環(huán)境中測距的準(zhǔn)確性，必須對火場環(huán)境中可能影響傳播速度的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。火場環(huán)境主要是由煙氣顆粒組成的高溫顆粒介質(zhì)環(huán)境。高溫、大量煙氣顆粒是火場環(huán)境的兩大主要特征，也是影響超聲波傳播速度的兩大主要參數(shù)。以下將從溫度、煙顆粒兩個參量對超聲波傳播速度的影響研究出發(fā)，探求火場環(huán)境對超聲波測距準(zhǔn)確度的影響。

2.溫度對超聲波傳播速度特性的影響

溫度對超聲波傳播速度的影響主要是通過溫度對環(huán)境密度、壓力等參量的影響而間接作用。聲波傳播速度與環(huán)境比熱比、壓力、密度等參量的相互關(guān)系，而這些環(huán)境參量又會隨著環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的改變。理想氣體聲速方程（式-2）描述了聲波傳播速度與溫度之間的相互關(guān)系，可以看出聲波傳播速度與溫度總體上成正比關(guān)系，溫度越高，傳播速度越大。結(jié)論在超聲波傳播特性的研究中同樣適用。

上式中，c代表聲速，γ代表氣體的等壓等容比熱比；P指環(huán)境壓力；ρ指環(huán)境密度；R指氣體常數(shù)；T為絕對溫度；μ為氣體摩爾量。

3.煙氣顆粒對超聲波傳播速度特性的影響

火場煙氣環(huán)境屬于由煙顆粒和空氣組成的顆粒介質(zhì)環(huán)境。顆粒介質(zhì)一方面對超聲波造成散射，產(chǎn)生散射衰減；另一方面由于顆粒介質(zhì)與背景流體的密度不同導(dǎo)致顆粒介質(zhì)與流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度有所不同，進(jìn)而造成粘滯吸收。隨著煙氣濃度的增大及煙氣顆粒的增多，會造成超聲波衰減和吸收的增強(qiáng)，這是影響超聲波傳播速度特性的一個因素。

顆粒尺寸也是影響超聲波傳播特性的一個重要因素，煙氣顆粒的尺寸受煙顆粒的粒徑分布規(guī)律影響。當(dāng)從單個煙顆粒對超聲波傳播特性的研究擴(kuò)展到整個煙氣層時，煙顆粒的粒徑分布規(guī)律必須予以考慮。通過采用掃描電遷移率粒徑譜儀（SMPS）對煙氣的粒徑分布規(guī)律進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明煙顆粒粒徑呈雙峰偏態(tài)分布，可用對數(shù)正態(tài)分布進(jìn)行描述。煙顆粒的粒徑分布有其獨(dú)特的規(guī)律，在研究超聲波煙氣環(huán)境傳播特性時需加以深入分析。

綜上所述，超聲波在煙氣環(huán)境中傳播時，受高溫和高顆粒濃度的耦合作用的影響，其傳播特性相當(dāng)復(fù)雜。研究煙顆粒與超聲波之間的能量交換機(jī)制，揭示高溫和煙顆粒耦合作用下超聲波傳播速度與煙氣濃度、粒徑及溫度的變化關(guān)系；可以為火場環(huán)境超聲測距提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為解決火場低能見度問題提供理論支持。

四、結(jié)語

本文從各種環(huán)境檢測設(shè)備中選擇超聲波測距技術(shù)來解決火災(zāi)環(huán)境中的低能見度問題。為保證超聲波測距技術(shù)在火災(zāi)環(huán)境中的適用性，分析了測距誤差，討論了溫度、煙氣顆粒濃度和粒徑對超聲波傳播特性的影響。為超聲波測距技術(shù)在火場探測中的應(yīng)用提供一定理論基礎(chǔ)。

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