官洪運(yùn),蘇振濤,汪 晨
(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海201620)
隨著日常生活中用火、用電、用氣的頻率越來越高,致使火災(zāi)發(fā)生率也逐年攀升。目前,常用的滅火器包括泡沫滅火器、二氧化碳滅火器、鹵代烷滅火器、干粉滅火器等。由于這些滅火器都是高壓容器對存儲條件具有較高要求[1],同時滅火后對周圍環(huán)境也會造成二次污染,因此在某些領(lǐng)域的應(yīng)用仍然受到一定限制。
傳統(tǒng)的滅火器改進(jìn)方法有很多,文獻(xiàn)[2]中設(shè)計的一款環(huán)保型滅火器使用純凈水作為滅火劑,雖然具有更好的環(huán)保性,但是體積笨重,無法進(jìn)行持續(xù)滅火[2]。文獻(xiàn)[3]中的氣壓驅(qū)動式折扇滅火器,利用氣壓傳動系統(tǒng)進(jìn)行滅火,但是在傳動過程中氣壓容易不穩(wěn)定,導(dǎo)致氣體泄露[3]。
針對上述問題,本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種便攜式光導(dǎo)聲波滅火器,通過發(fā)送聲波來改變著火處空氣的壓力和氧氣的分布,破壞可燃物的燃燒條件,從而達(dá)到滅火的目的。相比于傳統(tǒng)滅火器,便攜式光導(dǎo)聲波滅火器重量輕、生產(chǎn)成本低、無污染、壽命長,維護(hù)簡單并且無需攜帶任何滅火介質(zhì),尤其對B類火災(zāi)具有良好的滅火效果。
聲波由空氣的振動產(chǎn)生,在其傳播過程中周圍的空氣也會隨著一起發(fā)生振動,又由于聲波在空氣中是以縱波的形式傳播,由此,沿著聲波的傳播方向會出現(xiàn)波峰處的氧氣濃度高,波谷處的氧氣濃度低,即氧氣的疏密分布[4]。如果認(rèn)為某區(qū)域空氣中氧氣、二氧化碳等物質(zhì)是均勻分布的,在特定頻率和幅度的聲波作用下,火焰周圍空氣質(zhì)點(diǎn)的振動速度以及振幅都會相對加大,使得原本空氣中氧含量均勻分布的火源區(qū)域,在聲波壓強(qiáng)的作用下,破壞了可燃物的燃燒條件,從而熄滅火源。
本設(shè)計的總體思路是聲波發(fā)生器產(chǎn)生某一頻率的聲波電信號,功率放大器將其進(jìn)行功率放大,產(chǎn)生較大的低頻電信號,然后將該信號傳給揚(yáng)聲器。揚(yáng)聲器將低頻聲波電信號轉(zhuǎn)換為聲波,通過聲音腔體將聲波定向聚集起來發(fā)射出去[1]。
本設(shè)計使用STM32F1微控制器內(nèi)部的DAC模塊輸出電壓波形,STM32的DAC模塊,即數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊,是一個12位數(shù)字輸入,電壓輸出型的DAC。DAC可以配置成8位或12位模式或者和DMA控制器結(jié)合使用。當(dāng)DAC運(yùn)行在12位模式下,數(shù)據(jù)可以被設(shè)置為向左或向右。DAC模塊包含有兩個輸出通道,每個輸出通道都具有單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器。在雙DAC模式下,兩個通道既可以獨(dú)立轉(zhuǎn)換,也可以同時轉(zhuǎn)換,并且還可以進(jìn)行同步更新兩個通道的輸出[5]。通過引腳輸入?yún)⒖茧妷?,DAC可以還獲得更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。
為驅(qū)動高功率揚(yáng)聲器,設(shè)計一個功率放大器用于放大信號以驅(qū)動揚(yáng)聲器。本文采用LM3886芯片,功放電路如圖1所示。
圖1 功率放大器電路圖
C1與C2為電源退耦電容,在0.01 μF與1 μF范圍內(nèi)取值。L1與R1是由輸出電感和輸出電阻二者并聯(lián)起到隔離揚(yáng)聲器反向電動勢的作用[6]。電阻以及電感的值對聲音取向的影響不大,同時RL電路的加入可以有效地保護(hù)芯片,并防止在器件關(guān)閉時由揚(yáng)聲器的感應(yīng)電動勢造成芯片損壞。R4和R7決定了電路的閉環(huán)增益。C8是反饋電容,使用的是音頻專用無極型電容,在10 μF和100 μF范圍中取值,并且低頻下會隨著容量的變大而變得越深,但是高頻會相對變暗。輸入的電容C3取值介于2 μF和10 μF之間。C4是補(bǔ)償電容,對聲音的中高頻帶有較大影響,取值范圍在150 pF和330 pF之間,本處取值220 pF。R2和R6組成LM3886的接地電阻,并確定了電路的輸入阻抗[6]。靜音電路由C6與R5構(gòu)成,容量和電阻值決定了靜音時間的長短,電容取值范圍為10 μF~100 μF,電阻取值范圍為10 kΩ~100 kΩ,取值越大,靜音的時間越長[5]。由于揚(yáng)聲器的阻抗越小,輸出電流變大,熱量增越大,因此,使用散熱器進(jìn)行散熱以保護(hù)芯片。
滅火器的工作頻率為40 Hz~80 Hz。在額定工作電壓下,考慮到本設(shè)計中使用的功率放大器,它可以達(dá)到68 W連續(xù)不失真平均功率,因此,本設(shè)計使用額定功率為60 W的揚(yáng)聲器。
聲音腔體的設(shè)計主要是對揚(yáng)聲器發(fā)出的聲波進(jìn)行定向聚集。聲波的定向聚集技術(shù)主要分為相控陣聚集、曲面自聚集和聲透鏡聚集3種[6]。其中相控陣聚集技術(shù)是依據(jù)聲波干涉原理;而曲面自聚集與聲透鏡聚集技術(shù)是依據(jù)斯奈爾聲波折射與反射定律,當(dāng)聲波遇到分界面時,此時反射角等于入射角,并且折射角與兩種介質(zhì)中的聲速之比有關(guān)。根據(jù)一般聲學(xué)規(guī)律,介質(zhì)材料對聲波具有吸收效應(yīng),介質(zhì)對與聲波的吸收系數(shù)隨著聲音頻率的降低而變小[7]。
聲波對燃燒的穩(wěn)定性影響較大,并且燃燒一般都具有駐波模態(tài),因此聲音腔體的設(shè)計也應(yīng)使聲波形成較多的駐波從而對燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行破壞。依據(jù)曲面自聚集原理,本文設(shè)計的腔體,其主體部分為一個圓柱形,前端部分采用開口直徑為10 cm類似椎體的設(shè)計,使得聲波可以集中發(fā)射出去,聲音腔體如圖2所示。
圖2 聲音腔體
依據(jù)滅火面積的大小,可選擇不同功率的聲波滅火器,當(dāng)使用大功率聲波滅火器時,揚(yáng)聲器發(fā)出的噪聲較大,而持續(xù)處于100 dB以上的噪音環(huán)境會對人體造成不適。因此在大功率聲腔的設(shè)計過程中加入吸音材料。
吸音材料是指用于降低聲音反射,改善聲學(xué)環(huán)境,可以把聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿奈暡牧?。根?jù)材料的不同,主要分為多孔、共振和特殊結(jié)構(gòu)等三類,其中多孔吸聲材料因其具有大量的孔隙,吸音效果明顯,成為目前最廣泛使用的吸音材料[8]。吸音棉作為多孔吸音材料的一種,具有環(huán)保、壽命長、極易加工、防水防潮等優(yōu)點(diǎn)。吸音棉可以衰減入射聲源的反射能量,具有良好的吸聲性能,廣泛應(yīng)用于揚(yáng)聲器系統(tǒng)中[8]。
吸引材料外敷于聲腔表面,用于吸收聲腔震動產(chǎn)生的噪音,本設(shè)計功放為60 W,實(shí)測聲腔表面噪聲為80 dB,無需外加吸音材料。
由于聲波具有不可見性,在腔體朝向火源時,無法對聲波的覆蓋范圍進(jìn)行確定。本文設(shè)計加入一個LED聚光燈。LED燈具有壽命長、耗電量低等優(yōu)點(diǎn),安裝在聲音腔體內(nèi)能與腔體保持統(tǒng)一,不破壞腔體內(nèi)部的設(shè)置[9]。
采用LED燈后,由于聲波發(fā)射方向與LED的燈源方向一致,根據(jù)方向可知聲波發(fā)射位置,從而很好地解決了聲波的不可見性,提高了滅火準(zhǔn)確性。導(dǎo)光效果圖如圖3所示。
圖3 導(dǎo)光效果圖
溫度和氧濃度是影響火焰燃燒的重要因素。低頻聲波在空氣介質(zhì)中的傳播能夠破壞燃燒區(qū)域內(nèi)的可燃物的燃燒條件,從而達(dá)到滅火的目的。
不同的頻率會產(chǎn)生不同的波長,不同的波長對空氣疏密間隔也不同,因而滅火效果也不同。本實(shí)驗(yàn)是在溫度為32 ℃的標(biāo)準(zhǔn)燃燒室采用酒精火盆進(jìn)行的。
具體的實(shí)驗(yàn)過程為:保持室溫和火源類型相同的情況下,將火盆放置在距離聲腔口50 cm處,聲音腔體對準(zhǔn)直徑25 cm的火盆;波形采用正弦波;頻率調(diào)至30 Hz, 進(jìn)行第一次滅火實(shí)驗(yàn),觀察滅火過程和滅火效果;然后依次調(diào)節(jié)頻率,以10 Hz步進(jìn),并重復(fù)實(shí)驗(yàn),直到頻率為150 Hz結(jié)束。實(shí)驗(yàn)過程如圖4所示。
圖4 滅火最優(yōu)頻率實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)表明,便攜式光導(dǎo)聲波滅火器具有良好的滅火效果,甚至在某頻率內(nèi)可以瞬間滅火,滅火效果理想。通過對滅火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀察,發(fā)現(xiàn)頻率在50 Hz~60 Hz之間,滅火效果最好。并且在相同實(shí)驗(yàn)條件下,最優(yōu)滅火頻率并不會受到室溫、火源類型還有滅火距離的影響。在實(shí)際產(chǎn)品中,本滅火器將會設(shè)定一個最佳滅火頻率,在滅火過程中無需調(diào)節(jié)頻率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 最優(yōu)滅火頻率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
聲波波形主要分為以下三種,分別是方波、正弦波、三角波,這三種波形的特性是不相同的。方波可以從一個值快速變化到另一個值,通常用作時鐘信號;正弦波是一種頻率成分最為單一的信號,任何復(fù)雜信號都可以看成由許多不同大小和頻率的正弦波復(fù)合而成;三角波也稱作鋸齒波,主要應(yīng)用于CRT作顯示器件的掃描電路。
具體的實(shí)驗(yàn)過程為:保持室溫和火源類型相同的情況下,將火盆放置在距離聲腔口50 cm處,聲音腔體對準(zhǔn)直徑25 cm的火盆。分別改變?nèi)N波形,用每種波形均做2組實(shí)驗(yàn),即在正弦波、三角波、方波三種聲波下分別調(diào)節(jié)頻率為50 Hz、60 Hz,觀察滅火效果。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明方波和正弦波具有相同的滅火效果,三角波滅火效果較差。從理論上來看,由于三角波對空氣的壓縮是連續(xù)的,從而導(dǎo)致對空氣壓縮的疏密程度不明顯,所以三角波相對方波和正弦波滅火效果較差。因此便攜式光導(dǎo)聲波滅火器采用方波或正弦波作為聲波發(fā)生器的最優(yōu)波形。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 最優(yōu)滅火波形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
具體的實(shí)驗(yàn)過程:保持室溫和火源類型相同的情況下,聲音腔體對準(zhǔn)放置在距離聲腔口50 cm處直徑為25 cm的火盆,進(jìn)行第一次滅火實(shí)驗(yàn),觀察滅火過程和滅火效果;然后依次調(diào)節(jié)距離,以50 cm步進(jìn),并重復(fù)實(shí)驗(yàn),直到距離為200 cm結(jié)束。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,滅火器與火源的距離越大,滅火效果越差。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 距離對滅火影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
分別對汽油、酒精進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)。圖5和圖6分別為選取酒精和汽油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將導(dǎo)光型便攜式聲波滅火器對準(zhǔn)火盆,輕按電源開關(guān),滅火器隨即發(fā)出低頻聲波,聲波通過自身機(jī)械能產(chǎn)生振動,改變火焰所在區(qū)域的空氣壓力和溫度,進(jìn)而降低可燃物周圍的氧氣濃度、空氣壓力和反應(yīng)物溫度,通過循環(huán)的機(jī)械運(yùn)動持續(xù)抑制火焰燃燒,打破燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng),最終實(shí)現(xiàn)在3~5 s內(nèi)迅速熄滅火源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本滅火器對于B類火災(zāi)具有良好的滅火效果。
圖5 酒精實(shí)驗(yàn)
圖6 汽油實(shí)驗(yàn)
本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的一種新型便攜式光導(dǎo)聲波滅火器,和泡沫、二氧化碳、干粉等傳統(tǒng)化學(xué)滅火器相比,無需攜帶滅火介質(zhì),滅火效率高,滅火過程不會造成二次污染。此外,作為全電子結(jié)構(gòu)的滅火器,該滅火器操作簡單,使用壽命長,平均成本低,對于文博、石化、民航等場所,以及消防無人機(jī)、消防機(jī)器人滅火有著積極的推廣意義。