不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)力滅火機噪音的危害及防護對策

張勝杰，夏得峻，劉 睿，蒲玉梁，朱小宇

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 便攜式風(fēng)力滅火機研究目的及現(xiàn)狀

1.1 研究目的

由于現(xiàn)在溫室效應(yīng)不斷加劇，森林火災(zāi)發(fā)生的頻率越來越高，研究出一些高效、經(jīng)濟、實用的滅火裝備是各國森林消防部門努力的方向。我國自從1987年大興安嶺發(fā)生了“5·6”特別重大森林火災(zāi)后，國民意識到森林火災(zāi)所帶來的環(huán)境污染、經(jīng)濟損失、人員傷亡等一系列嚴重后果，政府開始投入大量的資金進行消防基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及消防裝備的研究，研制出了滅火彈、履帶式風(fēng)力滅火機等一批新式森林消防裝備。其中，風(fēng)力滅火機便是從人們長期滅火實踐中發(fā)明改良而來，適用于我國的國情。在森林火災(zāi)的撲滅工作中，風(fēng)力滅火機能夠被單兵攜帶進深山老林，到達許多現(xiàn)代機械化滅火裝備很難進入的地方，如復(fù)雜的山地地形、茂密的叢林、坑洼不平的溝塘草甸等，解決了機械化裝備難以到達一線滅火的難題?；旧现灰侨四艿竭_的地方，風(fēng)力滅火機就可使用，并且能夠有效快速地撲滅地表火和開設(shè)防火道阻止火勢的蔓延。針對風(fēng)力滅火機的研究顯得十分的必要。

1.2 研究現(xiàn)狀

風(fēng)力滅火機經(jīng)過30多年的不斷研究發(fā)展，人們對其提出了越來越高的要求。一款風(fēng)力滅火機不僅要能夠高效快速地撲滅火災(zāi)，還要符合人體工程學(xué)標(biāo)準[1]，以減少風(fēng)力滅火機對消防隊員身心健康的影響并提高風(fēng)力滅火機使用過程中的舒適度。作為我國重要森林消防裝備中的一種，風(fēng)力滅火機的滅火原理主要是通過風(fēng)機產(chǎn)生的高速氣流將火焰與可燃物隔離開，降低可燃物表面的溫度，將空氣中的氧氣濃度進行稀釋，從而達到冷卻和壓制火焰的目的[2]。如今風(fēng)力滅火機已經(jīng)由傳統(tǒng)的手提式風(fēng)力滅火機向背負式、履帶式風(fēng)力滅火機發(fā)展，并且在利用強大的氣流滅火的基礎(chǔ)上，還將風(fēng)力滅火機的風(fēng)筒進行改裝，使其能夠進行噴射水霧、滅火化學(xué)藥劑等操作，以提高機械滅火的效率。但大多數(shù)的風(fēng)力滅火機在使用過程中大都具有高噪音、高油耗的缺點，其中高噪音會對消防隊員的身體和火災(zāi)現(xiàn)場的指揮工作造成很大的影響。在此，我們對風(fēng)力滅火機產(chǎn)生的噪音對人體的影響進行了探討，將佩戴耳罩前后的噪音作對比，為風(fēng)力滅火機的改進提供一些可行性建議。

2 搭建風(fēng)力滅火機噪音測試平臺

選取目前森林消防裝備中應(yīng)用較為廣泛的6MF—32便攜式風(fēng)力滅火機作為實驗樣機，測量儀器包括優(yōu)利德UT372型非接觸式轉(zhuǎn)速表、標(biāo)智GM1356型數(shù)字噪音計分貝儀、成凱科技CKE-2027型降噪耳罩和三腳架等。分貝測量儀固定位置參照GBT 10284-2008便攜式風(fēng)力滅火機噪音的測定要求，將分貝測量儀固定在前把手后10 mm上方，距風(fēng)機旋轉(zhuǎn)中心1000±10 mm處，按GB/T 3785的規(guī)定使用聲級計“A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)”慢檔時間特性進行耳旁噪音數(shù)據(jù)測量。利用三腳架將非接觸式轉(zhuǎn)速表固定在風(fēng)機葉輪一側(cè)距葉輪15～30 mm處。具體實驗儀器搭建如圖1所示。

圖1 噪音實驗平臺示意圖

實驗場地選取在空曠的室外，地勢平坦，背景噪聲為53.1～67.8 dB。我們設(shè)定耳旁噪音測量值為L′pA、測量值的算術(shù)平均值為、測定值為LpA，其中噪音測定值（式中KlA為GB/T 17284.2中規(guī)定的背景噪音修正因子），實驗噪音數(shù)據(jù)采集為每1秒進行一次記錄。為減少實驗誤差，取轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定連續(xù)5秒的測量值求平均值，該平均值即為對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的耳旁噪聲平均測量級。，具體實驗結(jié)果如表1所示。

表1 未佩戴耳罩時風(fēng)機不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機耳旁噪音記錄值

為了研究佩戴耳罩后噪音對人體的影響能降低多少，我們進行了對比實驗，將佩戴耳罩前后的噪音作對比，分析其降低分貝效果是否能達到減弱噪音對人體傷害的目標(biāo)。佩戴耳罩后的噪音數(shù)據(jù)測量實驗，我們在原有的實驗搭建平臺的基礎(chǔ)上采用耳罩包裹分貝儀測量探頭海綿球的方法，模擬耳罩包裹人雙耳的情景，進行測試和數(shù)據(jù)提取。具體操作示意如圖2所示。

圖2 模擬佩戴降噪耳罩前后對比操作

3 噪音數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過實驗測量，得到6MF-32型風(fēng)力滅火機的噪音數(shù)據(jù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)力滅火機耳旁噪音變化曲線

3.1 數(shù)據(jù)擬合分析

通過對得到的風(fēng)力滅火機噪音數(shù)據(jù)進行處理，在圖3上可以看出6MF-32型風(fēng)力滅火機的噪音隨著轉(zhuǎn)速的提高逐漸變大，并且在一定程度上呈現(xiàn)出線性相關(guān)。為了得到其經(jīng)驗表達式，我們運用電腦對曲線進行了數(shù)據(jù)擬合。假設(shè)風(fēng)力滅火機轉(zhuǎn)速為x，風(fēng)力滅火機產(chǎn)生的噪音為y，則x與y呈現(xiàn)出線性相關(guān)為y=0.007x+62.864。這一線性關(guān)系式可以幫助消防隊員在對6MF-32型風(fēng)力滅火機機器保養(yǎng)調(diào)試的時候針對噪音大小，對風(fēng)機怠速油針、高速油針進行適當(dāng)調(diào)整，限制風(fēng)力滅火機的轉(zhuǎn)速范圍，使機器在能夠滅火的前提下降低風(fēng)力滅火機產(chǎn)生的噪音，消減機器噪音對人體的影響。

3.2 佩戴耳罩對比分析

人體對聲音的可感知范圍是0到120 dB，而85 dB以下的噪音不會對人體的聽覺器官造成危害[3]。圖4實驗結(jié)果表明，戴耳罩后在5000 r/min的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的噪音被降低到人體可承受范圍85 dB以下，與未戴耳罩相比，不同轉(zhuǎn)速下戴耳罩能將風(fēng)力滅火機的噪音平均降低10 dB左右，能把風(fēng)力滅火機最高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的113 dB降低到96 dB。這可以在很大程度上保護消防隊員的身體健康，減少高噪音對人體聽覺系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、血壓血脂造成的影響[4]。因此，戴降噪耳罩是減少噪音、保護聽力的一種行之有效的方法。

3.3 噪音對人體的影響

在圖3中可看出，風(fēng)力滅火機啟動后怠速時耳旁噪聲為86 dB，此噪聲級下人們的交流談話受到一定的影響。這會導(dǎo)致在滅火行動中消防隊員的交流出現(xiàn)阻隔，滅火現(xiàn)場指揮工作無法正常進行，嚴重影響到火災(zāi)撲滅的效率。當(dāng)風(fēng)力滅火機的轉(zhuǎn)速達到5000 r/min時，噪音級達到96 dB，人們交流感到非常困難，耳朵感到極度不適，并且情緒會容易變得激動不安、心煩意亂，注意力難以集中：在噪音消失后感覺有耳鳴癥狀、并在一段時間內(nèi)耳旁有嗡嗡聲。長期工作或生活在90 dB以上的噪聲環(huán)境，會嚴重影響聽力并導(dǎo)致其他疾病的發(fā)生[5]。根據(jù)國際標(biāo)準化組織（ISO）的調(diào)查，在噪音85 dB和90 dB的環(huán)境中工作30年，耳聾的可能性分別為8%和18%。為保護消防隊員的身體健康，對風(fēng)力滅火機產(chǎn)生的噪音進行適當(dāng)?shù)目刂骑@得十分必要。

圖4 佩戴耳罩前后噪音數(shù)據(jù)對比

當(dāng)風(fēng)力滅火機達到最高轉(zhuǎn)速7000 r/min時，機器產(chǎn)生的噪音為113.58 dB，此噪音下人們有可能會出現(xiàn)聽力損傷現(xiàn)象。人短期處于高噪音環(huán)境時，即使離開噪音環(huán)境，耳朵也會造成短期的聽力下降，但當(dāng)回到安靜環(huán)境時，經(jīng)過較短的時間即可以恢復(fù)正常，這種現(xiàn)象稱為聽覺適應(yīng)。這種短期聽力下降現(xiàn)象是人體為了保護耳膜、聽毛細胞所進行的一種身體應(yīng)激反應(yīng)，屬于正常的生理反應(yīng)。但長時間的聽力下降無法恢復(fù)正常，超過人體內(nèi)在調(diào)節(jié)機制的調(diào)節(jié)力度，就有可能發(fā)展成噪音性耳聾，引起病理性改變[6]。如果長年無防護地在較強的噪音環(huán)境中工作，這種暫時性的聽力下降現(xiàn)象就會超過人體所調(diào)節(jié)的范圍，從而造成聽力損傷。輕度聽力損傷主要表現(xiàn)為輕度耳鳴，若進一步發(fā)展，可在一定程度上影響人的語言聽力，致使人們在工作、學(xué)習(xí)、生活中感到交流困難，從而影響到消防隊員的日常生活[7]。在森林滅火行動中噪音的產(chǎn)生對消防員的作業(yè)造成的影響是巨大的。高分貝噪音使上級領(lǐng)導(dǎo)的指揮命令無法及時傳達到每一位消防隊員，對火災(zāi)的撲滅工作帶來極大不便，甚至有可能錯過火災(zāi)撲滅的有利時機，造成火災(zāi)蔓延和損失范圍的加大。由此看來，為保證森林火災(zāi)撲滅過程中指揮工作的有序性及消防隊員自身健康，在能有效撲滅火災(zāi)的前提下，應(yīng)該對風(fēng)力滅火機進行降噪改進，減少風(fēng)力滅火機產(chǎn)生的噪音。

4 引起風(fēng)力滅火機噪音的原因

風(fēng)力滅火機主要由二沖程汽油機、風(fēng)機、風(fēng)筒等部件構(gòu)成，產(chǎn)生的噪音分為燃燒噪音、機械噪音、空氣動力噪音3類。其中，燃燒噪音是由于汽油機氣缸內(nèi)周期變化的氣體壓力的作用而產(chǎn)生的。在汽油機中，如果發(fā)生爆燃現(xiàn)象和表面點火等不正常燃燒時，將產(chǎn)生較大的燃燒噪聲；機械噪聲是由于汽油機工作帶動風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)動的時候，自身的運動件之間以及運動件與固定件之間周期性變化的機械運動而產(chǎn)生的；空氣動力噪聲是由于風(fēng)機葉輪的高速轉(zhuǎn)動引起空氣中氣流與氣流、氣流與物體之間的擾動而產(chǎn)生的噪音[8]。在森林滅火行動中，風(fēng)力滅火機為了更加便于單兵作戰(zhàn)，大多數(shù)采用二沖程汽油機作為動力源，因為二沖程汽油機有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、體積小、重量輕、提速快的優(yōu)點。為了方便消防隊員單兵操作，人們往往忽視其噪音大、油耗高、排放廢氣量多的缺點。二沖程汽油機的采用使得風(fēng)力滅火機的噪音大大地增加，這是影響風(fēng)機噪音的一種原因。從風(fēng)機葉輪方面考慮，由于便攜式風(fēng)力滅火機體積有限，葉片形狀及大小和角度等方面設(shè)計不合理，使得葉片在高速旋轉(zhuǎn)過程中，帶動空氣氣流高速流動，引起旋轉(zhuǎn)噪音和渦流噪聲。這是影響風(fēng)機噪音的另一種原因。

5 針對風(fēng)力滅火機噪音的防護對策

5.1 戴耳罩

經(jīng)過戴耳罩前后的對比實驗，我們發(fā)現(xiàn)戴耳罩能使風(fēng)力滅火機產(chǎn)生的噪音下降9%到16%，也就是說戴耳罩能將風(fēng)力滅火機產(chǎn)生的最大噪音控制在97dB以下。這在一定程度上保護了消防隊員聽力，減弱了高噪音對身體造成的傷害。因此，在實際滅火行動中，我們應(yīng)該為每一位消防隊員配備減噪耳罩，但考慮到滅火作業(yè)時指揮部需要根據(jù)火勢的大小進行人員的調(diào)動指揮，可以在耳罩中增加無線電通信功能，便于人員調(diào)動指揮工作的進行。

5.2 優(yōu)化二沖程汽油機

不同功率的汽油機，其造成的噪音是不一樣的。風(fēng)力滅火機能有效撲滅火焰高度低于2.5 m的地表火，當(dāng)面對火焰高度超過2.5 m的地表火及樹冠火時，不管風(fēng)力滅火機的功率多大，消防隊員都很難靠近火場。因此，在滿足滅火需求的前期下，可以對二沖程汽油機進行優(yōu)化設(shè)計，以降低風(fēng)力滅火機噪音，減少噪音對消防隊員身心健康的危害。

5.3 改進風(fēng)機葉輪

風(fēng)機產(chǎn)生的空氣動力噪聲中，以葉輪高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣動力噪聲為主。為減少空氣動力噪音的產(chǎn)生，可對風(fēng)機葉輪進行適當(dāng)?shù)母倪M，優(yōu)化風(fēng)機葉輪的尺寸設(shè)計；調(diào)整葉片的角度和形狀，提高管道之間的密封性，適當(dāng)增加導(dǎo)流片，從而達到降噪的目的。葉輪材料也可采用新型高分子材料以替換普通的鋼材，在材料上進行改進，減少其高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的空氣動力噪聲。