低頻聲波滅火器的研究與設計

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安全造成影響的危害，火災就是其中一種，傳統滅火器無法滿足現有消防所面臨的各種滅火場景且會對環境造成二次污染。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，傳統滅火器原理、滅火劑及聲腔設計，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。實驗結果表明，本滅火器的設計無需其他滅火介質，不會對周圍環境造成二次污染，也不會對失火物品造成二次破壞，響應時間和滅火速度快。

關鍵詞：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展和人們安全意識的提高，滅火器已成為一種必備設施，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有的方法。但隨著用戶規模的擴大，火勢種類的增多，傳統滅火器在應用中遇到了難以解決的問題。

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

②傳統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，并伴隨著發光、發熱的現象，燃燒過程是一個循環的過程[2]。下圖1以蠟燭為例呈現循環燃燒過程。

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

聲音在空氣介質中傳播產生壓力持續變化從而影響燃燒的化學反應，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的反應速率的目的；

（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，燃燒化學反應的活化分子數就大大減小，部分分子含有的能量降低到活化能以下，從而失去反應活性，燃燒的反應速率減緩，使溫度朝著更低趨勢發展；

（3）氧濃度

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

根據以上分析，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，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勢明顯，低頻聲波波長較長，空氣疏密間隔大，易調節火焰使其位置處于聲壓的波節處，此處的氧氣濃度一直處于很低的狀態。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計

該模型主要由電源、波形發生器、功率放大器、揚聲器和聲腔組成。波形發生器產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、幅度與氣壓的關系，影響火源所在環境的空氣壓力，進而減少火源所在環境的空氣中氧密度，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，連接波形發生器；

② 用波形發生器產生頻率在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生器產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，由揚聲器產生的低頻聲波由聲腔進行定向增強，并朝著火源發出聲波，它會將聲波進行定向聚集后激發出來；

3 低頻聲波滅火器的各模塊研究與設計

3.1 電路設計

波形發生選用真任意波形發生技術（Ture arb），采用stm32平臺，波形數據通過DMA傳輸，經片上數模轉換器（DAC）后輸出波形，波形的頻率和振幅均可以調節，其中波形數據為處理過后的波形曲線等間隔點數據。為驅動大功率揚聲器，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 聲腔模塊設計

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

4 結論

本文在傳統滅火器的基礎上進行一部分改進，增加聲腔裝置，用于對揚聲器播放的聲波進行定向聚集，激發出來。提供這種低頻聲波滅火器，能滿足不對周圍環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[M].科學出版社，1964：12-103.

[4]甄麗. 封閉空間內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_聲腔系統動力學特性分析及實驗研究[D].哈爾濱工程大學.2013，6-13