低频声波灭火器的研究与设计

路昊　官洪运　于融正　陈艳

摘要：社会进步的同时伴随着各种各样对人类生命财产安全造成影响的危害，火灾就是其中一种，传统灭火器无法满足现有消防所面临的各种灭火场景且会对环境造成二次污染。本文研究的低频声波灭火器体积轻巧，便于携带，能在多种特殊场合下利用低频声波能量灭火。本文针对燃烧，传统灭火器原理、灭火剂及声腔设计，提出了通过低频声波与空气的共同作用进行灭火的低频声波灭火器。实验结果表明，本灭火器的设计无需其他灭火介质，不会对周围环境造成二次污染，也不会对失火物品造成二次破坏，响应时间和灭火速度快。

关键词：声波灭火器；声腔；燃烧；低频；灭火剂

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0177-02

众所周知，火灾一直是威胁人们公众安全和社会发展的主要灾害之一。目前，常用的灭火器包括干粉、卤代烷、二氧化碳、泡沫和清水灯灭火器[1]。随着人类社会的迅速发展和人们安全意识的提高，灭火器已成为一种必备设施，消防所要面临的各种灭火场景对灭火方式的需求远远超过现有的方法。但随着用户规模的扩大，火势种类的增多，传统灭火器在应用中遇到了难以解决的问题。

①传统气体灭火系统如哈龙系列，二氧化碳常用于针对电气设备等一系列特殊场所，然而，密闭空间内气体灭火系统的误动作会威胁到火场内人员的生命安全；

②传统灭火器大多为高压容器，因此对存放的条件较高，不可挤压、不能碰撞，在高温下易发生膨胀爆炸。

为解决上述问题，提出一种新型低频声波灭火器，消除隐患，预防二次伤害等意外情况的发生。该灭火器采用有线电源或移动电源供电即可使用，具有很好地便携性，方便移动使用，便于携带进入火场灭火。

1 低频声波灭火原理

燃烧是燃料与氧气的剧烈化学反应，并伴随着发光、发热的现象，燃烧过程是一个循环的过程[2]。下图1以蜡烛为例呈现循环燃烧过程。

压力、温度和氧浓度等因素都会对燃烧造成一定的影响，为了达到更好的灭火效果，需要对这几个因素进行分析。

（1）压力

声音在空气介质中传播产生压力持续变化从而影响燃烧的化学反应，达到灭火目的。等温体系下，压力的降低会促使体积增加，随着体积的增加，活化分子之间发生碰撞的距离增加，从而达到减少活化分子碰撞的频率，而达到降低燃烧化学反应的反应速率的目的；

（2）溫度

如上图1，液化、汽化和升华这三个过程，会因为温度的降低而被抑制。使用低频声波灭火，当持续的声波作用于火灾时，特定的空气流动带走了部分热量，从而使燃烧的温度减低，当温度变低时，燃烧化学反应的活化分子数就大大减小，部分分子含有的能量降低到活化能以下，从而失去反应活性，燃烧的反应速率减缓，使温度朝着更低趋势发展；

（3）氧浓度

氧浓度的变化一定程度影响化学反应自由基的链引发和传递过程，低频声波扰动火焰区域，在一定时间内，减少了[O2]的浓度，氧浓度降低时，减少了燃烧化学反应中的链引发和传递支化过程，从而使燃烧化学反应的速率降低，降低火焰目的。

根据以上分析，声波灭火能达到很好的效果，刚加入声波时，火焰周围处的空气质点振动速度和振动幅度都会增加，有利于火焰周边二氧化碳层的扩散和氧气的进入，声波对火焰是促进的作用。但是当声压级增加时，火焰周边空气质点的振动速度以及幅度相对都加快，会使得火焰周边的空气流速加快，降低了火焰周边的空气温度，抑制了火焰的燃烧[4]，在较长一段时间内，可燃物气体分子，呈疏密分布，火焰处的可燃气体分子稀疏，使得没有足够多的可燃物到达火焰处，为燃烧提供燃料，这样即可中止燃烧，最终火焰熄灭[3]。

相比高频声波，采用低频声波灭火的优势明显，低频声波波长较长，空气疏密间隔大，易调节火焰使其位置处于声压的波节处，此处的氧气浓度一直处于很低的状态。低频声波形成的驻波声压梯度明显，可以使火焰一直处于一定声压数值的位置，从而低频声波形成的驻波可以使火焰一直向一边偏倒，直至熄灭。

2 低频声波灭火器的总体设计

该模型主要由电源、波形发生器、功率放大器、扬声器和声腔组成。波形发生器产生低频声波模拟电信号，功率放大器用将低频声波模拟电信号进行放大，扬声器的发声端安装有声腔，扬声器将放大后的低频声波模拟电信号转换为声波进行播放，声腔对扬声器播放的声波进行定向聚集，电源采用有线电源或移动电源，使得灭火器具有良好的便携性。

利用声波频率、幅度与气压的关系，影响火源所在环境的空气压力，进而减少火源所在环境的空气中氧密度，使火源自行熄灭，具体步骤如下：

① 电源使用有线电源或移动电源，连接波形发生器；

② 用波形发生器产生频率在20-80Hz的声波模拟电信号，传递给下一级；

③ 功率放大器接收到波形发生器产生的低频声波模拟电信号后，在不改变声波频率的前提下进行功率放大，产生大电流的低频声波电信号，再将信号传递给下一级；

④ 声腔呈圆柱形，由扬声器产生的低频声波由声腔进行定向增强，并朝着火源发出声波，它会将声波进行定向聚集后激发出来；

3 低频声波灭火器的各模块研究与设计

3.1 电路设计

波形发生选用真任意波形发生技术（Ture arb），采用stm32平台，波形数据通过DMA传输，经片上数模转换器（DAC）后输出波形，波形的频率和振幅均可以调节，其中波形数据为处理过后的波形曲线等间隔点数据。为驱动大功率扬声器，采用一个功率放大器通过放大信号进而驱动扬声器。

本文采用LM3886芯片，LM3886芯片是美国NS公司推出的IC音频功率放大器系列中的佼佼者。它配置少量的外围电子元件便可制作成一中功率放大器，采用11脚TO-220封装，在额定工作电压下最大可达68W的连续不失真平均功率，同样具有比较完善的过压过流过热保护功能，此外它具有自动抗开关机时的电流冲击的功能，使扬声器能够避免在功放电源开启时收到电流冲击造成损伤的问题。

3.2 声腔模块设计

由于燃烧的稳定性受到声波的冲击影响较大，根据扬声器的锥形结构我们对声腔的设计预测一个初步的形状，在模拟现有的扬声器结构加上喇叭的尺寸将该声腔设计成下图4所示，前面的挡板中间设计一个小孔，目的是将声波进行集中的发射出去，使得能量集中发射出去[5]。

4 结论

本文在传统灭火器的基础上进行一部分改进，增加声腔装置，用于对扬声器播放的声波进行定向聚集，激发出来。提供这种低频声波灭火器，能满足不对周围环境造成二次伤害和不对失火物品造成二次破坏的前提下，使其能在多种特殊场合下利用声波能量灭火，且本设备具有很好地便携性和灭火性能的高效性。

参考文献：

[1]基于声波对周围介质分布影响的灭火原理[EB/OL].（2015-07-14）[2016-12-26] http：//wenku.baidu.com/link？Url=TOIqueu3StRPEtR2hMRaKJ4vZJkfXPwhia1heWWRTfUoZ119-s8Pat9faA96x5qLRT-hHLoVZ5NCsCZTcxhGUu4XCmASdG8H9wKTS0WeIK.

[2]郑英超. 声波影响燃烧的物理机理研究[D].华东电力大学，2011：12-13.

[3]拉夫罗夫. 燃料燃烧及气化的物理化学基础[M].科学出版社，1964：12-103.

[4]甄丽. 封闭空间内的声场分布及对燃烧的影响[D]. 华北电力大学.2013：1

[5]郭旗.L型板_声腔系统动力学特性分析及实验研究[D].哈尔滨工程大学.2013，6-13