不同转速下风力灭火机噪音的危害及防护对策

张胜杰，夏得峻，刘 睿，蒲玉梁，朱小宇

（南京森林警察学院，江苏 南京 210023）

1 便携式风力灭火机研究目的及现状

1.1 研究目的

由于现在温室效应不断加剧，森林火灾发生的频率越来越高，研究出一些高效、经济、实用的灭火装备是各国森林消防部门努力的方向。我国自从1987年大兴安岭发生了“5·6”特别重大森林火灾后，国民意识到森林火灾所带来的环境污染、经济损失、人员伤亡等一系列严重后果，政府开始投入大量的资金进行消防基础设施的建设及消防装备的研究，研制出了灭火弹、履带式风力灭火机等一批新式森林消防装备。其中，风力灭火机便是从人们长期灭火实践中发明改良而来，适用于我国的国情。在森林火灾的扑灭工作中，风力灭火机能够被单兵携带进深山老林，到达许多现代机械化灭火装备很难进入的地方，如复杂的山地地形、茂密的丛林、坑洼不平的沟塘草甸等，解决了机械化装备难以到达一线灭火的难题。基本上只要是人能到达的地方，风力灭火机就可使用，并且能够有效快速地扑灭地表火和开设防火道阻止火势的蔓延。针对风力灭火机的研究显得十分的必要。

1.2 研究现状

风力灭火机经过30多年的不断研究发展，人们对其提出了越来越高的要求。一款风力灭火机不仅要能够高效快速地扑灭火灾，还要符合人体工程学标准[1]，以减少风力灭火机对消防队员身心健康的影响并提高风力灭火机使用过程中的舒适度。作为我国重要森林消防装备中的一种，风力灭火机的灭火原理主要是通过风机产生的高速气流将火焰与可燃物隔离开，降低可燃物表面的温度，将空气中的氧气浓度进行稀释，从而达到冷却和压制火焰的目的[2]。如今风力灭火机已经由传统的手提式风力灭火机向背负式、履带式风力灭火机发展，并且在利用强大的气流灭火的基础上，还将风力灭火机的风筒进行改装，使其能够进行喷射水雾、灭火化学药剂等操作，以提高机械灭火的效率。但大多数的风力灭火机在使用过程中大都具有高噪音、高油耗的缺点，其中高噪音会对消防队员的身体和火灾现场的指挥工作造成很大的影响。在此，我们对风力灭火机产生的噪音对人体的影响进行了探讨，将佩戴耳罩前后的噪音作对比，为风力灭火机的改进提供一些可行性建议。

2 搭建风力灭火机噪音测试平台

选取目前森林消防装备中应用较为广泛的6MF—32便携式风力灭火机作为实验样机，测量仪器包括优利德UT372型非接触式转速表、标智GM1356型数字噪音计分贝仪、成凯科技CKE-2027型降噪耳罩和三脚架等。分贝测量仪固定位置参照GBT 10284-2008便携式风力灭火机噪音的测定要求，将分贝测量仪固定在前把手后10 mm上方，距风机旋转中心1000±10 mm处，按GB/T 3785的规定使用声级计“A计权网络”慢档时间特性进行耳旁噪音数据测量。利用三脚架将非接触式转速表固定在风机叶轮一侧距叶轮15～30 mm处。具体实验仪器搭建如图1所示。

图1 噪音实验平台示意图

实验场地选取在空旷的室外，地势平坦，背景噪声为53.1～67.8 dB。我们设定耳旁噪音测量值为L′pA、测量值的算术平均值为、测定值为LpA，其中噪音测定值（式中KlA为GB/T 17284.2中规定的背景噪音修正因子），实验噪音数据采集为每1秒进行一次记录。为减少实验误差，取转速较稳定连续5秒的测量值求平均值，该平均值即为对应转速下的耳旁噪声平均测量级。，具体实验结果如表1所示。

表1 未佩戴耳罩时风机不同转速下的风机耳旁噪音记录值

为了研究佩戴耳罩后噪音对人体的影响能降低多少，我们进行了对比实验，将佩戴耳罩前后的噪音作对比，分析其降低分贝效果是否能达到减弱噪音对人体伤害的目标。佩戴耳罩后的噪音数据测量实验，我们在原有的实验搭建平台的基础上采用耳罩包裹分贝仪测量探头海绵球的方法，模拟耳罩包裹人双耳的情景，进行测试和数据提取。具体操作示意如图2所示。

图2 模拟佩戴降噪耳罩前后对比操作

3 噪音数据分析

经过实验测量，得到6MF-32型风力灭火机的噪音数据随转速变化曲线，如图3所示。

图3 不同转速下风力灭火机耳旁噪音变化曲线

3.1 数据拟合分析

通过对得到的风力灭火机噪音数据进行处理，在图3上可以看出6MF-32型风力灭火机的噪音随着转速的提高逐渐变大，并且在一定程度上呈现出线性相关。为了得到其经验表达式，我们运用电脑对曲线进行了数据拟合。假设风力灭火机转速为x，风力灭火机产生的噪音为y，则x与y呈现出线性相关为y=0.007x+62.864。这一线性关系式可以帮助消防队员在对6MF-32型风力灭火机机器保养调试的时候针对噪音大小，对风机怠速油针、高速油针进行适当调整，限制风力灭火机的转速范围，使机器在能够灭火的前提下降低风力灭火机产生的噪音，消减机器噪音对人体的影响。

3.2 佩戴耳罩对比分析

人体对声音的可感知范围是0到120 dB，而85 dB以下的噪音不会对人体的听觉器官造成危害[3]。图4实验结果表明，戴耳罩后在5000 r/min的转速产生的噪音被降低到人体可承受范围85 dB以下，与未戴耳罩相比，不同转速下戴耳罩能将风力灭火机的噪音平均降低10 dB左右，能把风力灭火机最高转速下产生的113 dB降低到96 dB。这可以在很大程度上保护消防队员的身体健康，减少高噪音对人体听觉系统、神经系统、血压血脂造成的影响[4]。因此，戴降噪耳罩是减少噪音、保护听力的一种行之有效的方法。

3.3 噪音对人体的影响

在图3中可看出，风力灭火机启动后怠速时耳旁噪声为86 dB，此噪声级下人们的交流谈话受到一定的影响。这会导致在灭火行动中消防队员的交流出现阻隔，灭火现场指挥工作无法正常进行，严重影响到火灾扑灭的效率。当风力灭火机的转速达到5000 r/min时，噪音级达到96 dB，人们交流感到非常困难，耳朵感到极度不适，并且情绪会容易变得激动不安、心烦意乱，注意力难以集中：在噪音消失后感觉有耳鸣症状、并在一段时间内耳旁有嗡嗡声。长期工作或生活在90 dB以上的噪声环境，会严重影响听力并导致其他疾病的发生[5]。根据国际标准化组织（ISO）的调查，在噪音85 dB和90 dB的环境中工作30年，耳聋的可能性分别为8%和18%。为保护消防队员的身体健康，对风力灭火机产生的噪音进行适当的控制显得十分必要。

图4 佩戴耳罩前后噪音数据对比

当风力灭火机达到最高转速7000 r/min时，机器产生的噪音为113.58 dB，此噪音下人们有可能会出现听力损伤现象。人短期处于高噪音环境时，即使离开噪音环境，耳朵也会造成短期的听力下降，但当回到安静环境时，经过较短的时间即可以恢复正常，这种现象称为听觉适应。这种短期听力下降现象是人体为了保护耳膜、听毛细胞所进行的一种身体应激反应，属于正常的生理反应。但长时间的听力下降无法恢复正常，超过人体内在调节机制的调节力度，就有可能发展成噪音性耳聋，引起病理性改变[6]。如果长年无防护地在较强的噪音环境中工作，这种暂时性的听力下降现象就会超过人体所调节的范围，从而造成听力损伤。轻度听力损伤主要表现为轻度耳鸣，若进一步发展，可在一定程度上影响人的语言听力，致使人们在工作、学习、生活中感到交流困难，从而影响到消防队员的日常生活[7]。在森林灭火行动中噪音的产生对消防员的作业造成的影响是巨大的。高分贝噪音使上级领导的指挥命令无法及时传达到每一位消防队员，对火灾的扑灭工作带来极大不便，甚至有可能错过火灾扑灭的有利时机，造成火灾蔓延和损失范围的加大。由此看来，为保证森林火灾扑灭过程中指挥工作的有序性及消防队员自身健康，在能有效扑灭火灾的前提下，应该对风力灭火机进行降噪改进，减少风力灭火机产生的噪音。

4 引起风力灭火机噪音的原因

风力灭火机主要由二冲程汽油机、风机、风筒等部件构成，产生的噪音分为燃烧噪音、机械噪音、空气动力噪音3类。其中，燃烧噪音是由于汽油机气缸内周期变化的气体压力的作用而产生的。在汽油机中，如果发生爆燃现象和表面点火等不正常燃烧时，将产生较大的燃烧噪声；机械噪声是由于汽油机工作带动风机叶轮转动的时候，自身的运动件之间以及运动件与固定件之间周期性变化的机械运动而产生的；空气动力噪声是由于风机叶轮的高速转动引起空气中气流与气流、气流与物体之间的扰动而产生的噪音[8]。在森林灭火行动中，风力灭火机为了更加便于单兵作战，大多数采用二冲程汽油机作为动力源，因为二冲程汽油机有结构简单、维修方便、体积小、重量轻、提速快的优点。为了方便消防队员单兵操作，人们往往忽视其噪音大、油耗高、排放废气量多的缺点。二冲程汽油机的采用使得风力灭火机的噪音大大地增加，这是影响风机噪音的一种原因。从风机叶轮方面考虑，由于便携式风力灭火机体积有限，叶片形状及大小和角度等方面设计不合理，使得叶片在高速旋转过程中，带动空气气流高速流动，引起旋转噪音和涡流噪声。这是影响风机噪音的另一种原因。

5 针对风力灭火机噪音的防护对策

5.1 戴耳罩

经过戴耳罩前后的对比实验，我们发现戴耳罩能使风力灭火机产生的噪音下降9%到16%，也就是说戴耳罩能将风力灭火机产生的最大噪音控制在97dB以下。这在一定程度上保护了消防队员听力，减弱了高噪音对身体造成的伤害。因此，在实际灭火行动中，我们应该为每一位消防队员配备减噪耳罩，但考虑到灭火作业时指挥部需要根据火势的大小进行人员的调动指挥，可以在耳罩中增加无线电通信功能，便于人员调动指挥工作的进行。

5.2 优化二冲程汽油机

不同功率的汽油机，其造成的噪音是不一样的。风力灭火机能有效扑灭火焰高度低于2.5 m的地表火，当面对火焰高度超过2.5 m的地表火及树冠火时，不管风力灭火机的功率多大，消防队员都很难靠近火场。因此，在满足灭火需求的前期下，可以对二冲程汽油机进行优化设计，以降低风力灭火机噪音，减少噪音对消防队员身心健康的危害。

5.3 改进风机叶轮

风机产生的空气动力噪声中，以叶轮高速运转产生的空气动力噪声为主。为减少空气动力噪音的产生，可对风机叶轮进行适当的改进，优化风机叶轮的尺寸设计；调整叶片的角度和形状，提高管道之间的密封性，适当增加导流片，从而达到降噪的目的。叶轮材料也可采用新型高分子材料以替换普通的钢材，在材料上进行改进，减少其高速运转时产生的空气动力噪声。