便攜式光導(dǎo)聲波滅火器的研究與設(shè)計

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)

0 引言

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。

1 聲波滅火器原理

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。

2 總體設(shè)計

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]。

2.1 聲波發(fā)生器的設(shè)計

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。

2.2 功率放大器的設(shè)計

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。

2.3 揚(yáng)聲器的設(shè)計

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。

2.4 聲音腔體的設(shè)計

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

2.5 聲音腔體降噪設(shè)計

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。

2.6 光導(dǎo)火源定位的設(shè)計

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

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。

3.1 滅火最優(yōu)頻率實(shí)驗(yàn)

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)

3.2 波形對滅火影響實(shí)驗(yàn)

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)

3.3 滅火器與火源距離對滅火影響實(shí)驗(yàn)

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)

3.4 最優(yōu)條件下進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)

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)

4 結(jié)語

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。