手持式節(jié)能型超聲波滅火器

劉名利，張 欣，賴志洋

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

1 項(xiàng)目背景及研究意義

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，越來越多的電氣自動(dòng)化設(shè)備豐富著人們的生活，然而這也給我國(guó)的火災(zāi)消防帶來了巨大挑戰(zhàn)。汽車火災(zāi)，生活用火、用電、用氣等方面均存在較大的火災(zāi)隱患，最好的辦法是安裝車載自動(dòng)滅火裝置。但由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等各方面的因素，在私家車上安裝自動(dòng)滅火裝置，短時(shí)間內(nèi)還不能得到廣泛使用。

目前常用的滅火器有4種，分別是干粉滅火器、超細(xì)干粉滅火器、二氧化碳滅火器、泡沫滅火器。近些年，日本東京消防署發(fā)明了一種超聲波滅火器。超聲波滅火靠的是聲壓而不是風(fēng)壓，其滅火機(jī)理為：超聲波的高頻振蕩性使火焰內(nèi)物質(zhì)迅速喪失溫度，同時(shí)使燃燒氣體脫離燃燒材料。超聲波是人耳聽不到的聲波，滅火時(shí)不發(fā)出任何聲響。

此外，超聲波滅火效率高，對(duì)人體和環(huán)境不會(huì)造成危害，同時(shí)避免了多次充裝滅火劑帶來的不必要麻煩。相比傳統(tǒng)滅火器而言，超聲波滅火器更適合應(yīng)用在大型機(jī)房、精密儀器、博物館名人字畫、典藏書籍、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的電器設(shè)備發(fā)生火情時(shí)的滅火場(chǎng)合?；诖?，我們?cè)O(shè)計(jì)了這款手持式節(jié)能型超聲波滅火器，在達(dá)到滅火目的的同時(shí)又節(jié)能減排，方便人們的使用和儲(chǔ)存。

2 項(xiàng)目的創(chuàng)新之處

該手持式節(jié)能型超聲波滅火器的創(chuàng)新之處在于：①利用超聲波滅火不必使用傳統(tǒng)的滅火劑，指向性好，使用方便；②超聲波人耳聽不到，不會(huì)給人身和環(huán)境帶來危害；③使用電能作為能源并以手搖發(fā)電模塊為輔，作用時(shí)間長(zhǎng)且不用多次填充能量。

3 項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容和研究目標(biāo)

3.1 主要研究?jī)?nèi)容

該項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾點(diǎn)：①超聲波滅火頻率的選擇。通過控制單一變量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)并進(jìn)一步調(diào)試選擇合適的頻率范圍，達(dá)到高效滅火的目的。②滅火器外殼材料的選擇。手持式滅火器外殼首先應(yīng)該具有的性質(zhì)是耐火，其次應(yīng)該選擇質(zhì)量小的材料，在不損壞內(nèi)部設(shè)備的情況下，減輕滅火人員的手部負(fù)擔(dān)。③伸縮手柄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使操作者可以根據(jù)火源大小、遠(yuǎn)近合理地調(diào)整手柄的長(zhǎng)短，增強(qiáng)實(shí)用性。④增設(shè)手搖發(fā)電模塊。利用電源轉(zhuǎn)換器人工給滅火器提供電能，以應(yīng)對(duì)野外無(wú)電或者蓄電池電量不足等緊急情況的發(fā)生。

3.2 項(xiàng)目研究目標(biāo)

該項(xiàng)目的研究目標(biāo)為：使超聲波與滅火器相結(jié)合，采用電力驅(qū)動(dòng)，在特定環(huán)境下來代替以噴灑滅火劑來達(dá)到滅火目的的傳統(tǒng)滅火器；在方便操作者使用及保證滅火質(zhì)量的同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

4 實(shí)施方案及擬采取研究方法和技術(shù)路線

本裝置結(jié)構(gòu)部分由超生波發(fā)生模塊、角度調(diào)整模塊和手柄夾持模塊3部分構(gòu)成。超生波發(fā)生模塊及工作必須的電源和控制部分，通過電路開關(guān)控制超聲波裝置的開啟與關(guān)閉；角度調(diào)整模塊通過調(diào)整角度使超聲波束更加準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)火源，方便操作者使用；手柄夾持模塊起到固定作用。

4.1 超聲波發(fā)生模塊

IC1（NE555）構(gòu)成時(shí)鐘振蕩器，產(chǎn)生頻率為1 Hz的時(shí)鐘信號(hào)。此信號(hào)作用于IC2（CD4017）的時(shí)鐘輸入CP端，使IC2的輸出端Q0～Q9依次輸出高電平，各輸出端高電平持續(xù)期均為1 s。IC3（NE555）構(gòu)成超聲波振蕩器，由于IC2 Q0～Q9輸出端的電阻R4～R13的阻值各不相同，它們與C3組成的充電時(shí)間常數(shù)不同，因此在Q0～Q9依次為高電平的各個(gè)時(shí)段內(nèi)，IC3輸出的振蕩頻率不同。當(dāng)Q0為高電平時(shí)，IC3輸出約30 Hz的信號(hào)；當(dāng)Q9為高電平時(shí)，IC3輸出約60 Hz的信號(hào)。10種頻率的信號(hào)持續(xù)期各為1 s，周而復(fù)始地產(chǎn)生，因而壓電揚(yáng)聲器B周而復(fù)始地發(fā)出10種不同頻率的超聲波；或者使用控制開關(guān)，使其持續(xù)輸出單一頻率的超聲波。

4.2 角度調(diào)整模塊

角度調(diào)整模塊只實(shí)現(xiàn)單一維度上的調(diào)整，也就是使超聲波發(fā)生器上下調(diào)整，而左右方向上的調(diào)整則為人工自行實(shí)現(xiàn)。

4.3 手柄夾持模塊

手柄夾持模塊可以旋上來夾持滅火器使用者的小臂，起穩(wěn)固作用，便于滅火者側(cè)身單手操作。

5 項(xiàng)目研究基礎(chǔ)和可行性分析

5.1 項(xiàng)目研究基礎(chǔ)

本項(xiàng)目以超聲波熄滅蠟燭現(xiàn)象為現(xiàn)實(shí)依據(jù)，并以超聲波利用其高頻振蕩性使火焰與燃燒物隔離達(dá)到滅火目的為科學(xué)基礎(chǔ)，提出一種可以手持的節(jié)能型超聲波滅火器，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)及制作搭建出本項(xiàng)目模型。

5.2 可行性分析

超聲波滅火可行性從4個(gè)方面進(jìn)行分析，具體如下。

5.2.1 科學(xué)性原理

超聲波是一種高頻聲波，它的特點(diǎn)為具有指向性、高頻率振蕩性等。超聲波的指向性可以讓它很好地對(duì)準(zhǔn)火源，超聲波的高頻率振蕩性可以讓火焰內(nèi)物質(zhì)迅速喪失溫度，同時(shí)使燃燒氣體脫離燃燒材料，達(dá)到滅火的目的。

5.2.2 先進(jìn)性原理

此手持式節(jié)能型超聲波滅火器完全突破了傳統(tǒng)滅火器需要滅火劑的困境，因?yàn)閷?duì)于飛船或是潛艇來說，即使再少的滅火劑也是很大的負(fù)擔(dān)，況且傳統(tǒng)滅火劑的工作時(shí)間很短，工作效率較低。而此種超聲波滅火器是由電驅(qū)動(dòng)的，且耗電少，有電池供電，還可附加手搖發(fā)電，所以作用時(shí)間長(zhǎng)，效率高。該超聲波滅火器更大的優(yōu)點(diǎn)就是不會(huì)對(duì)飛船或潛艇造成破壞和污染。因?yàn)槌暡ň哂袊?yán)格的指向性和作用距離，所以作用范圍是有限的和可控的。

5.2.3 實(shí)用性原理

超聲波在我們的生產(chǎn)生活中已經(jīng)是隨處可見，超聲波技術(shù)也已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)。而在飛船和潛艇密閉、微重力環(huán)境中，傳統(tǒng)的滅火器因?yàn)橘|(zhì)量大、滅火效率低和不能持久滅火、極易造成重大破壞等缺點(diǎn)，在太空失火事故處理中無(wú)法得到運(yùn)用。而超聲波滅火器因?yàn)樵靸r(jià)低、作用時(shí)間長(zhǎng)、不會(huì)產(chǎn)生污染等優(yōu)點(diǎn)成為飛船和潛艇中可行的滅火設(shè)備。

5.2.4 材料方面

目前耐火輕型材料也有很多可供選擇，例如石油焦、木炭、煙煤、木質(zhì)素等的燒盡物，多空耐熱材料以及各大公司生產(chǎn)的新型輕質(zhì)耐火材料等。

6 項(xiàng)目研究的預(yù)期成果

手持式節(jié)能型超聲波滅火器可以避免多次充填滅火劑帶來的麻煩，同時(shí)采用手搖發(fā)電以應(yīng)對(duì)蓄電不足的情況。該種滅火器不會(huì)對(duì)環(huán)境和人身產(chǎn)生危害，相對(duì)于傳統(tǒng)滅火器而言，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來經(jīng)濟(jì)成本低廉。此外，由于該滅火器滅火方式對(duì)機(jī)械類的儀器儀表不會(huì)產(chǎn)生損害，可以用于企業(yè)工廠、博物館、圖書館等領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分可觀。