CN108837345A - 一种可终端配置的声腔共振型声波灭火装置 - Google Patents
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Abstract
一种可终端配置的声腔共振型声波灭火装置，包括信号生成装置、功放装置以及喇叭，所述信号生成装置生成频率为f设定的电信号并将该电信号传输给功放装置，功放装置对其进行放大，最后驱动喇叭发声，其特征在于：还包括声腔结构体，声腔结构体一端连接在喇叭出口处，所述声腔结构体与喇叭之间是密封连接且彼此联通的，喇叭和声腔结构体形成一个完整的声腔腔体，声腔腔体的声腔体积为Vgas；所述声腔结构体的另一端连接有一出口管，出口管与声腔结构体之间是密封连接且彼此联通的，出口管的长度为l，出口管的横截面积为Sn，出口管输出的扰动声波信号对火焰产生影响，实现灭火。
Description
技术领域
本发明涉及声学应用技术领域，尤其是涉及一种可终端配置的声腔共振型声波灭火装置。
背景技术
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。传统的灭火方式多种多样，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很多问题。
(1)传统气体灭火系统如哈龙系列，采用二氧化碳灭火，其常用于针对电气设备等一些列特殊场所。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。
(3)传统灭火器无法用于航天系统。传统灭火器所使用的灭火剂将对航天在轨系统造成污染和破坏。此外，空间微重力环境下灭火剂属于漂浮状态，无法附着火焰，不能实现灭火效果。
针对上述问题，研究人员开展了声音灭火的研究工作。最早的工作利用激波灭火。该方法通过快速燃烧的方式消化燃料使得燃烧不能自维持。类似于爆炸灭火，该方法的缺点在于激波在灭火的同时也严重影响周围物体。
相关研究人员提出超声波灭火方法，该方法不需要灭火剂，不产生灭火遗留物，同时不带来环境噪声。高频声波引起火焰面高频振动，需要高振动幅度才能达到灭火效果。
相关研究表明，火焰如同低通滤波器，高频激励对其性能的影响较小，参看西安交通大学申请专利一种超声灭火器(申请号：2016102822245。发明人：魏衍举、杨亚晶、刘圣华、李东华)。
实验与理论研究表明，低频声波对火焰面的影响显著。事实上，针对空气而言，氧气的共振频率是60Hz，氮气的共振频率低于60Hz。相关文献表明空气的共振频率20-50Hz范围内。当低频声波作用于火焰时，共振特性使得空气振动加强，增加了空气的运动范围，使得氧气的稀疏和稠密分布加强，火焰在稀疏部分将因为氧气含量不足而熄灭。另一方面，声压扰动将冲散火焰周围的氧气分子，阻断火焰燃烧的供氧渠道，从而使得火焰熄灭。
国防科技大学陈勇团队通过分析表明低频声波可以有效灭火的原因是火焰面对扰动的响应如同一个低通滤波器。低频声波使得不稳定燃烧加强，火焰面形成大规模的褶皱拉伸，当达到一定程度时，火焰面发生坍塌，导致火焰熄灭。拉升的火焰面使得热传导作用加强，从而降低了火焰面温度，导致燃烧无法自维持。另一方面，相较于高频声波，低频声波较长的波长使得低压区持续时间较长，在密度一定的情况下，根据理想气体状态方程p＝ρR0T(R0为气体常数)可以看到，密度ρ一定的情况下，低压区的温度T也发生改变。
针对低频灭火方式，2012年美国国防部高级研究计划局(DARPA)成功用两个巨型的音波发射筒灭了火，但装备笨重，操作复杂。
2012年，美国乔治·梅森大学的几个学生创造了一个“手持灭火器”。该方法利用低频声波方式进行灭火，研究表明当声波频率30-60Hz时，声波对火焰的影响非常大，灭火效果好。中国东华大学官洪运团队的研究表明声波频率20-80Hz的声波可以有效实现灭火效果。官洪运团队根据研究成果，申请发明专利一种低频声波灭火器(申请号：2016102840597。发明人：路昊、官洪运、赵冬雨、王雪纯、陆雪纯、卢博欣、于融正)。上海兆芃智能科技发展有限公司也申请了基于相似原理的实用新型专利一种智能便携式声波灭火器(申请号：201620176718.0。发明人：刘宇、吴明华)。山东科技大学申请了实用新型专利低频声波灭火器(申请号：2015206801107。发明人：韩宝坤、闫成稳、崔文杰、苏伟)。
在上述声音灭火装置中，其结构大多数采用如图1所示，其基本原理如下：通过信号生成装置(大多采用DSP、单片机、信号发生器等复杂设备)产生100Hz以下的电信号，然后通过功放对信号进行放大，最后驱动喇叭发声，完成低频声波的生成。由于喇叭产生的低频扰动是发散的，则采用渐缩型聚焦筒的方式进行聚焦，获得较高的能量密度。
上述方法使得灭火器设备配置非常复杂。针对低频声波生成而言，声音生成装置较大，不利于便携式应用。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种可终端配置的声腔共振型声波灭火装置。本发明技术方案能够解决当前声音灭火面临的两个技术问题：(1)信号生成设备复杂，不利于便携式。(2)渐缩型聚焦筒存在复杂的反射过程导致能量衰减。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种可终端配置的声腔共振型声波灭火装置，包括信号生成装置、功放装置以及喇叭，所述信号生成装置生成频率为f设定的电信号并将该电信号传输给功放装置，功放装置对其进行放大，最后驱动喇叭发声，其特征在于：还包括声腔结构体，声腔结构体一端连接在喇叭出口处，所述声腔结构体与喇叭之间是密封连接且彼此联通的，喇叭和声腔结构体形成一个完整的声腔腔体，声腔腔体的声腔体积为Vgas；所述声腔结构体的另一端连接有一出口管，出口管与声腔结构体之间是密封连接且彼此联通的，出口管的长度为l，出口管的横截面积为Sn，出口管输出的扰动声波信号对火焰产生影响，实现灭火。
进一步地，本发明中的信号生成装置为能够生成电信号的移动终端如手机。通过移动终端编程的方式实现频率为f设定的周期正弦信号的生成。正弦信号通过移动终端音频出口接入功放装置，驱动喇叭发声。
进一步地，本发明中的声腔结构体的形状不限，可以是球形、长方体形、正方体形等各种规则或者不规则的形状。
本发明中，根据不同的应用场景，可以设定具有不同频率f设定的声波对火焰进行抑制。频率f设定的设定通过用户在移动终端编程软件上设置完成，一般情况下其取值范围在20Hz-80Hz。
根据设定频率f设定，需要调整声腔体积Vgas、出口管道长度l或者出口管道面积sn，使得声腔共振频率f共振与设定频率f设定一致，即f共振＝f设定，此时输出的速度扰动达到最大，能够达到最好的速度扰动输出效果。
进一步地，通过下式配置声腔体积Vgas、出口管道长度l或者出口管道面积sn，使得声腔共振频率f共振与设定频率f设定一致，即f共振＝f设定：
上式中，ω共振＝2πf共振表征共振情况下的角速度；λ为比热比；c0为声速；
末端修正系数δ定义为
声腔共振频率f共振其表达式的推导过程如下：
由于喇叭发声，在喇叭和声腔结构体所形成的声腔腔体内生成一定频率的声压，记为pin，声压扰动引起声腔腔体内密度扰动ρin，同时引起出口管管道内气体速度扰动un；
假设声腔腔体内扰动属于等熵扰动，声腔腔体内温度不变，由理想气体状态方程可以得到，声腔腔体内密度扰动ρin可以表示为：
式(1)中，λ为比热比，c0为声速，R0为气体常数，T0为温度；
出口管的横截面积为Sn，在出口管与声腔结构体的连接处，由质量守恒可以得到
上式中，Vgas为声腔腔体体积，ρin为声腔腔体内气体密度扰动，为声腔腔体内气体的平均密度，ρ0为出口管内气体的平均密度，Sn为出口管横截面积，un为出口管内气体速度扰动；
公式(2)成立是基于出口管内气体与声腔腔体内气体的平均密度相同；在假设声波为等熵传播的情况下，出口管其管道内平均流动消失，则出口管其管道内的动量守恒满足
式(3)中，算子表征梯度运算，p为出口管道内压强；
设出口管其管道内的声波以平面波形式传播，则忽略二阶小量的情况下，上式(3)简化为
出口管长度为l，上式(4)在出口管其管道内积分可以得到
其中：pout是出口管其出口端处的声压；
由于声波传播为等熵传播，则出口管其管道内声波速度扰动相同
其中，末端修正系数δ定义为
公式(1)与(2)带入公式(6)可以得到
根据质量守恒定理，则出口管其出口端处对应的速度扰动为
假设腔体内压强扰动为pin＝Aexp(iωt)，其中A表征压强扰动幅度，i表征虚数单位，ω＝2πf表征信号角速度，声波频率f即为信号生成装置设置的频率f设定；
则出口管其出口端处的出口声压为
出口管的出口声速为
由公式(10)可以得到
式中，pout为出口管外端压强扰动；
公式(12)带入公式(11)可以得到
当pout＝0时，声速幅度达到最大，即
由公式(8)可以得到声腔的共振频率f共振的表达式
通过引入共振频率f共振，由公式(12)可知
同时公式(13)即出口速度扰动un可以写为
出口管其管道内的声波以平面波形式传播，对于平面波而言，存在
结合公式(15)，公式(17)可以改写为
本发明的有益技术效果是：
本发明能够能够解决当前声音灭火面临的两个技术问题：(1)信号生成设备复杂，不利于便携式。(2)渐缩型聚焦筒存在复杂的反射过程导致能量衰减。
本发明根据应用需要在移动终端软件上设定用于声波灭火的频率f设定。
使用者根据公式(15)配置声腔体积Vgas，出口管道长度l或者Sn的大小，使得声腔对应的共振频率f共振与设定频率f设定一致，从而获得最大的输出速度扰动(uout)，增强扰动对火焰的抑制效果，进而到的更好的灭火效果。
同时本发明给出了声腔结构体其结构参数的具体配置方法，通过配置声腔体积Vgas，出口管道长度l或者Sn的大小，从而获得最大的输出速度扰动(uout)，增强扰动对火焰的抑制效果，进而到的更好的灭火效果。
附图说明
图1是现有技术中的一种常规声音灭火装置的结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图2中：
1、信号生成装置；2、功放装置；3、喇叭；4、声腔结构体；5、出口管。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图2，为本发明一具体实施例的结构示意图，包括信号生成装置1、功放装置2、喇叭3以及声腔结构体4，所述信号生成装置1生成频率为f设定的电信号并将该电信号传输给功放装置2，功放装置2对其进行放大，最后驱动喇叭3发声。声腔结构体4一端连接在喇叭3出口处，所述声腔结构体4与喇叭3之间是密封连接且彼此联通的，喇叭3和声腔结构体4形成一个完整的声腔腔体，声腔腔体的声腔体积为Vgas；所述声腔结构体的4另一端连接有一出口管5，出口管5与声腔结构体4之间是密封连接且彼此联通的，出口管5的长度为l，出口管的横截面积为Sn，出口管5输出的扰动声波信号对火焰产生影响，实现灭火。
信号生成装置为能够生成电信号的移动终端，通过移动终端编程的方式实现频率为f设定的周期正弦信号的生成，正弦信号通过移动终端音频出口接入功放装置，驱动喇叭发声。举例说明，苹果手机APP“sine wave”可以实现该信号生成。移动终端通过配置声音频率与声音大小，经过移动终端的音频接口输出模拟电信号，电信号直接接入功放装置。
进一步地，本发明中通过以下方法配置声腔体积Vgas、出口管道长度l或者出口管道面积sn，使得声腔共振频率f共振与设定频率f设定一致，即f共振＝f设定，此时输出的速度扰动达到最大。
由于喇叭发声，在喇叭和声腔结构体所形成的声腔腔体内生成一定频率的声压，记为pin，声压扰动引起声腔腔体内密度扰动ρin，同时引起出口管管道内气体速度扰动un。
假设声腔腔体内扰动属于等熵扰动，声腔腔体内温度不变，由理想气体状态方程可以得到，声腔腔体内密度扰动ρin可以表示为：
式(1)中，λ为比热比，c0为声速，R0为气体常数，T0为温度。
出口管的横截面积为Sn，在出口管与声腔结构体的连接处，由质量守恒可以得到
上式中，Vgas为声腔腔体体积，ρin为声腔腔体内气体密度扰动，为声腔腔体内气体的平均密度，ρ0为出口管内气体的平均密度，Sn为出口管横截面积，un为出口管内气体速度扰动。
公式(2)成立是基于出口管内气体与声腔腔体内气体的平均密度相同。在假设声波为等熵传播的情况下，出口管其管道内平均流动消失，则出口管其管道内的动量守恒满足
式(3)中，算子表征梯度运算，p为出口管道内压强。(在出口管道两端，压强分别为pin与pout)。
设出口管其管道内的声波以平面波形式传播，则忽略二阶小量的情况下，上式(3)简化为
出口管长度为l，上式(4)在出口管其管道内积分可以得到
其中：pout是出口管其出口端处的声压(如结构图中所示)；
由于声波传播为等熵传播，则出口管其管道内声波速度扰动相同
其中，末端修正系数δ定义为
公式(1)与(2)带入公式(6)可以得到
根据质量守恒定理，则出口管其出口端处对应的速度扰动为
假设腔体内压强扰动为pin＝Aexp(iωt)，其中A表征压强扰动幅度，i表征虚数单位，ω＝2πf表征信号角速度，声波频率f即为信号生成装置设置的频率。
则出口管其出口端处的出口声压为
出口管的出口声速为
由Chen et al.分析【参考文献：L.S.Chen,S.Bomberg,W.Polifke,Propagationand generation of acoustic and entropy waves across a moving flame front[J],Combustion and Flame,166,170-180,2016.】可以得到：相较于声压扰动，声波传播引起的介质速度扰动对火焰面影响更大。
由公式(10)可以得到
式中，pout为出口管外端压强扰动。
公式(12)带入公式(11)可以得到
不难看出，当pout＝0时，声速幅度达到最大，即
事实上，由公式(8)可以得到声腔的共振频率(f共振)的表达式
上式中，ω共振＝2πf共振表征共振情况下的角速度。
通过引入共振频率，由公式(12)可以知道
同时公式(13)即出口速度扰动un可以写为
对于平面波(出口管其管道内的声波以平面波形式传播)而言，存在
结合公式(15)，公式(17)可以改写为
由上式可以看到当pout＝0时，出口速度扰动最大。由公式(16)可以得到ω＝ω共振，即腔体工作在共振状态时，输出的速度扰动达到最大。
综上可以得到，当腔体的共振频率f共振与通过信号生成装置的设定频率f设定一致时，声腔的输出速度扰动达(uout)到最大。利用该原理，可以这样子设计如下灭火器：
(1)、使用者根据应用需要在移动终端软件上设定用于声波灭火的频率f设定。
(2)、使用者根据公式(15)配置声腔体积Vgas，出口管道长度l或者Sn的大小，使得声腔对应的共振频率f共振与设定频率f设定一致，从而获得最大的输出速度扰动(uout)，增强扰动对火焰的抑制效果，进而到的更好的灭火效果。
需要指出的是，可以通过配置声腔体积Vgas，出口管道长度l或者Sn的大小来改变共振频率，达到可终端配置的效果。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种可终端配置的声腔共振型声波灭火装置，包括信号生成装置、功放装置以及喇叭，所述信号生成装置生成频率为f设定的电信号并将该电信号传输给功放装置，功放装置对其进行放大，最后驱动喇叭发声，其特征在于：还包括声腔结构体，声腔结构体一端连接在喇叭出口处，所述声腔结构体与喇叭之间是密封连接且彼此联通的，喇叭和声腔结构体形成一个完整的声腔腔体，声腔腔体的声腔体积为Vgas；所述声腔结构体的另一端连接有一出口管，出口管与声腔结构体之间是密封连接且彼此联通的，出口管的长度为l，出口管的横截面积为Sn，出口管输出的扰动声波信号对火焰产生影响，实现灭火。
2.根据权利要求1所述的可终端配置的声腔共振型声波灭火装置，其特征在于：信号生成装置为能够生成电信号的移动终端，通过移动终端编程的方式实现频率为f设定的周期正弦信号的生成，正弦信号通过移动终端音频出口接入功放装置，驱动喇叭发声。
3.根据权利要求1所述的可终端配置的声腔共振型声波灭火装置，其特征在于：声腔结构体的形状不限，采用是球形、长方体形、正方体形等各种规则或者不规则的形状。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的可终端配置的声腔共振型声波灭火装置，其特征在于，根据设定频率f设定，配置声腔体积Vgas、出口管道长度l或者出口管道面积sn，使得声腔共振频率f共振与设定频率f设定一致，即f共振＝f设定，此时输出的速度扰动达到最大。
5.根据权利要求4所述的可终端配置的声腔共振型声波灭火装置，其特征在于，通过下式配置声腔体积Vgas、出口管道长度l或者出口管道面积sn，使得声腔共振频率f共振与设定频率f设定一致，即f共振＝f设定：
上式中，ω共振＝2πf共振表征共振情况下的角速度；λ为比热比；c0为声速；末端修正系数δ定义为
6.根据权利要求5所述的可终端配置的声腔共振型声波灭火装置，其特征在于，声腔共振频率f共振其表达式的推导过程如下：
由于喇叭发声，在喇叭和声腔结构体所形成的声腔腔体内生成一定频率的声压，记为pin，声压扰动引起声腔腔体内密度扰动ρin，同时引起出口管管道内气体速度扰动un；
假设声腔腔体内扰动属于等熵扰动，声腔腔体内温度不变，由理想气体状态方程可以得到，声腔腔体内密度扰动ρin可以表示为：
式(1)中，λ为比热比，c0为声速，R0为气体常数，T0为温度；
出口管的横截面积为Sn，在出口管与声腔结构体的连接处，由质量守恒可以得到
上式中，Vgas为声腔腔体体积，ρin为声腔腔体内气体密度扰动，为声腔腔体内气体的平均密度，ρ0为出口管内气体的平均密度，Sn为出口管横截面积，un为出口管内气体速度扰动；
公式(2)成立是基于出口管内气体与声腔腔体内气体的平均密度相同；在假设声波为等熵传播的情况下，出口管其管道内平均流动消失，则出口管其管道内的动量守恒满足
式(3)中，算子▽表征梯度运算，p为出口管道内压强；
设出口管其管道内的声波以平面波形式传播，则忽略二阶小量的情况下，上式(3)简化为
出口管长度为l，上式(4)在出口管其管道内积分可以得到
其中：pout是出口管其出口端处的声压；
由于声波传播为等熵传播，则出口管其管道内声波速度扰动相同
其中，末端修正系数δ定义为
公式(1)与(2)带入公式(6)可以得到
根据质量守恒定理，则出口管其出口端处对应的速度扰动为
假设腔体内压强扰动为pin＝Aexp(iωt)，其中A表征压强扰动幅度，i表征虚数单位，ω＝2πf表征信号角速度，声波频率f即为信号生成装置设置的频率f设定；
则出口管其出口端处的出口声压为
出口管的出口声速为
由公式(10)可以得到
式中，pout为出口管外端压强扰动；
公式(12)带入公式(11)可以得到
当pout＝0时，声速幅度达到最大，即
由公式(8)可以得到声腔的共振频率f共振的表达式
7.根据权利要求6所述的可终端配置的声腔共振型声波灭火装置，其特征在于，f共振＝f设定时，此时输出的速度扰动通过以下方法求得：
通过引入共振频率f共振，由公式(12)可知
同时公式(13)即出口速度扰动un可以写为
出口管其管道内的声波以平面波形式传播，对于平面波而言，存在
结合公式(15)，公式(17)可以改写为
8.一种应用上述任一权利要求所述的可终端配置的声腔共振型声波灭火装置灭火的方法。
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