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1、基于声波对周围介质分布影响的灭火原理摘 要常用的灭火器含有泡沫、干粉、卤代烷或二氧化碳等，因为是是高压容器，即使不可燃烧，被烘烤后也会膨胀爆裂，罐体碎片有危险，而且气体灭火容易引起窒息，封闭空间使用有危险。声音在空气中以纵波的形式传播，由此，会改变介质的疏密程度。如果认为某片空气中氧气二氧化碳等物质是均匀分布的，那么，在某一频率声波的影响下，该区域中氧气也会呈现疏密分布，含氧量稀薄的部分，则不便于发生氧化反应产生燃烧现象。本文即是以此为基础，探讨了声波灭火的原理以及可行性。关键词：声波 纵波 灭火 1、 声波的含义发声体的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。声波借助各种介质向四面八方传播。声
2、波是一种纵波，是弹性介质中传播着的压力振动。声波可以理解为介质偏离平衡态的小扰动的传播。这个传播过程只是能量的传递过程，而不发生质量的传递。如果扰动量比较小，则声波的传递满足经典的波动方程，是线性波。如果扰动很大，则不满足线性的声波方程，会出现波的色散，和激波的产生。2、 声波与纵波的联系“声源”在空气中振动时，一会儿压缩空气，使其变得“稠密”；一会儿空气膨胀，变得“稀疏”，形成一系列疏、密变化的波，将振动能量传送出去。这种媒介质点的振动方向与波的传播方向一致的波，称为“纵波”。声波的传播不是介质分子的直接位移，而是能量以波动形式的扩展。声波的能量随扩展的距离逐渐消耗，最后声音消失。连续振动的
3、音叉，使周围的空气分子形成疏密相间的连续波形。在空气中传播的声波是纵波，在纵波中，介质分子的振动方向和波前进的方向平行。3、 声波的传播1.声波的产生当振动的物体向外振动时会挤压介质，使介质的密度变大；而当它向内振动时，介质质点间的间隔则会变大，密度也就会跟著变小，这一疏一密的持续变化，就是声波的形成。2.声波的传播方式声波透过四种现象改变传播方向：反射、折射、衍射及漫射。当声音的传播过程中，介质发生改变，就会产生上述现象。考虑到本文讨论的主题，此处只介绍声波的折射。若声音在不同介质中传递，因速度不同而使传播方向发生偏折的现象，称为折射。在同样介质中温度改变也会影起声速变化，进而影响声音的传播
4、方向。声音在温暖的空气当中传播速度较快，声波会向温度低的方向弯曲；但如果地面为反射表面，声波会延著传播方向跳跃式前进。3.声速一般来说，声速通常与与介质的不可压缩率与密度有关，利用连续介质力学及经典力学，可导出下面的公式：其中是不可压缩率，是密度。 因此音速随着介质的不可压缩率增加而变快，随着介质的质量密度增加而变慢。对于一般的状态方程式，在经典力学适用范围内，音速可表示成此处偏微分针对绝热变化。对于远离液态工作点的理想气体，则有式中:K为定压比热与定容比热之比，双原子气体（包括空气）K=1.4;R为气体常数,空气为0.287kJ/(kgK);T为绝对温度(K)。关于声速，还有一个非常实用的经
5、验公式：c=331+0.6T(其中T为摄氏温度)4、 声源声源在媒质中形成声场的过程。能在弹性媒质中激发声波的物体称为声源。实际存在的声源总可以归结为简单声源的组合。简单声源中最主要的是单极子声源、偶极子声源和四极子声源。此次项目利用的就是单极子声源，因此，对其做详细的介绍，更高阶的声源实际意义不大。1.单极子声源脉动球是单极子声源，是进行着均匀舒展和收缩的球面声源，球源表面各点沿径向作同振幅、同相位的振动。如图 2.10 所示，假设脉动球源的半径为，表面振动位移为，随着表面位移的和谐变化，球面向外辐射声波，当然辐射的是球面波。球面波在无限介质中的声压为，介质中的质点振速则为，在球源的表面处，
6、介质的质点振速与球源表面的振动速度一致，假设球源的振动速度为，代入上式可得，由此可以完全确定脉动球源的辐射声压，脉动球源辐射声压与球源的大小、球源振动频率及速度关系密切。进一步对上式作分析，可以发现：对于相同大小的球源，脉动频率比较高的球源辐射声压也比较大；对于以相同频率和速度脉动的球源，球源越大则辐射声压就越大。这一规律不但对脉动球源适用，而且还具有普遍性，一般而言，辐射面积大的振动物体的辐射声压大于辐射面积小的物体。通过波阵面的声强为， 由此得到脉动球辐射的声功率为，图 2.11 脉动球的辐射效率引入一个新的参量辐射效率，定义如下，式中表示振源表面振动速度平方的时间平均值，脉动球表面以简谐
7、规律振动，因此。式中为表面辐射面积，对于脉动球。则脉动球源的辐射效率为，由于，因此上式说明脉动球源的辐射效率与球半径和辐射声波波长的相对值有关。同样是半径为的脉动球，当其脉动频率比较高时，辐射效率就比较大；相反，脉动频率比较低时，辐射效率就比较小。由此说明高频振动比低频振动更容易向外辐射，这一规律不但对脉动球适用，而且还具有一般性。脉动球的声辐射效率如图 2.11 所示。2.偶极子声源振动球是偶极子声源。偶极子声源的辐射指向性是8字形。对于小球(ka1)，偶极子辐射的声压为其中vo为球振动速度的幅值。可以看出，辐射声压与球体积及振动速度成正比。 振动小球的辐射功率即与频率四次方成正比，效率比单
8、极子低。弦的振动就是偶极子型的，如果没有板或膜的帮助，弦的辐射功率是很小的。2.四极子声源四极子声源可以认为是由两个极性相反的偶极子声源组成。它的辐射效率比偶极子更低。湍流发声基本上是四极子声源形式。5、 燃烧的条件物质燃烧必须具备以下三个基本条件：（1）可燃物：不论固体,液体和气体,凡能与空气中氧或其它氧化剂起剧烈反应的物质,一般都是可燃物质,如木材,纸张,汽油,酒精,煤气等.（2）助燃物：凡能帮助和支持燃烧的物质叫助燃物.一般指氧和氧化剂,主要是指空气中的氧.这种氧称为空气氧,在空气中约占21%.可燃物质没有氧参加化合是不会燃烧的.如燃烧1公斤石油就需要10-12立方米空气.燃烧1公斤木材
9、就需要4-5立方米空气.当空气供应不足时,燃烧会逐渐减弱,直至熄灭.当空气的含氧量低于14-18%时,就不会发生燃烧。（3）火源：凡能引起可燃物质燃烧的能源都叫火源,如明火,摩擦,冲击,电火花等等.具备以上三个条件,物质才能燃烧.例如生火炉,只有具备了木材（可燃物）,空气（助燃物）,火柴（火源）三个条件,才能使火炉点燃。也就是常提及的火三角：6、 利用声波灭火的原理综合上述的讨论，当用单极子声源产生一个纵波时，会使得附近区域空气分布发生变化。带来的结果也就是氧气密度的不均匀，会呈现疏密分布。当发生火灾时，利用这个特性，能使得火焰区域氧气浓度疏密不均。在低密度的区域，由于燃烧条件的缺失，会使火焰消失，持续一段时间，直至全部火灭。此时火焰虽然灭除，温度仍然维持高温状态，但只需浇上适量的水，即可达到灭火要求。另外一方面，不同于传统灭火器，声波灭火器不仅携带方便，保存安全，制作成本也是更加的低廉。因此，应用前景比起传统灭火器有很大的优势。
