Page 6 - 《应用声学》2022年第5期
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0 引言 1 声波团聚技术进展
随着人类社会的发展，城市建筑物密度不断上 1.1 声波团聚技术发展现状
升，这导致建筑火灾发生概率增加，给公众安全造成 1931 年，Paterson 等 [12] 通过实验发现声波团
极大威胁。建筑物中可燃物多、人员密集，一旦发生 聚现象，提出声波团聚技术的相关概念，揭开声波
火灾，极易造成巨大的财产损失和人员伤亡 [1] 。因 团聚技术的研究序幕。在此后的三十几年中，学者
此，如何减少建筑火灾的危害、保障受困人员的安 们对该技术的内在机理进行了广泛而深入的研究。
全，成为学者最近广泛研究的议题之一。 1965 年，Mednikov [13] 较为完整地总结了声波团聚
现有研究表明，建筑物发生火灾时，火灾烟雾 技术的研究成果，并发表了第一本有关声波团聚的
是妨碍人员逃生、造成人员伤亡的关键因素 [2] 。在 著作。此后，由于声源功率的问题始终得不到解决，
火场中，大量可燃物的剧烈燃烧，会产生大量含碳 学者对声波团聚的研究基本停止。直至 1970 年，未
烟尘和一些刺激性气体 [3] 。而包含大量含碳烟尘 见声波团聚新的研究报道。
的烟雾会在短时间内充斥火场，使得火场能见度急 20 世纪 70 年代后，各国政府环保意识逐渐增
剧下降，致使被困人员无法按疏散路线迅速逃离， 强，对环境空气细颗粒浓度的限定标准日趋严格，使
被滞留在火场中 [4] 。被困人员被滞留仅数分钟，就 声波团聚的研究重新开始升温。此时，学者们的研
会因为吸入过多火灾烟雾而昏迷，失去逃离火场的 究重点从该技术的内在机理转向除尘方面的应用，
能力 [5] 。 以期开发出一种新型除尘器。1987 年，Reethof [14]
为减少火灾烟雾带来的巨大危害，学者们提出 发现，在合适的声场作用下，大部分烟尘颗粒被成
多种烟雾控制手段，按形式可分为防烟法和排烟法。 功团聚，一定程度上体现了该技术在除尘方面的优
防烟法主要利用建筑物中的卷帘门等，将火灾烟雾 越性。但是，实验中的声压级已至150 dB，在对人体
隔绝在疏散通道外 [6] 。这种方式构造简单、成本低 造成听力方面的困扰时，也使得能耗的问题不可被
廉，但易受多重因素影响，防烟效果不稳定 [7] 。机械 忽视。
加压送风系统也被广泛用于防烟法中，但该系统的 1993 年，Hoffmann 等 [15] 从前人的研究中得到
设计极其复杂，即使理论效果较好，也无济于事 [8] 。 启发，开辟出新的技术路线。他们以 CaCO 3 粉末为
排烟法通过排风机，改变烟雾流向，将火灾烟 团聚核，实现粉尘颗粒在低频声场中的有效团聚，
雾排至建筑物外 [9] 。该方法可在排烟的同时，排出 并有效降低了设备能耗。1999 年，Gallego-Juárez
部分热量，从而降低建筑物温度，对人员疏散起一定 等 [16−17] 在对锅炉烟尘的团聚实验中，发现 10 kHz
的助力作用。可这一过程也带来了新鲜空气，有加 声波比 20 kHz声波的团聚效果更好，表明团聚效果
剧火势的风险。在实际火场中，排风机也常因断电 并不与声波频率成正比，纠正了 “频率越高效果越
而无法工作，成为一个摆设。同时，还有部分学者借 好”的错误。
助消防水雾来消除火灾烟雾 [10] 。该方法虽效果较 进入 21 世纪，声波团聚技术逐渐成为一项研
好，但喷洒出的水雾往往会滞留在逃生通道中，进一 究热点，发展迅速。2000 年，Capéran 等 [18] 通过对
步降低火场能见度。因此，亟需一种有效的火灾烟 湿度的调节，在显著增强团聚效果的同时，也使得
雾控制手段。 学者的目光不再仅限于对声学参数的优化上。2007
火灾烟雾的主要组分为气溶胶细颗粒，而声波 年，陈厚涛等 [19] 发现，低频高强声场可有效团聚
团聚技术在细颗粒物排放控制领域具有巨大优势， 亚微米级颗粒，将该技术的作用颗粒范围进一步扩
该技术可作为一种全新的火灾烟雾控制手段被应 大。2009 年，张光学 [20] 发现燃煤飞灰在 1.4 kHz 的
用 [11] 。声波团聚技术通过高强声场促进细颗粒之 声场中团聚效果最佳，即存在最佳频率。该频率的
间的相对运动和碰撞效率，使得细颗粒在短时间内 发现，可令燃煤电厂在低能耗的情况下实现对飞灰
被团聚为大颗粒。近年来，学者们将该技术与其他 的有效控制。2011年，杨振楠等 [21] 通过探究气氛对
团聚方式进行多元耦合，取得较大进展。本文将从 团聚效果的影响，不仅得出了最佳气速，也进一步开
声波团聚技术的进展出发，通过电缆烟雾消除实验 拓了学者的思路。2012年，王洁 [22] 对声场环境展开
分析该技术在火灾烟雾控制领域的应用前景。 研究，发现高温可使得团聚速率进一步提升。2018
