Page 8 - 《应用声学》2022年第5期

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前方颗粒靠近。待到声波的下半个周期，角色互换。 在短时间内被消除干净，不再对人员逃生形成阻碍。
两颗粒在声波尾流的作用下持续靠近，最终碰撞在 此实验证明了声波团聚消烟方法的可行性。
一起并团聚 [45] 。 在声波消烟的实验探究中，Zhang 等 [35] 发现
声波对火灾烟雾的团聚作用，在 1.5 kHz 时效果最
佳，即存在最优频率。当频率偏离该最优值时，团
聚效果大幅度降低。该现象与同向团聚定理所述一
致，表明高低频率之间存在某一频率，使得大颗粒接
(a) ኄʷ˔ӧևర (b) ኄ̄˔ӧևర
近静止状态，而细颗粒仍随气体介质发生振动 [50] 。
图 3 声波尾流效应示意
同时，颗粒振动受到流体力学作用的影响，故声波
Fig. 3 Sonic wake effect
团聚实际上是一个耗能过程，具体表现为声波功率
Dianov的理论模型一直为学者们所沿用，直到 与团聚效率成正比，直到相应的非线性效应显著增
半个多世纪后。2018年，Zhang等 [44] 发现该模型存 加 [51] 。同时，在声波团聚过程的早期，高浓度烟雾
在错误，并构建了一种新的声波尾流模型。新模型 的团聚效率远高于低浓度的烟雾，而在后期，这种差
相较于原模型更加精确，并可用于高浓度气溶胶的 异趋于消失。
声波团聚数值模拟。之后，张云峰等 [46] 发现颗粒放
2.2 声波团聚消烟的实验结果
置角度会对声波尾流效应造成影响，随着放置角度
电缆作为火场中常见的可燃物，电缆烟雾在火
的改变，颗粒之间的吸引和排斥作用随之改变。
灾烟雾中占比较大。本文以电缆烟雾作为团聚对象，
此外，声致湍流指声场强度在提升至某一阈值
采用 1.5 kHz 声源，进行声波团聚消烟的实验研究。
时，声场内会发生剧烈的相对运动，令声场内的颗粒
由图 4 可见，初始时刻收集的电缆烟雾颗粒浓度极
相互靠近并团聚 [47] 。该机理也是学者们研究的重
高，光线经过团聚室时形成明显光路。而在施加声
点机理之一。Chou等 [48] 发现惯性湍流对声波团聚
场0.5 min后，光路强度明显下降。1 min后，光路完
影响较大。Malherbe 等 [49] 在前人的基础上，进一
全消失不见。这一现象是因为声波团聚过程中，颗
步研究了不同类型湍流对声波团聚过程的影响。他
粒之间发生碰撞，使得细颗粒成长为大颗粒；重力作
们发现扩散湍流对粒径相差不大的颗粒影响大，而
用下，大量超重的聚集颗粒发生沉降，降低了烟雾的
对于粒径相差较大的颗粒，惯性湍流的影响更大。
数量和质量浓度。结果，减弱了光的遮蔽效果，大大
提高了烟雾可见度。
2 声波团聚在消除火灾烟雾的应用

2.1 声波团聚消烟方法的提出
气溶胶细颗粒是造成火灾烟雾能见度低的主
要因素，若能将其团聚，减少颗粒数量浓度，可以大
幅提高火场能见度，起到消烟的效果。在此启发下，
Zhang 等 [35] 将声波团聚技术引入火灾烟雾控制领
(a) Ѻݽ࿄গ (b) 0.5 minՑ (c) 1 minՑ
域，在国际上首次提出声波团聚消除火灾烟雾的技
术路线，并对该技术在实际火灾中消除烟雾的潜在 图 4 声波团聚过程中的烟雾照片
应用进行了讨论。 Fig. 4 Photos of smoke during acoustic agglom-
eration
聚苯乙烯作为生活中最常见的可燃物之一，燃
烧后会产生大量浓郁的黑烟，对受困人员逃生造成 透光度是透射烟雾后的光强与入射光强的比
极大阻碍。Zhang 等 [35] 以聚苯乙烯为燃烧对象，收 值，可直观反映烟雾疏密。图5为团聚室内透光度的
集聚苯乙烯燃烧烟雾进行实验。实验结果表明，初 变化情况。初始状态下的团聚室内透光度极低，仅
始状态下的烟雾消光系数极高，透光度仅为0.24，人 为0.24。但对电缆烟雾施加声场后，透光度在1 min
员身处该烟雾中时根本无法分辨方向，难以逃生。 内就提高到了 0.82。与之相较的自然沉降，在相同
但在声波的团聚作用下，这种能见度极低的烟雾却 的时间内，其透光度没有明显的变化。表明声波团