超声波测距技术在火场中的应用探讨

■ 李森 梁晓歌 冯春勇 宋寅卯 郑州轻工业学院建筑环境工程学院

一、研究意义

随着我国城市化进程的推进，火灾形势也变得异常严峻，频发的火灾不但对建筑内人员造成了重大的人员伤亡，同时也给承担灭火救援任务的消防人员带来了重大威胁。研究表明高温、有毒气体、低能见度是导致消防人员伤亡的主要原因。因此，开发相应的消防装备，提高消防人员在火灾中的生存能力，是减少消防人员伤亡的重要措施。

目前，国内外消防科学界针对火场高温和有毒气体防护装备开展了大量研究，并取得了较好的成果，如对消防服隔热性能的改进已使消防人员能够承受一定的高温，而自给式空气呼吸器的出现则可有效降低有毒气体的侵害。然而针对火场低能见度问题尚未有好的解决方案。火场的低能见度环境不仅造成消防人员辨识不清火场环境进而引发大量伤亡，还导致人员疏散和人员搜救工作的缓慢，已成为当前消防领域研究的一个重点和难点。

二、火灾探测设备研究现状

近几年，国内外大量学者已开始关注火场低能见度问题并积极探索火场环境侦测设备以辅助消防人员洞悉火场地形达到降低伤亡概率的目的。美国弗吉尼亚理工学院的StarrJW对可应用于火场侦测的7种设备（包括3种成像设备和3种测距设备）在真实烟气环境中进行了对比测试，结果（表1）表明各侦测设备在烟气环境中的适应能力基本遵循了“波长越高，烟气穿透能力越强，侦测效果越好”这一规律，表现最好的三种设备分别为红外热像仪、超声波测距仪和雷达测距仪。

进一步研究表明，火场中使用发现：红外热像仪，当烟气温度接近物体（如人体）或场景中出现超高温物体时，受制于分辨率影响，会出现信息遗漏的情况。而雷达测距仪则主要应用于军事领域，技术总体保密性较强，设备笨拙、成本较高，短期难以实现消防装备的单兵化。相比较而言，超声波测距仪则已在海洋、医疗、金属探伤、距离测量等多个领域得到了广泛的应用，技术较为成熟，并已实现了小型化，价格便宜，适合消防人员随身携带。将超声波测距技术引入到火场环境侦测之中，是解决当前火场低能见度问题的可行方案。

表1 各种侦测设备的火场烟气环境中的适用性

三、超声波传播特性影响因素分析

超声波测距技术应用于火场环境中要考虑环境介质对超声波传播特性的影响。超声波作为物质波，其传播特性会随着烟气环境温度、烟气颗粒等参量的改变而产生较大的变动。图1描述了超声波在烟气环境中传播时波形与空气环境中的区别。受烟颗粒吸收和散射作用的影响，超声波强度总体上呈衰减趋势。但对于超声波波长，当温度起主导作用时，会呈现明显的拉伸现象，对应着传播速度的增加；而当烟气浓度占主导时，波长又会出现显著的收缩。在高温和烟颗粒的耦合作用下，超声波的传播特性变的更为复杂。

图1 超声波在烟气环境和空气环境传播时波形差异示意图

1.超声波测距准确度的影响分析

超声波测距原理是依据渡越时间法，超声波发射装置发射超声波遇到障碍物发生反射，通过发射接收时间差值计算距离。测距原理依据（式-1），其中t1是超声波发射时刻，t2代表超声波接收时刻，c为超声波在介质中的传播速度，S就是超声波发射点距障碍物的距离。

假设超声波传播速度固定，若将超声波发射和接收的传播时间误差控制在μs级，就足以确保超声波测距精度能保持在mm级以内。在计算技术快速发展的当前，这一点并不是技术难题。而在传播速度方面，其传播速度受测量介质的影响较大。因此，为了保证超声波在火场环境中测距的准确性，必须对火场环境中可能影响传播速度的参数进行详细研究。火场环境主要是由烟气颗粒组成的高温颗粒介质环境。高温、大量烟气颗粒是火场环境的两大主要特征，也是影响超声波传播速度的两大主要参数。以下将从温度、烟颗粒两个参量对超声波传播速度的影响研究出发，探求火场环境对超声波测距准确度的影响。

2.温度对超声波传播速度特性的影响

温度对超声波传播速度的影响主要是通过温度对环境密度、压力等参量的影响而间接作用。声波传播速度与环境比热比、压力、密度等参量的相互关系，而这些环境参量又会随着环境温度的变化而产生相应的改变。理想气体声速方程（式-2）描述了声波传播速度与温度之间的相互关系，可以看出声波传播速度与温度总体上成正比关系，温度越高，传播速度越大。结论在超声波传播特性的研究中同样适用。

上式中，c代表声速，γ代表气体的等压等容比热比；P指环境压力；ρ指环境密度；R指气体常数；T为绝对温度；μ为气体摩尔量。

3.烟气颗粒对超声波传播速度特性的影响

火场烟气环境属于由烟颗粒和空气组成的颗粒介质环境。颗粒介质一方面对超声波造成散射，产生散射衰减；另一方面由于颗粒介质与背景流体的密度不同导致颗粒介质与流体质点的运动速度有所不同，进而造成粘滞吸收。随着烟气浓度的增大及烟气颗粒的增多，会造成超声波衰减和吸收的增强，这是影响超声波传播速度特性的一个因素。

颗粒尺寸也是影响超声波传播特性的一个重要因素，烟气颗粒的尺寸受烟颗粒的粒径分布规律影响。当从单个烟颗粒对超声波传播特性的研究扩展到整个烟气层时，烟颗粒的粒径分布规律必须予以考虑。通过采用扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）对烟气的粒径分布规律进行了深入研究，结果表明烟颗粒粒径呈双峰偏态分布，可用对数正态分布进行描述。烟颗粒的粒径分布有其独特的规律，在研究超声波烟气环境传播特性时需加以深入分析。

综上所述，超声波在烟气环境中传播时，受高温和高颗粒浓度的耦合作用的影响，其传播特性相当复杂。研究烟颗粒与超声波之间的能量交换机制，揭示高温和烟颗粒耦合作用下超声波传播速度与烟气浓度、粒径及温度的变化关系；可以为火场环境超声测距提供必要的基础数据，为解决火场低能见度问题提供理论支持。

四、结语

本文从各种环境检测设备中选择超声波测距技术来解决火灾环境中的低能见度问题。为保证超声波测距技术在火灾环境中的适用性，分析了测距误差，讨论了温度、烟气颗粒浓度和粒径对超声波传播特性的影响。为超声波测距技术在火场探测中的应用提供一定理论基础。

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