張勝杰，夏得峻，劉 睿，蒲玉梁，朱小宇

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 便攜式風(fēng)力滅火機(jī)研究目的及現(xiàn)狀

1.1 研究目的

由于現(xiàn)在溫室效應(yīng)不斷加劇，森林火災(zāi)發(fā)生的頻率越來越高，研究出一些高效、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的滅火裝備是各國森林消防部門努力的方向。我國自從1987年大興安嶺發(fā)生了“5·6”特別重大森林火災(zāi)后，國民意識到森林火災(zāi)所帶來的環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡等一系列嚴(yán)重后果，政府開始投入大量的資金進(jìn)行消防基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及消防裝備的研究，研制出了滅火彈、履帶式風(fēng)力滅火機(jī)等一批新式森林消防裝備。其中，風(fēng)力滅火機(jī)便是從人們長期滅火實(shí)踐中發(fā)明改良而來，適用于我國的國情。在森林火災(zāi)的撲滅工作中，風(fēng)力滅火機(jī)能夠被單兵攜帶進(jìn)深山老林，到達(dá)許多現(xiàn)代機(jī)械化滅火裝備很難進(jìn)入的地方，如復(fù)雜的山地地形、茂密的叢林、坑洼不平的溝塘草甸等，解決了機(jī)械化裝備難以到達(dá)一線滅火的難題?；旧现灰侨四艿竭_(dá)的地方，風(fēng)力滅火機(jī)就可使用，并且能夠有效快速地?fù)錅绲乇砘鸷烷_設(shè)防火道阻止火勢的蔓延。針對風(fēng)力滅火機(jī)的研究顯得十分的必要。

1.2 研究現(xiàn)狀

風(fēng)力滅火機(jī)經(jīng)過30多年的不斷研究發(fā)展，人們對其提出了越來越高的要求。一款風(fēng)力滅火機(jī)不僅要能夠高效快速地?fù)錅缁馂?zāi)，還要符合人體工程學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[1]，以減少風(fēng)力滅火機(jī)對消防隊(duì)員身心健康的影響并提高風(fēng)力滅火機(jī)使用過程中的舒適度。作為我國重要森林消防裝備中的一種，風(fēng)力滅火機(jī)的滅火原理主要是通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流將火焰與可燃物隔離開，降低可燃物表面的溫度，將空氣中的氧氣濃度進(jìn)行稀釋，從而達(dá)到冷卻和壓制火焰的目的[2]。如今風(fēng)力滅火機(jī)已經(jīng)由傳統(tǒng)的手提式風(fēng)力滅火機(jī)向背負(fù)式、履帶式風(fēng)力滅火機(jī)發(fā)展，并且在利用強(qiáng)大的氣流滅火的基礎(chǔ)上，還將風(fēng)力滅火機(jī)的風(fēng)筒進(jìn)行改裝，使其能夠進(jìn)行噴射水霧、滅火化學(xué)藥劑等操作，以提高機(jī)械滅火的效率。但大多數(shù)的風(fēng)力滅火機(jī)在使用過程中大都具有高噪音、高油耗的缺點(diǎn)，其中高噪音會對消防隊(duì)員的身體和火災(zāi)現(xiàn)場的指揮工作造成很大的影響。在此，我們對風(fēng)力滅火機(jī)產(chǎn)生的噪音對人體的影響進(jìn)行了探討，將佩戴耳罩前后的噪音作對比，為風(fēng)力滅火機(jī)的改進(jìn)提供一些可行性建議。

2 搭建風(fēng)力滅火機(jī)噪音測試平臺

選取目前森林消防裝備中應(yīng)用較為廣泛的6MF—32便攜式風(fēng)力滅火機(jī)作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，測量儀器包括優(yōu)利德UT372型非接觸式轉(zhuǎn)速表、標(biāo)智GM1356型數(shù)字噪音計分貝儀、成凱科技CKE-2027型降噪耳罩和三腳架等。分貝測量儀固定位置參照GBT 10284-2008便攜式風(fēng)力滅火機(jī)噪音的測定要求，將分貝測量儀固定在前把手后10 mm上方，距風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)中心1000±10 mm處，按GB/T 3785的規(guī)定使用聲級計“A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)”慢檔時間特性進(jìn)行耳旁噪音數(shù)據(jù)測量。利用三腳架將非接觸式轉(zhuǎn)速表固定在風(fēng)機(jī)葉輪一側(cè)距葉輪15～30 mm處。具體實(shí)驗(yàn)儀器搭建如圖1所示。

圖1 噪音實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

實(shí)驗(yàn)場地選取在空曠的室外，地勢平坦，背景噪聲為53.1～67.8 dB。我們設(shè)定耳旁噪音測量值為L′pA、測量值的算術(shù)平均值為、測定值為LpA，其中噪音測定值（式中KlA為GB/T 17284.2中規(guī)定的背景噪音修正因子），實(shí)驗(yàn)噪音數(shù)據(jù)采集為每1秒進(jìn)行一次記錄。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，取轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定連續(xù)5秒的測量值求平均值，該平均值即為對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的耳旁噪聲平均測量級。，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 未佩戴耳罩時風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機(jī)耳旁噪音記錄值

為了研究佩戴耳罩后噪音對人體的影響能降低多少，我們進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，將佩戴耳罩前后的噪音作對比，分析其降低分貝效果是否能達(dá)到減弱噪音對人體傷害的目標(biāo)。佩戴耳罩后的噪音數(shù)據(jù)測量實(shí)驗(yàn)，我們在原有的實(shí)驗(yàn)搭建平臺的基礎(chǔ)上采用耳罩包裹分貝儀測量探頭海綿球的方法，模擬耳罩包裹人雙耳的情景，進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)提取。具體操作示意如圖2所示。

圖2 模擬佩戴降噪耳罩前后對比操作

3 噪音數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量，得到6MF-32型風(fēng)力滅火機(jī)的噪音數(shù)據(jù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)力滅火機(jī)耳旁噪音變化曲線

3.1 數(shù)據(jù)擬合分析

通過對得到的風(fēng)力滅火機(jī)噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在圖3上可以看出6MF-32型風(fēng)力滅火機(jī)的噪音隨著轉(zhuǎn)速的提高逐漸變大，并且在一定程度上呈現(xiàn)出線性相關(guān)。為了得到其經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，我們運(yùn)用電腦對曲線進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合。假設(shè)風(fēng)力滅火機(jī)轉(zhuǎn)速為x，風(fēng)力滅火機(jī)產(chǎn)生的噪音為y，則x與y呈現(xiàn)出線性相關(guān)為y=0.007x+62.864。這一線性關(guān)系式可以幫助消防隊(duì)員在對6MF-32型風(fēng)力滅火機(jī)機(jī)器保養(yǎng)調(diào)試的時候針對噪音大小，對風(fēng)機(jī)怠速油針、高速油針進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，限制風(fēng)力滅火機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，使機(jī)器在能夠滅火的前提下降低風(fēng)力滅火機(jī)產(chǎn)生的噪音，消減機(jī)器噪音對人體的影響。

3.2 佩戴耳罩對比分析

人體對聲音的可感知范圍是0到120 dB，而85 dB以下的噪音不會對人體的聽覺器官造成危害[3]。圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，戴耳罩后在5000 r/min的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的噪音被降低到人體可承受范圍85 dB以下，與未戴耳罩相比，不同轉(zhuǎn)速下戴耳罩能將風(fēng)力滅火機(jī)的噪音平均降低10 dB左右，能把風(fēng)力滅火機(jī)最高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的113 dB降低到96 dB。這可以在很大程度上保護(hù)消防隊(duì)員的身體健康，減少高噪音對人體聽覺系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、血壓血脂造成的影響[4]。因此，戴降噪耳罩是減少噪音、保護(hù)聽力的一種行之有效的方法。

3.3 噪音對人體的影響

在圖3中可看出，風(fēng)力滅火機(jī)啟動后怠速時耳旁噪聲為86 dB，此噪聲級下人們的交流談話受到一定的影響。這會導(dǎo)致在滅火行動中消防隊(duì)員的交流出現(xiàn)阻隔，滅火現(xiàn)場指揮工作無法正常進(jìn)行，嚴(yán)重影響到火災(zāi)撲滅的效率。當(dāng)風(fēng)力滅火機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到5000 r/min時，噪音級達(dá)到96 dB，人們交流感到非常困難，耳朵感到極度不適，并且情緒會容易變得激動不安、心煩意亂，注意力難以集中：在噪音消失后感覺有耳鳴癥狀、并在一段時間內(nèi)耳旁有嗡嗡聲。長期工作或生活在90 dB以上的噪聲環(huán)境，會嚴(yán)重影響聽力并導(dǎo)致其他疾病的發(fā)生[5]。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的調(diào)查，在噪音85 dB和90 dB的環(huán)境中工作30年，耳聾的可能性分別為8%和18%。為保護(hù)消防隊(duì)員的身體健康，對風(fēng)力滅火機(jī)產(chǎn)生的噪音進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂骑@得十分必要。

圖4 佩戴耳罩前后噪音數(shù)據(jù)對比

當(dāng)風(fēng)力滅火機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速7000 r/min時，機(jī)器產(chǎn)生的噪音為113.58 dB，此噪音下人們有可能會出現(xiàn)聽力損傷現(xiàn)象。人短期處于高噪音環(huán)境時，即使離開噪音環(huán)境，耳朵也會造成短期的聽力下降，但當(dāng)回到安靜環(huán)境時，經(jīng)過較短的時間即可以恢復(fù)正常，這種現(xiàn)象稱為聽覺適應(yīng)。這種短期聽力下降現(xiàn)象是人體為了保護(hù)耳膜、聽毛細(xì)胞所進(jìn)行的一種身體應(yīng)激反應(yīng)，屬于正常的生理反應(yīng)。但長時間的聽力下降無法恢復(fù)正常，超過人體內(nèi)在調(diào)節(jié)機(jī)制的調(diào)節(jié)力度，就有可能發(fā)展成噪音性耳聾，引起病理性改變[6]。如果長年無防護(hù)地在較強(qiáng)的噪音環(huán)境中工作，這種暫時性的聽力下降現(xiàn)象就會超過人體所調(diào)節(jié)的范圍，從而造成聽力損傷。輕度聽力損傷主要表現(xiàn)為輕度耳鳴，若進(jìn)一步發(fā)展，可在一定程度上影響人的語言聽力，致使人們在工作、學(xué)習(xí)、生活中感到交流困難，從而影響到消防隊(duì)員的日常生活[7]。在森林滅火行動中噪音的產(chǎn)生對消防員的作業(yè)造成的影響是巨大的。高分貝噪音使上級領(lǐng)導(dǎo)的指揮命令無法及時傳達(dá)到每一位消防隊(duì)員，對火災(zāi)的撲滅工作帶來極大不便，甚至有可能錯過火災(zāi)撲滅的有利時機(jī)，造成火災(zāi)蔓延和損失范圍的加大。由此看來，為保證森林火災(zāi)撲滅過程中指揮工作的有序性及消防隊(duì)員自身健康，在能有效撲滅火災(zāi)的前提下，應(yīng)該對風(fēng)力滅火機(jī)進(jìn)行降噪改進(jìn)，減少風(fēng)力滅火機(jī)產(chǎn)生的噪音。

4 引起風(fēng)力滅火機(jī)噪音的原因

風(fēng)力滅火機(jī)主要由二沖程汽油機(jī)、風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒等部件構(gòu)成，產(chǎn)生的噪音分為燃燒噪音、機(jī)械噪音、空氣動力噪音3類。其中，燃燒噪音是由于汽油機(jī)氣缸內(nèi)周期變化的氣體壓力的作用而產(chǎn)生的。在汽油機(jī)中，如果發(fā)生爆燃現(xiàn)象和表面點(diǎn)火等不正常燃燒時，將產(chǎn)生較大的燃燒噪聲；機(jī)械噪聲是由于汽油機(jī)工作帶動風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動的時候，自身的運(yùn)動件之間以及運(yùn)動件與固定件之間周期性變化的機(jī)械運(yùn)動而產(chǎn)生的；空氣動力噪聲是由于風(fēng)機(jī)葉輪的高速轉(zhuǎn)動引起空氣中氣流與氣流、氣流與物體之間的擾動而產(chǎn)生的噪音[8]。在森林滅火行動中，風(fēng)力滅火機(jī)為了更加便于單兵作戰(zhàn)，大多數(shù)采用二沖程汽油機(jī)作為動力源，因?yàn)槎_程汽油機(jī)有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、體積小、重量輕、提速快的優(yōu)點(diǎn)。為了方便消防隊(duì)員單兵操作，人們往往忽視其噪音大、油耗高、排放廢氣量多的缺點(diǎn)。二沖程汽油機(jī)的采用使得風(fēng)力滅火機(jī)的噪音大大地增加，這是影響風(fēng)機(jī)噪音的一種原因。從風(fēng)機(jī)葉輪方面考慮，由于便攜式風(fēng)力滅火機(jī)體積有限，葉片形狀及大小和角度等方面設(shè)計不合理，使得葉片在高速旋轉(zhuǎn)過程中，帶動空氣氣流高速流動，引起旋轉(zhuǎn)噪音和渦流噪聲。這是影響風(fēng)機(jī)噪音的另一種原因。

5 針對風(fēng)力滅火機(jī)噪音的防護(hù)對策

5.1 戴耳罩

經(jīng)過戴耳罩前后的對比實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)戴耳罩能使風(fēng)力滅火機(jī)產(chǎn)生的噪音下降9%到16%，也就是說戴耳罩能將風(fēng)力滅火機(jī)產(chǎn)生的最大噪音控制在97dB以下。這在一定程度上保護(hù)了消防隊(duì)員聽力，減弱了高噪音對身體造成的傷害。因此，在實(shí)際滅火行動中，我們應(yīng)該為每一位消防隊(duì)員配備減噪耳罩，但考慮到滅火作業(yè)時指揮部需要根據(jù)火勢的大小進(jìn)行人員的調(diào)動指揮，可以在耳罩中增加無線電通信功能，便于人員調(diào)動指揮工作的進(jìn)行。

5.2 優(yōu)化二沖程汽油機(jī)

不同功率的汽油機(jī)，其造成的噪音是不一樣的。風(fēng)力滅火機(jī)能有效撲滅火焰高度低于2.5 m的地表火，當(dāng)面對火焰高度超過2.5 m的地表火及樹冠火時，不管風(fēng)力滅火機(jī)的功率多大，消防隊(duì)員都很難靠近火場。因此，在滿足滅火需求的前期下，可以對二沖程汽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以降低風(fēng)力滅火機(jī)噪音，減少噪音對消防隊(duì)員身心健康的危害。

5.3 改進(jìn)風(fēng)機(jī)葉輪

風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的空氣動力噪聲中，以葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣動力噪聲為主。為減少空氣動力噪音的產(chǎn)生，可對風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，優(yōu)化風(fēng)機(jī)葉輪的尺寸設(shè)計；調(diào)整葉片的角度和形狀，提高管道之間的密封性，適當(dāng)增加導(dǎo)流片，從而達(dá)到降噪的目的。葉輪材料也可采用新型高分子材料以替換普通的鋼材，在材料上進(jìn)行改進(jìn)，減少其高速運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的空氣動力噪聲。