楊華

摘 要：等夠影響到電子波的因素有很多，如果電磁波作為信號(hào)傳輸，那么要求相當(dāng)高，不能夠有出錯(cuò)，如果是作為能量傳輸，那么久需要盡可能的減少信號(hào)損失。而燃燒過(guò)程以及燃燒過(guò)程中的相關(guān)產(chǎn)物與電磁波的傳播存在相互作用與相互影響。本文基于對(duì)前人研究成果的分析研究的基礎(chǔ)上，分別從燃燒過(guò)程對(duì)電磁波的傳播產(chǎn)生的影響以及電磁波對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生作用兩個(gè)不同角度，對(duì)火災(zāi)與電磁波的相互作用在滅火救援和火災(zāi)控制中的幾種可能的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電磁波 滅火救援 火災(zāi)控制

中圖分類號(hào)：TU892文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

能影響電磁的因素非常多，如果作為信號(hào)傳輸，要求很高，不能出錯(cuò)。如果作為能量傳輸，那么就要求消耗要少。

油包括食用油，工業(yè)用油包括作為燃料用，機(jī)器用，還有很多用途。根據(jù)油的作用方式，對(duì)電磁波的傳輸?shù)乃俣?，能量，方向都有一些影響?/p>

火災(zāi)是指在時(shí)間或空間上失去控制的燃燒所造成的災(zāi)害。燃燒現(xiàn)象是發(fā)生在燃料與氧氣之間的伴隨有發(fā)光發(fā)熱現(xiàn)象的劇烈放熱反應(yīng)。完全燃燒的產(chǎn)物主要為CO2、H2O等穩(wěn)定狀態(tài)的產(chǎn)物，但是通常情況下這類反應(yīng)完全的燃燒現(xiàn)象在火災(zāi)中并不常見。不完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程非常復(fù)雜，通常產(chǎn)物包括CO、H2和碳顆粒等。火焰是燃燒過(guò)程的可見區(qū)域。實(shí)際的燃燒化學(xué)反應(yīng)主要在位于火焰發(fā)光區(qū)域邊緣的主反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行。室內(nèi)火災(zāi)的火焰為擴(kuò)散火焰，氧氣擴(kuò)散進(jìn)入燃燒區(qū)域后迅速被消耗掉。空氣湍流運(yùn)動(dòng)加速了反應(yīng)物的混合，增加了火焰面的面積。目前被普遍認(rèn)可的兩種火焰電離機(jī)理為化學(xué)電離和熱電離[1]。室內(nèi)火災(zāi)的燃燒過(guò)程，同時(shí)包括了這兩種電離機(jī)理。正是燃燒過(guò)程中由化學(xué)電離和熱電離過(guò)程產(chǎn)生的大量電離產(chǎn)物，對(duì)經(jīng)過(guò)燃燒區(qū)域的電磁波存在衰減和散射作用。燃燒過(guò)程與電磁波之間的作用是相互的，不僅燃燒過(guò)程對(duì)電磁波的傳播會(huì)產(chǎn)生影響，同時(shí)電磁波在某種條件下也可以對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生作用。因此，本文從以上兩個(gè)不同角度對(duì)火災(zāi)與電磁波的相互作用對(duì)滅火救援和火災(zāi)控制所產(chǎn)生的各種影響進(jìn)行分析。

1 火災(zāi)作為干擾源——對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的影響

目前滅火救援過(guò)程中，無(wú)線通信設(shè)備是主要的火場(chǎng)通訊工具。目前使用較廣泛的無(wú)線通信技術(shù)的所在頻段均可受到燃燒過(guò)程的影響，如2.4GHz頻段的Zigbee，藍(lán)牙，HomeRF，MESH，微蜂窩技術(shù)和5GHz頻段的IEEE802.11a和HyperLANZ等。探究火災(zāi)環(huán)境下火焰及煙氣對(duì)于無(wú)線信號(hào)傳輸特性的影響具有一定的必要性。以消防員火場(chǎng)地位系統(tǒng)最常用的Zigbee技術(shù)為例，在存在火災(zāi)干擾的情況下，無(wú)線通信傳感網(wǎng)絡(luò)由于火災(zāi)的干擾無(wú)法正常有效的傳輸信息。如圖1、圖2所示的情況下，關(guān)鍵連通區(qū)域或狹長(zhǎng)封閉空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)將受到火災(zāi)的影響。在這種情況下，消防員火場(chǎng)定位系統(tǒng)和消防救援人員在火場(chǎng)內(nèi)作戰(zhàn)通訊使用的單兵無(wú)線通信設(shè)備等均會(huì)受到火災(zāi)的影響。

針對(duì)灌木林火對(duì)無(wú)線通信信號(hào)造成衰減的機(jī)理， M. Jacob等人對(duì)森林植被火焰中電離產(chǎn)生的電子濃度和碰撞頻率進(jìn)行了研究[2]。雖然上述研究對(duì)火災(zāi)對(duì)于無(wú)線通信信號(hào)的影響進(jìn)行了研究，但是主要針對(duì)林地植物燃燒的小尺寸火焰以及開敞空間中林地植物生物質(zhì)燃燒進(jìn)行研究。對(duì)于建筑物內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)受到火災(zāi)的影響進(jìn)行研究十分必要。

圖1 關(guān)鍵連通區(qū)域火災(zāi)對(duì)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的影響

圖2 狹長(zhǎng)封閉空間火災(zāi)對(duì)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的影響

2 火災(zāi)作為被探測(cè)物——電磁波火災(zāi)探測(cè)器的應(yīng)用

C. J. Coleman和J. A. Boan通過(guò)基爾霍夫積分法給出了火焰對(duì)于1GHz以下的無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)挠绊懙哪M計(jì)算方法[3]。在火焰與無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)南嗷プ饔玫臄?shù)值模擬方面，有限差分時(shí)域方法（FDTD）得到了比較廣泛的應(yīng)用。該方法最早由K. S. Yee[4]提出，其模型基礎(chǔ)就是電動(dòng)力學(xué)中最基本的麥克斯韋方程。J. L. Young[5]和S. A Cummer等人應(yīng)用有限差分時(shí)域方法對(duì)電磁波通過(guò)冷等離子體進(jìn)行了研究。隨著有限差分時(shí)域方法算法的不斷改進(jìn)，該方法已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于傳感網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸模擬研究中?；谝陨侠碚撃Ｐ偷难芯?，可以清楚的看到電磁波傳播經(jīng)過(guò)火焰時(shí)會(huì)發(fā)生一定的變化。

3 電磁波作為滅火工具——電磁波滅火器的構(gòu)想

火災(zāi)與電磁波的作用是相互的，火災(zāi)對(duì)電磁波傳播產(chǎn)生影響的同時(shí)，強(qiáng)電磁波產(chǎn)生的電子束也可以改變火焰中電離產(chǎn)物以及煙塵顆粒的方向，從而產(chǎn)生氣流來(lái)削弱火焰的強(qiáng)度，使火焰發(fā)生扭曲、閃爍，當(dāng)產(chǎn)生的電流足夠大時(shí)，可在短時(shí)間內(nèi)將火焰熄滅。電磁波滅火器是基于這一原理研制的一種新型的滅火設(shè)備，它利用粒子學(xué)原理來(lái)對(duì)火勢(shì)進(jìn)行控制，以此來(lái)降低火焰的強(qiáng)度；這種技術(shù)還能應(yīng)用于建筑物天花板上的“電子噴頭”，可以讓其在發(fā)生火災(zāi)時(shí)第一時(shí)間對(duì)火勢(shì)進(jìn)行報(bào)警和控制。目前這種滅火器在封閉空間內(nèi)使用較有效，但對(duì)于油罐火災(zāi)等大型火災(zāi)，仍然無(wú)法取代傳統(tǒng)滅火劑的滅火效果。同時(shí)，電磁波滅火的機(jī)理也尚未完全搞清。相對(duì)于水、泡沫、干粉等傳統(tǒng)滅火劑，電磁波不會(huì)對(duì)設(shè)備、物品等產(chǎn)生覆蓋，不會(huì)由于二次損傷造成不必要的損失。這種技術(shù)如果能作為固定滅火設(shè)施應(yīng)用于建筑內(nèi)，將可以十分便利的在第一時(shí)間內(nèi)對(duì)火勢(shì)進(jìn)行控制。同時(shí)，作為滅火戰(zhàn)斗人員，也可以配備此類電磁波滅火器進(jìn)行遠(yuǎn)距離滅火。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感通信信號(hào)在火災(zāi)環(huán)境下的傳播行為是一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域。對(duì)于普通無(wú)線設(shè)備而言，火災(zāi)環(huán)境是一種特殊工作環(huán)境，在火災(zāi)環(huán)境下工作的時(shí)間和機(jī)率不高；但是，對(duì)于無(wú)線火災(zāi)防控設(shè)備而言，火災(zāi)環(huán)境就是其工作環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)化、智能化的火場(chǎng)指揮、通信設(shè)備及系統(tǒng)，以及固定火災(zāi)防控設(shè)施及系統(tǒng)，需要在火災(zāi)環(huán)境下保證其信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確無(wú)誤，因此對(duì)火災(zāi)環(huán)境下的無(wú)線信號(hào)傳輸提出了現(xiàn)實(shí)要求。然而，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)室內(nèi)環(huán)境中煙氣及火焰對(duì)于無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸约盁o(wú)線信號(hào)在室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境下傳播特性的研究仍然較少，并處于初步研究的階段。因此室內(nèi)環(huán)境中煙氣及火焰對(duì)于無(wú)線信號(hào)傳輸影響的研究，亟待進(jìn)一步深入開展。

[1] E. S. Semenov， A. S. Sokolik. Thermal and chemical ionization in flames [J]. Combustion， Explosion and Shock Waves， 6（1）： 37， 1970.

[2] Mohan Jacob， Mal Heron， KgakgamatsoMphale. Prediction and measurement of electron density and collision frequency in a weakly ionised pine fire [J]. International Journal of Infrared and Millimetre Waves， 28： 251–262， 2007.

[3] C. J. Coleman， J. A. Boan. A Kirchhoff integral approach to radio wave propagation in fire [C]. Honolulu ： IEEE Antennas and Propagation Symposium， 2007.

[4]Kane S. Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwells equations in isotropic media [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 14（3）： 302– 307， 1966. The first and readily quoted article on the FDTD Method， Yee Cell.

[5]J. L. Young. A full finite difference time domain implementation for radio wave propagation in a plasma [J]. Radio Science， 29（6）：1513， 1994.