当火灾发生时,停止、趴下然后...唱歌?

150多年来,科学家们都知道可以用声波灭火,但他们仍然不知道是如何做到的

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“我把更多的力量投入到我的声音中,现在火焰熄灭了,”爱尔兰科学家约翰·丁达尔在1857年写下了他用声音和火焰进行的实验。无数的公开演示和一些实验室测试之后,研究人员仍然在努力确定声音究竟是如何熄灭火焰的。

声音以波的形式传播,波只是介质(无论是固体、液体还是气体)中压力的变化。来自振动物体(如扬声器振膜)的能量,以高压区和低压区交替出现的模式,在空气中从一个粒子移动到另一个粒子,我们将其感知为声音。根据理想气体定律,温度、压力和体积是相关的;因此,压力的降低会导致温度相应降低,这或许可以解释声音是如何灭火的。

2004年,德米特里·普拉克斯和他在西佐治亚大学的几位同学测试了声波是否可以扑灭火灾,希望利用声音来扑灭航天器上的火焰。视频 他们在一个顶部敞开的大腔室中放置了一根蜡烛,墙壁上连接着三个低音扬声器。蜡烛点燃后,通过低音炮播放加拿大摇滚乐队 Nickelback 的“How you remind me”。根据2005年发表在美国声学学会杂志上的结果,大约10秒后,一旦歌曲达到一个低音符,火焰就熄灭了。


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“我们不确切知道发生了什么,”普拉克斯说,他现在是佐治亚理工学院的学生。

田纳西州孟菲斯市罗德学院的物理学家詹姆斯·埃斯皮诺萨是该学生团队的前任顾问,他指出,蜡烛没有耗尽氧气来助燃,因为腔室很大并且向空气开放。他也不认为风(实际上会用较冷的空气取代蜡烛周围的暖空气)熄灭了火,尽管只有高分辨率的热图像才能验证这一点。

还有另一个迹象表明火不是被风熄灭的:频率(声波的连续波峰通过固定点所需的时间)。 “在某些特定频率下,蜡烛火焰会熄灭,”埃斯皮诺萨指出。学生们测试了从5赫兹到几百赫兹的频率范围。他们发现有效范围在 40 到 50 赫兹之间,在人类听觉范围内。

普拉克斯推测,声波产生的压力下降是火焰熄灭的原因。美国宇航局克利夫兰格伦研究中心的消防技术项目经理加里·拉夫对此表示赞同:如果声波中高压峰值和低压谷值之间的差异足够大,火焰就会熄灭。

埃斯皮诺萨认为,这种声学灭火可能在太空中非常有用。“不必使用水或有毒气体对宇宙飞船来说是一个巨大的好处,”他说。但是拉夫和美国宇航局对此并不认同:产生声波来灭火需要电力,宇航员还必须能够看到火焰才能将声波对准它们。“[我们正在]寻找一个非常可靠的独立系统,”拉夫说,例如化学灭火器。

尽管如此,明年夏天,埃斯皮诺萨将尝试用一个更小的扬声器系统来扑灭更大的火焰。他计划使用电弧(电流在两个电极之间的空气中传播),而不是使用低音炮的振动膜,就像焊接时使用的那样。这种火花会产生冲击波,可以使用声波喇叭聚焦,从而可以将一系列这样的波对准火源。

埃斯皮诺萨说,这样的系统可能在地球上用于扑灭那些因喷水系统而可能被水损坏的场所的火灾,例如收藏着珍贵艺术品的博物馆,或者拥有数据服务器或其他电气设备的中心。“声音被用来切割金属碎片,摧毁肾结石,”他补充道。“它能做的比人们认为的要多,”显然包括灭火。

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