Sóng âm – Một phương pháp sử dụng công nghệ mới trong chữa cháy

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, việc nghiên cứu các trang thiết bị, công nghệ và giải pháp phòng cháy, chữa cháy mới an toàn hơn cho con sức khỏe con người, góp phần bảo vệ tài sản và môi trường là điều vô cùng quan trọng và cần thiết. Bên cạnh các phương pháp chữa cháy truyền thống, trong bài viết này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về một phương pháp chữa cháy sử dụng công nghệ mới đó là sóng âm, đồng thời cũng mở ra những thách thức đối với phương pháp chữa cháy này trong quá trình nghiên cứu và khi triển khai áp dụng trong thực tế.

Việc sử dụng các chất chữa cháy truyền thống như nước, bọt, khí, bột trong chữa cháy đã mang lại nhiều kết quả, giảm thiểu được nhiều thiệt hại do các vụ cháy gây ra. Tuy nhiên, mỗi loại chất chữa cháy trên đều tồn tại những nhược điểm nhất định, do đó yêu cầu người sử dụng phải có hiểu biết khi áp dụng để chữa cháy cho từng đối tượng/khu vực bảo vệ cụ thể. Bảng 1 dưới đây liệt kê một số loại chất chữa cháy thường dùng như bột khô, bọt, CO2, nước và nhược điểm chính của chúng.

Bảng 1. Nhược điểm chính của một số chất chữa cháy thường dùng

Việc nghiên cứu phương pháp chữa cháy sử dụng sóng âm hoặc các công nghệ mới khác nhằm giảm sự phụ thuộc vào nước và các hóa chất đang được sử dụng hiện nay là điều cần thiết. Sử dụng sóng âm để chữa cháy là phương pháp ít gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người và hàng hóa thiết bị bên trong khu vực bảo vệ, môi trường cũng như tiết kiệm được tài nguyên. Hiện nay, trên thế giới đã có một số nghiên cứu đề cập tới việc sử dụng sóng âm để chữa cháy, điển hình như Cơ quan Chỉ đạo các Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA) thuộc Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ. DARPA đã khởi động chương trình Nghiên cứu “Ngăn chặn Đám cháy tức thì”, trong đó trọng tâm chính là nghiên cứu bản chất của đám cháy và thử nghiệm những công nghệ mới như sử dụng sóng âm để chữa cháy [2].

Sóng âm là sóng cơ học, lan truyền trong môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí). Môi trường trong trường hợp này là không khí hoặc cụ thể hơn là oxy. Các sóng này tạo ra các vùng áp suất cao và áp suất thấp trong môi trường, làm dịch chuyển oxy từ vị trí ban đầu sang vị trí mới. Định luật Gay Lussac đã đề cập rằng “với lượng khí n không đổi ở thể tích V không đổi thì tỉ số giữa áp suất p và nhiệt độ T không đổi”. Điều này có nghĩa là khi áp suất xung quanh một khu vực giảm, nhiệt độ cũng giảm theo. Sóng âm tạo ra cả áp suất cao cũng như áp suất thấp trong một khu vực. Theo định luật này, sóng âm sẽ có tác dụng trong việc làm giảm nhiệt độ và dập tắt ngọn lửa.

 

Hình 1. Sự dịch chuyển của các sóng âm

 

Phản ứng cháy cần phải hội tụ cả nguồn nhiệt, chất cháy và chất oxy hóa. Từ việc sử dụng đặc tính dịch chuyển của sóng âm, oxy bị dịch chuyển khỏi vị trí của phản ứng cháy dẫn tới làm giảm nồng độ oxy xuống dưới mức duy trì sự cháy. Tuy nhiên, thách thức lớn đặt ra cần phải giải quyết là giảm tổn thất của sóng âm trong quá trình lan truyền để có thể dập tắt đám cháy trên diện rộng.

Mô hình nghiên cứu ứng dụng sóng âm trong chữa cháy

Trọng tâm chính của phần này là giới thiệu về mô hình hệ thống/thiết bị chữa cháy sử dụng sóng âm. Để đạt được mục tiêu đã đề cập, ta cần hiểu về cơ chế tương tác giữa sóng âm và ngọn lửa đồng thời xác định được dải tần số, khoảng cách và cường độ của sóng âm khi chữa cháy là rất quan trọng. Mô hình đề xuất bao gồm 04 khối chính: Khối tạo tín hiệu âm tần, khối khuếch đại tín hiệu âm tần, khối loa siêu trầm và khối thiết bị định hướng sóng âm.

Bộ tạo tín hiệu âm tần được sử dụng trong thí nghiệm là bộ tạo sóng âm thời gian thực với tần số có thể dễ dàng thay đổi. Thông qua các thí nghiệm và dựa trên các nghiên cứu về sử dụng sóng âm để chữa cháy đã được công bố, sóng âm tần số thấp nằm trong khoảng 50Hz – 70Hz là lựa chọn khả thi duy nhất để dập tắt đám cháy với tần số tối ưu được xác định có thể dập tắt đám cháy là 67Hz. Do đó, khối tạo tín hiệu âm tần có nhiệm vụ tạo (máy tạo tần số) ra tín hiệu âm tần dạng sóng hình sin có tần số 67Hz.

 

Hình 2. Sơ đồ khối mô tả mô hình hệ thống/thiết bị chữa cháy sử dụng sóng âm

 

Tín hiệu âm tần được gửi đến mạch khuếch đại TDA2030 sử dụng bốn TDA2030IC theo tầng, mỗi tầng cung cấp một công suất đầu ra là 18 watt; mạch khuếch đại được cấp nguồn thông qua một máy biến áp 12-0-12, 3A. Đầu ra của bộ khuếch đại này được truyền đến loa siêu trầm có công suất 80W, loa siêu trầm này được kết nối với thiết bị định hướng sóng âm hay còn gọi là ống chuẩn trực. Ống này có cấu tạo dạng hình trụ, được sử dụng để tạo ra các chùm tín hiệu sóng âm hẹp có định hướng, tín hiệu này được hướng về phía đám cháy để tương tác và chiếm chỗ oxy nhằm dập tắt đám cháy. Ống chuẩn trực được thiết kế bằng các tấm nhôm để đạt được sự hội tụ nhiều hơn của sóng âm và do đó dễ dàng dập tắt đám cháy bằng cách cắt nguồn cung cấp oxy. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị định hướng sóng âm được mô tả như trong hình 3 dưới đây:

 

Hình 3. Thiết bị định hướng sóng âm

 

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các đám cháy có qui mô nhỏ có thể được dập tắt ở khoảng cách từ 10 – 12 cm. Căn cứ trên Hình 4, ta cũng quan sát thấy rằng chỉ ở dải tần từ 40Hz đến 90Hz thì mới dập tắt được đám cháy theo thực tế. Sóng âm với tần số 67Hz có thể dập tắt đám cháy ở khoảng cách tối đa (12 cm) trong khoảng thời gian tối thiểu.

 

Hình 4. Đồ thị mô tả mối liên hệ giữa dải tần số và khoảng cách chữa cháy

 

Bên cạnh đó, hình 4 còn mô tả mối liên hệ giữa khoảng cách mà ngọn lửa bị dập tắt và sự biến thiên của nó với các tần số khác nhau. Hiệu suất làm việc của thiết bị chữa cháy phụ thuộc chủ yếu vào hình dạng của ống chuẩn trực, mạch khuếch đại và đầu ra của loa siêu trầm, với sự gia tăng công suất của bất kỳ yếu tố nào ở trên, hiệu suất và phạm vi hoạt động của thiết bị chữa cháy sẽ tăng lên.

Các nghiên cứu đã và đang được tiến hành đã chỉ ra rằng, phương thức chữa cháy thông qua sử dụng sóng âm mới ở bước sơ khởi và đang phải đối mặt với nhiều thách thức, điển hình như: Tiếng ồn có thể gây hại cho sức khỏe sinh lý của người vận hành/sử dụng thiết bị/hệ thống chữa cháy bằng sóng âm; sự tiếp xúc thường xuyên với tiếng ồn có thể dẫn đến giảm thính lực, tăng huyết áp, căng thẳng, rối loạn giấc ngủ,…Mô hình đề xuất đã sử dụng thiết bị định hướng sóng âm dưới dạng một khẩu pháo xoáy nhằm tạo thành một đường đạn khí khi có luồng khí đi qua do ma sát của luồng không khí hoặc sóng âm với mép lỗ mở của khẩu pháo. Tuy nhiên, sự suy hao của sóng âm khi truyền đi xa để chữa cháy trên diện rộng vẫn cần được cải thiện trong các nghiên cứu tiếp theo.

Chữa cháy bằng cách sử dụng sóng âm thay vì sử dụng nước hoặc hóa chất là một bước tiến mới trong công nghệ chữa cháy. Phương pháp này hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp chữa cháy thông thường vì không chỉ giảm lãng phí nước và hóa chất mà còn ngăn ngừa thiệt hại do hóa chất gây ra. Tuy nhiên, phương pháp chữa cháy này vẫn còn tồn tại một số hạn chế cần phải khắc phục như giảm tác động xấu của tiếng ồn tới sức khỏe của con người và môi trường, tăng phạm vi đám cháy được dập tắt, thu nhỏ thiết bị.

Tài liệu tham khảo:

[1] Tamar Melike Tegün. ”Two Engineering Students Invent A Sonic Fire Extinguisher” Interesting Engineering, Inc., January 13, 2017, www.interestingengineering.com/twoengineering-students-invent-a-sonic-fire-extinguisher
[2] Sebastian Anthony. “ DARPA creates sound-based fire extinguisher” , ExtremeTech, Ziff Davis, LLC. PCMag Digital Group, July 16, 2012, www.extremetech.com/extreme/132859-darpa-createssound-based-fire-extinguisher
[3] Liat Clark. “Video: Darpa’s ‘Wall-of-Sound’ Fire Extinguisher”, Wired, Condé Nast, July 13, 2012, www.wired.com/2012/07/wall-of-sound-fire/
[4] Curone, Davide, Emanuele Lindo Secco, AlessandroTognetti, GiannicolaLoriga, Gabriela Dudnik, Michele Risatti, Rhys Whyte, Annalisa Bonfiglio, and Giovanni Magenes. “Smart garments for emergency operators: the ProeTEX project.” IEEE Trans. Information Technology in Biomedicine 14, no. 3 (2010): 694-701.
[5] Hayato Takahashi, Masahiko Hanada, Hiromichi Hanada, Kanya Mizuguchi, Akinori Fujimoto, Seiichi Serikawa, Yuhki Kitazono, “Development of Automatic Fire Extinguish System for Residential Use”, Proceedings of the 3rd International Conference on Industrial Application Engineering 2015, pp. 8-11, 2015
[6] Ik-Soo Ahn, Myung-Jin Bae, “A Study on a Sound Fire Extinguisher using Special Sound lens”. Annual Conference of the Korean Institute of Communication Sciences, pp.850, January 2016.
[7] HyungWoo Park, and Myung-Jin Bae, “Waveform Analysis and Enhancement for Efficiency Improvement of sound wave extinguisher”, Asia-pacific Journal of Multimedia Services Convergent with Art, Humanities, and Sociology, Vol.8, No.6, pp.755-764, June 2018.
[8] Bong-Young Kim, Myung-Jin Bae, Seong-Geon Bae, “A Study on a Suitability of Sound Fire Extinguisher in Duct Environment”, International Journal of Applied Engineering Research, ISSN 0973-4562, Vol.12, No.24, pp.1579615800, 2017.
[9] Bong-Young Kim, Eun-Young Yi, and Myung-Jin Bae, “A Study on the Effect of Sound Fire Extinguisher on Extinguishment by Smothering”, Asia-pacific Journal of Multimedia Services Convergent with Art, Humanities, and Sociology, Vol.8, No.6, pp.765-772, June 2018.
[10] K. M. Jung. Fire Protection Theory, DongHwa Technology, Korea (2017)

Theo Thu Hằng (Cục Cảnh sát PCCC&CNCH)

Khoa Phòng cháy tổ chức hội thảo lựa chọn danh mục đề tài hướng dẫn sinh viên nghiên cứu khoa học năm học 2015-2016
“Quả bóng” hỗ trợ cảnh sát và lính chữa cháy
Băng cháy – mở ra cuộc cách mạng về loại năng lượng mới