Исследование характеристик звука, влияющих на затухание пламени

XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Исследование характеристик звука, влияющих на затухание пламени

Лисина К.А. 1
1МБОУ "Кольцовская школа №5"
Кутепова А.И. 1
1ИТПМ СО РАН
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

В 2025 г. среди задач Сибирского турнира юных физиков предлагалась задача “Звук против пламени”. В условии задачи говорилось о том, что небольшое пламя можно погасить с помощью звука. Авторы предлагали исследовать параметры пламени и характеристики звука, определяющие погаснет ли пламя.

Актуальность: Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью разработки новых методов пожаротушения, которые были бы эффективными, экологически чистыми и безопасными для здоровья людей.

Традиционные методы, такие как использование химических пенообразователей или воды, имеют ряд недостатков, включая токсичность и риск повреждения имущества. В этой связи, разработка инновационных технологий, основанных на применении звуковых волн, открывает новые перспективы в области пожарной безопасности. Исследование направлено на изучение возможностей использования акустической энергии для подавления пламени, что позволит создать эффективные и безопасные средства борьбы с огнем, особенно в бытовых условиях.

Проблема: Проблема заключается в недостаточной изученности физических механизмов взаимодействия звуковых волн с пламенем, что ограничивает возможности эффективного применения акустических методов для тушения пожаров. Несмотря на существующие исследования в данной области, остается неясным процесс создания потока воздуха в динамике и его влияние на пламя. Это затрудняет разработку практичных устройств, использующих звуковые волны для пожаротушения.

Цель работы: выявить ключевые характеристики звуковых волн (такие как частота, громкость, расстояние воздействия и другие параметры), которые оказывают наибольшее влияние на процесс затухания пламени, чтобы разработать оптимальные акустические методы для эффективного пожаротушения.

Задачи:

1. Анализ существующих исследований:

- Изучить уже проведённые эксперименты и теоретические модели взаимодействия звуковых волн с пламенем.

- Определить пробелы в знаниях и ключевые аспекты, которые требуют дополнительного изучения.

2. Разработка экспериментальной установки:

- Создать установку для проведения экспериментов по воздействию звуковых волн различной частоты и интенсивности на пламя.

- Обеспечить возможность изменения расстояния между источником звука и пламенем, а также контроля формы и размеров пламени.

3. Проведение экспериментов:

- Исследовать зависимость эффективности тушения пламени от различных параметров звуковых волн (частота, интенсивность, продолжительность воздействия).

- Оценить влияние расстояния до источника звука на эффективность тушения.

- Проанализировать воздействие звуковых волн разной частоты на различные типы пламени (например, газообразное, жидкое, твёрдое топливо).

4. Моделирование процесса:

- Разработать математическую модель взаимодействия звуковых волн с пламенем, учитывающую аэродинамические эффекты и процессы теплопередачи.

- Провести численное моделирование для предсказания поведения пламени под воздействием звукового поля.

5. Оптимизация параметров:

- Выявить наиболее эффективные комбинации параметров звуковых волн (частоты, интенсивности, продолжительности воздействия) для максимального эффекта тушения.

- Определить минимально необходимые значения параметров для достижения устойчивого затухания пламени.

Объект исследования: Источникпламени, источник звука.

Предмет исследования: Зависимость угла отклонения пламени от таких параметров как: отдаленность от источника звука, геометрические параметры фитиля, частота звука, громкость звука, геометрические параметры динамика.

Место и сроки проведения исследования:

Работа проводилась с октября 2024 года по март 2025 года в аудитории СУНЦ НГУ.

Методы исследования

В ходе работы использовали следующие методы: теоретические, эмпирические и математические.

  • Теоретические (изучение литературы по теме исследования, построение гипотез, прогнозирование результата);

  • Эмпирические (проведение экспериментов, сравнение разных динамиков);

  • Математические (обработки данных и графические способы представление результатов исследования).

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

    1. Знакомство с терминологией звука

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение упругих волн в газообразной, жидкой или твердой среде.Обычно для генерации звука применяются колеблющиеся тела различной природы, вызывающие колебания окружающего воздуха. Примером такой генерации может служить использование голосовых связок, динамиков или камертона.

    1. Частота звука

Звуковая частота или слышимая частота — это периодическая вибрация, частота которой слышима среднестатистическим человеком. Единицей измерения частоты в системе СИ является герц (Гц). Это свойство звука, которое в наибольшей степени определяет высоту тона. Звук распространяется в виде механических вибрационных волн давления и смещения в воздухе или других веществах.

    1. Громкость звука

Громкость звука сложным образом зависит от звукового давления, частоты и формы колебаний. При неизменной частоте и форме колебаний громкость звука растёт с увеличением звукового давления. При одинаковом звуковом давлении громкость синусоидальных звуков разной частоты различна — одинаковую громкость на разных частотах могут иметь звуки разной интенсивности

    1. Резонанс гельмгольца. Как он влияет на звук?

Резонанс Гельмгольца — явление резонанса воздуха в полости, примером которого является гудение пустой бутылки от потока воздуха направленного внутрь горлышка нормально к поверхности края. Резонатор Гельмгольца — медный сосуд сферической формы с открытой горловиной, изобретенный Гельмгольцем около 1850 года для анализа акустических сигналов, на основе наблюдаемых в нём явлений Гельмгольцем и Рэлеем разработана количественная теория резонанса данного типа. Для описания процесса колебаний в резонаторе Гельмгольца хорошо подходит акустико-механическая аналогия, описывающая колеблющийся под действием возмущений газ в горле резонатора сосредоточенной массой и сопротивлением (демпфером), а деформируемый в объеме резонатора газ сосредоточенной упругостью. Совокупность массы, сопротивления и упругости образует классический механический колебательный контур типа "груз на пружине", обладающий резонансной (собственной) частотой колебаний. Резонансная частота колебаний резонатора Гельмгольца главным образом зависит от размера и формы горла и объема полости. Как и в любом другом колебательном контуре, колебания в резонаторе Гельмгольца могут проявляться в виде автоколебаний или вынужденных колебаний. Пример автоколебаний — гудение пустой бутылки от потока воздуха, направленного перпендикулярно ее горлышку. Вынужденные колебания — та же бутылка, но без потока и с приходящими к ней извне акустическими возмущениями.

    1. Как работает пламя?

Пламя — раскаленная газообразная среда, образующаяся при горении и электроразрядах, состоящая в значительной степени из частично ионизированных частиц, в которой происходят химические взаимодействия и физико-химические превращения составных частиц среды (в т.ч. горючего, окислителя, примесных частиц, продуктов их взаимодействия). Сопровождается интенсивным излучением (в УФ, ИК, видимой части спектра - «свечением») и выделением тепла.

РАЗДЕЛ 2. ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА

2.1 Первое воспроизведение явления

При первом воспроизведении явления мы использовали спиртовку и телефон, мы включили на телефоне приложение, воспроизводящее различные звуковые частоты и начали пробовать тушить пламя. В начале мы поднесли телефон к спиртовке и начали постепенно увеличивать частоту (частота, на которой мы начинали составляла 100 Гц), пока пламя не начало отклоняться. Затем мы изменяли положение телефона, чтобы пламя отклонилось на максимальный угол и потухло.

2.2 Эксперимент с тепловизором

Для того, чтобы понять из-за чего гаснет пламя мы решили рассмотреть механизм горения свечи. Для того, чтобы поддерживать горение пламени требуется: кислород, горючее (в наших экспериментах это парафин с фитиля или изопропиловый спирт из спиртовки) и поддержание температуры фитиля. Мы предположили, что потоком воздуха из динамика мы влияем именно на температуру фитиля и решили проверить это с помощью тепловизора.

2.3 Эксперимент с использованием резонатора

Мы решили попробовать потушить пламя с помощью других устройств. Для этого мы взяли колонку, но получили неутешительный результат, поэтому мы решили снабдить колонку резонатором для лучшего эффекта. Наш резонатор был сделан своими руками и состоял из пластмассовой трубы, в которую плотно встроена колонка с одного конца, а с другого прикреплен CD диск, чтобы создать небольшое отверстие на которое прикреплена трубка, из которой выходил воздух. Мы решили сделать именно такой резонатор, так как по устройству он похож на резонатор Гельмгольца, который усиливает свойства звуковых частот. В ходе эксперимента было выяснено, что резонатор лучше всего работает именно на резонансной частоте.

2.4 Поток воздуха и эксперимент с анемометром

Ранее в работе я уже упоминала, что из динамика выходит поток воздуха. Выдвинутую гипотезу мы решили проверить с помощью анемометра, прибора, который измеряет скорость потока воздуха. В нашем случае использовался тепловой анемометр, принцип действия которого основан на измерении понижения температуры нагретого тела, накаливаемой проволоки, от движения газа. В ходе эксперимента был выявлен поток воздуха, максимальная скорость которого на нашей установке с резонатором на частоте около 280 Гц составила 4 метра в секунду.

Возникновение потока можно объяснить тем, что в процессе звуковых колебаний воздух залетает и вылетает из резонатора. Воздух движется вперед, проходя через резонатор, где колебания мембраны создают области низкого и высокого давления, вызывая движение частиц воздуха внутрь и наружу. Этот процесс формирует поток из вихрей, срывающихся с кромки отверстия.

2.5 Теневой метод

Чтобы подробнее рассмотреть процесс тушения пламени мы использовали теневой метод. Суть его работы заключается в проецировании изображения на поверхность с помощью лазера. В ходе эксперимента мы заметили как пары парафина отдаляются от фитиля, а это и является главным процессом при затухании свечи.

2.6 Эффективность задувания пламени и его зависимость от частоты

Проведя, все вышеперечисленные эксперименты мы можем ответить на главный вопрос, который задавали себе в начале: Как эффективность затухания пламени зависит от звуковой частоты? Ответ на него мы решили найти, взяв несколько устройств с разным набором резонансных частот:

Копия video5467798688443162477.mp4

Копия video5244891968839900697.mp4

Копия video5219807547355061431.mp4

которыми пробовали тушить пламя, записав звук на разных частотах, затем преобразовав звук в спектрограммы и зафиксировав частоты, на которых лучше всего гасится пламя.

Амплитуда на разных частотах не одинаковая => поток воздуха на разных частотах будет разный. Значит на разных устройствах будет разный предел тушения пламени, из-за характеристик динамика. На спектрограмме телефона можно заметить несколько громких частот, которые позволяют просто тушить пламя. На спектрограмме колонки видно много тихих частот, на которых нам достаточно сложно дается тушение пламени. На спектрограмме колонки с резонатором можно увидеть несколько самых громких частот из трех представленных спектрограмм, они позволяют быстро тушить пламя.

2.7 Расчет резонансной частоты

Мы решили убедиться, что для резонатора эффективной является резонансная частота. Для проверки мы использовали два метода: экспериментальный и теоретический. Экспериментальный способ заключался в обнаружении резонансной частоты путем подачи воздуха под углом примерно в 90 градусов к отверстию резонатора, фиксацией получаемого звука на диктофон и анализа частоты в программе Audacity. Теоретически мы проверяли верность гипотезы о равенстве эффективной и резонансной частоты с помощью формулы из видео А.И. Щетникова про резонатор Гельмгольца: f = (c/2π)*√(S/LV), для удобства нашего счета мы ее слегка преобразовали: f = (cr/2πR)*√(1/Ll), где:

f - частота резонатора

c - скорость звука

S - площадь сечения выходного отверстия

L - длина трубки

V - объем цилиндра

r - радиус малой трубки

R - радиус цилиндра

l - длина резонатора

По результатам проведенных исследований у нас получились:

Эффективная экспериментальная частота: 274 Гц

Резонансная экспериментальная частота: 270 Гц

Резонансная теоретическая частота: 59 Гц

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

  1. Рассмотрены необходимые условия для горения: подвод горючего, поступление кислорода и смешивание паров парафина с ним, большая температура;

  2. Подтверждена гипотеза наличия потока воздуха путем измерения анемометром (~ 4м/с для нашего резонатора);

  3. Выполнена теневая визуализация эксперимента, обнаружено отклонение струи паров парафина при появлении звука (повторно с помощью тепловизионных измерений);

  4. Проведен параметрический анализ явления: разные устройства динамика (телефон, колонка, резонатор), частотный диапазон (от 100 до 1000 Гц). Выявлена наиболее эффективная частота тушения для каждого устройства.

  5. Проведен расчет эффективной частоты для нашего резонатора.

 

ВЫВОДЫ

В начале работы был воспроизведен эксперимент со свечой и телефоном, на котором был заранее установлен генератор частот для контролирования параметров звука. При варьировании частот было замечено, что для телефона при частоте звуковых колебаний 280 Гц пламя свечи начинает реагировать на “звук” и при приближении динамика телефона к свече гаснет. Для того чтобы обеспечить воспроизводимость условий эксперимента была собрана стационарная установка с колонкой и для усиления амплитуды использовался резонатор (r = 5,5см, l = 30см). Резонатор был применен для простого подсчета эффективной частоты.

Возникновение потока можно объяснить тем, что в процессе звуковых колебаний воздух залетает и вылетает из резонатора. Воздух движется вперед, проходя через резонатор, где колебания мембраны создают области низкого и высокого давления, вызывая движение частиц воздуха внутрь и наружу. Этот процесс формирует поток из вихрей, срывающихся с кромки отверстия. .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ответом на вопрос о зависимости эффективности тушения пламени от частоты является нет, так как эффективность затухания зависит от потока воздуха, выходящего из динамика, который зависит от громкости и амплитуды колебания мембраны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Википедия (https://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница);

  2. Acoustic Flame Extinction by the Sound Wave or Speaker-Induced Wind? (https://iypt.ru/wp-content/uploads/2024/10/Acoustic-flame-extinction-by-sound-wave.pdf );

  3. Application of acoustic oscillations in quenching of gas burner flame (https://iypt.ru/wp-content/uploads/2024/10/Application-of-acoustic-oscillations-in-quenching-of-gas-burner-flame.pdf );

  4. Видео А.И.Щетникова про резонатор Гельмгольца (https://youtu.be/udl0RnEdwpU?si=sOPW0RnpdzHkhMX2 ).

Просмотров работы: 22