技术问题：火灾报警器的克兰尼效应

一场火灾发生之后，业主损伤惨重，等待保险公司的调查。保险公司的特工（调查人员）到现场仔细调查了火场的特征，指出某些报警器动作了，为什么业主没有反应？或者为什么报警器没有动作，是因为没有电池（维护问题），还是业主的懈怠？那么，这些调查人员是如何判断报警器有没有动作的呢？靠的是Chlandni（克兰尼）效应，如下图所示。

图1. 火灾发生时正确动作的报警器（上）和没有动作的报警器（下）。

很多人注意到，那些在火场烟气中动作的报警器会有烟黑（soot）的沉淀，很多人视而不见，因为报警器总是安装在天花板顶部，火灾发生之后，烟气也是汇聚在天花板，那里怎么会不脏呢？可是火场调查人员不这么看，他们关注的是，如何才能发现证据，证明火灾的发生是谁的错？如果报警器没有动作，有两种可能性，电源故障，说明是业主没有维护好；电源正常，说明设备制造商没有设计好，或者安装者没有安装好。所以，保险公司关注的是如何分清责任，责任清楚了，赔偿也就清楚了。关键还是有经济的动力去调查清楚，到底是谁的责任。

图2. 典型烟气报警器的构造及带来克兰尼图的发声结构。

在图2所示的烟气报警器中，感烟腔感受到了烟气中的烟黑，或者是通过光学衰减，或者说通过带电离子检测，发出了报警信号，通过发声构造（就是电子喇叭）。该喇叭产生的声音（压强）产生共振，共振的结果是选择性把某些烟黑沉淀到喇叭的出口边缘，形成了克兰尼图，给火调人员提供了动作的可能性，成为火调人员呈堂证据的重要一环。

在这种经济动力之下，美国的一家咨询公司雇佣了一位消防系在读大学生，认真地研究了火场报警器的烟黑沉淀特征，经过两个暑假的调查工作，基本解决了火调人员现在非常仰赖的克兰尼效应。

什么是克兰尼效应？

Ernst Florens Friedrich Chladni 是德国人，因为发现了板式振动的振动模式和测出了不同气体中的声速而闻名于世，有时被称为“声学之父”。克兰尼最著名的成就，发明了用刚性盘显示振动各种模式的技术。当发生谐振（共振）时，一块板或膜上会自动产生多个区域并振动方向相反，而那些在没有振动发生的区域则产生显著的边界（又称节线）。克兰尼反复重复了罗伯特胡克在1680年7月8日观察到的开创性实验，发生在玻璃板上的振动导致的节点模式。胡克用小提琴弓沿着布满面粉板的边缘，看到了节点的模式出现。

克兰尼的技术，首次刊登在1787年出版的专著《声音理论的发现》上，包括一块金属盘上轻微铺上沙子，然后用小提琴弓发生振动。最初的刺激导致盘面发生共振，振动导致某些沙子移动，在沿节线上由于表面是静止的，形成了分界线。通过分界线形成的图案，就是现在所谓的克兰尼图形。

图3. 克兰尼（30 November 1756 – 3 April 1827）和他的产生振动模式（即克兰尼图）的硬盘。

图4. 克拉尼最早公布的典型克拉尼图。

这种技术的衍生技术仍然在设计原声乐器中经常使用，如小提琴，吉他和大提琴。20世纪以来，使用电子信号发生器，在扬声器驱动下的信号源可以实现更精确的可调频率。

克拉尼图的产生机理

那么，报警器是如何产生克拉尼效应，以及上述的烟黑沉淀模式的呢？

为了验证该克兰尼效应，该实习生把报警器的发声单元放在激光光束中，由于烟气中的烟黑粒子的存在，会形成流动的模式（即粒子示踪技术），观察通过激光显示的流动模式，我们可以认识到流动模式对于烟黑沉淀的影响。由于报警器喇叭的出口通道有一定的尺寸，该尺寸对于声音的宽带频谱具有选择性放大或衰减的效果，于是形成了某些烟黑沉淀，某些烟黑离开的模式，这样克兰尼图的产生就得到了完美的解释。

图5. 激光示踪技术展示的火场烟气流动中的声音驱动的异常流动，解决了克兰尼图的共振成因问题。

实习生科研影响

该实习生两个暑假的收入大约是12000美元，发表了两篇文章，获得了NFPA专业杂志2001年度的最佳论文奖，为找到合适的工作奠定了基础，可谓名利双收。该公司呢？通过获奖的研究提高了知名度，增加了学术能力的宣传，增加了为业主提供咨询的机会，因此非常满意这项研究工作。那么学术界呢？一个简单现象的深入解决，为火调工作提供了扎实的基础，这是很多人的饭碗，因此非常欢迎这种提供工具和经验的研究。于是，克拉尼在225年之后，又一次成为一项重要的研究主题，得到了多方的赞赏和发表的机会，不愧是“音乐之父”。

说几句题外话，我总是在想，中国的实习生为什么缺乏类似的调研机会？为什么知识在中国社会条件下得不到应有的重视？为什么我们的社会总是呼唤科普，可是科普的报酬接近于免费劳动？一种消防领域的解释是社会缺乏民办保险，所以大家都指望国家作为最大的保险公司出现。国家作为保险公司的弊端是，国家机器可以不用调查真相，就可以判人死刑或没收财产，所以没有调查的动力。调查主要是靠经济动力在引导，如果经济关系扭曲，就不会有真相出现了。市场背后看不见的手是经济动力，给我们的年轻人类似的研究机会，我们也可以作出相同的发现，关键是我们国家和社会需要这样的发现么？我们需要创新么？虽然国家的口号大家都明白，现实往往是那么的无奈。中国社会缺乏创造力，关键是年轻人没有机会，没有发挥好，没有用好，这不是我们技术人员可以解决的问题。

注：本文得到麻庭光博士授权并允许转载。

麻庭光博士为美国俄克拉何马州立大学消防与安全技术系助理教授。

从事消防行业多年。

照片 右：Dr. Ma  左：本公众号创始人Mr.Cao (摄于美国波士顿）

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