소리소화기의 성능개선에 관한 연구 = A study on performance improvement of the sound fire extinguisher

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Sound Fire Extinguisher, which utilizes sound propagation characteristics, can be a suitable alternative to the changing fire fighting environments. The sound fire extinguishers that were implemented by the US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) in 2012 and George Mason University in 2015 cannot be almost available in actual environments due to the several problems. The problems that the existing sound fire extinguisher are: First, since the sound energy of the existing Sound Fire Extinguishers spreads all the ways, it has failed to transfer the energy to the flame, effectively. Second, it generates massive low-frequency noise that can cause some physical and mental damage to the persons that are fighting to extinguish a fire. Third, large speakers, amplifiers, heatsinks, and etc. are needed to output the very high powered sounds so that the sound fire extinguishers are large and heavy. In order for the Sound Fire Extinguisher to be used in an actual environment, the problems of the existing Sound Fire Extinguisher must be solved.
In this study, several signal processing techniques were applied to improve the problems of the existing Sound Fire Extinguisher. First, the special acoustic lens applying the horn effect was used to concentrate and resonate the sound, forming the sound beam to focus the sound forward. In addition, as an improvement of the speaker, a flat type cone speaker was applied to enlarge the main lobe and reduce the side lobe. Second, the use of the Active Noise Cancellation(ANC), the special acoustic lens, and the flat type cone speaker was able to reduce the 30 dB or moreover noise. Third, the improved method, which is applying the electromagnetic drive type speaker, can secure 500W when the speaker is 2Kg while the conventional speaker outputs 150W when the speaker is 1.5Kg. In addition, the FET pulse oscillator and amplifier that output the pseudo sinusoidal wave were developed and applied. The conventional TR oscillators and amplifiers can output 100W when 0.5Kg, while the developed oscillator and amplifier can produce 500W for 0.2kg weight. Also, while the TR amplifier needed a very large and heavy heat sink, the FET Pulse amplifier need only a heat sink of 100g or less.
In this study, we conducted research, parallelly, on how to apply the sound characteristics of the Sound Fire Extinguisher to actual environments. In the fire fighting field’s view, there are confirmed many effects of the Sound Fire Extinguisher such as "cooling effect", "ignition suppression effect", "flame direction control effect", "phenomenon that is smoothly transmitted even in a narrow space", "phenomenon that is smoothly propagated even in an environment where the wind blows" and etc. Such effects of the Sound Fire Extinguisher can be used in various methods for fire prevention and evacuation as well as fire extinguishing.
Through this study, high power, miniaturization, and light weight of the Sound Fire Extinguisher were achieved, and proposed various methods of using the Sound Fire Extinguisher applied to the fire fighting field. The Sound Fire Extinguisher has the great advantage of controlling flames without polluting fire extinguishing objects. However, since it does not pollute the fire extinguisher object, it may cause problems that are easy to re-ignite. There is also a disadvantage that the control power is week in the combustion of the solid surface. In order to overcome these shortcomings, additional methods to use in combination with other fire extinguishing techniques that have the opposite of the merits and faults of Sound Fire Extinguisher should be studied.
In addition, further improvements to the Sound Fire Extinguisher require the development of a new type of speaker, as well as the study of a new cone material that is light, fire-resistant and has good output characteristics.

국문 초록 (Abstract)

소리의 전파특성을 이용하는 소리소화기는 변화된 소방환경에 대한 적절한 대안이 될 수 있다. 2012년 DARPA(US Defense Advanced Research Projects Agency)와 2015년 조지메이슨대학에서 제작한 소리소화기는 여러 가지 문제점으로 인해 실제 환경에서는 거의 사용할 수 없다. 기존 소리소화기의 문제점은 첫째, 소리에너지가 사방으로 퍼져나가 화염에 충분한 에너지를 공급하지 못한다. 두 번째는 매우 큰 저주파 소음을 발생시켜 화재진압자에게 신체적, 정신적 피해를 줄 수 있다. 세 번째로는 매우 큰 소리를 출력하기 위해 커다란 스피커와 앰프, 방열판 등이 필요하게 되고, 전체적으로 소리소화기는 대형, 중량화된다. 소리소화기가 실제 환경에서 사용되기 위해서는 기존 소리소화기들의 문제점들이 해결되어야 한다.
본 연구에서는 기존의 소리소화기들의 문제점들을 개선하기 위하여 여러 가지 신호처리 기술을 적용하였다. 첫 번째로 horn effect를 응용한 특수음향렌즈를 적용하여 소리를 집중시켜 공명증폭시키고, sound beam을 형성하여 소리를 전방으로 집중시켰다. 또한, flat type cone speaker를 적용하여 main lobe를 증가시키고 side lobe를 감소시켰다. 두 번째로는 ANC(Active Noise Cancellation), 특수음향렌즈 그리고 flat type cone speaker 적용하여 30dB 이상 소음을 감소시켰다. 세 번째로 전자석 구동방식의 스피커 적용을 통해 일반적인 스피커가 1.5Kg일 때 150W을 출력하는데 반해, 개선된 방법으로는 스피커가 2Kg일 때 500W을 출력하는 성능을 확보할 수 있었다. 또한, pseudo sinusoidal wave를 출력하는 FET Pulse 방식의 발진기와 증폭기를 개발함으로써, 기존 TR 방식의 발진기 및 증폭기가 0.5Kg일 때 100W의 출력을 낼 수 있는데 반해 0.2kg의 무게에 500W의 출력을 낼 수 있는 구동회로 성능을 확보하였다. 그리고 TR방식의 증폭기가 매우 큰 방열판이 필요했던 반면 FET Pulse 방식의 증폭기는 100g 이하의 방열판만이 필요하였다.
본 연구에서는 소리소화기의 소리특성을 실제 환경에 적용할 수 있는 활용방법 연구를 병행하였다. 소방현장의 측면에서 소리소화기 소리가 주는 영향을 확인해본 결과, 냉각효과, 발화억제효과, 화염방향 통제 효과, 좁은 공간에서도 잘 전달되는 현상, 바람부는 환경에서도 원활히 전달되는 현상 등을 확인하였다. 소리소화기의 이러한 특성들은 화재의 진압은 물론 화재를 예방하거나, 피난하는 활동에 다양하게 활용될 수 있다는 것을 제시하였다.
본 연구를 통해 소리소화기의 고출력 소형, 경량화를 달성 할 수 있었으며, 소방현장에 적용할 수 있는 소리소화기의 다양한 활용방법을 제시하였다. 소리소화기는 소화대상물을 오염시키지 않고 화염을 통제한다는 장점을 가지고 있지만, 소화대상물을 오염시키지 않기 때문에 쉽게 연소 할 수 있다는 문제점과 고체상태의 연소에는 통제력이 약하다는 단점도 존재한다. 이러한 단점들을 극복하기 위해서는 소리소화기의 장단점과 반대되는 특성을 가진 다른 소화기법들과의 병행 사용하는 방법들이 추가로 연구되어야 한다.
또한, 소리소화기의 추가적인 성능 개선을 위해서는 가벼우면서도 화재 및 출력특성에 강한 새로운 스피커 재질의 연구는 물론, 새로운 방식의 스피커 개발이 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 및 본 논문의 구성 3
• 제 2 장 연소와 소화의 기본원리 6
• 2.1 연소반응 6
• 2.2 연소의 4요소 7
• 2.3 연소에 필요한 열에 대한 구분 8
• 2.4 소화의 원리 9
• 2.5 화재의 종류 10
• 제 3 장 기존 소화기의 종류 및 문제점 12
• 3.1 소화기 12
• 3.2 소화기의 종류 12
• 3.2.1 물분무 소화기 13
• 3.2.2 분말소화기 13
• 3.2.3 포말소화기 13
• 3.2.4 이산화탄소소화기 13
• 3.2.5 하론소화기 14
• 3.3 기존 소화기의 문제점 14
• 제 4 장 소리제어의 기본원리 16
• 4.1 소리 16
• 4.3 소리의 간섭 18
• 4.3.1 보강간섭과 소멸간섭 18
• 4.3.2 맥놀이 20
• 4.4 소리의 전파특성 22
• 4.4.1 굴절(Refraction)과 반사(Reflection) 22
• 4.4.4 회절 24
• 4.5 음원의 유형별 전파특성 25
• 4.5.1 점음원 25
• 4.5.3 면음원 27
• 4.6 혼 효과 28
• 4.6.1 혼 스피커 28
• 4.6.2 혼 효과 28
• 4.7 스피커의 지향특성 30
• 제 5 장 소음의 신체적 영향 및 소음제어 기법 32
• 5.1 소음의 피해 32
• 5.2 저주파 소음의 피해 34
• 5.3 소음의 제어 36
• 5.3.1 마스킹에 의한 소음제어 37
• 5.3.2 ANC(Active Noise Cancellation)에 의한 소음제어 40
• 제 6 장 소리소화기 관련 기존연구 43
• 6.1 소리의 매질 통제 43
• 6.2 소리의 불꽃 통제 47
• 6.3 기존에 발표된 소리소화기 50
• 6.3.1 DARPA 발표 소리소화기 50
• 6.3.2 George Mason University 발표 소리소화기 52
• 6.4 소리소화기의 소화원리 53
• 6.5 소리소화기의 장점 57
• 6.6 소리소화기의 화재종류별 효과 58
• 6.7 기존 발표된 소리소화기의 문제점 59
• 제 7 장 소리소화기 성능개선 연구 61
• 7.1 성능개선 61
• 7.2 특수음향렌즈 적용 63
• 7.3 스피커의 개선 73
• 7.3.1 Flat type speaker 적용 73
• 7.3.2 고출력 스피커 방식의 적용 76
• 7.4 측, 후방 소음제거 79
• 7.4.1 ANC(Active Noise Cancellation) 적용 80
• 7.4.2 특수음향렌즈에 의한 측, 후방 소음 감소 85
• 7.4.3 flat type cone speaker 채택에 따른 측, 후방 소음감소 86
• 7.5 발진기 및 증폭기 설계 86
• 7.5.1 발진, 증폭기의 설계 88
• 7.5.2 FET pulse에 따른 pseudo sinusoidal wave 방식 적용 92
• 7.5.3 Pseudo sinusoidal wave에 따른 고조파 잡음 감소 94
• 7.5.4 고출력 소형, 경량화 구현 97
• 제 8 장 소리소화기 활용방법 개발 99
• 8.1 소리소화기의 냉각효과 99
• 8.2 소리소화기의 발화억제 효과 101
• 8.3 소리소화기의 화염방향 통제 103
• 8.4 덕트에서의 소리소화기 소리성분의 전달 106
• 8.5 저주파수 근거리 전달특성 108
• 8.6 주변 바람에 따른 영향에 관한 연구 109
• 8.7 배전반 소리소화기 적용 112
• 제 9 장 결론 114
• 참고문헌 118