工程声学/热声学

人们通常认为声波仅由耦合的压力和位置振荡组成。事实上，温度振荡伴随着压力振荡，当温度振荡存在空间梯度时，就会发生振荡热流。这些振荡的组合产生了丰富的“热声”效应。在日常生活中，声音的热效应太小，不易察觉；例如，在对话水平的声音中，温度振荡的幅度仅约为 0.0001 °C。然而，在加压气体中极强的声波中，这些热声效应可以被利用来创造强大的热机和冰箱。虽然典型的发动机和冰箱依赖于曲轴连接的活塞或旋转涡轮，但热声发动机和冰箱没有运动部件（或最多只有弯曲部件，无需滑动密封）。这种简单性，加上可靠性和相对较低的成本，突出了热声装置在实际应用中的潜力。因此，热声学正从基础科学研究的课题迅速发展到应用研究阶段，并走向重要的实际应用[1]。最近，热声现象已被用于医学领域，用于组织成像。

历史

热声发动机的历史悠久，但参与者稀少。Putnam 和 Dennis[2] 的一篇综述描述了 Byron Higgins[3] 在 1777 年进行的实验，其中通过在大型管道内适当放置氢火焰激发了声振荡。Rijke 管[4] 是 Higgins 工作的早期扩展，现代声学家对其非常熟悉。Higgins 的研究最终发展成为现代脉冲燃烧科学[5]，其应用包括二战中使用的德国 V-1 火箭（“嗡嗡炸弹”）和 Lennox 公司于 1982 年推出的住宅脉冲燃烧炉。Sondhaus 管是最早的热声发动机，它是热声原动机的直接先驱。100 多年前，玻璃吹制工发现，当一个热的玻璃灯泡连接到一个凉爽的玻璃管状茎上时，茎的尖端有时会发出声音，Sondhauss 定量研究了声音音调与装置尺寸之间的关系。

英国物理学家瑞利勋爵在 1896 年对 Sondhauss 管进行了定性解释：“在几乎所有向物体传递热量的案例中，都会发生膨胀，这种膨胀可以用来做机械功。如果由此产生的力的相位有利，则可以维持振动。为了简单起见，可以考虑一个在封闭端热而在开放端逐渐变冷的管子。在最大压缩相位前四分之一周期，空气向内移动，即向封闭端移动，因此从管子的较冷部分到较热部分移动；但实际上，温度的调整需要时间，因此空气的温度偏离了管子相邻部分的温度，倾向于来自空气刚刚离开的那一部分管子的温度。由此得出，在最大压缩相位，空气吸收热量，而在最大稀疏相位，空气释放热量，因此有维持振动的趋势。”

将声振荡强加于气体以引起热泵和制冷效应的历史甚至比热声原动机的历史更短、更新。在一种称为脉冲管制冷机的装置中，Gifford 和 Longsworth 通过对管中气体施加非常低频、高振幅的压力振荡产生了显着的制冷效果。正如他们解释的现象，“如果任何封闭的腔室通过从其表面的一点输送和排空气体而加压和减压，并且流动本质上是平滑的，那么由于伴随着气体压力变化的温度变化以及它们相对于振荡气体流动的时序，热泵将远离其表面上的这一点。”

工作原理

当声波通过具有振动膜片或扬声器的半波长管传输时，压力脉动使内部气体来回晃动。这形成了压缩和加热的区域，以及以气体膨胀和冷却为特征的其他区域。

热声冰箱是一个谐振腔，其中包含一叠热存储元件（连接到冷热换热器），其位置使得气体来回运动发生在叠片内。振荡的气体包裹从叠片吸收热量，并在另一个位置将其沉积到叠片上。该装置“就像一个水桶接力队”一样，从冷换热器中去除热量并将其沉积到热换热器上，从而形成制冷单元的基础。[1] 热声现象的控制数学方程如下所示。

驻波系统

热声发动机 (TAE) 是一种将热能转换为声能形式的功的装置。热声发动机利用气体中驻波共振产生的效应进行工作。驻波热声发动机通常具有称为“叠片”的热声元件。叠片是一个具有孔隙的固体组件，允许工作气体流体在与固体壁接触的同时振荡。气体的振荡伴随着其温度的变化。由于在振荡气体中引入了固体壁，因此板在幅度和相位上都改变了原始的、未受扰动的气体温度振荡，距离板的热穿透深度δ=√(2k/ω) 处，其中 k 是气体的热扩散率，ω=2πf 是波的角频率。热穿透深度定义为热量在 1/ω 时间内可以通过气体扩散的距离。在以 1000 Hz 振荡的空气中，热穿透深度约为 0.1 毫米。驻波 TAE 必须供应必要的热量以维持叠片上的温度梯度。这是通过叠片两侧的两个换热器来完成的。

如果我们将一个薄的水平板放在声场中，则振荡气体与板之间的热相互作用会导致热声效应。如果板材料的热导率为零，则板中的温度将完全与图 1b 中的温度曲线相匹配。将图 1b 中的蓝线视为该位置处板的温度曲线。板中的温度梯度将等于所谓的临界温度梯度。如果我们将板左侧的温度固定在环境温度 T_a（例如，使用换热器），则右侧的温度将低于 T_a。换句话说：我们已经制造了一个冷却器。这是热声冷却的基础，如图 2b 所示，它代表了一个热声冰箱。它在左侧有一个扬声器。该系统对应于图 1b 的左侧一半，叠片位于蓝线的位置。冷却在温度 T_L 处产生。

也可以将板右侧的温度固定在 T_a 并加热左侧，以便板中的温度梯度大于临界温度梯度。在这种情况下，我们已经制造了一个发动机（原动机），它可以例如产生声音，如图 2a 所示。这是一种所谓的热声原动机。叠片可以用不锈钢板制成，但该装置也适用于松散堆积的不锈钢棉或筛网。它在左侧加热，例如，通过丙烷火焰加热，并且通过换热器向环境温度释放热量。如果左侧的温度足够高，系统就会开始发出很大的声音。

热声发动机仍然存在一些局限性，包括：

• 该装置通常具有较低的功率体积比。
• 获得高功率密度需要非常高的工作流体密度。
• 用于将声能转换为电能的商用线性交流发电机与旋转发电机相比，目前的效率较低。
• 只有昂贵的特制交流发电机才能提供令人满意的性能。
• TAE 使用高压气体来提供合理的功率密度，这带来了密封挑战，特别是如果混合物中含有氦气等轻气体。
• TAE 中的换热过程对于维持功率转换过程至关重要。热换热器必须将热量传递到叠片，而冷换热器必须维持叠片上的温度梯度。然而，可用的空间受到小型尺寸和其对波路径造成的阻塞的限制。振荡介质中的换热过程仍在广泛研究中。

• 在高压比下工作的热声发动机内部的声波会受到多种非线性的影响，例如由于粘性效应而耗散能量的湍流，以及在基本频率以外的其他频率上携带声功率的不同频率的谐波产生。

热声发动机的性能通常通过以下几个指标来表征：

• 第一和第二类效率。
• 起始温差，定义为堆叠两侧产生动态压力的最小温差。
• 所得压力波的频率，因为此频率应与负载设备（热声冰箱/热泵或线性交流发电机）所需的共振频率匹配。
• 谐波失真度，表示所得动态压力波中高次谐波与基波的比率。
• 所得波频率随TAE工作温度的变化

行波系统

图3是行波热声发动机的示意图。它由一个谐振腔管和一个包含再生器、三个换热器和一个旁路回路的回路组成。再生器是一种具有高热容的多孔介质。当气体在再生器中来回流动时，它会周期性地储存和吸收再生器材料的热量。与堆叠相反，再生器中的孔隙远小于热穿透深度，因此气体与材料之间的热接触非常好。理想情况下，再生器中的能量流为零，因此回路中的主要能量流是从热换热器通过脉冲管和旁路回路到再生器另一侧的换热器（主换热器）。回路中的能量通过行波传输，如图1c所示，因此称为行波系统。再生器两端体积流量之比为T_H/T_a，因此再生器充当体积流量放大器。就像驻波系统一样，如果温度T_H足够高，机器会“自发”产生声音。产生的压力振荡可以以多种方式使用，例如发电、冷却和热泵。

热声机器

热声机器主要有两种

1. 热声原动机
2. 热声冰箱

驻波演示冰箱

热声系统的基本组件

热声机器通常由以下部分组成：

1. 声驱动器
2. 堆叠或再生器
3. 换热器
4. 谐振器

声驱动器

电动驱动器用于一类电驱动热声制冷系统。驱动器的机械和电气特性，以及驱动器活塞处的声学负载阻抗，决定了执行器的机电效率。当然，机电效率是制冷系统整体效率的关键因素。因此，开发能够预测任何此类驱动器在不同工作条件和负载下的效率的模型非常有用。使用等效电路对扬声器进行线性建模的详细描述很容易获得。[2]

机电驱动器的等效电路

已经提出了几种基于此类线性模型的方法来实验确定模型参数。

堆叠

在热声冰箱中，堆叠是发生热声现象的主要部件。下面显示了用于驻波热声冰箱的两种不同材料的堆叠。

换热器

热声冰箱中使用的换热器会影响谐振腔中产生的声场。存在许多设计限制，例如换热器的孔隙率和高传热系数以提高效率。由于这些限制，使用了特殊类型的换热器。下面显示了一个典型的微通道铝换热器。

谐振器

这是冰箱的一部分，其唯一作用是维持声波。因为它是一个导致热量损失并增加体积的死体积，所以四分之一波长谐振器优于半波长谐振器。

参考文献

• Greg Swift 等人，“用于天然气液化的热声学”，LNG技术。
• L. L. Beranek，《声学》，麦格劳-希尔，纽约。
• R. W. Wakeland，“在热声冰箱中使用电动驱动器”，《美国声学学会杂志》107，827-832，2000。