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热声制冷机中声学非线性效应的研究

葛欢  
【摘要】:热声制冷技术具备高可靠性,高稳定性,环保无污染等优势,在军用、工业应用乃至日常生活中都呈现出了广阔的应用前景。本文旨在对扬声器驱动的热声制冷机中的相关非线性效应进行研究,为热声制冷机的优化提供一些参考。第一章回顾了热声效应热与热声制冷机的发现、研制和发展历史,并从声源、板叠、管中大振幅声波、声-热能量转换以及整体模型等多个方面归纳总结了热声制冷机相关非线性效应的研究进展。第二章着重研究热声板叠的非线性阻抗。首先介绍了热声板叠的种类、构造方法以及结构参数,如长度、孔隙率、弯曲度等。并根据板叠弯曲度的不同将热声板叠分为有序型(包括平板型,圆孔型等)和无序性(包括铜网型,多孔材料型等)两大类。然后简要介绍了有序型热声板叠的线性阻抗理论,给出了板叠中任意位置的阻抗以及声压,指出板叠的声阻抗直接影响到热声制冷机中的能量功率流W和热流Q,进而影响到系统的工作效率。在此基础之上,作者类比多孔材料的流体阻抗,设计实验对铜网型、平板型以及圆孔型热声板叠的阻抗-声压曲线进行了测量。根据实验结果建立了热声板叠的非线性阻抗理论模型,并提取出线性阻尼,非线性系数以及等效声质量三个描述热声板叠声阻抗的重要参量。同时,基于大量实验数据分析了板叠孔隙率、长度、结构以及声波频率等参数对板叠声阻抗的影响。此外,作者还借鉴“小损耗”理论以及弯曲度的概念对实验结果进行了解释,并获得了非线性阻抗理论模型与“小损耗”理论之间的统一。研究结果对热声制冷机中板叠的选用,系统非线性条件下的阻抗匹配等都有一定的借鉴意义。第三章主要研究了简易热声制冷机系统中的声场非线性以及声源扬声器振膜的非线性振动情况。首先提出了一种简易的热声制冷机模型,并结合实际参数对该模型中的线性声场分布、质点速度分布以及第一、第二谐振频率点进行了理论计算。其次通过实验对系统第一、二谐振频率进行了测量,并在两个谐振频率附近对不同强度驱动下的谐振管末端的声压频率响应曲线以及扬声器振膜的位移频率响应曲线进行了测量。根据实验数据分别对同一谐振频率附近不同强度驱动下的声场非线性表现以及不同谐振频率附近相同强度驱动下的声场非线性强弱等现象进行了比较。这些研究结果对热声板叠在谐振管中位置的选择,系统工作频率的选择等都有一定的参考价值。


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