熱聲核特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究及高頻微型熱聲實(shí)驗(yàn)裝置的研制.pdf

1、本文的課題是在多項(xiàng)科學(xué)基金的資助下完成的，以高頻熱聲裝置的微型化為研究背景，以熱聲核為研究對(duì)象，在分析了熱聲核的特性參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了采用特征時(shí)間來(lái)作為分析和評(píng)價(jià)熱聲系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以便于指導(dǎo)和分析熱聲系統(tǒng)的理論研究和設(shè)計(jì)工作。通過(guò)對(duì)高頻熱聲制冷機(jī)及其外激勵(lì)裝置微型化的設(shè)計(jì)和性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面來(lái)探索提高熱聲裝置的效率和實(shí)用化的優(yōu)化方法。主要工作內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：首先通過(guò)對(duì)熱聲核的參數(shù)激勵(lì)原理的分析，指出熱聲

2、核子系統(tǒng)符合三頻率參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型，熱聲效應(yīng)中能量的反饋和增益來(lái)自于不同頻率的耦合，因此熱聲核的頻率特性是影響熱聲效應(yīng)的重要參數(shù)。隨著頻率的提高，系統(tǒng)的尺寸變小，其空間尺度和時(shí)間尺度已經(jīng)可以與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間相比，此時(shí)把系統(tǒng)的特征時(shí)間ω0τTA即熱聲弛豫時(shí)間和頻率的乘積一起作為衡量熱聲效應(yīng)的一個(gè)指標(biāo)，可以有效的評(píng)價(jià)熱機(jī)系統(tǒng)的工作性能，通過(guò)采用Zuber的時(shí)變率相似分析方法進(jìn)一步驗(yàn)證了這個(gè)指標(biāo)的可行性，其有助于簡(jiǎn)化以往用于熱聲系統(tǒng)的復(fù)雜的分

3、析方法。其次，鑒于熱聲核在熱聲熱機(jī)中的重要地位和作用，正確的設(shè)計(jì)和選擇高效率的熱聲核就成為熱聲熱機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵一步。由于不同熱聲核與同一諧振管匹配后的頻譜特性不同，導(dǎo)致其對(duì)頻率的選擇性不同。通過(guò)對(duì)二者匹配后的頻率特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)辨識(shí)，比較了五種不同類(lèi)型熱聲核填料的復(fù)流容，在此基礎(chǔ)上，以品質(zhì)因數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)這五種熱聲核的性能進(jìn)行了對(duì)比，以此作為優(yōu)選不同熱聲核與諧振管匹配的依據(jù)。第三，采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法是分析熱聲核中的復(fù)雜流動(dòng)關(guān)系的一個(gè)簡(jiǎn)化而有

4、效的手段，在建立熱聲核子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，利用參數(shù)辨識(shí)技術(shù)對(duì)熱聲核在兩種不同長(zhǎng)度諧振管中的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)聲阻、聲感和聲容分別在加熱和不加熱的情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)辨識(shí)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)辨識(shí)方法可用于熱聲系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)。第四，較高的頻率使得熱聲熱機(jī)的整體尺寸較小，因而要求與其配合使用的所有裝置的尺寸也都比較小，同時(shí)，不降低其工作性能指標(biāo)。結(jié)合熱聲熱機(jī)的實(shí)際特點(diǎn)和工作要求，對(duì)熱聲熱機(jī)的外激勵(lì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行了微型化的優(yōu)化設(shè)

5、計(jì)，以動(dòng)磁結(jié)構(gòu)為基本形式，設(shè)計(jì)并計(jì)算了內(nèi)外兩種磁路結(jié)構(gòu)；以改進(jìn)后的柔性蝸旋彈簧組件作為懸吊結(jié)構(gòu)，對(duì)比了型線(xiàn)改進(jìn)前后的相關(guān)性能指標(biāo)；利用彈性材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整整機(jī)中各部件的同軸度，以有效提高動(dòng)磁激振器的使用壽命，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了內(nèi)磁路結(jié)構(gòu)形式的動(dòng)磁激振器，以替代效率不高的揚(yáng)聲器作為熱聲制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。第五，諧振管的形狀對(duì)于熱聲熱機(jī)的性能有一定的影響，通過(guò)對(duì)圓形截面和扁形截面的兩種諧振管進(jìn)行靜態(tài)模擬計(jì)算分析，提出可以通過(guò)優(yōu)化諧振管的截