一种热声制冷实验演示装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及理化教学演示设备相关技术领域，具体的说，是涉及一种热声制冷实 验演示装置。
【背景技术】
[0002] 热声制冷的概念是美国LosAlamos国家实验室的J.C.Wheatley等人在20世纪 80年代提出的。世界上第一台采用扬声器驱动的热声制冷机是1985年由美国海军研究生 院的Hofler研制成功的。
[0003] 虽然热声制冷机目前还处于试验样机和某些特殊场合应用阶段（如冷却航天飞 机上的红外传感器及海军舰船上的雷达电子系统等），但因其在稳定性、使用寿命、环保 (使用无公害的流体为工作介质）及无运动部件等方面的优势以及在普冷和低温等领域潜 在的应用前景，近二三十年来，热声制冷机迅速成为了制冷领域一个新的研究热点。
[0004] 从原理上来说，热声效应是指由于处于声场中的固体介质与震荡流体之间的相互 作用，使得距固体壁面一定范围内沿着（或逆着）声传播方向产生的热流，并在这个区域内 产生（或者吸收）声功的现象。
[0005] 按能量转换的方式不同，热声效应可分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声 震荡；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输。
[0006] 扬声器驱动的热声制冷机是按照第二类原理来进行工作的。只要具备一定的条件 热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。
[0007] 假设在振荡工质气体场中加人一块沿气体振荡方向放置的平板，分六个阶段来分 析气体微团在一定声频率下沿平板作往复运动时温度和体积的变化，主要过程如图1所 不。
[0008] 图1中，圆的大小表示气体微团体积的大小，设平板温度为T，气体微团最初处于 位置1 (x-〇)，温度为T，声波驱动气体微团向右到达位置2,微团被绝热压缩，温度上升到 T++。因气体温度高于平板温度，热量Q由气体微团流向平板，微团体积缩小，温度降到T+。
[0009] 热流也引起位置X+处平板温度的升高。接着，气体微团由位置3绝热运动到位置 4,到达一个新的温度T-，然后再绝热膨胀到位置5,温度为T -。此时气体温度低于平板温 度，热量Q从平板流向气体微团，气体微团受热膨胀，温度回升到T--，热流同时引起平板温 度在X-处下降。
[0010] 气体微团再向右运动，经绝热压缩过程重新回到起始位置1，完成热力循环。于是 气体微团向右运动对平板放热，向左运动从平板吸热。热量被转移到平板右方，而平板左方 被冷却。完成一个循环。
[0011] 虽然热声制冷从原理上可以非常清楚的进行说明，但是较为抽象。学生在进行学 习研究时，无法在宏观上对热声制冷进行了解，因此实际教学效果与预期存在较大差异。
[0012] 现有技术中，已经有关于热声制冷教学演示方面的研究。例如：申请号为 2009100862318的中国专利文献记载了一种共振型热声制冷演示仪。该装置中包括音频信 号发生器，发生器的两端分别与扬声器和功率放大器连接，扬声器置于减震垫上，同时还设 置有谐振管、密封圈、热声堆和铜塞。并通过温度计进行温度显示。
[0013] 该装置在一定程度上能够协助学生进行热声制冷的宏观理解，但是其扬声器为直 接置于空气中，演示的过程中会发出较大的噪音，极大的降低了实验的趣味性，在另一定程 度上引起学生反感。同时其能量转换结构设计不是很合理，无法使得学生通过触摸来直接 体验热声制冷的实质含义。
[0014] 因此，有必要设计一种全新结构的热声制冷演示仪器，来解决上述问题。
【发明内容】
[0015] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种热声制冷实验演示装置。 本装置通过设计全新的结构，能够较好的使学生在宏观加深对热声制冷原理的理解，且噪 音较小，深受学生喜爱。
[0016] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0017] -种热声制冷实验演示装置，包括：
[0018] 谐振管，谐振管内设有板叠，板叠的两侧分别紧贴有换能器，换能器的外侧紧贴有 温度传感器；
[0019] 所述谐振管的一端与壳体连接，谐振管的另一端与声容连接；
[0020] 所述壳体内设置有扬声器，声容内设有拾音器；
[0021] 扬声器发出声波，使谐振管内的空气进行谐振波动，则两换能器的温度就出现差 异，完成热声制冷演不。
[0022] 优选的，所述壳体为密闭结构。
[0023] 优选的，所述壳体内部的真空度小于latm。
[0024] 优选的，所述壳体内设有隔音棉。
[0025] 优选的，所述板叠的中心位于谐振管的四分之一处。
[0026] 优选的，所述扬声器与置于壳体外部的控制单元相连接，且温度传感器将信号传 递至控制单元。
[0027] 优选的，所述控制单元为电脑或触摸屏。
[0028] 优选的，所述换能器为铜网。
[0029] 优选的，所述换能器的表面套有密封环，密封环被换能器挤压在谐振管内壁上。
[0030] 本发明的有益效果是：
[0031] (1)通过设置两换能器，提高了板叠两端能量的转换效率。能量转换后在通过温度 显示器进行显示的同时，板叠两端的谐振管可以让学生直接用手进行触摸感受温差，更好 的理解热声制冷的原理。
[0032] (2)扬声器设置在密闭的壳体中，且壳体内设有隔音棉，能够在一定程度上隔绝扬 声器发出的噪音。
[0033] (3)壳体处于较低真空度的真空状态时，实验过程中发出的噪音基本可以忽略，又 不会影响声波的传播，在本质上保证了实验的趣味性，不会使学生产生厌恶。
[0034] (4)通过电脑或触摸屏实时显示板叠两端的温度变化，也能显示温差曲线及输出 波形。并能够便于控制实验的输出频率、输出波形，完全不用依靠其他实验仪器的辅助，且 触摸屏的小巧，方便等优点，大大减小了实验仪器的体积。
【附图说明】
[0035] 图1是本发明中【背景技术】部分提及的原理示意图；
[0036] 图2是本发明的结构示意图；
[0037] 其中：1、声容，2、拾音器，3、谐振管，4、温度传感器，5、板叠，6、温度传感器，7、壳 体，8、隔音棉，9、扬声器，10、控制单元，11、换能器，12、密封环。
【具体实施方式】
[0038] 下面将结合附图对本发明进行详细说明。
[0039] 实施例：一种热声制冷实验演示装置，其结构如图2所示：包括谐振管3,谐振管3 内设有板叠5,板叠5的两侧分别紧贴有换能器11，靠上的换能器11外侧紧贴有温度传感 器4,靠下的换能器11外侧紧贴有温度传感器6 ;
[0040] 所述谐振管3的一端与壳体7连接，谐振管3的另一端与声容1连接；
[0041] 所述壳体7内设置有扬声器9,声容1内设有拾音器2。拾音器2是为了检测输入 频率是否为扬声器的共振频率，使得发射波形能量最大，以拾音器2检测到的波形振幅最 大为准。
[0042] 为了起到较佳的隔音效果，防止学生产生厌恶，所述壳体7为密闭结构，且扬声器 9的非发声端被隔音棉8所包裹。因为隔音棉8的存在，能够进一步降低噪音对外界的影 响。
[0043] 作为另一种情况，壳体7也可以进行抽真空处理，形成具有一定真空度非绝对真 空的相对真空环境。例如，真空度为〇5MPa或-0. 06MPa。
[0044] 所述扬声器9与置于壳体7外部的控制单元10相连接。根据需要，控制单元10 可以为电脑或触摸屏。
[0045] 为了提高能量转换效率，所述换能器11为铜网，两换能器11均为20目的铜网。
[0046] 声音在谐振管3内震荡时会产生振动，为了确保板叠5及换能器11不发生位移， 在两个换能器11的外周圈分别套有一橡胶材质的密封环12,使密封环12被换能器11挤压 在谐振管3的内壁上。
[0047] 本装置中，谐振管的要求是尽量减少声能的损耗的同时确保结构紧凑、轻巧并且 有足够强度，谐振管的的形状和长度由其共振频率和声功损耗最小倌来确定。根据边界层 相似理论，谐振管在单位面积上损耗的声功如1
m 由于所有损失能量与共振管管壁表