专利名称：开口式热声发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及热声热机、声学、热动力学、热力学和流体力学等技术领域，具体地说， 本发明涉及一种热声发生器。
背景技术：
热声效应是指可压缩性气体工质(第一介质)与处于声场中的固体工质(第二介质)之间进行热力相互作用而导致距离固体边界渗透深度层内产生沿着(或逆着)声传播方向的时均热流和时均功流。基于热声效应发展起来的热声热机，依据回热器所处声场的不同，依次经历了驻波、行波以及行驻波混合型三个阶段的发展历程。从声学结构看，无论是何种形式的热声热机，一般均将回热器、换热器等热声核元件内置于封闭的谐振管。这种封闭式声学结构允许向热声热机内充入MI^级的高压气体，气体工质类型可调，常用工质有氮气、氦气、氩气以及氦氩气混合等，平均充气压力依据设计标准可高达5. 5MPa。封闭式热声热机的功流都是以PmaA为参考进行量纲化，在给定压比IP11 /pffl时，更高的平均压力和高声速的工质可获得更高的单位体积功。同时，气体轻，其热导率高，相应的回热器、换热器内的平板间距大，易于制作，这些都是封闭式热声热机在实际应用中的优势。经过近二十年的研究，封闭式热声热机在工程化应用方面有了长足的发展，主要用于热声制冷和热声发电。1990年，热声发动机首次取代机械式压缩机用于驱动脉管制冷机，目前已达到最低制冷温度为液氢温度。在2003年，热声发动机的应用拓展到发电领域，用于驱动线性交流电机发电，目前可获得400百瓦级电量。但是以上封闭式热声热机会限制声能向开放空间的输出，在声能应用上较为局限。2010年，Slaton研制出一台开口式驻波热声发动机，该系统采用Helmholtz管的形式， 内置热声核，能将声波直接输出，在输入热量275W时，出口声压级为81dB。开口式与封闭式热声系统最大的不同是谐振管末端是开口的。封闭式热声系统中的气体工质在密闭空间中，具有稳定的边界条件，并且可根据应用的不同，选用不同的充气压力和工质，因此运行参数的条件灵活多变，可以配合结构参数实现热声系统性能的优化。而开口式驻波热声系统的边界面向大气环境，工作在常压空气下，可调节的运行参数有限，并且系统的声压级与封闭式热声系统相比有较大差距，导致热声转化效率较低。综上所述，当前迫切需要一种即可以方便地向开放空间输出声能，又具有较高声压级的热声系统。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种即可以方便地向开放空间输出声能，又具有较高声压级的开口式行波热声发生器。为实现上述发明目的，本发明提供了一种开口式热声发生器，包括热声发生管和开口式谐振管，所述热声发生管内安装有冷端换热器、回热器和热端换热器；所述热声发生管内的阻抗最大点位于行波相位区域内，所述冷端换热器布置在所述阻抗最大点处，所述
3冷端换热器、所述回热器和所述热端换热器依次布置在所述行波相位区域内；所述热声发生管的输出端与所述开口式谐振管的输入端连通；所述行波相位区域指工质振荡压力与体积流率的相位差在-75° 75°的区域；所述阻抗是热声发生管内工质的振荡压力和体积流率的比值，即阻抗Z、， 其中P1和U1分别为工质的振荡压力和体积流率。进一步地，所述冷端换热器、回热器和热端换热器尽可能布置在工质振荡压力与体积流率的相位差接近0的区域内。所述阻抗最大点的阻抗值为10，,其中P。为工质的密度，A为热声发生管的横截面积，a为声速。 所述热声发生管是环形管，所述热声发生管通过三通与所述开口式谐振管连通。所述热声发生管是直线管，所述开口式谐振管嵌套在所述热声发生管内并与所述热声发生管同轴。所述热声发生管内还布置有热缓冲管和副冷端换热器。所述热声发生管内还布置有惯性管。所述热声发生管内还布置有容腔管。所述开口式谐振管包括相互连通的等径管和聚声口，所述等径管用于稳定所述热声发生器的频率及将声功输送到所述聚声口 ；所述聚声口用于减小声功损耗。所述聚声口的轮廓呈现线性变化或指数变化。与现有技术相比，本发明具有下列技术效果1、本发明能够克服封闭式热声系统不能向开口空间传播声能的困难。2、本发明大幅度地提高开口式热声系统的声压级。在二百瓦级加热量以上，本发明可以在出口处获得130dB以上的声压级，此声压级已达到低频声源可应用的范围，有望解决现有低频声波发生器声压低、装置复杂、声学性能重复性差等问题，可以为低频远距离噪声实验研究提供基础声源以及高声强声源的工业应用。
图1示出了本发明实施例1、2的斯特林型开口式行波热声发生器的结构示意图；图2示出了本发明实施例3的同轴型开口式行波热声发生器的结构示意图；图3示出了本发明实施例4的斯特林型的开口式行波热声发生器的结构示意图；图4示出了实施例2的热声发生器的理论振荡压力沿程分布图；图5示出了实施例2的热声发生器的理论体积流率沿程分布图；图6示出了实施例2的热声发生器的理论阻抗幅值分布图和工质振荡压力-体积流率相位差沿程分布图；图7示出了实施例2的热声发生器向大气空间辐射的声压级的实验分布图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。实施例1
根据本发明的实施例1，提供了一种斯特林型开口式行波热声发生器，包括热声发生管和开口式谐振管，采用常压空气为工质。具体地，如图1所示，所述热声发生器主要包括环形圈1、冷端换热器2、回热器3、热端换热器4、热缓冲管5、副冷端换热器6、三通7、惯性管8、容腔管9、开口式谐振管10、等径管11和聚声口 12。所述主冷端换热器2、回热器 3、热端换热器4构成内置式热声核。所述的环形圈1，是由等径或变径空心管件首尾相连形成环形通道，其中心线长度为λ/2或λ，其中λ为波长，等于空气的声速a除以系统谐振频率f，其直径为ΦΙΟπιπι Φ 150mm,在阻抗最大点和行波相位区域布置内置式热声核，在三通7处连接开口式谐振管 10。惯性管8和容腔管9为系统提供足够大的感抗和容抗。一般来说，主冷端换热器布置
在阻抗最大点处。所述阻抗Z、=^"，一般来说，最大阻抗在在(10 60)$范围内。其中P1
和U1分别为空气的振荡压力和体积流率，P ^为工质的密度，A为当地环形圈的横截面积，a 为声速。本发明中，所述的行波相位区域指工质振荡压力-体积流率相位差在-75° 75°内。本实施例中，为获得较高的声压级，需要把内置式热声核尽可能布置在工质振荡压力-体积流率相位差接近O的区域，比如相位差在-45° 45°内的区域。当所述内置式热声核长度较短时，还可以将内置式热声核布置在相位差在-20° 20°内等更接近O的区域。主冷端换热器2用于冷却当地空气，保持在环境温度，可采用平板型或圆孔型结构，其气体通道直径等于阻抗最大点的环形圈内径，其气体孔隙率Φ。= A。gas/A。，其中Acgas， Ac分别为主冷端换热器的气体通道截面积和主冷端换热器的总截面积，Φ。优选范围是 0. 4 0. 9。主冷端换热器2长度为其内空气振荡位移的0. 8 1. 2倍，空气的振荡位移即 21^/ω，其中…和ω分别为主冷端换热器内空气的速度和系统角频率。回热器3是实现热能到声能转化的核心部件，紧邻主冷端换热器2下方放置，可采用平板型、丝网型或针束型结构，其直径等于环形圈相应位置处的内径，其气体孔隙率Φκ = AKgas/AK，其中AKgas，AK分别为回热器的气体通道截面积和回热器总截面积，气体孔隙率、 优选范围是0. 4 0. 9。回热器长度优选范围是λ /200 λ /100。所述的热端换热器4为气体工质提供热量，紧邻回热器3下方放置，可采用平板型或圆孔型结构，其气体孔隙率ΦΗ = AHgas/AH，其中AHgas，Ah分别为热端换热器的气体通道截面积和热端换热器总截面积。气体孔隙率ΦΗ优选范围是0.4 0.9。热端换热器长度优选范围是热端换热器内空气振荡位移的0. 8 1. 2倍。所述的热缓冲管5实现热端换热器4的高温和副冷端换热器6的室温过渡。本实施例中，它是具有一定锥度的圆形管件，热缓冲管紧邻热端换热器4侧的直径等于环形圈内径，其长度约为λ/100 λ/50，其锥度为
权利要求
1.一种开口式热声发生器，包括热声发生管和开口式谐振管，所述热声发生管内安装有冷端换热器、回热器和热端换热器；所述热声发生管内的阻抗最大点位于行波相位区域内，所述冷端换热器布置在所述阻抗最大点处，所述冷端换热器、所述回热器和所述热端换热器依次布置在所述行波相位区域内；所述热声发生管的输出端与所述开口式谐振管的输入端连通；所述行波相位区域指工质振荡压力与体积流率的相位差在-75° 75°的区域； 所述阻抗是热声发生管内工质的振荡压力和体积流率的比值。
2.根据权利要求1所述的开口式热声发生器，其特征在于，所述冷端换热器、回热器和热端换热器布置在工质压力与体积流率的相位差接近0的区域内。
3.根据权利要求1所述的开口式热声发生器，其特征在于，所述阻抗最大点的阻抗值为10， 60，，其中P。为工质的密度，A为热声发生管的横截面积，a为声速。
4.根据权利要求1所述的开口式热声发生器，其特征在于，热声发生管是环形管，所述热声发生管通过三通与所述开口式谐振管连通。
5.根据权利要求1所述的开口式热声发生器，其特征在于，热声发生管是直线管，所述开口式谐振管嵌套在所述热声发生管内并与所述热声发生管同轴。
6.根据权利要求1所述的开口式热声发生器，其特征在于，热声发生管内还布置有热缓冲管和副冷端换热器。
7.根据权利要求1所述的开口式热声发生器，其特征在于，热声发生管内还布置有惯性管。
8.根据权利要求1所述的开口式热声发生器，其特征在于，热声发生管内还布置有容腔管。
9.根据权利要求1所述的开口式热声发生器，其特征在于，开口式谐振管包括相互连通的等径管和聚声口，所述等径管用于稳定所述热声发生器的频率及将声功输送到所述聚声口 ；所述聚声口用于减小声功损耗。
10.根据权利要求9所述的开口式热声发生器，其特征在于，所述聚声口的轮廓呈现线性变化或指数变化。
全文摘要
本发明提供一种开口式热声发生器，包括热声发生管和开口式谐振管，所述热声发生管内安装有冷端换热器、回热器和热端换热器；所述热声发生管内的阻抗最大点位于行波相位区域内，所述冷端换热器布置在所述阻抗最大点处，所述冷端换热器、所述回热器和所述热端换热器依次布置在所述行波相位区域内；所述热声发生管的输出端与所述开口式谐振管的输入端连通；所述行波相位区域指振荡压力与体积流率的相位差在-75°～75°的区域；所述阻抗是热声发生管内工质的振荡压力和体积流率的比值。本发明的热声发生器能够方便地向开放空间输出声能，同时还显著地提高了热声发生器出口处的声压级。
文档编号F03G7/00GK102562506SQ20101059257
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者李青, 谢秀娟 申请人:中国科学院理化技术研究所