本发明涉及声学技术领域，具体地说，本发明涉及声学换能器技术领域。
背景技术
目前市场上的声学换能器主要是电声换能器，包括电动式换能器、电磁式换能器、电容式换能器、压电式换能器、磁致伸缩式换能器等。其中电磁式换能器、电容式换能器、压电式换能器、磁致伸缩式换能器由于其发声原理所限，均不适合做低频放音。而电动式换能器的结构简单牢固，方向性强，电声效率高，但是电动式换能器一般难以获得较大的发射声功率。
另外，当前还存在一些其他种类的声学换能器，例如流体动力式换能器、激光声源等。其中，流体动力式声源是将流体(气体或液体)的机械能转化为振动激发周围介质产生声波。目前采用的流体动力式声源有振腔哨(哈特曼声波发生器)、帕尔曼声波发生器、超声旋笛、簧片哨以及单孔或多孔喷注旋转阀等等。在石油开采工业中哈特曼声波发生器激发的超声波在解堵中应用广泛。此类流体动力式换能器的工作频率几乎都落在千赫兹频段，未见低频研究的报道。该类换能器都是使用流体射流作为动力源来激发声波，在流体发声过程中，流场与声场耦合在一起，其技术尚不成熟。
另一方面，在制冷和发电技术领域中存在一种基于热致声效应的热声系统。热致声效应是指可压缩性气体在处于声场中距离固体边界渗透深度层内经历压缩、加热、膨胀和放热的热力学循环，将热能转化为声音。早在1850年，sondhauss发现：一端封闭的玻璃球连接一端开口的中空玻璃管，在封闭端加热就可以发出声音。1962年，美国新墨西哥大学的carter和他的学生feldman在sondhauss管中加入回热器，大大加强了管内的热声效应，研制出世界上第一台有显著声功输出的热声系统。从提高热声转化效率、增大声功和工程化应用的角度考虑，各国热声学者开展了广泛的热声热机研究，提出了多种创新性的封闭声学结构，发展了驻波型、行波型和级联型热声热机，以达到热声技术逐步工程化的目的。目前，主要应用方向是在封闭高压的热声系统内实现热声转化，并利用声波(机械波)实现混合气体分离、制冷和发电。
2010年，slaton研制出一台开口式驻波热声系统，该系统仅包括开口赫姆霍兹谐振管、板叠以及冷热端换热器，结构简单，谐振频率依据谐振管长度的不同从9hz到16hz可调。该驻波热声发生器在输入热量为275w的条件下，能将声波直接向大气空间输出，出口声压级为81db。slaton期待此类开口式热声系统在大幅度提高声压级后，作为一种热声形式的声学换能器，在低频声源研究等方面得到应用。该驻波热声发生器的工作过程大致分为二步：将热能通过热声效应的物理机制，带动气体介质振动产生声波，同时向外辐射。
中国科学院理化技术研究所提出了一种开口式行波热声发生器(专利号：zl201010592573.x)，它利用热量实现热量和声能的转化，可大幅度提高slaton的开口式驻波热声系统的声压级。进一步地，2011年，谢秀娟等成功研制了这种新型的开口式行波热声发生器，在210w的输入热量下，出口声压级可达到133db。该开口式热声发生器结构简单，起振温度较低，易于起振，理论上可以发展成为一种新型的声学换能器，在低频领域发挥作用。然而，该项技术还存在辐射作用距离短、向外辐射声强不足等问题。要提高对外辐射声强的方式有两种：一是进一步通过对开口式热声发生器内的回热器、换热器和谐振管等关键热声元件的尺寸匹配，以达到声场的优化设计，从而提高自身产生的声功，同时，减小开口式热声发生器自身的声功损耗；二是通过特殊的热声发生器结构设计，增强对外的辐射声强。然而，上述两种方法提高辐射声强的幅度有限，通常在10～20％以内，仍然难以满足长距离、指向性要求高的应用场合。
技术实现要素：
本发明的目的是提供能够显著提高热声发生器的输出声功的解决方案。
本发明提供了一种阵列式热声发生器，包括至少两个热声发生器单元；具有至少两个输入通道和一个输出口的汇聚管，以及开口式谐振管；
其中，每个热声发生器单元连接汇聚管的一个输入通道，所述汇聚管的各个输入通道的输出端交汇，并在交汇处设置所述输出口，所述输出口与所述开口式谐振管连接，各个所述热声发生器单元的输出端阻抗、各个所述输入通道的长度和管径的取值能够使得汇聚管的交汇处形成波峰与波峰叠加、波谷与波谷叠加的效应。
其中，所述汇聚管的输入通道交汇处的声压相位差小于90度。
其中，各个所述热声发生器单元的输出端阻抗、各个所述输入通道的长度和管径的取值能够使得汇聚管的交汇处同时满足压力的连续性要求和体积流率连续性要求。
其中，各个所述热声发生器单元的输出端阻抗、各个所述输入通道的长度和管径的取值使得：
z等径管始端为等径管的始端阻抗，它通过聚声管开口处阻抗、等径管的长度和截面积、聚声管的轮廓采用的线型及其尺寸参数计算得出，具体计算可参考文献：张海澜，理论声学，高等教育出版社，2012：329-332。zxo为第x输入通道的终端阻抗，x＝1、2、…、n，n为汇聚管的输入通道的数目。聚声管开口处阻抗可依据无限大障板上圆形活塞的辐射阻抗计算，其与开口处半径、系统工作频率有关。在聚声管尺寸和系统工作频率确定的情况下，开口处阻抗为定值，具体计算可参考文献：杜功焕等，声学基础，南京大学出版社，2001：356-362。
其中，对于任意一个输入通道x，其始端阻抗zxi根据下式计算：
其中zxo为第x输入通道的终端阻抗，zxc为第x输入通道的声特性阻抗，
对于与第x输入通道连接的所述热声发生器单元，该热声发生器单元的结构和设计参数能够使得该热声发生器单元单独工作时的输出端阻抗等于或接近于所计算出的第x输入通道的输入端阻抗。
其中，所述热声发生器单元与多通道汇聚管的输入通道之间采用螺纹密封的方式连接，多通道汇聚管的输出口与开口式谐振管之间也采用螺纹密封的方式连接。
其中，各热声发生器单元成等多边形的方式布置。
其中，所述热声发生器单元成阵列方式布置。
与现有开口式热声发生器相比，本发明的优势在于：
1、本发明的阵列式热声发生器声强高、作用距离长，指向性强。
2、本发明的能够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。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1是示出了发明一个实施例的基于两个同轴型开口式行波热声发生器单元的阵列式热声发生器；
图2示出了图1的阵列式热声发生器的a-a截面图；
图3示出了本发明一个实施例中的具有三个热声发生器单元的三角形分布的开口式热声发生器阵列装置的a-a截面图；
图4示出了本发明一个实施例中的具有四个热声发生器单元的正方形分布的开口式热声发生器阵列装置的a-a截面图；
图5示出了本发明一个实施例中的具有五个热声发生器单元的等五边形分布的开口式热声发生器阵列装置的a-a截面图；
图6示出了本发明一个实施例中的具有六个热声发生器单元的等六边形分布的开口式热声发生器阵列装置的a-a截面图；
图7示出了本发明一个实施例中的矩阵式分布的热声发生器单元阵列的a-a截面图。
具体实施方式
下面的说明和附图将详细阐述本发明的开口式热声阵列发生器的应用实施例和典型实施例。但是，可以在不违背本发明的原理的前提下，对具体实施方式做出各种可能的修改和变更。
如前文所述，现有的开口式热声发生器还存在辐射作用距离短、向外辐射声强不足等问题。要提高对外辐射声强的方式有两种：一是进一步通过对开口式热声发生器内的回热器、换热器和谐振管等关键热声元件的尺寸匹配，以达到声场的优化设计，从而提高自身产生的声功，同时，减小开口式热声发生器自身的声功损耗；二是通过特殊的热声发生器结构设计，增强对外的辐射声强。然而，上述两种方法提高辐射声强的幅度有限，通常在10～20％以内，仍然难以满足长距离、指向性要求高的应用场合。而发明人提出了一种全新的解决方案，即使用多个热声发生器单元组成热声发生器阵列，并使得来自于各个热声发生器单元的声波在一定的传输距离上形成压力波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加的效应，进而实现声强成倍数增加的传播效果，从而显著增强整个热声发生装置出口处的声压级。
下面结合附图来描述本发明的各个实施例。
图1示出了本发明一个实施例的基于两个同轴型开口式行波热声发生器单元的阵列式热声发生器。参考图1，该阵列式热声发生器包括，两个热声发生器单元1、多通道汇聚管2和开口式谐振管3。其中，多通道汇聚管2包括分别对应于两个同轴型开口式行波热声发生器单元的两个输入通道和一个与开口式谐振管3连接的输出口。
每个同轴型开口式热声发生器单元都可以视为一个独立的热声发生器，其出口处连接多通道汇聚管的一个输入通道。一个例子中，阵列式热声发生器的各个热声发生器单元的谐振室中内置的热声元件依次包括热端管、热端换热器、回热器、冷端换热器。在工作时，热端换热器和冷端换热器为回热器两端建立温差，当温差大于系统的临界温差时，系统起振，产生声功。回热器产生的声功的驻波成分在当地维持振荡，行波成分输入多通道汇聚管2的对应通道。热声发生器单元的内部构造可参考：文献swiftgw.thermoacousticengines.jacoustsocam,1988,84(4):1145–1180；slatonwv.anopen-airinfrasonicthermoacousticengine.applacoust,2010,71:236–240，本文中不再赘述。本实施例中，各个热声发生器单元均采用相同的工作频率(工作频率也就是输出声功的频率)。图2示出了图1的阵列式热声发生器的a-a截面图。
多通道汇聚管用于将来自于多个热声发生器单元的声波汇聚到一起，并且通过设计特定的输入通道长度和管径，使得来自于各个热声发生器单元的声波在一定的传输距离上形成压力波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加的效应，进而实现声强倍数增加的传播效果。
为了使得来自于各个热声发生器单元的声波在一定的传输距离上形成压力波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加的效应，多通道汇聚管在设计上同时满足以下要求：
a)压力的连续性要求：p11＝p12＝……＝p1n；
b)体积流率连续性要求：
其中ρ0为工质的密度，p1x为输入通道x#出口处工质的振荡压力，u1x为输入通道x#出口处工质速度，ax为当输入通道x#的横截面积。其中，x表示1到n的任意一个整数。开口式热声发生器中的工质通常是空气。
输入通道1#的始端(入口处)和终端(出口处)的阻抗分别表示为z1i和z1o，通道2#的始端和终端的阻抗分别表示为z2i和z2o，通道n#的始端和终端的阻抗分别表示为zni和zno，则
其中l1，l2，…，ln为输入通道1#～n#的长度，ω是整个系统的设计频率，即整个阵列式热声发生器的工质振荡频率。这个振荡频率由各个热声发生器单元结构尺寸共同决定，通常来说，各个热声发生单元均采用相同的工作频率。lx是第x通道(即输入通道通道x#)的长度，其中x＝1、2、…、n。本实施例中，一个通道的长度指的该通道的中轴线的长度。每个热声发生器单元的输出口就是所对应的通道的输入口。各个通道中轴线的汇聚点，视为各个通道的输出口。对于任一通道，确定其输入口和输出口后，即可确定其中轴线的长度，从而得出对应的lx值。
本实施例中，开口式谐振管包括等径管和聚声管。其中，等径管用于稳定从汇聚管输出的声波的频率并将声功输送到聚声管。本实施例中，聚声管的轮廓采用利于减小声功损耗的线形，例如聚声管的轮廓采用呈现线性、指数或双曲线变化的线形。阵列式热声发生器的各个热声发生器单元输出的行波成分沿多通道汇聚管2、等径管9和具有特殊线形的聚声管10输出到开口空间。所述的等径管长度约为λ/4，其直径为ф10mm－ф150mm，
所述的聚声管10的初始直径фc0等于等径管9直径。聚声管10的初始横截面积ac0，末端截面积
在聚声管的开口处(即聚声管的末端)，阻抗可依据上文所述计算得到；当等径管的长度和截面积已知，聚声管的轮廓采用的线型及其尺寸参数也已知时，即可反推得到等径管起始端的阻抗。由于等径管与多通道汇聚管的出口连接，所以等径管的始端阻抗就是多通道汇聚管的输出端的阻抗。而根据前文所述的压力的连续性要求和体积流率连续性要求，即可得出满足要求的多通道汇聚管的各个通道的输出端阻抗。即：
z等径管始端为等径管的始端阻抗，其计算可参考上文所述。本文中有时也将汇聚管的通道称为输入通道，将汇聚后的输出端称为输出口。
在得到各个通道的输出端阻抗zxo后，可根据始端和终端阻抗的关系式，进一步得出各个通道的始端阻抗zxi。各个通道的始端阻抗分别对应于相应热声发生器单元的输出端阻抗，也就是说，在设计每个热声发生器单元时，只要其输出端阻抗等于所计算出的对应通道的始端阻抗，即可满足要求，进而使整个系统形成压力波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加的效应，进而实现声强压成倍数增加的传播效果。
当然，在具体实现上，也可以先设计各个热声发生器单元，并通过仿真或者实测得到该热声发生器单元的输出端阻抗，然后再通过调整多通道汇聚管的各个通道的管径和长度，来获得所需的该通道的输出端阻抗。这样就降低了各个热声发生器单元的装配和设计难度。即便热声发生器单元的实际输出端阻抗与设计目标存在偏差，也可以通过调整多通道汇聚管的各个通道的管径和长度来获得所需的汇聚处的输出端阻抗，进而形成压力波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加的效应。
本实施例各个热声发生器单元与多通道汇聚管之间可以采用螺纹密封的方式连接，当然也可以采用其它密封连接方式。多通道汇聚管与开口式谐振管之间也可以采用螺纹密封的方式连接，当然也可以采用其它密封连接方式。
理论上说，基于两个相同热声发生器单元的阵列式热声发生器输出的声功可达到单个热声发生器单元的两倍。但实际装配的阵列式热声发生器往往难以精确地达到让每个热声发生器单元的输出波峰与波峰叠加、波谷与波谷叠加的效果，所以损耗是难以避免的。只要各个通道的汇聚处(即各个通道的输出端)的声压的相位差小于90度，即可实现增强声功的效果。而基于前文的各个通道的阻抗公式设计管径和截面，能够很好地抑制各个通道的输出端的相位差，从而显著地提高阵列式热声发生器输出的声功。
基于上述原理，还可以设计出其它结构的阵列式热声发生器。例如，图3示出了本发明一个实施例中的具有三个热声发生器单元的三角形分布的开口式热声发生器阵列装置的a-a截面图(本文中未画出该实施例的阵列式热声发生器的主视图，这里的a-a截面是指阵列式热声发生器垂直于等径管轴线且能够截取所有热声发生器横截面的截面，图4～7也是如此，下文不再赘述)。图4示出了一个实施例中的具有四个热声发生器单元的正方形分布的开口式热声发生器阵列装置的a-a截面图。图5示出了一个实施例中的具有五个热声发生器单元的等五边形分布的开口式热声发生器阵列装置的a-a截面图。图6示出了一个实施例中的具有六个热声发生器单元的等六边形分布的开口式热声发生器阵列装置的a-a截面图。这些变形的实施例的设计原理与前文描述的第一个实施例完全一致，因此不再赘述。
图7示出了本发明一个实施例中的矩阵式分布的热声发生器单元阵列的a-a截面。该实施例的设计原理与前文描述的第一个实施例完全一致，不再赘述。
综上所述，本发明针对单个开口式热声发生器辐射声强不足的缺陷，将多个独立的开口式热声发生器单元通过不同的结构设计进行组合，在一定的传输距离上形成压力波的波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加的效应，进而实现声强倍数增加的传播效果。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明，而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。