工程聲學/熱聲學

人們通常認為聲波僅由耦合的壓力和位置振盪組成。事實上，溫度振盪伴隨著壓力振盪，當溫度振盪存在空間梯度時，就會發生振盪熱流。這些振盪的組合產生了豐富的“熱聲”效應。在日常生活中，聲音的熱效應太小，不易察覺；例如，在對話水平的聲音中，溫度振盪的幅度僅約為 0.0001 °C。然而，在加壓氣體中極強的聲波中，這些熱聲效應可以被利用來創造強大的熱機和冰箱。雖然典型的發動機和冰箱依賴於曲軸連線的活塞或旋轉渦輪，但熱聲發動機和冰箱沒有運動部件（或最多隻有彎曲部件，無需滑動密封）。這種簡單性，加上可靠性和相對較低的成本，突出了熱聲裝置在實際應用中的潛力。因此，熱聲學正從基礎科學研究的課題迅速發展到應用研究階段，並走向重要的實際應用[1]。最近，熱聲現象已被用於醫學領域，用於組織成像。

歷史

熱聲發動機的歷史悠久，但參與者稀少。Putnam 和 Dennis[2] 的一篇綜述描述了 Byron Higgins[3] 在 1777 年進行的實驗，其中透過在大型管道內適當放置氫火焰激發了聲振盪。Rijke 管[4] 是 Higgins 工作的早期擴充套件，現代聲學家對其非常熟悉。Higgins 的研究最終發展成為現代脈衝燃燒科學[5]，其應用包括二戰中使用的德國 V-1 火箭（“嗡嗡炸彈”）和 Lennox 公司於 1982 年推出的住宅脈衝燃燒爐。Sondhaus 管是最早的熱聲發動機，它是熱聲原動機的直接先驅。100 多年前，玻璃吹制工發現，當一個熱的玻璃燈泡連線到一個涼爽的玻璃管狀莖上時，莖的尖端有時會發出聲音，Sondhauss 定量研究了聲音音調與裝置尺寸之間的關係。

英國物理學家瑞利勳爵在 1896 年對 Sondhauss 管進行了定性解釋：“在幾乎所有向物體傳遞熱量的案例中，都會發生膨脹，這種膨脹可以用來做機械功。如果由此產生的力的相位有利，則可以維持振動。為了簡單起見，可以考慮一個在封閉端熱而在開放端逐漸變冷的管子。在最大壓縮相位前四分之一週期，空氣向內移動，即向封閉端移動，因此從管子的較冷部分到較熱部分移動；但實際上，溫度的調整需要時間，因此空氣的溫度偏離了管子相鄰部分的溫度，傾向於來自空氣剛剛離開的那一部分管子的溫度。由此得出，在最大壓縮相位，空氣吸收熱量，而在最大稀疏相位，空氣釋放熱量，因此有維持振動的趨勢。”

將聲振盪強加於氣體以引起熱泵和製冷效應的歷史甚至比熱聲原動機的歷史更短、更新。在一種稱為脈衝管制冷機的裝置中，Gifford 和 Longsworth 透過對管中氣體施加非常低頻、高振幅的壓力振盪產生了顯著的製冷效果。正如他們解釋的現象，“如果任何封閉的腔室透過從其表面的一點輸送和排空氣體而加壓和減壓，並且流動本質上是平滑的，那麼由於伴隨著氣體壓力變化的溫度變化以及它們相對於振盪氣體流動的時序，熱泵將遠離其表面上的這一點。”

工作原理

當聲波透過具有振動膜片或揚聲器的半波長管傳輸時，壓力脈動使內部氣體來回晃動。這形成了壓縮和加熱的區域，以及以氣體膨脹和冷卻為特徵的其他區域。

熱聲冰箱是一個諧振腔，其中包含一疊熱儲存元件（連線到冷熱換熱器），其位置使得氣體來回運動發生在疊片內。振盪的氣體包裹從疊片吸收熱量，並在另一個位置將其沉積到疊片上。該裝置“就像一個水桶接力隊”一樣，從冷換熱器中去除熱量並將其沉積到熱換熱器上，從而形成製冷單元的基礎。[1] 熱聲現象的控制數學方程如下所示。

駐波系統

熱聲發動機 (TAE) 是一種將熱能轉換為聲能形式的功的裝置。熱聲發動機利用氣體中駐波共振產生的效應進行工作。駐波熱聲發動機通常具有稱為“疊片”的熱聲元件。疊片是一個具有孔隙的固體元件，允許工作氣體流體在與固體壁接觸的同時振盪。氣體的振盪伴隨著其溫度的變化。由於在振盪氣體中引入了固體壁，因此板在幅度和相位上都改變了原始的、未受擾動的氣體溫度振盪，距離板的熱穿透深度δ=√(2k/ω) 處，其中 k 是氣體的熱擴散率，ω=2πf 是波的角頻率。熱穿透深度定義為熱量在 1/ω 時間內可以透過氣體擴散的距離。在以 1000 Hz 振盪的空氣中，熱穿透深度約為 0.1 毫米。駐波 TAE 必須供應必要的熱量以維持疊片上的溫度梯度。這是透過疊片兩側的兩個換熱器來完成的。

如果我們將一個薄的水平板放在聲場中，則振盪氣體與板之間的熱相互作用會導致熱聲效應。如果板材料的熱導率為零，則板中的溫度將完全與圖 1b 中的溫度曲線相匹配。將圖 1b 中的藍線視為該位置處板的溫度曲線。板中的溫度梯度將等於所謂的臨界溫度梯度。如果我們將板左側的溫度固定在環境溫度 T_a（例如，使用換熱器），則右側的溫度將低於 T_a。換句話說：我們已經制造了一個冷卻器。這是熱聲冷卻的基礎，如圖 2b 所示，它代表了一個熱聲冰箱。它在左側有一個揚聲器。該系統對應於圖 1b 的左側一半，疊片位於藍線的位置。冷卻在溫度 T_L 處產生。

也可以將板右側的溫度固定在 T_a 並加熱左側，以便板中的溫度梯度大於臨界溫度梯度。在這種情況下，我們已經制造了一個發動機（原動機），它可以例如產生聲音，如圖 2a 所示。這是一種所謂的熱聲原動機。疊片可以用不鏽鋼板製成，但該裝置也適用於鬆散堆積的不鏽鋼棉或篩網。它在左側加熱，例如，透過丙烷火焰加熱，並且透過換熱器向環境溫度釋放熱量。如果左側的溫度足夠高，系統就會開始發出很大的聲音。

熱聲發動機仍然存在一些侷限性，包括：

• 該裝置通常具有較低的功率體積比。
• 獲得高功率密度需要非常高的工作流體密度。
• 用於將聲能轉換為電能的商用線性交流發電機與旋轉發電機相比，目前的效率較低。
• 只有昂貴的特製交流發電機才能提供令人滿意的效能。
• TAE 使用高壓氣體來提供合理的功率密度，這帶來了密封挑戰，特別是如果混合物中含有氦氣等輕氣體。
• TAE 中的換熱過程對於維持功率轉換過程至關重要。熱換熱器必須將熱量傳遞到疊片，而冷換熱器必須維持疊片上的溫度梯度。然而，可用的空間受到小型尺寸和其對波路徑造成的阻塞的限制。振盪介質中的換熱過程仍在廣泛研究中。

• 在高壓比下工作的熱聲發動機內部的聲波會受到多種非線性的影響，例如由於粘性效應而耗散能量的湍流，以及在基本頻率以外的其他頻率上攜帶聲功率的不同頻率的諧波產生。

熱聲發動機的效能通常透過以下幾個指標來表徵：

• 第一和第二類效率。
• 起始溫差，定義為堆疊兩側產生動態壓力的最小溫差。
• 所得壓力波的頻率，因為此頻率應與負載裝置（熱聲冰箱/熱泵或線性交流發電機）所需的共振頻率匹配。
• 諧波失真度，表示所得動態壓力波中高次諧波與基波的比率。
• 所得波頻率隨TAE工作溫度的變化

行波系統

圖3是行波熱聲發動機的示意圖。它由一個諧振腔管和一個包含再生器、三個換熱器和一個旁路迴路的迴路組成。再生器是一種具有高熱容的多孔介質。當氣體在再生器中來回流動時，它會週期性地儲存和吸收再生器材料的熱量。與堆疊相反，再生器中的孔隙遠小於熱穿透深度，因此氣體與材料之間的熱接觸非常好。理想情況下，再生器中的能量流為零，因此迴路中的主要能量流是從熱換熱器透過脈衝管和旁路迴路到再生器另一側的換熱器（主換熱器）。迴路中的能量透過行波傳輸，如圖1c所示，因此稱為行波系統。再生器兩端體積流量之比為T_H/T_a，因此再生器充當體積流量放大器。就像駐波系統一樣，如果溫度T_H足夠高，機器會“自發”產生聲音。產生的壓力振盪可以以多種方式使用，例如發電、冷卻和熱泵。

熱聲機器

熱聲機器主要有兩種

1. 熱聲原動機
2. 熱聲冰箱

駐波演示冰箱

熱聲系統的基本元件

熱聲機器通常由以下部分組成：

1. 聲驅動器
2. 堆疊或再生器
3. 換熱器
4. 諧振器

聲驅動器

電動驅動器用於一類電驅動熱聲製冷系統。驅動器的機械和電氣特性，以及驅動器活塞處的聲學負載阻抗，決定了執行器的機電效率。當然，機電效率是製冷系統整體效率的關鍵因素。因此，開發能夠預測任何此類驅動器在不同工作條件和負載下的效率的模型非常有用。使用等效電路對揚聲器進行線性建模的詳細描述很容易獲得。[2]

機電驅動器的等效電路

已經提出了幾種基於此類線性模型的方法來實驗確定模型引數。

堆疊

在熱聲冰箱中，堆疊是發生熱聲現象的主要部件。下面顯示了用於駐波熱聲冰箱的兩種不同材料的堆疊。

換熱器

熱聲冰箱中使用的換熱器會影響諧振腔中產生的聲場。存在許多設計限制，例如換熱器的孔隙率和高傳熱係數以提高效率。由於這些限制，使用了特殊型別的換熱器。下面顯示了一個典型的微通道鋁換熱器。

諧振器

這是冰箱的一部分，其唯一作用是維持聲波。因為它是一個導致熱量損失並增加體積的死體積，所以四分之一波長諧振器優於半波長諧振器。

參考文獻

• Greg Swift 等人，“用於天然氣液化的熱聲學”，LNG技術。
• L. L. Beranek，《聲學》，麥格勞-希爾，紐約。
• R. W. Wakeland，“在熱聲冰箱中使用電動驅動器”，《美國聲學學會雜誌》107，827-832，2000。