CN101210843A - 一种热声热机声场监测方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热声热机声场监测方法和监测系统，该方法包括步骤：1)采用至少两个声压传感器测量热声系统管内流体工质的声压；2)任选其中两个声压传感器测得的重构管内的流体声压分布；3)重构管内的流体质点流速分布；4)重构管内的声阻抗分布：5)重构管内反射系数的分布；6)重构管内声强的分布。该监测系统，包括在热声热机的待测管的管壁上所开的至少两个测压孔，将至少两个声压传感器与所述测压孔一一对应地密封在所述测压孔中；所述声压传感器与一个相应的信号调理器连接，所述信号调理器的输出信号进入一个信号处理装置，处理结果在一输出显示设备上输出和显示。本发明的优点是：实时诊断监测，精度高。

Description

一种热声热机声场监测方法及监测系统

技术领域

本发明涉及热声热机技术，特别涉及一种热声热机声场重构方法及监视系统。

背景技术

热声热机包括热声发动机和热声制冷机，是一种无运动部件，对环境友好的新型热机，自其问世以来受到了广泛的关注。一个热声热机系统通常由热声系统管段、回热器、热交换器和高压气体工质组成，声驱动的热声制冷机还包括声源部件。

通过在热声热机管段管壁上的某点设置声压传感器，可以测量该点振荡流体的声压。为了进一步研究热声热机内部声场的规律，还希望得到热声系统管段内振荡流体的质点速度分布。已有的方法是使用激光多普勒测速仪测量管内流体的质点流速。这样，通过在热声系统管段的沿程连续设置多个声压传感器，并利用激光多普勒测速仪测量每个压力测点处流体的质点流速，就可以测量出热声热机管段中声压和质点流速的分布情况。获得这些信息对于监测热声热机的工作状态，优化热机性能具有重要意义。

以上提到的测量热声热机内声场分布的方法存在以下问题：

首先激光多普勒测速仪只有在管壁能透过光线的情况下才能测量管内流体的质点流速，为了在已有的热声装置中使用该测量方法，必须对其进行结构上的改造，用透明的玻璃管替代原来的金属管段，玻璃管的引入限制了系统的承压和密封性能，给被测系统的声场造成了严重的影响，由于实验的管子与实际热声系统管子的差别，所以测试结果的可用性受到较大的影响。

其次该技术基于多个点上声压和流速的直接测量，测点是空间上若干个离散的点，在管段中没有布置测点的位置，只能用相邻两点的数值进行插值，测量的精度受测点个数的多少影响。也就是说，要想提高测量的精度，就必须增加测点的个数，这势必会提高测量系统的造价，增加测量用时。

此外，该技术无法用于声场的实时测量。由于要使用激光多普勒测速仪对各测点的质点流速依次进行测量，导致了无法在同一时刻测量所有测点的质点流速。对于稳定运行的热声装置，这种顺序的测量是可行的，但是对非稳态运行的装置，为了测量瞬时声场，要求对声场中各点质点流速进行同步测量，该方法就不再适用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对热声热机的运行状态进行实时诊断监测的精度高、测量程序简单的热声系统声场诊断监测方法和系统。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种热声热机声场监测方法，包括如下步骤：

1)采用至少两个声压传感器测量热声系统管内流体工质的声压；

2)任选其中两个声压传感器A和B，该两个声压传感器测得声压分别为P_A和P_B，通过如下公式重构热声系统管内的流体声压分布：

$P\left(x\right)=\frac{P_A(e^{\mathrm{jk}(s-x)}-e^{-\mathrm{jk}(s-x)})+P_B(e^{\mathrm{jkx}}-e^{-\mathrm{jkx}})}{e^{\mathrm{jks}}-e^{-\mathrm{jks}}}$

其中，P(x)是轴向位置坐标为x处的声压，其中坐标轴以A所在位置为原点，以A到B的方向为正方向，k为波矢量，s是两传感器间距。

3)通过如下公式重构热声系统管内的流体质点流速分布：

$U_m\left(x\right)=\frac{k}{\mathrm{\ω\ρ}}(1-\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\υ}}}{1+i}R)\frac{P_A(e^{\mathrm{jk}(s-x)}+e^{-\mathrm{jk}(s-x)})-P_B(e^{\mathrm{jkx}}+e^{-\mathrm{jkx}})}{e^{\mathrm{jks}}-e^{-\mathrm{jks}}}$

其中，U_m为体积流振荡速度，ω为角频率，ρ为平均密度，δ_v为粘性渗透层厚度；

4)通过如下公式重构热声系统管内的声阻抗分布：

$Z\left(x\right)=\frac{P}{U_m}$

其中，Z(x)为声阻抗；

5)通过如下公式重构热声系统管内反射系数的分布：

$R_c\left(x\right)=\frac{P_B-P_A{e}^{-\mathrm{jks}}}{P_A{e}^{\mathrm{jks}}-P_B}{e}^{2\mathrm{jkx}}$

其中，R为反射系数；

6)通过如下公式重构热声系统管内声强的分布：

$I\left(x\right)=\frac{1}{2}\left|P\right|\left|U_m\right|\cos \mathrm{\φ}$

其中，I为声强，φ为声压和振荡速度相位差；

在上述技术方案中，进一步地，所述步骤1)中采用两个声压传感器，通过在热声系统管段的管壁上开两个测孔，将所述两个声压传感器分别密封安装在两个测孔中。

在上述技术方案中，进一步地，还可以包括步骤7)：由步骤6)得出的回热器前后表面的声强I₁、I₂计算透射系数TL＝I₂/I₁。

一种依照上述监测方法的应用于热声热机的声场监测系统，包括在热声热机的待测管段的管壁上开的至少两个测孔，将至少两个声压传感器与所述测孔一一对应地密封在所述测孔中；所述声压传感器与信号调理器连接，所述信号调理器的输出信号进入一信号处理装置。

进一步地，所述声压传感器的受压面与热声系统管段的内壁是平齐的。

进一步地，所述声压传感器是将压力信号转变为电信号的压电传感器，声压传感器的电信号输入到相应的信号调理器中。

进一步地，所述信号处理装置可以是模拟信号处理装置，也可以是数字信号处理装置，所述信号调理器输出的信号进入所述信号处理装置进行处理。

进一步地，所述信号处理装置包括声压重构单元、质点流速重构单元、声阻抗重构单元、反射系数重构单元、声强重构单元以及透射系数计算单元，各单元分别根据对来自信号调理器的声压信号进行运算和处理，得出所需的各种声场参数。。

进一步地，还包括一个用于将信号处理装置的处理结果输出和显示出来的输出显示设备，所述输出显示设备与所述信号处理装置连接，用于将所述声压重构单元、质点流速重构单元、声阻抗重构单元、反射系数重构单元、声强重构单元以及透射系数计算单元的计算结果实时地输出显示出来。

进一步，所述热声热机包括热声发动机、热声制冷机或热声热泵的整机系统，还包括对热声元件段进行实验所构成的热声元件实验装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明能够对热声热机的运行状态进行实时诊断监测，且精度高、测量程序简单，减小了诊断系统对热声热机本身工作状态造成的影响。结合附图和具体实施例中的描述，本发明的目的和其他一些优点明显地得到体现。

附图说明

图1是根据本发明的热声热机声场诊断系统的测量分析装置和信号流程图。

图2是本发明应用于热声制冷机时的一个具体实施例示意图。

图3是图2所示实施例的声压重构结果。

图4是图2所示实施例的质点速度重构结果。

图5是图2所示实施例的声阻抗重构结果。

图6是图2所示实施例的反射系数重构结果。

图7是图2所示实施例的声强重构结果。

图8是本发明应用于驻波热声发动机时的一个具体实施例示意图。

图9是本发明应用于斯特林型行波热声发动机时的一个具体实施例示意图。

具体实施方式

下面的说明和附图中详细阐述了本发明的原理和三个典型实施例。但是，可以在不违背本发明的真正原理的前提下，对具体实施方式做出各种可能的修改和变更。

实施例1：

根据本发明，参考图1，两个声压传感器2，此处分别用A和B表示，被设置在热声装置管段1的管壁上开出的声压测孔处，声压传感器的受压面与管段1的内壁保持平齐，并保证系统与外界的密封，使测量系统对声场造成的扰动降为最小。

声压传感器2将其所在位置处流体工质的振荡压力变换为对应的电信号S1。来自所述声压传感器2的代表声压的电信号S1进入信号调理器3进行强度的放大或缩小。调理后的代表声压的电信号S2进入信号处理装置4。应当指出，信号处理装置可以由带有AD转换功能的计算机构成，但各种其他类型的信号处理装置如单片机、模拟信号处理装置等都可作为本发明的信号处理装置，并且在使用模拟信号处理器时无需配备AD转换器。

根据后面将要描述的声场重构方法，以由信号调理器3进入信号处理装置4的代表声压的电信号S2为输入量，利用信号处理装置的各单元，重构或计算得出声压、质点流速、声阻抗、反射系数、声强、透射系数等声场参数，并在输出显示设备上显示出来。

图2所示为本发明在1/4波长热声制冷机中的典型实施例，所示1/4波长热声制冷机由管段12与13、扬声器7、热端换热器8(也称为冷却器)、回热器9、冷端换热器10(也称为冷头)和容腔11组成。该制冷机以所属技术领域普通技术人员共知的方式运行，在冷端换热器10上产生制冷效果。

如图2所示，在扬声器7和热端换热器8之间的管段12上开有两个声压测孔，并设置两个声压传感器A和B；在冷端换热器8和容腔之间的管段13上开有两个声压测孔，并设置两个声压传感器C和D。

对于扬声器7和热端换热器8之间的一段管段，认为其中的波动状态为一维简谐平面波，以压电传感器A所在位置为原点建立坐标系，如图2所示，那么其中的声场可用如下的波动方程表示： $\frac{{\∂}^{2}p}{\∂x^2}=\frac{1}{c^2}\frac{{\∂}^{2}p}{{\∂t}^2},$ 其中x表示空间位置(从传感器A所在的位置为原点，从原点向图中右方为正方向)，t是时间，p为声压。对于简谐波，方程有如下形式的通解：p(t，x)＝P₊e^j(ωt-kx)+P_-e^j(ωt+kx)，其中ω是角频率，k是考虑了粘性和导热耗散因素的.........波数： $k=\frac{\mathrm{\ω}}{a}(1+\frac{(1-i)}{2}\frac{{\mathrm{\δ}}_v}{r}+\frac{(1-i)}{2}(\mathrm{\γ}-1)\frac{{\mathrm{\δ}}_k}{r}),$ 其中的 ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\κ}}=\sqrt{2k_0/\mathrm{\ω\ρ}{c}_p}$ 是热渗透深度，k₀是气体工质导热系数，c_p是定压比热， ${\mathrm{\δ}}_v=\sqrt{2v/\mathrm{\ω}}$ 是粘性渗透深度，v是气体运动粘度系数。P₊、P_-为两个任意复常数，因为通解等式两边各项都随时间以角速度ω变化，可以将与时间相关的项约去，得到复声压的表达式：

P(x)＝P₊e^-jkx+P_-e^jkx          (1)

以A、B两个声压传感器测得的复声压信号P_A、P_B为两个边界条件，得到管段12内任意一点的复声压的特解形式为：

$P\left(x\right)=\frac{P_A(e^{\mathrm{jk}(s-x)}-e^{-\mathrm{jk}(s-x)})+P_B(e^{\mathrm{jkx}}-e^{-\mathrm{jkx}})}{e^{\mathrm{jks}}-e^{-\mathrm{jks}}}---\left(2\right)$

其中S为A、B两传感器的间距。通常情况下波长远大于管段的直径，可以认为声压沿管段径向没有变化，因此通过A、B两个压力传感器测得管壁上两点的压力P_A和P_B后，就能使用(2)式重构出管内的声波压力场。

由(2)式和运动方程得复数形式的质点流速：

$U\left(x\right)=\frac{i}{\mathrm{\ω\ρ}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dx}}=\frac{k}{\mathrm{\ω\ρ}}\frac{P_A(e^{\mathrm{jk}(s-x)}+e^{-\mathrm{jk}(s-x)})-P_B(e^{\mathrm{jkx}}+e^{-\mathrm{jkx}})}{e^{\mathrm{jks}}-e^{-\mathrm{jks}}}---\left(3\right)$

波长一般为10～50倍管段直径的长度，由于波长是远大于管段直径的，可以认为声压沿径向没有变化，但是因管壁的粘滞作用，壁面上工质的速度为零，而在远离壁面的区域达到(3)式所示的值，所以速度的径向分布是不能忽略的。其表达式如下：

$U\left(r\right)=U_{\max }\{1-\exp \left(\frac{-(1+i)(R-r)}{{\mathrm{\δ}}_v}\right)\}$

r是距离轴心的距离，U_max是轴心速度，由(3)式计算。在整个截面上对速度做积分可以得到平均速度的表达式： $U_m=U_{\max }(1-\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\υ}}}{1+i}R+\frac{{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\υ}}}^2}{2i}-\frac{{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\υ}}}^2}{2i}{e}^{-\frac{(1+i)R}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\υ}}}}),$ 其中R是管的半径。忽略二阶小量，并将(3)式带入得：

$U_m\left(x\right)=\frac{i}{\mathrm{\ω\ρ}}\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dx}}=\frac{k}{\mathrm{\ω\ρ}}(1-\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\υ}}}{1+i}R)\frac{P_A(e^{\mathrm{jk}(s-x)}+e^{-\mathrm{jk}(s-x)})-P_B(e^{\mathrm{jkx}}+e^{-\mathrm{jkx}})}{e^{\mathrm{jks}}-e^{-\mathrm{jks}}}---\left(4\right)$

(4)式即为热声管段内速度场的重构公式。

至此，已经得到了声场内压力场和质点速度场的计算公式(2)和(4)，利用以下公式还可以计算热声系统管内任意一点的当地阻抗、反射系数、声强等参数：

当地阻抗： $Z\left(x\right)=\frac{P}{U_m}---\left(5\right)$

反射系数： $R_c\left(x\right)=\frac{P_B-P_A{e}^{-\mathrm{jks}}}{P_A{e}^{\mathrm{jks}}-P_B}{e}^{2\mathrm{jkx}}---\left(6\right)$

声强： $I\left(x\right)=\frac{1}{2}\left|P\right|\left|U_m\right|\cos \mathrm{\φ}---\left(7\right)$

式(6)中φ是U_m超前于P的相角。

透射系数：TL＝I₂/I₁            (8)

其中I₁、I₂是回热器前后表面的声强。

综上所述，在本实施例中，用声压传感器A、B测得管段12上两点的声压信号S1，声压信号S1经信号调理器3后进入信号处理装置，信号处理装置中的声压重构单元、质点流速重构单元、声阻抗重构单元、反射系数重构单元、声强重构单元以及透射系数计算单元依据公式(2)、(4)、(5)、(6)、(7)和(8)重构出热声系统管12中的声压、流速、阻抗、反射系数、声强和透射系数的分布。

同理可以根据声压传感器C、D测得的声压信号重构出管段13中的声场，这里不再详述。

图3示出了根据本发明对本实施例中的热声制冷机内的声场进行重构的结果。该制冷机以空气为工质，充气压力0.4MPa，工作频率300Hz。图3为根据本发明对1/4波长热声制冷机内的重构声场的声压图，横坐标表示管段轴向坐标，左边纵坐标表示声压幅值，右边纵坐标表示声压的相角。图中可以看出声压沿程呈1/4波长分布，图中不连续的折线部分大概反映出回热器单元进出口的声场分布。

图4为根据本发明对1/4波长热声制冷机内的重构声场的速度图，横坐标表示管段轴向坐标，左边纵坐标表示体积振荡速度的幅值，右边纵坐标表示体积振荡速度的的相角。图中模拟曲线清楚再现了热声系统管内的速度沿程分布，基本呈1/4波长分布。

图5为根据本发明对1/4波长热声制冷机内的重构声场的阻抗图，横坐标表示管段轴向坐标，左边纵坐标表示声阻抗的实部，右边纵坐标表示声阻抗的虚部。图中可以看出在回热器处的声阻抗显著增大。

图6为根据本发明对1/4波长热声制冷机内的重构声场的反射系数图，横坐标表示管段轴向坐标，左边纵坐标表示反射系数的幅值，右边纵坐标表示反射系数的相角。图中可以看出在回热器前端面的反射系数较小，后端面的反射系数较大。图7为根据本发明对1/4波长热声制冷机内的重构声场的声强图，横坐标表示管段轴向坐标，纵坐标表示声强沿程变化。图中可以看出声功在回热器内得到明显吸收，在管段内的耗散比例很小。

实施例2：

图8示出了本发明的另一个实施例，即在驻波热声发动机中的实施。驻波热声发动机由管段14和15、热端换热器8(也称为加热器)、回热器9、冷端换热器10(也称为冷却器)等组成。它同实施例1中的制冷机的区别在于，制冷机是通过外界(扬声器)输入的声功产生制冷效果，而热声发动机责是通过在回热器两端施加温度梯度，产生自激振荡，输出声功。

虽然热声发动机同实施例1中所述的制冷机的结构和工作原理不同，但二者谐振腔中声场所遵循的规律是完全一样的，因此实施例1中所述的声场重构方法可以同样用于本实施例中声场的重构。如图8所示，在热端换热器8左边的管段14和冷端换热器10右边的管段15上分别开有一对压力测孔，A、B、C、D四个声压传感器分别安装在四个测孔处，通过A、B、C、D测得的声压信号，重构出管段14、15中的声场信息。其他同实施例1，这里不再详述。

实施例3：

图9示出了本发明的又一个实施例，即在斯特林型行波热声发动机中的实施。斯特林型行波热声发动机较驻波型热声发动机结构更为复杂，它的谐振腔由环形圈和旁支管两部分构成。环形圈内布置有热端换热器8、回热器9和冷端换热器10，谐振管18和容腔19通过接头20同环形圈连接。热端换热器8、回热器9和冷端换热器10与接头20将环形圈分为两个部分，从冷端换热器10到接头20的部分成为反馈管，从接头20到热端换热器的部分称为热缓冲管。

如图9所示，在反馈管16、热缓冲管17、谐振管18上分别开有一对压力测孔，安装A、B、C、D、E、F六个压力传感器，通过测得的声压信号，依据实施例1中说明的原理，即可重构出反馈管16、热缓冲管17和谐振管18中的声场信息。

至此，给出了本发明的声场监测系统在几种主要热声热机中的实施方案。应当指出，对于任何热声热机，无论是直线型和网络型的结构，只要对其谐振腔的拓扑结构进行分析，在每段独立的管段上对应设置一对声压传感器，使用本发明提供监测方法和监测系统，便可对整机的声场进行重构并监测。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。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者等同替换，都不脱离本发明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。

Claims (9)

1.一种热声热机声场监测方法，包括如下步骤：

步骤1)采用至少两个声压传感器测量热声系统管内流体工质的声压；

步骤2)任选其中两个声压传感器A和B，该两个声压传感器测得声压分别为P_A和P_B，通过如下公式重构热声系统管内的流体声压分布：

$P\left(x\right)=\frac{P_A(e^{\mathrm{jk}(s-x)}-e^{-\mathrm{jk}(s-x)})+P_B(e^{\mathrm{jkx}}-e^{-\mathrm{jkx}})}{e^{\mathrm{jks}}-e^{-\mathrm{jks}}}$

其中，P(x)是轴向位置坐标为x处的声压，其中坐标轴以声压传感器A所在位置为原点，以A到B的方向为正方向，k为波矢量，s是两传感器间距。

步骤3)通过如下公式重构热声系统管内的流体质点流速分布：

$U_m\left(x\right)=\frac{k}{\mathrm{\ω\ρ}}(1-\frac{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\υ}}}{1+i}R)\frac{P_A(e^{\mathrm{jk}(s-x)}+e^{-\mathrm{jk}(s-x)})-P_B(e^{\mathrm{jkx}}+e^{-\mathrm{jkx}})}{e^{\mathrm{jks}}-e^{-\mathrm{jks}}}$

其中，U_m(x)为体积流振荡速度，ω为角频率，ρ为平均密度，δ_v为粘性渗透层厚度；

步骤4)通过如下公式重构热声系统管内的声阻抗分布：

$Z\left(x\right)=\frac{P}{U_m}$

其中，Z(x)为声阻抗；

步骤5)通过如下公式重构热声系统管内反射系数的分布：

$R_c\left(x\right)=\frac{P_B-P_A{e}^{-\mathrm{jks}}}{P_A{e}^{\mathrm{jks}}-P_B}{e}^{2\mathrm{jkx}}$

其中，R为反射系数；

步骤6)通过如下公式重构热声系统管内声强的分布：

$I\left(x\right)=\frac{1}{2}\left|P\right|\left|U_m\right|\cos \mathrm{\φ}$

其中，I为声强，φ为声压和振荡速度相位差。

2.根据权利要求1所述热声热机声场监测方法，其特征是，所述步骤1)中采用两个声压传感器，通过在热声系统管段的管壁上开两个测孔，将所述两个声压传感器分别密封安装在两个测孔中。

3.根据权利要求1所述热声热机声场监测方法，其特征是，还包括：

步骤7)由步骤6)得出的回热器前、后表面的声强I₁、I₂计算透射系数TL＝I₂/I₁。

4.一种依照权利要求1所述监测方法的应用于热声热机的声场监测系统，包括在热声热机的待测管段的管壁上开的至少两个测孔，将至少两个声压传感器与所述测孔一一对应地密封在所述测孔中；所述声压传感器与信号调理器连接，所述信号调理器的输出信号进入一信号处理装置。

5.根据权利要求4所述应用于热声热机的声场监测系统，其特征是，所述声压传感器的受压面与热声系统管的内壁是平齐的。

6.根据权利要求4所述应用于热声热机的声场监测系统，其特征是，所述声压传感器是将压力信号转变为电信号的压电传感器，声压传感器的电信号输入到相应的信号调理器中。

7.根据权利要求4所述应用于热声热机的声场监测系统，其特征是，所述信号处理装置包括声压重构单元、质点流速重构单元、声阻抗重构单元、反射系数重构单元、声强重构单元以及透射系数计算单元。

8.根据权利要求4所述应用于热声热机的声场监测系统，其特征是，还包括一个用于将信号处理装置的处理结果输出和显示出来的输出显示设备，所述输出显示设备与所述信号处理装置连接。

9.根据权利要求4-8任一项所述应用于热声热机的声场监测系统，其特征是，所述热声热机包括热声发动机、热声制冷机或热声热泵的整机系统，还包括对热声元件段进行实验所构成的热声元件实验装置。

Images