CN102042846A - 热声过程测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热声过程测试系统及其测试方法，测试系统包括：声场调制单元、流场测量窗口、温度场测量窗口、微尺度粒子成像测速仪、红外热像仪以及时空图像映射叠加单元。所述测试方法包括：1)在热声核两端生成温度场和具有稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场；2)在一系列的采样时间点t_c测出所述热声核内的流场分布；3)测出所述热声核内的温度场分布随时间变化的过程；4)各采样时间点t_c的流场分布，根据采样时间点序号等效变换为声场的同一周期T内的虚拟采样时间点t_c′的流场分布；5)得出流场分布变化与温度场分布随时间变化的对应关系。本发明能够对热声核内部的温度场和声场进行同步测量，其测量结果真实反映实际热声过程。

Description

热声过程测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及热力学、流体力学和声学技术领域，具体地说，本发明涉及一种用于热声热机的热声学测试系统和测试方法。

背景技术

热声热机是一种新型高效热机，它利用物理中的热声现象，使工作气体在热声元件的微结构通道内完成介观层面上的热力学微循环，直接实现热能到声能(机械能)的相互转换。整个热机系统内仅仅是气体工质自身的振荡，没有任何运动部件，系统简单，无运动部件，原理上无寿命的限制，热声热机带来了热机的革命，热声学是热学与声学交叉，需要发展新的理论，具有十分重要的科学意义和广泛的应用前景。

由Rott、Swift等研究学者建立的线性热声理论，为热声系统研究和工程发展提供了有力的工具。热声热机经历了驻波型、行波型以及行驻波级联型机型的发展过程，功率密度和热效率等性能得到很好的提升，可以和传统的热机相媲美。

但是，由于现有技术中缺乏合适的热声测量方法和热声测试系统，导致热声的研究工作很不深入，实验结果与理论计算偏差大，进而限制了热声热机工程化进程。对于热声转换过程的分析与实验已经充分表明，热声过程是发生在工作气体与热声元件的微通道中的微热力学循环，而目前的线性热声理论仅仅依据小振幅声波的假设，已经远远偏离热声过程处于大振幅的工作状态，因此，热声热机的发展需要测量热声元件微通道内的热声过程，从而对热声热机理论发展，以及实际评价热声热机中的核心热声元件起到不可或缺的支持作用。

目前的热声热机技术中，其测量手段通常有：测量截面声压然后通过测量两个相邻压力传感器声压计算得到中点质点速度，以及用热电偶测量回热器内沿波传播方向的温度等。这些测量手段显然无法满足热声研究的需要。热声核是热声热机中实现热量(声音)到声音(热量)转化的核心部件，该部件在行波型热声热机中称为回热器，在驻波型热声热机中称为板叠。典型的热声核运行工况是依靠冷、热端换热器的作用建立起可观的温度梯度，热声核渗透层深度内的气体作为第一工质，热声核微通道的固体作为第二工质，第一工质和第二工质相互作用发生热声转换。由于热声核的内部工作气体的流道在亚毫米之下，因此，难以布置测压、测流速和测温的测量器件。即使布置了传感器，其测点也将大大地影响正常的流道，导致测得的结果偏离实际情况，没有实际意义。

随着新仪器的产生，一些新的测量流速的仪器可以较好地测量管内大空间的气体工质质点速度，如激光多普勒测速仪、热线风速仪和粒子成像测速仪(PIV)。近年来，国际上在传统的粒子成像测速仪(PIV)基础上发展了一种对微通道流动进行全场检测的实验方法，即微尺度粒子成像测速技术(MicroPIV技术)。MicroPIV突破了传统微尺度流体力学测量手段的局限性，可以实现微尺度流动元件全流场的流动测量，并且达到相当高的分辨率和测量精度。然而，现有技术中，由于示踪技术的限制，现有技术的MicroPIV只用于测量低速定向流动的液体工质。而热声热机采用的是氮气、氦气等气体工质，并且这些气体工质工作在交变的波动状态中，液体流场的测量技术不能反应热声热机内气体微团的瞬时变化。

更为关键的是，同一个热声核在不同的声场中可实现不同的热力循环，而现有技术无法对温度场和声场进行同步测量，因此不能体现热声过程中温度场和声场的相互耦合作用，其测量结果也无法真实反映实际热声过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对热声热机的热声核内部的温度场和声场进行同步测量的热声过程的测试系统和测试方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种热声过程测试系统，包括：

声场调制单元，连接在待测热声核两端，用于在所述热声核两端生成具有稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场；

流场测量窗口；

温度场测量窗口，所述流场测量窗口和温度场测量窗口对称地设在所述热声核的侧壁上；

微尺度粒子成像测速仪(MicroPIV)，用于通过所述流场测量窗口，在一系列的采样时间点t_c测出所述热声核内的流场分布；所述采样时间点t_c＝mT+m/f_s m＝0，1，2，...n_n-1；其中，T是所述声场调制单元所生成的声场的周期，f_s是预设的采样频率，m是采样时间点序号；

红外热像仪，用于通过所述温度场测量窗口测出所述热声核内的温度场分布随时间变化的过程；

以及时空图像映射叠加单元，用于将所述微尺度粒子成像测速仪测得的各采样时间点t_c的流场分布，按照采样时间点序号m一一等效变换为声场的同一周期T内的虚拟采样时间点t_c′的流场分布，其中t_c′＝m/f_s m＝0，1，2，...n_n-1，从而获得所述热声核内的流场分布随时间变化的过程。

进一步地，所述红外热像仪的采样时间点t_c与微尺度粒子成像测速仪完全一致。

进一步地，所述热声过程测试系统还包括温度场调制单元，用于在所述热声核两端生成所需的温度场。

进一步地，所述温度场调制单元包括热源和冷源，分别设置在待测热声核的两端；所述声场调制单元包括谐振管段A、谐振管段B以及声源，所述谐振管段A、谐振管段B分别与所述热源和冷源连接。

进一步地，所述流场测量窗口的制作材料对所述微尺度粒子成像测速仪透明，并且其抗压能力至少达到1MPa，耐热能力至少达到400℃。

进一步地，所述温度场测量窗口的制作材料对所述红外热像仪透明，并且其抗压能力至少达到1MPa，耐热能力至少达到400℃。在本发明的一个实施例中，温度场测量窗口的制作材料对波长为7.5-13μm的光波透明。

进一步地，所述流场测量窗口的制作材料采用石英玻璃。

进一步地，所述温度场测量窗口采用硫化锌或硫化硒晶体利用化学气相沉积方法制成。

进一步地，所述流场测量窗口和温度场测量窗口的厚度t根据下述公式计算得出：t＝(1.1×P×r²×SF/MR)^0.5

其中，P为测量窗口内外压力差，所述流场测量窗口为圆形，r为测量窗口半径，SF为安全系数，MR为破裂模数。通常安全系数SF设为4，压力和破裂模数必须用同一单位，一般是磅/平方英寸或帕斯卡。

进一步地，所述热声核和谐振管段A、B内的气体工质可以是空气，也可是氮气、氦气、二氧化碳、氩气、氢气等天然工质气体中的任意一种或上述各种气体的任意混合。

进一步地，所述微尺度粒子成像测速仪所使用的荧光粒子可以采用聚苯乙烯、铝粉和镁粉，也可以采用Rhodamine B(即罗丹明B)；

进一步地，所述声源是单个或对置式电磁喇叭，或者是对置式线性压缩机。

本发明还提供了一种利用上述热声过程测试系统进行热声测试的方法，包括下列步骤：

1)在所述热声核两端生成具有稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场，在所述热声核两端生成所需的温度场；

2)利用微尺度粒子成像测速仪，通过所述流场测量窗口，在一系列的采样时间点t_c测出所述热声核内的流场分布；所述采样时间点t_c＝mT+m/f_s m＝0，1，2，...n_n-1；其中，T是所述声场调制单元所生成的声场的周期，f_s是预设的采样频率，m是采样时间点序号；

3)利用红外热像仪，通过所述温度场测量窗口测出所述热声核内的温度场分布随时间变化的过程；

4)将所述微尺度粒子成像测速仪测得的各采样时间点t_c的流场分布，按照采样时间点序号m一一等效变换为声场的同一周期T内的虚拟采样时间点t_c′的流场分布，其中t_c′＝m/f_s m＝0，1，2，...n_n-1，从而获得所述热声核内的流场分布随时间变化的过程；

5)根据采样时间点，得出流场分布变化与温度场分布随时间变化的对应关系。

具体地，所述步骤2)中针对热声核，采用MicroPIV粒子成像测速仪测量热声核的微通道内的二维瞬时流场，公式如下；

$u_x=\frac{\mathrm{\ΔX}}{M*\mathrm{\Δt}},$ $u_y=\frac{\mathrm{\ΔY}}{M*\mathrm{\Δt}}$

其中，u_x，u_y分别表示瞬时流场中x轴和y轴方向的速度分量，Δt为两脉冲激光的时间间隔，ΔX为x方向上粒子的位移，ΔY为y方向上粒子的位移，M为放大率。

所述步骤3)中，针对热声核，利用同步触发，采用红外热像仪同步测量热声核内微通道内的瞬时温场，公式如下：

$T_{\mathrm{obj}}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a}{T}_r^n-(1-\mathrm{\α})T_u^n-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_a}{{\mathrm{\τ}}_a}{T}_a^n\left]\right\}}^{1/n}$

其中，T_obj，T_r，T_u，T_a分别为被测物体表面温度、黑体辐射温度、被测物体所处环境温度和大气温度，ε为物体的发射率，α为表面吸收率，ε_a为环境的发射率，τ_a为环境的透射率。当使用不同波段的红外热像仪时，n的取值不同，对HgCdTe(8～13μm)探测器，n值为4.09；对对HgCdTe(6～9μm)探测器，n值为5.33；对InSb(2～5μm)探测器，n值为8.68。

当被测表面满足灰体时，即ε＝α，对大气认为ε_a＝α_a＝1-τ_a，则瞬时温场的公式可变为：

$T_{\mathrm{obj}}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a}{T}_r^n-(1-\mathrm{\α})T_u^n-(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a}-1)T_a^n\left]\right\}}^{1/n}$

其中，n的取值与上述相同，这就是计算灰体表面真实温度的计算公式。

所述步骤4)中，热声核的介观流场与温度场利用时空图像映射叠加技术；时空图像映射叠加技术的关键在于选取流场和温度场的同步性，即选取图像的时间点的控制，其关系式为：t_c＝mT+m/f_s m＝0，1，2，...n_n-1

其中，采样频率为f_s，采样时长为T_s，则总采样点数n_s＝f_s×T_s。测试系统振荡频率为f，周期时间为T。这样，在采集中，设置f_s＞10f。测试系统所采集的周期数N＝T_s/T，每个周期的点数n＝n_s/N＝f_s×T。在一个周期内n₁，n₂，......n_n点中，相邻两点n₁和n₂的时间间隔t＝T/n＝1/f_s。这样，在采集中，第一个周期，采集n₁点；相对于n₁点间隔(T+1/f_s)后，采集n₂点；相对于n₁点间隔(2T+2/f_s)后，采集n₃点；以此类推，在相对于n₁点间隔(mT+m/f_s)时间后，采集第n_n点。

进一步地，所述热声测试过程还包括测出热声核两端的谐振管段A、B内的气体工质的声压分布：

在步骤1)和步骤2)之间，执行：

10)分别测出热声核两端的谐振管段A、B内至少两个采样位置的气体工质的声压；

11)通过宏观声场重构得出谐振管段A、B内的气体工质的声压分布：在谐振管段A上任选其中两个声压传感器，该两个声压传感器测得声压分别为P_x和P_y(x，y＝1，2，3，4，且x≠y)，利用如下公式对宏观声场波分解重构，获得谐振管段A的气体工质声压分布，谐振管段B上的气体工质声压分布同理可得，通过宏观声场重构，得到热声系统内(包括谐振管段及热声元件)共同作为热声核的介观声场的边界条件；

$p\left(x\right)=\frac{p_x(e^{\mathrm{jk}(s-x)}-e^{-\mathrm{jk}(s-x)})+p_y(e^{\mathrm{jkx}}-e^{-\mathrm{jkx}})}{e^{\mathrm{jks}}-e^{-\mathrm{jks}}}$

其中，P(x)是谐振管段A上x处的声压，坐标轴以P_x所在位置为原点，以P_x到P_y的方向为正方向，k为波矢量，s是两传感器间距。

进一步地，所述热声测试过程还包括根据谐振管段A、B内的气体工质的声压分布以及步骤4)所测得的热声核内的流场分布，计算每个采样时间点t_c时的宏观声场分布，从而得出宏观声场分布变化与温度场变化的对应关系。所述宏观声场分布包括：谐振管段及热声核内的气体工质的质点流速、体积流率、声阻抗、压流相位差以及声功分布。

进一步地，所述计算宏观声场分布包括下列步骤：

6)得到谐振管段及热声核内的气体工质的质点流速分布；

热声核内的质点流速分布采用步骤11)中的方法和公式获得；针对谐振管内的质点流速，可以在谐振管上布置透明材料的窗口，通过MicroPIV依据步骤11)中的方法和公式获得。

7)得到谐振管段及热声核内的气体工质的体积流率；

可通过步骤2)中的宏观声场重构得到，具体公式如下：

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

其中，U_m是截面平均流速，ω为角频率，ρ为平均密度，R为反射系数，δ_v为粘性渗透层深度；

8)得到谐振管段及热声核内的气体工质的声阻抗分布；

通过如下公式重构得到热声系统内的声阻抗分布：

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

9)通过下式得到谐振管段及热声核内的气体工质的压流相位差分布；

φ_pU＝φ_p-φ_U

其中，φ_pU为声压和体积流率相位差，φ_p为声压相位，φ_U为体积流率相位；

10)通过如下公式重构得到谐振管段及热声核内的气体工质的声功分布：

$E_2\left(x\right)=\frac{1}{2}\left|p\right|\left|U_m\right|\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pU}}$

其中，E₂为声强。

本发明具有如下技术效果：

本发明提出的高频、高声强声场、热边界可调的热声研究的测试系统，实现与现在单点测量精度相同的分布式声场测试，为介观测试提供宏观声场边界条件，引入温场测量，结合波动现象的特点，对热声介观瞬态测量结果建立时、空映射模型，综合处理测量数据，从而实现热声过程的测试。本发明深化了对热声学波动过程的认识，明确了热声效应在热声学机理研究中的核心地位，分析了热声学介观测量所面临的本质问题，探索解决了构成热声学介观测量所遭遇的技术难点。结合附图和具体实施例中的描述，本发明的目的和优势能得到进一步地体现。

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是根据本发明一个实施例的热声过程测试方法和测试系统的信号流程图；

图2是本发明应用于对置式扬声器驱动热声系统的实施例示意图；

图3是本发明中的介观测试部分的热声核的一个具体实施例示意图；

图4是图2所示实施例的声压重构结果示意图；

图5是图2所示实施例的体积流率重构结果示意图；

图6是图2所示实施例的声阻抗重构结果示意图；

图7是图2所示实施例内热声核的粒子成像测速仪(MicroPIV)测量的示意图；

图8是图2所示实施例的温度结果示意图；

图9是时空图像映射叠加示意图；其中图9(a)是热声过程的三个周期振荡压力示意图；图9(b)是针对热声过程中30个周期的时空图像映射叠加示意图；

图10是本发明应用于单扬声器驱动热声制冷机的实施例示意图；

图11是本发明应用于驻波型热声发动机的实施例示意图；

图12是本发明应用于斯特林型行波热声发动机的实施例示意图；

图13是本发明应用于级联型热声发动机的实施例示意图。

具体实施方式

下面的说明和附图将详细阐述本发明的热声过程测试系统及其测试方法的实施例。应当理解，可以在不违背本发明的原理的前提下，对这些实施例做出各种可能的修改和变更。

实施例1：

参考图1，根据实施例1，热声学测试系统包括宏观声场调制单元1、流场测量窗口(图中未示出)、温度场测量窗口(图中未示出)、微尺度粒子成像测速仪4(MicroPIV)、红外热像仪5以及时空图像映射叠加单元7。

其中，宏观声场调制单元包括对置式声源、谐振管段A、热源、冷源和谐振管段B，它们和热声核组装在一起组成热声热机。特别地，如果要待测热声核已经被安装在热声热机中，则本实施例的宏观声场调制单元可直接利用该热声热机中的相应部件。同样地，本发明的其它实施例也可以采用这种做法，下文中不再赘述。

针对热声学测试中的宏观声场调制和测量部分，本实施例在热声测试系统两端设置两个声源，调制出热声核两端稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场。同时，在热声核两端分别设置高温热源和低温热源，控制热声核两端的高温温度和低温温度。本实施例的热声测试系统中，谐振管段上布置八个声压传感器2，其中，在谐振管段A上依次布置P1-P4声压传感器，在谐振管段B上依次布置P5-P8声压传感器，在热声谐振管段A和B上开出的声压测孔处，声压传感器的受压面与谐振管段A和B的内壁保持齐平，并保证系统与外界的密封良好，使测试系统对声场造成的扰动最小。声压传感器P1-P8将其所在位置处气体工质的振荡压力的物理信号转换为对应的电信号S1。来自所述声压传感器P1-P8的声压电信号S1进入同步采集器3，进行各通道信号的同步信号放大或缩小，并且通过A/D转换功能，进入计算机。调理后的代表声压的电信号S3进入用于宏观声场重构的信号处理器6。根据后面将要描述的声场重构方法，以由同步采集器3进入信号处理器6的代表声压的电信号S3为输入量，利用信号处理器的各单元，通过声场重构得到声压、并进一步计算出体积流率、声阻抗和声强等声场参数。

针对热声学测试中的热声介观声场的建立与测量部分，本实施例选择的热声核呈现长方体结构，在热声核的上端开有透明视窗口，窗口内安装硫化锌晶体，硫化锌晶体与周边表面间采用O型圈密封，此窗口用于红外热像仪测量热声核内部的空间温度分布，即温度场测量窗口。在热声核的下端(与上端沿中心面对称)部位同样开有透明视窗口，窗口内安装石英玻璃，石英玻璃与周边表面间采用O形圈密封，此窗口用于MicroPIV粒子成像测速仪测量热声核内部的速度分布，即流场测量窗口。在热声核内部充满荧光粒子，在激光的照射下，其光信号S2由PIV粒子成像测速仪4采集到，测量到瞬时流场；同时，光信号S2由红外热像仪5采集到，测量到空间温度场。这样，含有瞬时流场的速度信号和温度信号S4进入信号处理器7，利用时空图像映射叠加计算，可以得到同步瞬态的介观热声场。

结合宏观声场调制与测量以及介观声场建立与测量两部分，含有宏观与介观的信号S5进入信号综合处理设备8，综合得到热声热机内的所有声场参数的信息，包括声压、压流相位差、质点流速、声阻抗、温度场分布、体积流率和声强。这些物理信号S6进入输出显示设备9全面地显示出来。

实施例2：

图2所示是本发明用于对置式扬声器驱动热声系统的典型实施例。所示的对置式扬声器驱动热声系统由扬声器10、谐振管段11、热端换热器12、热声核13、冷端换热器14(也称室温换热器)和谐振管段15组成。该热声系统依靠两端对置式扬声器发出声功，驱动热声系统内的气体工质运动。

图3所示是对置式扬声器驱动热声系统中的热声核的结构示意图。如图所示，热声核13由气道空间16、隔板17、平板18、石英玻璃19和硫化锌晶体20组成。在热声核进行介观测量时，红外热像仪从热声核上端透过硫化锌晶体20观测两平板18间的充满气道空间16的荧光粒子，测量气道空间16内的温度场。隔板17用以将红外热像仪和MicroPIV所需的光路隔开。MicroPIV从热声核下端向上透过石英玻璃19观测观测两平板18间的充满气道空间16的荧光粒子，测量气道空间16内的瞬态质点速度。

有关图2中的对置式扬声器驱动热声系统的热声学测试分为两个部分：宏观声场调制与测量部分以及介观声场建立与测量部分。首先说明宏观声场调制与测量部分：

如图2所示，在热声系统两端布置两个扬声器10，用以调制热声核两端的声场，使其出于稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场条件下。在热声核13两端布置热端换热器12和冷端换热器14，采用这种高低温双热源法控制热声核13两端的高温温度和低温温度在恒定值。在扬声器10和热端换热器12之间的谐振管段11上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器P1-P4；在冷端换热器14和扬声器10之间的谐振管段15上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器P5-P8。

对于谐振管段11内部的气体振荡，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方向没有变化，此时谐振管段11内的声压认为是一维简谐平面波，以声压传感器P1所在位置为x轴的原点建立坐标系。在谐振管11内的声压是由入射波和反射波组成，其表达式为：

p(x)＝p_i+p_r＝p_aie^-jkx+p_are^jkx    (1)

以P1-P4声压传感器中的P1信号以及其它三个声压传感器中任一个测得的声压信号为两个边界条件，得到谐振管段11内任意一点的声压表达式为：

$p\left(x\right)=\frac{p_x(e^{\mathrm{jk}(s-x)}-e^{-\mathrm{jk}(s-x)})+p_y(e^{\mathrm{jkx}}-e^{-\mathrm{jkx}})}{e^{\mathrm{jks}}-e^{-\mathrm{jks}}},$ x＝1，y＝2，3或4(2)其中s为传感器P1距离Py(y＝2，3或4)的两传感器的间距，k为考虑了粘性和导热耗散因素的波数。因此依据(2)式可以重构出谐振管段11内的声波压力场。

依据式(2)和运动方程可以重构出热声系统内体积流率的公式，如下式所示：

$U_m\left(x\right)=\frac{k}{\mathrm{\ω\ρ}}(1+\frac{{\mathrm{\δ}}_v}{1+i}R)\frac{p_x(e^{\mathrm{jk}(s-x)}+e^{-\mathrm{jk}(s-x)})-p_y(e^{\mathrm{jkx}}+e^{-\mathrm{jkx}})}{e^{\mathrm{jks}}-e^{-\mathrm{jks}}},$ x＝1，y＝2，3或4(3)

公式(3)即为热声系统内体积流率的重构公式。其中，U_m是截面平均流速，ω为角频率，ρ为平均密度，R为反射系数，δ_v为粘性渗透层深度。

因此，根据已经得到的热声系统内的声压和体积流率的计算公式(2)和(3)，利用以下公式可以重构得到热声系统内的声阻抗分布、压流相位差分布和声强分布：

声阻抗分布： $Z\left(x\right)=\frac{p}{U_m}---\left(4\right)$

压流相位差分布：φ_pU＝φ_p-φ_U            (5)

其中，φ_pU为声压和体积流率相位差，φ_p为声压相位，φ_U为体积流率相位。

声强分布： $E_2\left(x\right)=\frac{1}{2}\left|p\right|\left|U_m\right|\cos {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{pU}}---\left(6\right)$

其中，E₂为声强。

综上所述，在本实施例中，用声压传感器P1-P4所测得的声压电信号S1进入同步采集器3，进行各通道信号的同步信号放大或缩小，并且通过A/D转换功能，进入计算机。调理后的代表声压的电信号S3进入用于宏观声场重构的信号处理器6。以由同步采集器3进入信号处理器6的代表声压的电信号S3为输入量，根据上面描述的声场重构方法，利用公式(2)-(6)，重构或计算得到声压、体积流率、声阻抗、压流相位差和声强等声场参数。

同理，对于谐振管段15，利用声压传感器P5-P8，以声压传感器P5所在位置为x轴坐标零点，采用上述相同的方法和公式(2)-(6)，重构或计算得到声压、体积流率、声阻抗、压流相位差和声强的声场参数，这里不再详述。

图4是根据本发明对图2所示实施例的声压重构结果。谐振管总长760mm，频率770Hz，充入0.4MPa的空气，谐振管段11的长度为390mm。图4为根据发明对热声系统内重构声场的声压图，横坐标表示谐振管段11的沿程坐标，左边纵坐标表示声压幅值(实心标号表示)，右边纵坐标表示声压的相角(空心标号表示)。声场重构分别采用P1和P2的压力信号，以及P3和P4的压力信号进行重构，测量的压力信号与重构出的整个声场吻合得很好，这也进一步证明本发明的方法的准确性。图中相角不连续的折线部分所在位置是热声核，初步反映出在热声核单元进出口的变化趋势。

图5是根据本发明对图2所示实施例的体积流率重构结果。图5为根据发明对热声系统内重构声场的体积流率图，横坐标表示谐振管段11的沿程坐标，左边纵坐标表示体积流率幅值(实心标号表示)，右边纵坐标表示体积流率的相角(空心标号表示)。图中重构出的体积流率清楚体现了热声系统内的体积流率沿程分布。

图6是根据本发明对图2所示实施例的声阻抗重构结果。图6为根据发明对热声系统内重构声场的声阻抗重构图，横坐标表示谐振管段11的沿程坐标，左边纵坐标表示声阻抗实部(实心标号表示)，右边纵坐标表示声阻抗虚部(空心标号表示)。图中可以看出，在770Hz的频率下，热声核处的声阻抗并非最大。

上面讲述了有关图2中的对置式扬声器驱动热声系统的热声学测试中的宏观声场调制与测量部分，下面说明介观声场建立与测量部分：

图7是图2所示实施例内热声核的粒子成像测速仪(MicroPIV)测量的实施例。MicroPIV粒子成像测速仪能快速拍摄A帧和B帧两幅图片，最小间隔可达到200ns。这样将A帧和B帧图像叠加，就可以测量热声核的微通道内的二维瞬时流场，公式如下；

$u_x=\frac{\mathrm{\ΔX}}{M*\mathrm{\Δt}},$ $u_y=\frac{\mathrm{\ΔY}}{M*\mathrm{\Δt}}---\left(7\right)$

其中，u_x，u_y分别表示瞬时流场中x轴和y轴方向的速度分量，Δt为两脉冲激光的时间间隔，ΔX为x方向上粒子的位移，ΔY为y方向上粒子的位移，M为放大率。

针对图2所示实施例内热声核的温度场测量，利用同步触发，采用红外热像仪同步测量热声核的微通道内的瞬时温场，公式如下：

$T_{\mathrm{obj}}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a}{T}_r^n-(1-\mathrm{\α})T_u^n-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_a}{{\mathrm{\τ}}_a}{T}_a^n\left]\right\}}^{1/n}---\left(8\right)$

其中，T_obj，T_r，T_u，T_a分别为被测物体表面温度、黑体辐射温度、被测物体所处环境温度和大气温度，ε为物体的发射率，α为表面吸收率，ε_a为环境的发射率，τ_a为环境的透射率。当使用不同波段的红外热像仪时，n的取值不同，对HgCdTe(8～13μm)探测器，n值为4.09；对对HgCdTe(6～9μm)探测器，n值为5.33；对InSb(2～5μm)探测器，n值为8.68。

当被测表面满足灰体时，即ε＝α，对大气认为ε_a＝α_a＝1-τ_a，则(8)式

可变为：

$T_{\mathrm{obj}}={\left\{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\right[\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a}{T}_r^n-(1-\mathrm{\α})T_u^n-(\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_a}-1)T_a^n\left]\right\}}^{1/n}---\left(9\right)$

其中，n的取值与(8)式相同，(9)式是计算灰体表面真实温度的计算公式。

图8是图2所示实施例的热声核内两板叠间的瞬时温度结果。

在介观声场建立与测量部分，需要解决实时非接触声场测量。虽然目前已存在的介观测试系统使用了当前瞬态流场测试的最先进仪器粒子图像显示的MicroPIV测试系统，但是仍然不能达到实时测试的需要。MicroPIV测试仪器的测试特点是：瞬态高速测量，最高时间分辨率可达200ns，理论上可以实现测量高达每秒5,000,000的测量速度。按照每个周期测量360点计算，可以测量的声波频率高达13kHz。但是，该仪器的实际测量过程是，每次瞬态测量之后，需要有一定的时间来处理图像和存储数据等工作，这需要在逐次瞬态测量之间间隔一定的时间，这个时间间隔成为制约测量速度的主要障碍。现有仪器所能达到的最高指标是每秒钟16幅的瞬态图像。由此可以给出这16个瞬态时间的流场分布，但是其测量速度显然不能满足现在热声过程的测试系统的需要。

本发明能够突破上述障碍，实现速度场和温度场的同步瞬态测量的关键是采用了时空图像映射叠加技术。热声过程的特点是一个有规律的循环过程，周而复始，重复进行的。如图9(a)所示，系统所采集的压力信号以一定谐振频率f周期性振荡。按照测量理论，对于此类实际过程，可以通过时空映射的方法，即采用增加测试时间来实现对重复过程的高速测量，即时空图像映射叠加技术。在测试中，利用高速PIV可以实现瞬态的测量，在一定的时间间隔后，可以进行后续的测量。在实际操作中，需要实现对信号的同步采集和频率准确测量。

实现对信号的测量后，对系统进行测试采集。假设采样频率为f_s，采样时长为T_s，则总采样点数n_s＝f_s×T_s。测试系统振荡频率为f，周期时间为T。这样，在采集中，设置f_s＞10f。测试系统所采集的周期数N＝T_s/T，每个周期的点数n＝n_s/N＝f_s×T。在一个周期内n₁，n₂，......n_n点中，相邻两点n₁和n₂的时间间隔t＝T/n＝1/f_s。这样，在采集中，第一个周期，采集n₁点；相对于n₁点间隔(T+1/f_s)后，采集n₂点；相对于n₁点间隔(2T+2/f_s)后，采集n₃点；以此类推，在相对于n₁点间隔(mT+m/f_s)时间后，采集第n_n点。由此推出控制时间的关系式为：

t_c＝mT+m/f_s m＝0，1，2，...n_n-1        (10)

这样，通过PIV对多个周期内，单个点的测量，并将这些单个点在空间上叠加，得到一个周期内流场的瞬态变化图像。利用热声学压力和流场的关系转换式，从而得到一个完整周期内的热声波动过程，实现了时空图像映射叠加的技术方案，解决了所面临的高速测量问题。

为了方便理解，图9(b)给出根据本发明的时空图像映射叠加技术的应用实施例示意图。如图9(b)给出30个周期的热声波动的采用数据，在第一个周期取一个点，根据公式(10)，在第2个周期的t_c＝2T+2/f_s m＝2时刻再取一个点；依此类推，在第30个周期的t_c＝30T+30/f_s m＝30时刻取最后一个点，这样，共取出30个点，重新绘制，得到一个周期的信号，如图9(b)中的红色圆点所示。

实施例3：

图10是本发明应用于1/4波长的单扬声器驱动的热声制冷机的实施例示意图。所示的1/4波长热声制冷机由扬声器10、谐振管段11、室温换热器14、热声核13、冷头21和谐振管段15组成。该热声制冷机依靠扬声器驱动，发出声功驱动热声系统内的气体工质运动，在冷头21上产生制冷效果。如图10所示，在热声系统一端布置单个扬声器10，用以调制热声核两端的声场，使其出于稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场条件下。在热声核13两端布置热端换热器12和冷端换热器14，采用这种高低温双热源法控制热声核13两端的高温温度和低温温度在恒定值。在扬声器10和室温换热器14之间的谐振管段11上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器P1-P4；在冷头21侧的谐振管段15上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器P5-P8。虽然此热声制冷机与实例2中所述的对置式扬声器驱动的热声系统的结构和工作原理不同，但二者在谐振管内声场所遵循的规律完全一样，因此实施例2中所述的热声学测试方法(包括宏观声场调制与测量部分和介观声场建立与测量部分)在本实施例中依然有效，这里不再详述。

实施例4：

图11是本发明应用于驻波型热声发动机的实施例示意图。所示的热声发动机由谐振管段11、热端换热器12、热声核13、冷端换热器(也称室温换热器)14和谐振管段15组成。该热声发动机的工作机理与实施例3中的不同，它通过在热声核13两端建立温度梯度，当此温度梯度达到热声系统的临界温度梯度时，发动机内产生自激振荡，输出声功。如图11所示，在热声核13两端布置热端换热器12和冷端换热器14，采用这种高低温双热源法控制热声核13两端的高温温度和低温温度在恒定值。在热端换热器12侧的谐振管段11上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器P1-P4；在冷端换热器14侧的谐振管段15上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器P5-P8。此热声发动机与实例2中所述的谐振管内声场所遵循的规律完全一样，同样可以采用实施例2中所述的热声过程的测试方法(包括宏观声场调制与测量部分和介观声场建立与测量部分)获得各个声学参量，这里不再详述。

实施例5：

图12是本发明应用于斯特林型热声发动机时的实施例示意图。所示的斯特林型热声发动机由谐振管段11、热端换热器12、热声核13、冷端换热器(也称室温换热器)14、反馈管22、容腔23和谐振腔24组成。该热声发动机的工作机理与实施例3中的不同，它通过在热声核13两端建立温度梯度，当此温度梯度达到热声系统的临界温度梯度时，发动机内产生自激振荡，在它的热声核内的气体工作经历斯特林热力学循环，输出声功。如图12所示，在热声核13两端布置热端换热器12和冷端换热器14，采用这种高低温双热源法控制热声核13两端的高温温度和低温温度在恒定值。在环形圈的反馈管22上，开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器P1-P2；在冷端换热器14侧的管段上，开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器P3-P4；在谐振管段11上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器P5-P8。此热声发动机与实例2中所述的谐振管内声场所遵循的规律完全一样，同样可以采用实施例2中所述的热声学测试方法(包括宏观声场调制与测量部分和介观声场建立与测量部分)获得各个声学参量，这里不再详述。

实施例6：

图13是本发明应用于级联型热声发动机时的实施例示意图。所示的级联型热声发动机由对称设置的谐振腔24、谐振管段11、处于第一级热声转换元件(包括热端换热器12、热声核13和冷端换热器(也称室温换热器)14)以及处于第二级热声转换元件(包括冷端换热器(也称室温换热器)14、热声核13和热端换热器12)组成。该热声发动机的第一级热声转换元件的起振温度较低，在第一级的热声核13两端建立温度梯度后，当此温度梯度达到热声系统的临界温度梯度时，发动机内产生自激振荡；此声功有助于第二级热声转换元件起振，并进一步地产生声功；综合两级热声转换元件，此级联型热声发动机能够得到更多的输出声功。如图13所示，在左侧谐振腔24和第一级热端换热器12之间，开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器P1-P2；在第一级冷端换热器14和第二级冷端换热器14之间的管段11上，开有四个声压测孔，分别设置四个声压传感器P3-P6；在右侧第二级热端换热器12和谐振腔24之间，另开有两个声压测孔，分别设置两个声压传感器P7-P8。对于热声介观测试部分，可以分别对第一级热声核和第二级热声核进行观测，其信号S2进入PIV测量瞬时流场以及红外热像仪测量温场。此热声发动机与实例2中所述的谐振管内声场所遵循的规律完全一样，同样可以采用实施例2中所述的热声学测试方法(包括宏观声场测试部分和介观测试部分)获得各个声学参量，这里不再详述。

至此，给出了本发明的热声过程的测试方法和测试系统在几种主要的热声热机中的实施方案。应该指出，对于任何声学结构的热声热机，只要在其独立的管段上布置对应的一对声压传感器，在热声核段布置透明视窗，设置MicroPIV和红外热像仪，都可以使用本发明所提供的监测方法和监测系统，对热声热机进行宏观声场调制与测量以及介观声场建立与测量。

本发明采用高低温双热源法和双声源法来调制热声核宏观外声场和温场，利用宏观声场重构获得热声核宏观外声场的实时监测；利用关键测试设备MicroPIV和红外热像仪对热声核的进行介观测量，并针对关键测试设备的测量时间不一致的难点，创新性地提出时空图像映射叠加技术，得到同步瞬态的介观热声场。此发明对创建的一套热声过程的测量系统开展研究，填补了热声学的理论试验研究所需测量方法的空白，奠定热声学介观测试研究的基础。

最后需要说明的是，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。

Claims (12)

1.一种热声过程测试系统，包括：

声场调制单元，连接在待测热声核两端，用于在所述热声核两端生成具有稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场；

对称地设在所述热声核的侧壁上的流场测量窗口和温度场测量窗口；

微尺度粒子成像测速仪，用于通过所述流场测量窗口，在一系列的采样时间点t_c测出所述热声核内的流场分布；所述采样时间点t_c＝mT+m/f_s m＝0，1，2，...n_n-1；其中，T是所述声场调制单元所生成的声场的周期，f_s是预设的采样频率，m是采样时间点序号；

红外热像仪，用于通过所述温度场测量窗口测出所述热声核内的温度场分布随时间变化的过程；

以及时空图像映射叠加单元，用于将所述微尺度粒子成像测速仪测得的各采样时间点t_c的流场分布，按照采样时间点序号m一一等效变换为声场的同一周期T内的虚拟采样时间点t_c′的流场分布，其中t_c′＝m/f_s m＝0，1，2，...nn-1。

2.根据权利要求1所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述热声过程测试系统还包括温度场调制单元，用于在所述热声核两端生成所需的温度场。

3.根据权利要求2所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述温度场调制单元包括热源和冷源，分别设置在待测热声核的两端；所述声场调制单元包括谐振管段A、谐振管段B以及声源，所述谐振管段A、谐振管段B分别与所述热源和冷源连接。

4.根据权利要求1所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述流场测量窗口的制作材料对所述微尺度粒子成像测速仪透明，并且其抗压能力至少达到1MPa，耐热能力至少达到400℃。

5.根据权利要求1所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述温度场测量窗口的制作材料对所述红外热像仪透明，并且其抗压能力至少达到1MPa，耐热能力至少达到400℃。

6.根据权利要求4所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述流场测量窗口的制作材料采用石英玻璃。

7.根据权利要求5所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述温度场测量窗口采用硫化锌或硫化硒晶体利用化学气相沉积方法制成。

8.根据权利要求1所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述流场测量窗口和温度场测量窗口的厚度t根据下述公式计算得出：

t＝(1.1×P×r²×SF/MR)^0.5

其中，P为测量窗口内外压力差，所述测量窗口为圆形，r为测量窗口半径，SF为安全系数，MR为破裂模数。

9.根据权利要求3所述的热声过程测试系统，其特征在于，所述声源是单个或对置式电磁喇叭，或者是对置式线性压缩机。

10.利用权利要求1所述的热声过程测试系统进行热声过程测试的方法，包括下列步骤：

1)在所述热声核两端生成具有稳定频率、稳定幅值和稳定相角的声场，在所述热声核两端生成温度场；

2)利用微尺度粒子成像测速仪，通过所述流场测量窗口，在一系列的采样时间点t_c测出所述热声核内的流场分布；所述采样时间点t_c＝mT+m/f_s m＝0，1，2，...n_n-1；其中，T是所述声场调制单元所生成的声场的周期，f_s是预设的采样频率，m是采样时间点序号；

3)利用红外热像仪，通过所述温度场测量窗口测出所述热声核内的温度场分布随时间变化的过程；

4)将所述微尺度粒子成像测速仪测得的各采样时间点t_c的流场分布，按照采样时间点序号m一一等效变换为声场的同一周期T内的虚拟采样时间点t_c′的流场分布，其中t_c′＝m/f_s m＝0，1，2，...n_n-1，从而获得所述热声核内的流场分布随时间变化的过程；

5)根据采样时间点，得出流场分布变化与温度场分布随时间变化的对应关系。

11.根据权利要求10所述的进行热声过程测试的方法，所述热声测试的方法还包括：在步骤1)和步骤2)之间，测出热声核两端的谐振管段A、B内的气体工质的声压分布的步骤，该步骤包括下列子步骤：

10)分别测出热声核两端的谐振管段A、B内至少两个采样位置的气体工质的声压；

11)通过宏观声场重构得出谐振管段A、B内的气体工质的声压分布。

12.根据权利要求11所述的进行热声过程测试的方法，所述热声测试的方法还包括步骤6)：根据谐振管段A、B内的气体工质的声压分布以及步骤4)所测得的热声核内的流场分布，计算每个采样时间点t_c时的宏观声场分布，从而得出宏观声场分布变化与温度场变化的对应关系；所述宏观声场分布包括：谐振管段及热声核内的气体工质的质点流速、体积流率、声阻抗、压流相位差以及声功分布。

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