CN105206146A - 一种热声制冷实验演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热声制冷实验演示装置。主要包括谐振管，谐振管内设有板叠，板叠的两侧分别紧贴有换能器，换能器的外侧紧贴有温度传感器；所述谐振管的一端与壳体连接，谐振管的另一端与声容连接；所述壳体内设置有扬声器，声容内设有拾音器；扬声器发出声波，使谐振管内的空气进行谐振波动，则两换能器的温度就出现差异，完成热声制冷演示。本装置通过设计全新的结构，能够较好的使学生在宏观加深对热声制冷原理的理解，且噪音较小，深受学生喜爱。

Description

一种热声制冷实验演示装置

技术领域

本发明涉及理化教学演示设备相关技术领域，具体的说，是涉及一种热声制冷实验演示装置。

背景技术

热声制冷的概念是美国LosAlamos国家实验室的J.C.Wheatley等人在20世纪80年代提出的。世界上第一台采用扬声器驱动的热声制冷机是1985年由美国海军研究生院的Hofler研制成功的。

虽然热声制冷机目前还处于试验样机和某些特殊场合应用阶段(如冷却航天飞机上的红外传感器及海军舰船上的雷达电子系统等)，但因其在稳定性、使用寿命、环保(使用无公害的流体为工作介质)及无运动部件等方面的优势以及在普冷和低温等领域潜在的应用前景，近二三十年来，热声制冷机迅速成为了制冷领域一个新的研究热点。

从原理上来说，热声效应是指由于处于声场中的固体介质与震荡流体之间的相互作用，使得距固体壁面一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生的热流，并在这个区域内产生(或者吸收)声功的现象。

按能量转换的方式不同，热声效应可分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声震荡；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输。

扬声器驱动的热声制冷机是按照第二类原理来进行工作的。只要具备一定的条件热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。

假设在振荡工质气体场中加人一块沿气体振荡方向放置的平板，分六个阶段来分析气体微团在一定声频率下沿平板作往复运动时温度和体积的变化，主要过程如图l所示。

图1中，圆的大小表示气体微团体积的大小，设平板温度为T，气体微团最初处于位置1(x-0)，温度为T，声波驱动气体微团向右到达位置2，微团被绝热压缩，温度上升到T++。因气体温度高于平板温度，热量Q由气体微团流向平板，微团体积缩小，温度降到T+。

热流也引起位置X+处平板温度的升高。接着，气体微团由位置3绝热运动到位置4，到达一个新的温度T-，然后再绝热膨胀到位置5，温度为T---。此时气体温度低于平板温度，热量Q从平板流向气体微团，气体微团受热膨胀，温度回升到T--，热流同时引起平板温度在X-处下降。

气体微团再向右运动，经绝热压缩过程重新回到起始位置1，完成热力循环。于是气体微团向右运动对平板放热，向左运动从平板吸热。热量被转移到平板右方，而平板左方被冷却。完成一个循环。

虽然热声制冷从原理上可以非常清楚的进行说明，但是较为抽象。学生在进行学习研究时，无法在宏观上对热声制冷进行了解，因此实际教学效果与预期存在较大差异。

现有技术中，已经有关于热声制冷教学演示方面的研究。例如：申请号为2009100862318的中国专利文献记载了一种共振型热声制冷演示仪。该装置中包括音频信号发生器，发生器的两端分别与扬声器和功率放大器连接，扬声器置于减震垫上，同时还设置有谐振管、密封圈、热声堆和铜塞。并通过温度计进行温度显示。

该装置在一定程度上能够协助学生进行热声制冷的宏观理解，但是其扬声器为直接置于空气中，演示的过程中会发出较大的噪音，极大的降低了实验的趣味性，在另一定程度上引起学生反感。同时其能量转换结构设计不是很合理，无法使得学生通过触摸来直接体验热声制冷的实质含义。

因此，有必要设计一种全新结构的热声制冷演示仪器，来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种热声制冷实验演示装置。本装置通过设计全新的结构，能够较好的使学生在宏观加深对热声制冷原理的理解，且噪音较小，深受学生喜爱。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热声制冷实验演示装置，包括：

谐振管，谐振管内设有板叠，板叠的两侧分别紧贴有换能器，换能器的外侧紧贴有温度传感器；

所述谐振管的一端与壳体连接，谐振管的另一端与声容连接；

所述壳体内设置有扬声器，声容内设有拾音器；

扬声器发出声波，使谐振管内的空气进行谐振波动，则两换能器的温度就出现差异，完成热声制冷演示。

优选的，所述壳体为密闭结构。

优选的，所述壳体内部的真空度小于1atm。

优选的，所述壳体内设有隔音棉。

优选的，所述板叠的中心位于谐振管的四分之一处。

优选的，所述扬声器与置于壳体外部的控制单元相连接，且温度传感器将信号传递至控制单元。

优选的，所述控制单元为电脑或触摸屏。

优选的，所述换能器为铜网。

优选的，所述换能器的表面套有密封环，密封环被换能器挤压在谐振管内壁上。

本发明的有益效果是：

(1)通过设置两换能器，提高了板叠两端能量的转换效率。能量转换后在通过温度显示器进行显示的同时，板叠两端的谐振管可以让学生直接用手进行触摸感受温差，更好的理解热声制冷的原理。

(2)扬声器设置在密闭的壳体中，且壳体内设有隔音棉，能够在一定程度上隔绝扬声器发出的噪音。

(3)壳体处于较低真空度的真空状态时，实验过程中发出的噪音基本可以忽略，又不会影响声波的传播，在本质上保证了实验的趣味性，不会使学生产生厌恶。

(4)通过电脑或触摸屏实时显示板叠两端的温度变化，也能显示温差曲线及输出波形。并能够便于控制实验的输出频率、输出波形，完全不用依靠其他实验仪器的辅助，且触摸屏的小巧，方便等优点，大大减小了实验仪器的体积。

附图说明

图1是本发明中背景技术部分提及的原理示意图；

图2是本发明的结构示意图；

其中：1、声容，2、拾音器，3、谐振管，4、温度传感器，5、板叠，6、温度传感器，7、壳体，8、隔音棉，9、扬声器，10、控制单元，11、换能器，12、密封环。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例：一种热声制冷实验演示装置，其结构如图2所示：包括谐振管3，谐振管3内设有板叠5，板叠5的两侧分别紧贴有换能器11，靠上的换能器11外侧紧贴有温度传感器4，靠下的换能器11外侧紧贴有温度传感器6；

所述谐振管3的一端与壳体7连接，谐振管3的另一端与声容1连接；

所述壳体7内设置有扬声器9，声容1内设有拾音器2。拾音器2是为了检测输入频率是否为扬声器的共振频率,使得发射波形能量最大，以拾音器2检测到的波形振幅最大为准。

为了起到较佳的隔音效果，防止学生产生厌恶，所述壳体7为密闭结构，且扬声器9的非发声端被隔音棉8所包裹。因为隔音棉8的存在，能够进一步降低噪音对外界的影响。

作为另一种情况，壳体7也可以进行抽真空处理，形成具有一定真空度非绝对真空的相对真空环境。例如，真空度为-0.05MPa或-0.06MPa。

所述扬声器9与置于壳体7外部的控制单元10相连接。根据需要，控制单元10可以为电脑或触摸屏。

为了提高能量转换效率，所述换能器11为铜网，两换能器11均为20目的铜网。

声音在谐振管3内震荡时会产生振动，为了确保板叠5及换能器11不发生位移，在两个换能器11的外周圈分别套有一橡胶材质的密封环12，使密封环12被换能器11挤压在谐振管3的内壁上。

本装置中，谐振管的要求是尽量减少声能的损耗的同时确保结构紧凑、轻巧并且有足够强度，谐振管的的形状和长度由其共振频率和声功损耗最小值来确定。根据边界层相似理论，谐振管在单位面积上损耗的声功如下由于所有损失能量与共振管管壁表面积成比例，一个四分之一波长的共振管的损失的能量只有二分之一波长的一半。所以，取四分之一波长的共振管性能比较优越。经理论计算，本装置采用长490mm内径35mm的玻璃管作为谐振管。

板叠5作为现有部件，可分为平板型、多孔材料型、细管型、丝网型和针棒型等多种形式。板叠5的几何形状可由Rott函数f_k来表示，通过数值计算就能得出Rott函数f_k的实部和虚部同流道水力半径与热渗透深度比值之间关系。考虑到所需制冷量在传输过程中散失，本装置中选择最佳性能的细管型板叠。

板叠5的中心位置直接关系到板叠5中热声转化效率的高低，而板叠5长度决定在最佳中心位置时能否获得最高制冷效率及最低温度。经理论计算，我们取10cm长内径约0.9mm的玻璃毛细作为板叠5，其中心位置在谐振管的四分之一处。

气体在板叠5内发生热声效应，使板叠5轴向产生温度梯度，在板叠5的两端形成高低温端。为了将低温端的冷量导出，通过在板叠5冷热端(即两端)安装换能器11，换能器11主要是通过铜网组成，热端的换热器11长度理论来讲也应等于流体在换能器11处气体的振动峰点之间的距离。

本装置中，温度传感器4和温度传感器6均可选择lm35温度传感器。选择lm35温度传感器主要是因为它灵敏度高，反应快，自发热低，因此，实验过程中可以实时检测温度的变化，并通过触摸屏显示出来。LM35是一种得到广泛使用的温度传感器，由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。LM35有多种不同封装型式。在常温下，LM35不需要额封装外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。

本实施例中提及的触摸屏(touchscreen)又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。本实验装置采用的触摸屏，可以实时显示温度变化，也将显示温差曲线及输出波形。另外，只需触摸屏就可以控制实验的输出频率、输出波形，完全不用依靠其他实验仪器的辅助，又因为触摸屏的小巧，方便等优点，大大减小了实验仪器的体积。

作为公知常识，控制单元的运行需要程序的支持。本方案中的控制程序，主要包括该部分包括主程序、频率调节程序、波形显示程序、温度显示程序、定时器(T0)中断服务程序、接收数据处理程序及显示程序七个程序模块。

各模块功能如下：主程序主要完成初始化及闭环不间断动态扫描显示程序，在执行显示程序的任何时刻，允许响应来自INT0，T0、T1的中断；INT0中断服务程序，主要完成对无线传输数据的接收；T1中断服务程序完成单片机与PC机之间的通信。整个设计要求达到的控制功能，T0中断(1ms)服务程序则实现红外发射控制信号。

从控制方式的角度而言，输人信号发生与控制部分的作用是为换能器提供基本的波形振荡信号，最终使工质气体按一定的波形规律振荡。

本实验设计和应用了32控制板和功放模块，构成波形、频率连续可调的脉冲波发生器，能同时输出相互间可直接转换的正弦波信号，工作电压为单电压O-12V，输出波形的频率范围为100Hz-800Hz，输出正弦波失真度小于1％。温度和压力传感器输出电压信号通过两次仪表处理后，经A/D转换被计算机采集并存贮。其中，压力量根据传感器及后续电路的特性，由标定好的压力-电势线性方程给出；温度量则由计算机自动查表确定，而铜-康铜热电偶的分度表事先以列表形式读入数据文件。计算机记录了以上时域信号的幅值即其随时间的变化特征，我们采用计算离散傅里叶变换的快速算法(FFT)将时域信号转换到频域上进行频谱分析。

进行演示时，先打开电源开关，然后通过控制单元10调整信号输入频率，并把扬声器9输入幅度调整至最小。启动扬声器9，使扬声器9在最小振幅下开始工作，进一步调整系统工频至共振频率，并调高工作电压从而提高功率。观察通过控制单元10冷热端温度变化，并每隔3分钟记录一次，最后绘制出冷、热端温度曲线及温差曲线。在实验的过程中，学生手可以触摸内部两换能器11所处的谐振管处，通过两个换能器11产生的温差来直观的理解热声制冷的本质。

本装置中，根据热声制冷原理，利用常见的材料和元器件，采用玻璃管状板叠，设计了一套结构简单的热声制冷实验演示装置。由触摸屏或电脑控制实验的启动停止及实验所需的谐振频率，且波形图、温差曲线、频率调节触点、和冷、热端温度均能够在显示器或触摸屏上体现，使得实验过程温度的变化一目了然。

在本装置运行了200s后，温差达到稳定值5℃，板叠上部温度为31℃，实验的环境温度为28℃。板叠下部的温度已下降为26℃。若用T冷为热声堆下部的温度计示数，T热为热声堆上部的温度计示数，则系统运行200s后T冷＝26℃，T热＝31℃。实验的重复性较好。最后，T热与T冷的差值(温跨)为：ΔT＝5℃。

采用了上述结构后，本装置能够从显示器上体现出实验过程中各种数据的变化，并能够让学生通过肢体触摸谐振管感受温度变化，增强学生的求知欲，有利于与热声技术相关的后续教学工作更佳顺利的进行。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种热声制冷实验演示装置，其特征在于，包括：

谐振管，谐振管内设有板叠，板叠的两侧分别紧贴有换能器，换能器的外侧紧贴有温度传感器；

所述谐振管的一端与壳体连接，谐振管的另一端与声容连接；

所述壳体内设置有扬声器，声容内设有拾音器；

扬声器发出声波，使谐振管内的空气进行谐振波动，则两换能器的温度就出现差异，完成热声制冷演示。

2.根据权利要求1所述热声制冷实验演示装置，其特征在于，所述壳体为密闭结构。

3.根据权利要求2所述热声制冷实验演示装置，其特征在于，所述壳体内部的真空度小于1atm。

4.根据权利要求2所述热声制冷实验演示装置，其特征在于，所述壳体内设有隔音棉。

5.根据权利要求1所述热声制冷实验演示装置，其特征在于，所述板叠的中心位于谐振管的四分之一处。

6.根据权利要求1所述热声制冷实验演示装置，其特征在于，所述扬声器与置于壳体外部的控制单元相连接，且温度传感器将信号传递至控制单元。

7.根据权利要求7所述热声制冷实验演示装置，其特征在于，所述控制单元为电脑或触摸屏。

8.根据权利要求1所述热声制冷实验演示装置，其特征在于，所述换能器为铜网。

9.根据权利要求1所述热声制冷实验演示装置，其特征在于，所述换能器的表面套有密封环，密封环被换能器挤压在谐振管内壁上。