CN109974338B - 一种调相器及热声系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热声设备技术领域,尤其涉及一种调相器及热声系统。本发明的调相器中,连接基座的两侧分别连接有用于连接热声部件的气缸,每个气缸内分别设有活塞,两个活塞之间通过活塞轴连接,活塞轴可活动的贯穿在连接基座中,连接基座与各个活塞之间分别设有气体弹簧,每个气体弹簧的气腔中分别密封有气体。该调相器的气体弹簧中设有能作为弹性元件的气腔,以使得气体弹簧能为调相器在调相时活塞的轴向位移提供弹性回复力;气体弹簧的气腔具有灵活的刚度调节和支撑调节能力,从而能使调相器在调相时获得足够大的刚度和足够大的活塞轴向位移,进而使得调相器能满足大功率热声系统的调相需求。
Description
技术领域
本发明涉及热声设备技术领域,尤其涉及一种调相器及热声系统。
背景技术
热声系统是一种实现热能与声波(声波是机械能的一种)之间的能量转换的技术。为了获得理想的转换效率,热声系统中的关键部件(主要是回热器)必须获得特定的声场相位关系,因此调相器是热声系统中必不可少的部件。调相器两端分别连接不同热声系统部件,在调相器两端实现不同的声学阻抗。一般的声学调相器主要是采用声容、声感、谐振管等进行调相,而机械调相器主要是采用弹簧活塞组成的谐振系统进行调相。机械调相器相比于声学调相器结构更紧凑,流动损失更小。
调相器要达到调相的效果,调相器中谐振系统的弹性件刚度和活塞动质量必须满足一定的匹配关系。由于热声系统的功率很大,活塞动质量将相应地增大,同时活塞的位移也将增大。但随着调相器活塞质量的增大,用于支撑和驱动活塞移动的部件通常难以获得足够大的刚度和轴向变形,因此无法同时满足大功率系统中大刚度、大位移的需求,也就无法满足热声系统调相的需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种调相器及热声系统,用以解决现有技术中无法同时满足大功率系统中大刚度、大位移的需求的缺陷,可以使调相器获得足够大的刚度和足够大的活塞轴向位移,从而满足热声系统的调相需求。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种调相器,包括气缸、活塞轴、连接基座和气体弹簧,所述连接基座的两侧分别连接有用于连接热声部件的所述气缸,每个所述气缸内分别设有所述活塞,两个所述活塞之间通过所述活塞轴连接,所述活塞轴可活动的贯穿在所述连接基座中,所述连接基座与各个所述活塞之间分别设有所述气体弹簧,每个所述气体弹簧的气腔中分别密封有气体。
在部分实施例中,所述连接基座包括基座本体和轴承孔,所述轴承孔贯穿固定在所述基座本体的轴线上,所述轴承孔的孔壁分别自所述基座本体的两侧向外伸出,所述活塞轴可活动的套装在所述轴承孔内,每个所述活塞与所述轴承孔之间分别设有所述气体弹簧。
在部分实施例中,该调相器还包括板簧,所述气体弹簧的气腔内安装有所述板簧,板簧包括竖向堆叠的一至多片板弹簧片,板弹簧片的数量由实际所需情况决定,且所述板簧的一端与所述活塞连接,另一端与所述轴承孔的孔壁连接。
在部分实施例中,该调相器还包括气浮支撑结构,所述气浮支撑结构设在所述轴承孔与所述活塞轴之间的间隙处。
在部分实施例中,所述气浮支撑结构包括轴腔、气孔、单向阀和节流孔,所述轴承孔的内部设有所述轴腔,两个所述活塞上分别贯通有所述气孔,每个所述气孔分别通过对应的单向阀与轴腔连通;所述活塞轴的侧壁上设有一个或多个所述节流孔,每个所述节流孔的一端分别与所述轴腔连通,每个所述节流孔的另一端分别与所述间隙连通。
在部分实施例中,所述气浮支撑结构包括气源流道,所述气源流道设在所述基座本体的内部,所述气源流道的出气端与所述间隙连通。
在部分实施例中,所述气浮支撑结构还包括磁体,在所述轴承孔的孔壁与所述活塞轴的侧壁上分别相对的安装有所述磁体,相对的所述磁体之间相互吸引。
在部分实施例中,该调相器还包括刚度调节结构,所述刚度调节结构包括调节流道和调节腔体,所述调节腔体与连接基座连接,所述连接基座内设有至少一条所述调节流道,每条所述调节流道分别连通在所述气体弹簧的气腔和所述调节腔体之间。
在部分实施例中,该调相器还包括热缓冲结构,所述热缓冲结构包括延伸筒和防辐射层,所述延伸筒安装在所述活塞的外部,所述延伸筒与活塞之间填充有非流动气体;所述延伸筒和活塞之间设有至少一层所述防辐射层。
在部分实施例中,该调相器还包括气缸,所述连接基座的两侧分别连接有所述气缸,两个所述活塞分别可活动的设在所述气缸内,且每个所述活塞分别通过间隙密封与所述气缸的壁面连接。
本发明还提供了一种热声系统,包括如上所述的调相器。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果:本发明的调相器包括气缸、活塞轴、连接基座和气体弹簧,连接基座的两侧分别连接有用于连接热声部件的气缸,每个气缸内分别设有活塞,两个活塞之间通过活塞轴连接,活塞轴可活动的贯穿在连接基座中,连接基座与各个活塞之间分别设有气体弹簧,每个气体弹簧的气腔中分别密封有气体。该调相器的气体弹簧中设有能作为弹性元件的气腔,以使得气体弹簧能为调相器在调相时活塞的轴向位移提供弹性回复力;气体弹簧的气腔具有灵活的刚度调节能力,从而能使调相器在调相时获得足够大的刚度,而气浮支撑结构则可以使运动部件获得足够大的活塞轴向位移,进而使得调相器能满足大功率热声系统的调相需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的机械调相器的结构示意图;
图2为本发明实施例的调相器的结构示意图(一);
图3为本发明实施例的调相器的结构示意图(二);
图4为本发明实施例的调相器的结构示意图(三);
图5为本发明实施例的调相器的结构示意图(四);
图6为本发明实施例的调相器的结构示意图(五);
图7为本发明实施例的调相器的结构示意图(六)。
图中:1、基座本体;2、3、气缸;4、5、活塞;6、轴承孔;7、活塞轴;8、单向阀;9、轴腔;10、节流孔;11、磁体;12、气源流道;13、延伸筒;14、防辐射层;15、调节流道;16、调节腔体;17、板簧。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
需要说明的是,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上,同理“多片”、“多组”的含义分别是“两片或两片以上”、以及“两组或两组以上”。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
现有的机械调相器结构如图1所示,两个气缸2、3的一端分别与法兰连接,另一端与其它热声部件连接。在两个气缸2、3中,板簧17的外沿固定在法兰或类似法兰的基座上,活塞轴7则固定在板簧17中心位置,活塞轴7两端分别连接两个活塞4、5,由于板簧17可以具有一定的轴向刚度,利用板簧17的轴向刚度特性,使得活塞轴7和活塞4、5沿活塞轴7的轴向往复运动,但不能作径向运动,从而实现调相器的调相作用。调相器要达到调相的效果,板簧17的刚度和动质量(主要包括活塞4、5、活塞轴7的质量)必须满足一定的匹配关系。随着热声系统功率的增大,动质量将相应地增大,同时活塞4、5的位移也将增大。而随着调相器活塞4、5质量的增大,用于支撑活塞4、5的板簧17难以获得足够大的刚度和轴向变形,因此无法同时满足大功率系统中大刚度、大位移的需求,也就无法满足调相的需求。
如图2所示,本实施例提供的调相器包括气缸2、3、活塞轴7、连接基座和气体弹簧,连接基座的两侧分别连接有气缸2、3,两个气缸2、3都分别用于在热声系统中连接热声部件。每个气缸2、3内分别设有活塞4、5。两个活塞2、3之间通过活塞轴7连接,活塞轴7可活动的贯穿在连接基座中。连接基座与各个活塞4、5之间分别设有气体弹簧,每个气体弹簧的气腔中分别密封有气体。该调相器的气体弹簧中设有能作为弹性元件的气腔,以使得气体弹簧能为调相器在调相时活塞4、5的轴向位移提供弹性回复力,从而保证调相器在调相时能够获得足够的刚度。本实施例的气体弹簧的气腔具有灵活的刚度调节能力,从而能使调相器在调相时获得的刚度和活塞轴7轴向位移都具有灵活的可调性,进而使得调相器能满足大功率热声系统的调相需求。
以下提出六个具体实施例,以详细说明本发明的调相器的具体结构。需要说明的是,本发明提出的各个实施例是为了示例和描述起见而给出的,而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用,并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例一
本实施例一所述的调相器中,如图2所示,连接基座包括基座本体1和轴承孔6。轴承孔6的内部中空,并且贯穿固定在基座本体1上,轴承孔6的孔壁分别自基座本体1的两侧向外伸出,从而在基座本体1的轴线上形成一条基于基座本体1两侧表面分别向外突出的轴承孔6。活塞轴7可活动的套装在轴承孔6内。则每个活塞4、5与轴承孔6之间留出空间,在活塞4、5和活塞轴7之间的空间内密封一定容积的气体以使得该空间形成密封的气腔,则该活塞4、5、活塞轴7、轴承孔6合围出的密封有气体的空间(即气腔)即可形成气体弹簧。该调相器利用气腔结构为调相器提供足够大的弹簧刚度,保证调相器达到所需调相效果。
本实施例中,调相器还包括气缸2、3,连接基座的两侧分别连接有气缸2、3,两个活塞4、5分别可活动的设在气缸2、3内,且每个活塞4、5分别通过间隙密封与气缸2、3的壁面连接。则活塞4、5、气缸2、3壁、基座本体1的表面、轴承壁以及活塞轴7共同合围成气腔。
由于气体弹簧的刚度主要由气体容积和活塞4、5面积决定,因此,本实施例的调相器中,只要适当设计气体容积和活塞4、5面积这两个参数就可以获得不同的气体弹簧的刚度。
本实施例中,两个活塞4、5的面积可以相等也可以不相等。由于热声系统中,调相器的两个气缸两个待调相装置(在热声系统中即为上述的热声部件)相连,两个待调相装置对于调相所需的阻抗不同,扫气容积也不同,则本实施例优选两个活塞4、5的面积不相等;在两个活塞4、5内可以设置不相等的气腔容积,以获得互不相等的弹簧刚度,但是由于在调相时两个气体弹簧共同作用于两端的热声部件,则只要保证两个气体弹簧的总刚度达到需求即可;此外,还可以将上述两种调节结构相结合,即同时改变活塞4、5面积和气腔容积,即可灵活调整调相器的两个调相侧的调相参数。
本实施例中,活塞轴7与轴承孔6之间通过滑动摩擦连接,在活塞轴7与轴承孔6之间的间隙表面涂覆耐磨层,从而可以增大活塞4、5的往复运动幅度,以满足在大功率的热声系统中调相器在调相时对活塞4、5行程的需求。
由于活塞轴7和轴承孔6在相对移动(发生滑动摩擦)时,活塞轴7和轴承孔6之间的间隙非常小,从而保证气腔中的气体难以通过间隙来回流动,从而达到间隙密封的效果。同理的,由于活塞4、5在活动时,活塞4、5的侧面与气缸2、3壁之间的间隙非常小,活塞4、5在高频率(数十赫兹以上)往复运动的过程中,活塞4、5侧面的气体难以通过间隙来回流动,从而在活塞4、5与气缸2、3之间达到间隙密封的效果。
实施例二
本实施例二所述的调相器的结构与实施例一基本相同,相同之处不再赘述,不同之处在于:本实施例的调相器还包括板簧17。
本实施例中,如图3所示,每个气体弹簧的气腔内分别安装有板簧17。板簧17的一端与活塞4、5连接,另一端与轴承孔6的孔壁连接。即板簧17的外边缘连接在活塞4、5的外缘上,板簧17的内边缘连接在轴承孔6的伸出端,从而利用板簧17将活塞4、5与轴承孔6之间连接。由于调相器在使用时会平躺放置,上述的结构可利用和板簧17对动子(即活塞4、5和活塞轴7)起到径向支撑作用,而且板簧17的这种特性可以使活塞4、5和气缸2、3之间始终保持微小的间隙(10微米的量级)而不产生机械磨损。
与现有技术相比,由于在调相器中存在气体弹簧,所以板簧17不需要提供过多的轴向刚度,则板簧17的厚度可以减小,因此就可以产生更大的轴向变形,使动子获得更大的轴向位移,从而满足大功率的热声系统所需的调相需求。由此可以理解,在部分具体实施例中,板簧17包括竖向堆叠的一片或多片板弹簧片,板弹簧片的数量和厚度可根据实际情况作灵活调整,以便于灵活调节板簧17的弹力,从而调节动子的轴向位移。
实施例三
本实施例三所述的调相器的结构与实施例一基本相同,相同之处不再赘述,不同之处在于:本实施例的调相器还包括气浮支撑结构,气浮支撑结构设在轴承孔6与活塞轴7之间的间隙处。气浮支撑结构能够增加调相器的轴向位移,从而满足各种不同环境下的调相需求。
本实施例中,如图4所示,气浮支撑结构包括轴腔9、气孔、单向阀8和节流孔10。轴承孔6的内部设有中空的轴腔9,两个活塞4、5上分别贯通有气孔,每个气孔分别通过单向阀8与轴腔9连通。优选在两个活塞4、5的轴线上分别贯通有气孔,每个气孔与活塞轴7的连通处安装有单向阀8。也可以将单向阀8安装在气孔的内部,单向阀8的作用控制活塞4、5内外的气流流向。在活塞轴7的侧壁上设有一个或多个节流孔10,每个节流孔10的一端分别与轴腔9连通,每个节流孔10的另一端分别与活塞轴7和轴承孔6之间的间隙连通。
调相器在工作时平躺放置,活塞4、5表面侧的气体由于声波的作用压力会产生周期性变化,当压力升高到一定值时单向阀8开启,气流进入到活塞轴7的内腔中,并在内腔内形成一个压力较高的气源,气源再经过节流孔10进入活塞轴7与轴承孔6之间的间隙,从而在轴承孔6与活塞轴7之间形成气浮支撑结构,利用该气浮支撑结构实现支撑动子的效果。
实施例四
本实施例四所述的调相器的结构与实施例三基本相同,相同之处不再赘述,不同之处在于:本实施例的调相器中,气浮支撑结构包括气源流道12。利用气源流道12将外部的高压气源引入轴承孔6与活塞轴7之间的间隙内,从而在轴承孔6与活塞轴7之间形成气浮支撑结构。
本实施例中,如图5所示,气源流道12的进气端与外部的高压气源连通,气源流道12的出气端与间隙连通,从而将外部高压气源引入到轴承孔6与活塞轴7之间。气源流道12埋设在基座本体1的内部,以避免气源流道12的设置会影响气腔的气密性。在保证气腔气密性的前提下,也可以将气源流道12安装在基座本体1的表面,即设置气源流道12直接穿过气腔内,但气源流道12与气腔之间互不连通。
实施例五
在实施例三或实施例四的基础上进一步提出了本实施例五所述的调相器。本实施例五所述调相器的结构与上述的实施例三和实施例四基本相同,相同之处不再赘述,不同之处在于:本实施例的调相器中,气浮支撑结构还包括磁体11。在轴承孔6的孔壁与活塞轴7的侧壁上分别相对的安装有相互吸引的磁体11。一对相互吸引的磁体11被相对的设置在间隙的两侧,使得动子在活动时具有回复力,使动子的运动始终保持在预设的平衡位置,为动子在活动时提供可靠的限位作用。
实施例六
本实施例六所述的调相器的结构与实施例一基本相同,相同之处不再赘述,不同之处在于:本实施例的调相器还包括刚度调节结构,以便于根据系统所需的调相要求灵活调节气体弹簧的刚度。刚度调节结构包括调节流道15和调节腔体16。调节腔体16与连接基座连接。连接基座内设有至少一条调节流道15,每条调节流道15分别连通在气体弹簧的气腔和调节腔体16之间。在需要升高或降低气体弹簧的刚度时,只需要改变气腔内的体积即可。
本实施例中,为了能够分别对连接基座两侧的气体弹簧的刚度进行独立调节,避免两个气体弹簧在调节时互相干涉,优选,如图6所示,在基座本体1的左右两端分别连接有调节气腔,左侧的调节气腔通过埋设在基座本体1左半部内的调节流道15与基座本体1下侧的气腔连通,右侧的调节气腔通过埋设在基座本体1右半部内的调节流道15与基座本体1上侧的气腔连通。
实施例七
本实施例七所述的调相器的结构与实施例一基本相同,相同之处不再赘述,不同之处在于:本实4施例的调相器还包括热缓冲结构。由于与调相器的活塞4、5相邻接的热声部件可能并不是常温部件,利用热缓冲结构可以使该调相器的调相侧与非常温状态下的热声部件相邻接,以便于调相器接入热声系统中,并能灵活适应系统内的非常温状态下的热声部件的调相。
本实施例中,如图7所示,热缓冲结构包括延伸筒13和防辐射层14,延伸筒13安装在活塞4、5的外部。换言之,延伸筒13安装在活塞4、5与其邻接的热声部件之间。延伸筒13优选为薄壁结构。延伸筒13与活塞4、5之间填充有非流动气体,从而保证延伸筒13内部的导热系数很低,降低延伸筒13的导热效果。延伸筒13和活塞4、5之间设有至少一层防辐射层14。防辐射层14不但可以减少延伸筒13的端面与活塞4、5之间的辐射传热,而且将内部气体分割成多个区域,可以减少冷热气流的混合,减少损失。
本实施例的热缓冲结构中,在延伸筒13与活塞4、5之间的空间被三层防辐射层14顺次分割成四个区域,从而逐级降低自延伸筒13的外端面到活塞4、5之间的热传递。
本实施例中,可以根据热声系统中的热声部件的状态,仅在调相器的一个调相侧安装热缓冲结构。即如图7所示,在调相器上侧的活塞4外部安装延伸筒13;也可以在调相器下侧的活塞5外部安装延伸筒13。同理的,可以根据热声系统中的热声部件的状态,在调相器的两个调相侧分别安装热缓冲结构。即在调相器上下两侧的活塞4、5外部同时安装延伸筒13。
本实施例中,每个调相侧安装的热缓冲结构中的防辐射层14的数量可以相等也可以不相等。防辐射层14的具体数量和所分割区域的数量可以根据所需缓冲的热量决定。
实施例八
本实施例八提供了一种热声系统。该系统包括至少一个调相器。该调相器可以为实施例一至实施例七中所述的调相器中的一个或多个。即在该热声系统中,有两个热声部件之间安装有一个调相器,该调相器可以为实施例一至实施例七中所述的任一个。
或者是,在该热声系统中设有多组热声调相组件,每组热声调相组件包括有两个热声部件,以及安装在两个热声部件之间的调相器。每组热声调相组件中的调相器可以为实施例一至实施例七中所述的任一个。则该热声系统中设有多个调相器,且每个调相器都可以为实施例一至实施例七中所述的任一个。该热声系统中的各组热声调相组件之间采用常规连接结构相连即可。
需要说明的是,在同一热声系统中,既可以全部使用调相器,也可以将调相器与现有的常规调相器相结合使用。
综上所述,本实施例的调相器包括气缸2、3、活塞轴7、连接基座和气体弹簧,连接基座的两侧分别连接有用于连接热声部件的气缸2、3,每个气缸2、3内分别设有活塞4、5,两个活塞4、5之间通过活塞轴7连接,活塞轴7可活动的贯穿在连接基座中,连接基座与各个活塞4、5之间分别设有气体弹簧,每个气体弹簧的气腔中分别密封有气体。该调相器的气体弹簧中设有能作为弹性元件的气腔,以使得气体弹簧能为调相器在调相时活塞4、5的轴向位移提供弹性刚度;气体弹簧的气腔具有灵活的刚度调节能力,从而能使调相器在调相时获得足够大的刚度和足够大的活塞轴7向位移,进而使得调相器能满足大功率热声系统的调相需求。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种调相器,其特征在于,包括气缸、活塞轴、连接基座和气体弹簧,所述连接基座的两侧分别连接有用于连接热声部件的所述气缸,每个所述气缸内分别设有所述活塞,两个所述活塞之间通过所述活塞轴连接,所述活塞轴可活动的贯穿在所述连接基座中,所述连接基座与各个所述活塞之间分别设有所述气体弹簧,每个所述气体弹簧的气腔中分别密封有气体;
该调相器还包括刚度调节结构,所述刚度调节结构包括调节流道和调节腔体,所述调节腔体与连接基座连接,所述连接基座内设有至少一条所述调节流道,每条所述调节流道分别连通在所述气体弹簧的气腔和所述调节腔体之间。
2.根据权利要求1所述的调相器,其特征在于,所述连接基座包括基座本体和轴承孔,所述轴承孔贯穿固定在所述基座本体的轴线上,所述轴承孔的孔壁分别自所述基座本体的两侧向外伸出,所述活塞轴可活动的套装在所述轴承孔内,每个所述活塞与所述轴承孔之间分别设有所述气体弹簧。
3.根据权利要求2所述的调相器,其特征在于,该调相器还包括板簧,所述气体弹簧的气腔内安装有所述板簧,所述板簧包括竖向堆叠的一至多片板弹簧片,且所述板簧的一端与所述活塞连接,另一端与所述轴承孔的孔壁连接。
4.根据权利要求2所述的调相器,其特征在于,还包括气浮支撑结构,所述气浮支撑结构设在所述轴承孔与所述活塞轴之间的间隙处。
5.根据权利要求4所述的调相器,其特征在于,所述气浮支撑结构包括轴腔、气孔、单向阀和节流孔,所述轴承孔的内部设有所述轴腔,两个所述活塞上分别贯通有所述气孔,每个所述气孔分别通过单向阀与轴腔连通;所述活塞轴的侧壁上设有一个或多个所述节流孔,每个所述节流孔的一端分别与所述轴腔连通,每个所述节流孔的另一端分别与所述间隙连通。
6.根据权利要求4所述的调相器,其特征在于,所述气浮支撑结构包括气源流道,所述气源流道设在所述基座本体的内部,所述气源流道的出气端与所述间隙连通。
7.根据权利要求4-6任一项所述的调相器,其特征在于,所述气浮支撑结构还包括磁体,在所述轴承孔的孔壁与所述活塞轴的侧壁上分别相对的安装有所述磁体,相对的所述磁体之间相互吸引。
8.根据权利要求1-6任一项所述的调相器,其特征在于,该调相器还包括热缓冲结构,所述热缓冲结构包括延伸筒和防辐射层,所述延伸筒安装在所述活塞的外部,所述延伸筒与活塞之间填充有非流动气体;所述延伸筒和活塞之间设有至少一层所述防辐射层。
9.一种热声系统,其特征在于,包括如权利要求1-8任一项所述的调相器。
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