CN1443998A - 降低热声系统共振频率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低热声系统共振频率的方法及装置。该方法是在热声系统的谐振管中安装弹性振动质量块组件，通过增加热声系统的有效振动质量来降低热声系统的固有频率。该装置包括：谐振管、至少一多层的金属膜盒弹簧；其特征是：还包括一块固体质量块，该固体质量块的一端面与所述的多层的金属膜盒弹簧的一端相连接，由它们组成的组件安装在谐振管的任意部位。通过在热声系统引入等效振动质量，可以有效地降低热声系统的共振频率；容易地控制系统的尺寸，有利于热声热机的微型化；非常有利于实用化。

Description

降低热声系统共振频率的方法及装置

                             技术领域

本发明涉及一种降低热声系统的方法及装置，特别是涉及一种降低热声系统共振频率的方法及装置。

                             背景技术

热声系统的工作频率不能过大，因为热声系统转换效率一般随着频率的升高而降低，这可以由以下的声功产生率方程来表明： ${\mathrm{\Σ}}_w^{\′}=\frac{1}{2}{T}_0{\mathrm{\β}}_0\mathrm{Re}\left[\tilde{U}{\tilde{p}}^{*}{f}_{\mathrm{WT}}\right]\frac{1}{T_0}\frac{{\mathrm{dT}}_0}{\mathrm{dx}}-\frac{1}{2}\frac{(\mathrm{\γ}-1)A_f\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ρ}}_0{a}_0^2}{\left|\tilde{p}\right|}^2{g}_{\mathrm{wk}}---\left(1\right)$ $-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{\ω}}{A_f}{\left|\tilde{U}\right|}^2{g}_{\mathrm{w\μ}}$ 该式中有关符号的物理意义可以参考文献[1](肖家华.“热声效应及回热式热机(包括制冷机)的理论研究”，第24页，北京：中国科学院物理研究所，1991)年所介绍的：上式中，右边的第一项表示在一定的温度梯度下所能产生的最大理论功，第二项和第三项则表示由于有限的换热能力及粘性阻力所导致的声功耗散。该式表明，换热能力的不足和粘性阻力引起的功耗散随着频率的增加而增加，所以，对于一个热声系统，如能降低频率，将会减小耗散，提高热声系统的转换效率。

通常，一个声学系统(包括热声系统)的共振频率主要决定于三个因素：(1)系统的几何结构，特别是系统的长度尺寸；(2)系统的边界条件；(3)系统所用的工作介质特性，特别是工作介质的声速。

现有热声系统的声学结构主要有：(1)驻波型半波长(或称二分之一波长)声学系统，如图1所示；(2)驻波型四分之一波长系统，如图2所示；(3)具有局部行波回路的四分之一波长系统，如图3所示。

对图1所示的半波长声学系统，其最低的固有共振频率为： $f=\frac{1}{2}\frac{a_0}{L}---\left(2\right)$

对图2所示的四分之一波长声学系统，其最低的固有共振频率为： $f=\frac{1}{4}\frac{a_0}{L}---\left(3\right)$

对图3所示的具有局部行波回路的四分之一波长声学系统，其最低的固有共振频率由如下方程确定： $\cos \frac{2\mathrm{\πf}}{a_0}(\frac{L_1}{2}+L_2)-\sin \frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{fL}}_2}{a_0}\sin \frac{\mathrm{\π}{\mathrm{fL}}_1}{a_0}=0---\left(4\right)$

在(1)、(2)、(3)式中，f为声学系统的最低固有共振频率；a₀为声学系统中工作气体的声速；L为管子的长度。

由此可以看出，这些声学系统的最低共振频率主要由工作气体的声速、管子的长度以及声学系统的边界条件所决定。

表1给出了上述三种声学系统在采用不同气体介质和不同管长下的最低固有共振频率数据。从表1可以看出，为了使声学系统的共振频率低于50赫兹，则管路的长度一般要在5米以上(对氦气)，否则共振频率就要远高于50赫兹。可见，如果要制作一个频率低于50赫兹的声学共振系统，那么其尺寸一般比较庞大，既增加系统的占地空间又消耗大量材料，不利于实用化。在不增加系统的尺寸情况下，可以采取改变气体工质种类，使其声速减小，从而降低热声系统的共振频率。但是，通常适用于热声系统的工质一般都采用环保、无毒且安全的惰性气体，如氦气、氖气、氩气、氮气、二氧化碳等。这些气体的分子量一般较小，难于有效地降低声速。特别是，在热声驱动的低温热声制冷机中，一般多采用氦气作为工作介质才能获得低温，但氦气的声速很高，达到1000米/秒左右。可见，这两种方法在降低频率、减小系统尺寸方面的能力是有限的。

表1  不同声学系统的最低固有频率与工作气体、管路长度的关系

注：(在表1的计算中，氦气、氖气、氩气和氮气在温度T＝300K时的声速分别为1019.4m/s，353m/s，455.9m/s，322.4m/s。此外，行波型四分之一波长系统中行波回路长度为0.2m)

                             发明内容

本发明的目的：为了解决上述已有技术存在的问题，解决制作一个频率低于50赫兹的声学共振系统(对氦气)时，其尺寸比较庞大，实用困难的问题；其次在于克服通常适用于热声系统的气体工质种类分子量一般较小，难于有效地降低声速的问题；从而提供一种通过增加热声系统的有效质量来降低热声系统的共振频率的方法及装置。

本发明提供的一种降低各种热声系统的共振频率的方法：其特征是：在热声系统的谐振管中的任意部位连接固定质量块，为了使质量块在声学系统中随气体运动，还在固体质量块的一端面或两端面连接一个实际的弹簧，如金属波纹膜盒。

本发明提供的降低各种热声系统的共振频率的方法所使用的装置，包括：谐振管、至少一多层的金属膜盒弹簧；其特征是：还包括一块固体质量块，该固体质量块的一端面与所述的多层的金属膜盒弹簧的一端相连接，由它们组成的组件安装在谐振管的任意部位。

所述的组件安装在谐振管中间时，固体质量块的另一端面与谐振管的一段的断口固定，所述的多层的金属膜盒弹簧的另一端与谐振管的另一段的断口固定，并连接为一体，谐振管的另外的端口封闭。

所述的组件安装在谐振管端口时，还包括一空腔，所述的多层的金属膜盒弹簧的一端与固体质量块的一端面相连接，金属膜盒弹簧的另一端安装在谐振管的一端口，金属膜盒弹簧与谐振管固定连通为一体，固定有固体质量块的谐振管一端外罩上一空腔，并密封固定。

还包括在固体质量块的两端面分别固定一个多层的金属膜盒弹簧，其中每一多层的金属膜盒弹簧分别与谐振管的一段的断口固定，谐振管的另外的端口封闭。

所述的谐振管包括：带有热致声单元的谐振管、带有局部行波回路的谐振管等。

木发明提出的方法有效地降低一个声学的共振频率，特别是用来降低各种热声系统的共振频率的原理是：对任何一个热声系统都可以粗略地看作一个质量-弹簧的振动系统，其中，系统中的气体质量就相当于这个振动系统的振动质量，而气体的可压性则构成了这个振动系统中的有效弹簧，当能够控制这个振动系统的等效质量和等效弹簧，那么就有可能改变这个振动系统的固有振动频率，按照质量-弹簧振动系统的一般原理，增大系统的质量就可以降低系统的固有频率。为此，达到降低热声系统的共振频率的目的。

本发明对现有热声带来的好处如下：

(1)不必通过增加装置的尺寸就可以显著地降低热声系统的固有频率，解决了现有热声系统因尺寸过大而产生的困难；

(2)加入本发明的措施可以极大地降低现有热声系统的尺寸，并显著地降低热声系统的固有频率；而热声频率降低后可以有效地提高现有热声系统的转换效率。

(3)可以增加对工质选择的自由度。例如，可以主要着眼于工质的热声转换性能而不一定关注其声速的情况。

                             附图说明

图1为通常二分之一波长声学系统示意图。

(该声学系统由一根两端封闭的等直径管子构成。管子长度为L，直径为D)

图2为通常四分之一波长声学系统示意图。

(该声学系统主要由一根等直径的管子和一个体积远大于等直径管子的空腔组成，管子的一端封闭，另一端与空腔相连接；管子的长度为L，直径为D)

图3为通常带有局部行波回路的四分之一波长声学系统示意图。

(该系统在图2的驻波型四分之一声学系统的基础上增加了一个局部行波回路，即等直径管子的一端与空腔相连，另一端则与一个环行管路连接)

图4为本发明的降低热声系统共振频率的装置中用的金属膜盒弹簧-质量块组件结构图。

图5a为本发明的一种降低热声系统共振频率的装置(二分之一波长热声系统)的结构示意图。

图5b为本发明的另一种降低热声系统共振频率的装置

图5c为具有图5a结构的装置带金属膜盒弹簧-质量块组件二分之一波长热声系统的最低固有频率曲线，该图给出了两种情况下(带金属膜盒弹簧-质量块组件和带金属膜盒弹簧-质量块组件)固有频率的对比，表明本发明的方法可以有效地降低二分之一波长热声系统的固有频率。

图6a为本发明的实施例2降低热声系统共振频率的结构示意图。

图6b为实施例2的最低固有频率与尺寸的关系曲线图，该图给出了两种情况下固有频率的对比。

图7a为本发明的实施例3降低热声系统共振频率的结构示意图。

图7b为实施例3的最低固有频率与尺寸的关系曲线图，该图给出了两种情况下固有频率的对比。

图面说明：

高温加热器-1     热声板叠-2          室温冷却器-3

谐振管-4         质量块(金属块)-5    属膜盒弹簧-6

大空腔-7         热声回热器-8        热缓冲管-9

反馈惯性管-10

 He  表示   已有技术；  He  表示   本发明；

 Ne  表示   已有技术；

 Ne  表示   本发明； Ar  表示   已有技术；  Ar  表示   本发明； N2  表示   已有技术； N2  表示   本发明；

                          具体实施方式

实施例1

制作一如图5a所示的带金属膜盒弹簧-质量块组件的降低热声系统共振频率装置(二分之一波长热声系统)，及其方法

该热声系统主要包括通常的热致声转换单元、谐振管，和本发明的金属膜盒弹簧-质量组件，该组件由一个质量块5和与之左右相连接的两个不锈钢波纹管弹簧6所构成；其中，热致声转换单元由高温加热器1、热声板叠2、室温冷却器3，并按图4a中所示的顺序布置安装密封固定而成。谐振管(4)为一根等直径的管子，它的左右两个端面均是封闭的，金属膜盒弹簧-质量组件将它割为左右两段，使热致声单元在谐振管(4)左边的管内。作为该实施例的进一步说明，本实施例给出一个具体结构尺寸和有关参数设计，以说明本发明的优越性。本实施例中，谐振管(4)的直径为50毫米，左边的一段长度L₁＝0.2米，右边的一段L₂的长度是可以变化的。采用焊接型的不锈钢波纹管弹簧6，弹性系数为2400N/m(牛顿/米)，与不锈钢波纹弹簧管6焊接在一起的质量块5的质量为0.2kg(千克)，质量块5为不锈钢材料。工作气体介质分别采用氦气、氖气、氩气和氮气，工作压力为2.0MPa。根据这些条件，可以得到如图5c所示的共振频率与有关参数的关系曲线。

根据以上布置，可确定该热声系统的最小固有共振频率。假设热声单元中的三个组件高温加热器1、热声板叠2、室温冷却器3的长度远小于谐振管4。因此，这个热声系统的绝大部分仍处于室温状态，气体的声速对应于室温下的声速。因为热声转换单元中组件的耗散作用不会改变固有频率，所以，这个热声系统的共振频率实际上等同于图4b中的声学系统。

对于图5b中的声学系统，根据声学原理，可以得到其固有频率方程为： $\mathrm{\ω}(M-\frac{K}{{\mathrm{\ω}}^2})\sin \frac{{\mathrm{\ωL}}_1}{a_0}\sin \frac{{\mathrm{\ωL}}_2}{a_0}-{\mathrm{\ρ}}_0{a}_{0}S\sin \frac{\mathrm{\ω}(L_1+L_2)}{a_0}=0---\left(5\right)$

上式中，有关符号的物理意义如下：

M为质量块的质量(kg，千克)；K为多层金属膜盒的弹性系数(N/m，牛顿/米)；ω为声学系统固有角频率，为频率f的2π倍(1/s，1/秒)；L₁、L₂分别为金属膜盒左右两边谐振管的长度(m，米)；ρ₀为热声系统中气体工作介质的密度(kg/m³，千克/立方米)；a₀为气体的声速(m/s，米/秒)；S为谐振管的截面积(m²，平方米)

从图5c可以看出，当谐振管(4)的左右两端长度均为0.2米时，如果没有金属膜盒组件，则该系统在充入氦气、氖气、氩气和氮气时，其固有的最低共振频率分别为1274.3赫兹、572.7赫兹、403.4赫兹和441.4赫兹。但是，当应用本发明的在热声系统的谐振管中安装弹性振动质量块组件，通过增加热声系统的有效振动质量来达到降低热声系统的固有频率的方法，使得热声系统最低共振频率分别降低为92.5赫兹、91.7赫兹、90.8赫兹和84.3赫兹。可见，应用本发明的方法后，该热声系统的共振频率得到显著地降低，达到数倍到十几倍。特别是，如果热声系统的谐振管越短，则降低频率的效果就越显著。

实施例2

按图6a所示，制作一金属膜盒弹簧-质量块组件安装在主要由热致声转换单元、谐振管以及大体积空腔做成的热声系统中组成的降低热声系统共振频率装置(四分之一波长热声系统)

热致声单元由高温加热器1、热声板叠2、室温冷却器3按图5a中所示的顺序布置而成。谐振管4为一根等直径的管子，将热致声单元布置在谐振管4左边的管内，左端面封闭；固体质量块5的两端面分别固定一个多层的金属膜盒弹簧6，其中一多层的金属膜盒弹簧6与谐振管4的一端口固定，固体质量块5和一个体积为谐振管4大10倍以上的空腔7相连接，金属膜盒组件左右两边的气体是相互密封的，空腔(7)与外界是隔绝的。

作为该实施例的进一步说明，给出具体结构尺寸和有关参数设计，以说明本发明的优越性。本实施例中，谐振管(4)的直径为50毫米，长度L可以变化。采用焊接型的不锈钢波纹弹簧，弹性系数为2400N/m(牛顿/米)，与弹簧焊接在一起的质量块M的质量为0.2kg(千克)。工作气体介质分别采用氦气、氖气、氩气和氮气，工作压力为2.0MPa。根据这些条件，可以得到如图6b所示的共振频率与有关参数的关系曲线。

从图6b可以看出，当谐振管(4)的长度为0.5米时，如果没有金属膜盒组件，则该系统在充入氦气、氖气、氩气和氮气时，其固有的最低共振频率分别为637.1赫兹、286.4赫兹、201.7赫兹和220.7赫兹。但是，当加入金属膜盒组件和应用本发明的方法，该热声系统的最低共振频率分别降低为48.6赫兹、48.2赫兹、47.8赫兹和44.6赫兹。可显著地降低该热声系统的共振频率达到数倍到十几倍。

实施例3

如图7a所示，制作一金属膜盒弹簧-质量块组件安装在具有局部行波回路的降低热声系统共振频率装置(具有局部行波回路的四分之一波长热声系统)

该降低热声系统共振频率装置的热声系统主要由局部行波回路热致声转换单元、谐振管和金属膜盒弹簧-质量块组件构成。在图7a中，局部行波回路热致声单元由室温冷却器3、热声回热器8、高温加热器1、热缓冲管9、室温冷却器3和反馈惯性管10按图7a中所示顺序布置而成。谐振管4为一根等直径的管子，它的左边与次冷却器的出口通过一个三通连接在一起，谐振管4的右边的布置顺序与实例3中的相同。

作为该实施例的进一步说明，给出具体结构尺寸和有关参数设计，以说明本发明的优越性。本实施例中，局部行波回路为长度0.5米、直径50毫米的等直径环行弯管，谐振管(4)的直径为50毫米，长度L可以变化。采用焊接型的不锈钢波纹弹簧管，弹性系数为2400N/m(牛顿/米)。与弹簧焊接在一起的质量块M的质量为0.2kg(千克)。工作气体介质分别采用氦气、氖气、氩气和氮气，工作压力为2.0MPa。根据这些条件，可以得到如图6b所示的共振频率与有关参数的关系曲线。

从图7b可以看出，当谐振管(4)的长度为0.5米时，如果没有本实施例的金属膜盒弹簧-质量块组件，则该系统在充入氦气、氖气、氩气和氮气时，其固有的最低共振频率分别为682.3赫兹、306.7赫兹、216.1赫兹和236.4赫兹。但是，当加入金属膜盒弹簧-质量块组件后，该热声系统的最低共振频率分别降低为48.6赫兹、48.3赫兹、47.9赫兹和44.6赫兹。可见，加入金属膜盒弹簧-质量块组件后，该热声系统的共振频率得到显著地降低，达到数倍到十几倍。特别是，热声系统的谐振管越短，则降低频率的效果越为显著。

Claims (8)

1.一种降低热声系统共振频率的方法，其特征是：在热声系统的谐振管中安装弹性振动质量块组件，通过增加热声系统的有效振动质量来降低热声系统的固有频率。

2.一种应用权利要求1所述的降低热声系统共振频率方法的专用装置，包括：谐振管、至少一多层的金属膜盒弹簧；其特征是：还包括一块固体质量块，该固体质量块的一端面与所述的多层的金属膜盒弹簧的一端相连接，由它们组成的组件安装在谐振管的任意部位。

3.按权利要求2所述的降低热声系统共振频率的专用装置，其特征是：所述的组件安装在谐振管中间，固体质量块的另一端面与谐振管的一段的断口固定，所述的一多层的金属膜盒弹簧的另一端与谐振管的另一段的断口固定，并连接为一体，谐振管的另外的端口封闭。

4.按权利要求2所述的降低热声系统共振频率的专用装置，其特征是：所述的组件安装在谐振管端口，还包括一空腔；其中一多层的金属膜盒弹簧的一端与固体质量块的一端面相连接，金属膜盒弹簧的另一端安装在谐振管的一端口，金属膜盒弹簧与谐振管固定连通为一体，固定有固体质量块的谐振管一端外罩上一空腔，并密封固定。

5.按权利要求2所述的降低热声系统共振频率的专用装置，其特征是：还包括在固体质量块的两端面分别固定一个多层的金属膜盒弹簧，其中每一多层的金属膜盒弹簧分别与谐振管的一段的断口固定，谐振管的另外的端口封闭。

6.按权利要求2所述的降低热声系统共振频率的专用装置，其特征是：所述的谐振管包括：带有热致声单元的谐振管、带有局部行波回路的谐振管等。

7.按权利要求2所述的降低热声系统共振频率的专用装置，其特征是：所述的多层的金属膜盒弹簧由各种具有高弹性、高寿命的材料做成。

8.按权利要求2所述的降低热声系统共振频率的专用装置，其特征是：所述的质量块由各种具有较大重量密度的材料制作。

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