熱聲核特性參數(shù)實驗研究及高頻微型熱聲實驗裝置的研制.pdf

1、本文的課題是在多項科學(xué)基金的資助下完成的，以高頻熱聲裝置的微型化為研究背景，以熱聲核為研究對象，在分析了熱聲核的特性參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了采用特征時間來作為分析和評價熱聲系統(tǒng)的性能指標，以便于指導(dǎo)和分析熱聲系統(tǒng)的理論研究和設(shè)計工作。通過對高頻熱聲制冷機及其外激勵裝置微型化的設(shè)計和性能實驗測試，從理論和實驗兩方面來探索提高熱聲裝置的效率和實用化的優(yōu)化方法。主要工作內(nèi)容包括以下幾個方面：首先通過對熱聲核的參數(shù)激勵原理的分析，指出熱聲

2、核子系統(tǒng)符合三頻率參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型，熱聲效應(yīng)中能量的反饋和增益來自于不同頻率的耦合，因此熱聲核的頻率特性是影響熱聲效應(yīng)的重要參數(shù)。隨著頻率的提高，系統(tǒng)的尺寸變小，其空間尺度和時間尺度已經(jīng)可以與系統(tǒng)的動態(tài)過程時間相比，此時把系統(tǒng)的特征時間ω0τTA即熱聲弛豫時間和頻率的乘積一起作為衡量熱聲效應(yīng)的一個指標，可以有效的評價熱機系統(tǒng)的工作性能，通過采用Zuber的時變率相似分析方法進一步驗證了這個指標的可行性，其有助于簡化以往用于熱聲系統(tǒng)的復(fù)雜的分

3、析方法。其次，鑒于熱聲核在熱聲熱機中的重要地位和作用，正確的設(shè)計和選擇高效率的熱聲核就成為熱聲熱機設(shè)計中的關(guān)鍵一步。由于不同熱聲核與同一諧振管匹配后的頻譜特性不同，導(dǎo)致其對頻率的選擇性不同。通過對二者匹配后的頻率特性進行實驗辨識，比較了五種不同類型熱聲核填料的復(fù)流容，在此基礎(chǔ)上，以品質(zhì)因數(shù)為評價指標對這五種熱聲核的性能進行了對比，以此作為優(yōu)選不同熱聲核與諧振管匹配的依據(jù)。第三，采用系統(tǒng)辨識的方法是分析熱聲核中的復(fù)雜流動關(guān)系的一個簡化而有

4、效的手段，在建立熱聲核子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，利用參數(shù)辨識技術(shù)對熱聲核在兩種不同長度諧振管中的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)聲阻、聲感和聲容分別在加熱和不加熱的情況下進行了實驗辨識，并與理論計算結(jié)果進行了對比分析，初步驗證了系統(tǒng)辨識方法可用于熱聲系統(tǒng)的參數(shù)辨識。第四，較高的頻率使得熱聲熱機的整體尺寸較小，因而要求與其配合使用的所有裝置的尺寸也都比較小，同時，不降低其工作性能指標。結(jié)合熱聲熱機的實際特點和工作要求，對熱聲熱機的外激勵驅(qū)動裝置進行了微型化的優(yōu)化設(shè)

5、計，以動磁結(jié)構(gòu)為基本形式，設(shè)計并計算了內(nèi)外兩種磁路結(jié)構(gòu)；以改進后的柔性蝸旋彈簧組件作為懸吊結(jié)構(gòu)，對比了型線改進前后的相關(guān)性能指標；利用彈性材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計來調(diào)整整機中各部件的同軸度，以有效提高動磁激振器的使用壽命，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了內(nèi)磁路結(jié)構(gòu)形式的動磁激振器，以替代效率不高的揚聲器作為熱聲制冷機的驅(qū)動裝置。第五，諧振管的形狀對于熱聲熱機的性能有一定的影響，通過對圓形截面和扁形截面的兩種諧振管進行靜態(tài)模擬計算分析，提出可以通過優(yōu)化諧振管的截