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)絡參數(shù)的基礎上，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，以便于指導和分析熱聲系統(tǒng)的理論研究和設計工作。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)絡模型，熱聲效應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，正確的設計和選擇高效率的熱聲核就成為熱聲熱機設計中的關鍵一步。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流容，在此基礎上，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雜流動關系的一個簡化而有

4、效的手段，在建立熱聲核子系統(tǒng)網(wǎng)絡模型的基礎上，利用參數(shù)辨識技術對熱聲核在兩種不同長度諧振管中的網(wǎng)絡參數(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

5、計，以動磁結構為基本形式，設計并計算了內(nèi)外兩種磁路結構；以改進后的柔性蝸旋彈簧組件作為懸吊結構，對比了型線改進前后的相關性能指標；利用彈性材料和結構設計來調(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，在此基礎上，設計了內(nèi)磁路結構形式的動磁激振器，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