热声效应
长脉冲微波热声效应的实验研究
Ｔｈ ｅ ｒ ｍｏ — Ａｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｅｆ ｆ ｅ ｃ ｔ
Ｌ Ｉ Ｕ Ｘｉ ａ ｏ — ｙ ｕ，ＬＩ Ｓ ｉ — ｍｉ ｎ，Ｌ Ｉ Ｕ Ｙａ ｎ — ｇ ａ ｎ ｇ ，ＬＯＮＧ Ｘｉ ａ ｏ — ｌ ａ ｎ，ＹＡＮ Ｈｕ ａ ｎ，Ｆ Ｕ Ｗｅ ｎ — ｊ ｉ ｅ ，ＬＩ Ｘｉ ａ ｏ — ｙ ｕ ｎ
ｔ ｉ ｓ ｓ ｕ ｅ ｓ ｕｎ ｄｅ ｒ ｔ ｈｅ ｉ ｒ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｏ ｆ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｗａ ｖ ｅ ｐｕ ｌ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ ｐｒ ｏ ｄ ｕｃ ｅ ｄ ｍｉ ｃ ｒ ｏｗ ａ ｖｅ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏｎ ｉ ｃ ｓ ｉ ｇｎ ａ １ ． Ｔ ｈｅ ｓ ｅ ａ ｃ ｏ ｕｓ ｔ ｉ ｃ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｗａ ｖｅ — Ｉ ｎ ｄｕ ｃ ｅ ｄ Ｔｈｅ ｒ ｍｏ — Ａｃ ｏ ｕｓ ｔ ｉ ｃ（ ＭＩ ＴＡ）Ｅｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｓ ａ ｓ ｐｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｐｈｅ ｎｏ ｍｅ ｎｏ ｎ ｔ ｈａ ｔ ｂｉ ｏ ｌ ｏｇ ｉ ｃ ａ １
摘要 ： 微 波 热 声 效 应 是一 种 生 物 组 织 在 微 波 脉 冲 信 号 的照 射 下 向外 辐 射 声 波 信 号 的特 殊 现 象 ， 产 生 的 声 波 信 号 携 带 着 生
物组 织 对 微 波 信 号 的 吸 收 特 性 ， 以 及 生 物 组 织 吸 收 微 波 能 后 发 生 的一 系 列 生 物 化 学 物 理 反 应 的 变 化 等 信 息 。本 文 介 绍 了 电 子科 技 大 学 设 计 、 搭 建 的 一套 脉 冲 宽 度 ６ ｍｓ ， 功率约 ８ Ｏ Ｏ Ｗ 的长 脉 冲 微 波 热 声 效 应 实 验 系 统 ， 并介绍 了初 步实验研究 结果 。 结果 表明在长脉冲条件下 ， 微 波 热 声 效 应 与 微 波 的 脉 冲特 性 有 复 杂 的 关 联 性 ， 内涵丰 富的物 理化学机 制 ， 具 有 很 大 的 潜 在 研 究 价值 。 关键词 ： 微波 ； 声波 ； 长脉 冲 ； 数 据 处 理 中图分类号 ： Ｔ Ｍ９ ２ ４ ． ７ ６ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ２ —８ ９ ３ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ －０ ０ ０ ７ —０ ３
热声理论的研究及其发展
X热声理论的研究及其发展金 滔 陈国邦 应哲强(浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027)【摘要】回顾了热声研究的历史以及所取得的成就。
介绍了各主要热声研究及开发单位的研究现状和动态,指出了存在的一些问题和现阶段研究的热点。
关键词:热声学 脉管制冷机 热声驱动器 热声制冷机1 前言热声现象早在200多年前就已经被发现,然而热声学研究的繁荣却只是最近50年的事。
N .Rott 首次对热声现象进行的定量分析是现代热声学研究中一大里程碑式的成就,大大激起了人们从事热声研究的兴趣。
尤其在最近20年,热声现象在制冷领域的应用成了一大热点,这是由于热声制冷机和热声机驱动的脉管制冷机具有结构简单、振动部件少和运行寿命长等优点[1];此外,它们使用的无公害工质(如惰性气体等)也是同制冷技术中禁用CFCs 和HCFCs 的趋势相一致的。
本文试图通过介绍国内外主要的热声研究和开发机构的各具特色的工作,以了解热声研究的最新动态和发展概况。
2 热声效应及热声研究历史2.1 热声效应简单地说,热声效应就是热与声之间相互转换的现象。
从声学角度来说,它是由于处于声场中的固体介质(有时称之为第二介质)与振荡的流体之间相互作用,使得距固体壁面一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生一个时均热流,并在这个区域内产生或者吸收声功的现象。
按能量转换方向的不同,热声效应可以分为两类:一是用热来产生声,即热驱动的声振荡;二是用声来产生热,即声驱动的热量传输。
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。
如人们初悉热声效应时发现的Rijke 管和Sondhauss 管就可分别视为是行波声场和驻波声场。
2.2发展历史人们对热声现象的认识已有200多年的历史了。
早在1777年,Byr on Higgins 就在实验中发现,将氢火焰放在两端开口的垂直管的适当位置,管中会激发声音。
吹玻璃工人则发现当一个玻璃球连接到一根中空玻璃管上时,管子的尖端有时会发出声音。
热声制冷技术中的物理知识探究
热声制冷技术中的物理知识探究热声制冷技术就是利用热声效应将高强度的声能向热能方向转变的一种技术。
热声制冷技术的起源要追溯到1777年Byron Higgins在实验中的一次意外发现：在做实验的时候，他一不小心让燃烧着的氢气接触到了两端开口的大管子，结果管子里发出像吹风琴一样的声音。
当时他把这种现象形象地称为“歌焰”。
后来，Sondhauss和Rijke分别对一段开口和两端都开口的管子做了热声效应的研究，形成了后来以Sondhauss管为雏形的驻波热声发动机和以Rijke管为雏形的行波热声发动机。
如今，热声技术已经成为一个热门话题，其具有环保、长寿命、高效节能、简单轻便等明显的优势，其在制冷领域有着巨大潜力，备受关注。
1 工作原理热声制冷机最主要的部件是热声堆，热声堆主要起热交换的作用。
一定频率下，空气分子在热声堆中沿着热声堆的纵向在各叠层之间做往复来回运动。
如图1所示：空气分子在状态2中升温放出热量，在状态5中降温，吸收热量。
设起初时气团处在状态1，温度为T。
当声压增加时，气团向上动并且被绝热压缩，温度上升为T++到达状态2。
此时气团的温度要高于其附近热声堆的温度，就会把热量输给热声堆，温度降为T+到达状态3。
在声压降低的状态下，处在状态3的气团向下振动并且发生绝热膨胀，温度降低为T-到达状态4。
随着声压继续降低，气团继续向下振动并且继续发生绝热膨胀，温度降低为T---到达状态5。
对于状态5来说，此时气团温度就比其附近的热声堆的温度低，热量就会被输送给气团，温度升高为T--到达状态6。
状态6声压增强，气团向上运动并且被绝热压缩，温度上升为T到达状态1，这就是气团的一个运动周期。
在每一个振动周期中，气团都会从热声堆的下端吸收热量，在热声堆上端释放热量，完成垒热过程，这就是我们在实验室中所观察到的热声效应的基本原理。
接下来，从理工科基础课程知识出发介绍其物理理论内涵。
2 Rayleigh准则关于热声效应的理论研究最早是从1868年开始的。
热声效应的发现
热声效应的发现引言：热声效应是指当物体受热时，由于温度的升高，物体内部产生热胀冷缩现象，从而引发声音的发出。
热声效应的发现对于我们理解物体热力学性质以及声音传播的机制有着重要的意义。
本文将介绍热声效应的发现历程及其相关原理，以及该效应在实际应用中的一些例子。
一、热声效应的发现历程热声效应最早是在19世纪初期被发现的。
当时的科学家们对于物质的热力学性质有着浓厚的兴趣，他们想要了解热和声音之间是否存在着某种联系。
于是，他们进行了一系列的实验研究。
最早的实验是由法国物理学家塞瓦里克于1807年进行的。
他在实验中使用了一根金属棒，将其一端加热，而另一端则连接了一个听筒。
当金属棒受热时，听筒里发出了一种低沉的声音。
塞瓦里克随后又进行了一些类似的实验，发现不同材料的金属棒在受热时会发出不同音调的声音。
这些实验结果引起了科学界的广泛关注。
随后，英国物理学家塞尔兹尼克和法国物理学家德尔昆也相继在实验中观察到了类似的现象。
他们发现，当金属受热时，由于温度的升高，金属内部的分子开始振动，产生了声波，进而引发了声音的发出。
他们将这种现象称为热声效应，并开始深入研究其原理和特性。
二、热声效应的原理热声效应的原理可以用热胀冷缩的物理现象来解释。
当物体受热时，其温度升高，分子的平均动能增加，分子之间的相互作用力减小。
由于分子之间的相互作用力减小，物体的体积会发生变化，即产生热胀冷缩现象。
这种体积的变化引发了声波的产生，从而形成了声音。
具体来说，当物体受热时，其体积会增大，分子之间的相对距离也会增大。
这种体积的变化引起了物体中的气体或液体的压强变化，进而产生了声波。
这些声波在空气中传播，最终到达我们的耳朵，我们就能听到声音。
三、热声效应的应用热声效应在实际应用中有着广泛的用途。
以下是一些例子：1. 热成像技术：热声效应可以用于热成像技术中。
通过检测物体表面的温度变化，可以得到物体内部的热分布情况。
这种技术在医学、建筑、工业等领域有着重要的应用价值。
热声效应及其实验
热声效应及其实验
热声效应是物理学中有趣的一种现象，也被称作“声乐特性”、“声乐效应”等。
它
是指当声波和物质状态相结合时，声波的传播会受到某种影响，从而有不同的音质。
表现
出来的现象就是声音发出定位和回声，声音变得更加柔和。
热声效应一般不受人类介入而发生，而是由声波和物质状态相互作用产生而来。
这种
效应出现在不同物质表面或气体中，比如在空气中传播的声音，它回声和音色都会受到不
同气体组成的影响。
在墙面、玻璃子、木头和金属表面，由于反射率的不同，导致了音色
的不同，因此声音的音品也会受到不同物质表面的影响而加重春色中的声音效果。
如何观测热声效应及其实验呢？热声效应的实验一般需要一个很好的空间，因为声波
扩散在空间中，而不是在固定的表面上，所以环境的因素会非常重要。
实验空间一般要安静，比如会议室、电影院等，而且空气要比较干燥，以免影响实验结果。
实验空间就绪后，实验可以行动起来，首先需要一部可以发出声波的设备，这就需要
实验人员准备一些可以发出声波的东西，比如吹口哨、弹钢琴等。
然后，实验师可以多种
不同的材料试验，以研究不同类型的材料对声音传播影响的程度。
在实验过程中，实验人员需要采用话筒将声音传输到扬声器，以便实验观察。
同时，
实验师可以在物质表面放置一个小型拾音器，以便收集数据，重新分析。
通过热声效应的实验，可以更好的理解热声效应的奥秘，使用这些结果为后续的设计
和应用提供新的认识。
而且，藉由探索音质变化，这些结果也可以有助于设计好的音设备，从而为观众带来更流畅的视听体验。
热声效应及其应用研究进展
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" 图 ２ 驻波热声发动机热力过程 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｓｔａｎｄｉｎｇｗａｖｅ
ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃｐｒｉｍｅｍｏｖｅｒ
Ｔｐ为板叠温度；Ｔｇ为小气团温度； Ｔｈ为板叠高温端温度；Ｔｃ为板叠低温端温度
０ 引 言
在可压缩 流 体 介 质 中 （第 一 介 质 ），热 声 效 应 是指时均热流与时均声流通过具有温度差的固体 壁（第二介 质 ）相 互 转 化，热 声 机 械 就 是 利 用 热 声 效应，实现一般的使用目的。早在 ２００多年前，人 们就发现热与声之间的微妙关系，其中，Ｐｕｔｎａｍ在 其综述提到 “歌 焰 现 象 ”，即 将 两 端 开 口 管 的 一 端 靠近燃烧 的 氢 火 焰 时，开 口 管 会 发 出 像 风 琴 管 一 博看网 . All样R的ig声ht音s［１R］e。se人rv们ed开.始定性的研究热声现象，其 中比较著名的有 Ｓｏｕｎｄｈａｕｓｓ管［２］与 Ｒｉｊｋｅ管［３］，但 是这些实 验 中 观 察 到 的 振 荡 很 弱，较 为 强 烈 的 声 振荡研究 是 在 Ｃｅｐｅｒｌｅｙ提 出 的 热 声 Ｓｔｉｒｌｉｎｇ发 动 机，他将声波代替传统 Ｓｔｉｒｌｉｎｇ发动机的运动部件， 在理论上可以达到卡诺效率［４］。１９９９年，Ｓｗｉｆｔ与 Ｂａｃｋｈａｕｓｓ建立的新型热声 Ｓｔｉｒｌｉｎｇ发动机能够达 到 ４１％的 相 对 卡 诺 效 率，并 获 得 了 美 国 当 年 的 “Ｒ＆Ｄ１００”奖［５］，这对热声效应的研究产生极大的 鼓舞。热声理论的研究于 １８６８年 Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ由气 体与固体管壁的振荡传热计算管道中的声衰减开 始［６］，之后 Ｒｏｔｔ建立了线性热声数学模型，对热声 机械定量的研究有重要的意义［７］。从 １９９０年开 始，热声研究集中于非线性热声理论，尤其是研究 技术与研究方法的巨大发展带动非线性热声理论 的进步，从而可以科学地优化热声机械。
热声效应的发现
热声效应的发现热声效应是指由于温度差异而引起的声波传播现象。
它是声学中的一个重要现象，对于理解声波在不同温度环境下的传播特性具有重要意义。
热声效应的发现为我们揭示了声波传播的新特性，对于声学研究和应用有着深远的影响。
热声效应的发现最早可以追溯到19世纪初，当时科学家们开始注意到在温度梯度存在的环境中，声波的传播速度会发生变化。
这一现象首先被法国物理学家拉普拉斯在1801年观察到。
他在一次实验中发现，当声波从高温区域传播到低温区域时，声速会减小，而当声波从低温区域传播到高温区域时，声速会增大。
这个发现引起了科学界的广泛关注，被称为热声效应。
热声效应的原理是由于温度差异引起的空气密度变化导致声速的改变。
在温度梯度存在的环境中，空气的密度会随着温度的变化而发生变化。
当声波传播到温度较高的区域时，空气的密度较低，声波传播速度较快；而当声波传播到温度较低的区域时，空气的密度较高，声波传播速度较慢。
这种密度变化导致了声波传播速度的改变，从而产生了热声效应。
热声效应在实际应用中有着广泛的应用。
例如，在大气科学中，热声效应对于理解大气中声波的传播和变化具有重要意义。
在医学领域，热声效应也被应用于超声波成像技术中，通过控制声波传播速度的变化，可以实现对人体组织的高分辨率成像。
此外，热声效应还被广泛应用于声学测量、声学信号处理等领域。
热声效应的发现不仅揭示了声波在温度梯度存在的环境中的传播特性，还为声学研究提供了新的思路和方法。
通过研究热声效应，科学家们可以更深入地理解声波的传播机制，进一步推动声学领域的发展。
同时，热声效应的应用也为工程技术提供了新的可能性，例如在声学隔音、声波控制等方面具有潜在的应用价值。
热声效应的发现为我们揭示了声波在温度梯度存在的环境中的传播特性，对于声学研究和应用具有重要意义。
热声效应的原理是由于温度差异引起的空气密度变化导致声速的改变。
热声效应在实际应用中有着广泛的应用，对于大气科学、医学成像等领域具有重要意义。
热声制冷技术：一种理想的制冷方案
热声制冷技术：一种理想的制冷方案一.热声研究的目的和意义八十年代以来，脉管制冷机的研究获得了突飞猛进的发展,两级脉管制冷机达到了1.7K。
但目前脉管制冷机离实用化、工程化还有一定的距离，其主要原因之一就是缺少与脉管制冷机相匹配的压缩机。
目前广泛采用的机械压缩机中仍然存在着运动部件，压缩机的性能将对脉管制冷机的性能产生直接的影响。
在这种情况下,采用热压缩机代替常规的机械压缩机来驱动脉管制冷机是一种理想的方案。
这种热声驱动脉管制冷机具有两个突岀的优点：・其一是制冷系统除流动工质外没有运动部件，从根本上消除了常规机械制冷机存在的磨损与振动；・其二是采用热能驱动，可用太阳能、燃气等作为热源。
采用低品位的热能不仅有利于提高系统的热力学效率，而且对于那些缺乏电能的场合则更具有实际意义。
此外，热声制冷机一般采用N2或He 作工质，属于绿色工质，对大气臭氧层没有破坏。
可见，热声压缩机是一种具有发展潜力的新型压力波发生器，在空间及输电困难但能提供热能的地方（如远海或荒漠中开采石油和天然气）有舂广泛的应用前景。
热声制冷机也可用扬声器来驱动,虽然这种制冷机也存在着运动部件（扬声器振动膜），但由于其不需要动密封，故无维修使用寿命比常规的制冷机要长，且与压缩机的活塞相比振动膜的振动要小得多。
若采用气体工质，则在那些需要较大温差、较小能流密度的场合有很大的应用前景；若采用近临界液相工质（如乙烯），则单位体积制冷量可与目前的常规蒸汽压缩制冷机相当，其清洁、可靠和低成本的特点使其在家用和工业制冷场合具有极大的竞争力。
同时，硏究热声压缩机还可以进一步开拓视野，丰富和完善热声理论，推动和发展回热式热机，还能让我们以一个全新角度去认识其它类型的热机，从而推动它们的发展。
以往的回热式热机循坏理论基于理想的热力学可逆过程，从能量守恒和动量守恒方程出发，忽略了流体工质的流动特性对流体与固相工质间热交换的影响,与实际的工况相差甚远，定量化程度不高，更不能为我们提供对其工作机理的了解。
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热声效应是热在弹性介质中产生的声学自激振荡过程，当热量施加到热端换热器上，换热器中包围的气体被加热，气体扰动产生首个压力扰动波前，以声速向两边传播，由于膨胀后的气体被推入回热器板叠的空腔中，气体受冷收缩，有向回运动的趋势，同时，第一个压力波前传到谐振腔的端部反射回来，反射波与收缩气体运动相叠加，在某一频率上产生正反馈加强，经过若干周期的反复加强后，达到饱和而形成持续的谐波震动
在谐振管中利用电声震荡装置产生压力波，热声逆效应的结果就会产生两个换热器的温差即泵热过程将上述两套系统连接在一起。
一个系统加热，产生声振荡，另一个系统吸收声振荡进行制冷。
这样的系统可以实现完全无机械运动部件，由热直接驱动的制冷机。
热声发动机技术即为热在压力气体中产生自激振荡这一热声现象，可将热转化为交变机械能。
膨胀压缩过程中无运动部件，可靠性高，避免了摩擦损失，它主要由换热器回热器管道组成，制作简单，热声技术是一种外然性的设备，可以利用太阳能，地热能，生物质能，工业余热。