热声理论的研究进展
光声光热研究及其应用进展
光声光热研究及其应用进展杨跃涛（近代声学教育部重点实验室，南京大学声学研究所，南京210093）1 引言当物质受到强度周期性调制的光束照射时，物质吸收辐射能而被激发，然后通过非辐射去激励将部分或全部吸收的能量转化为热能；周期性热流使周围的介质热胀冷缩，因而激发声波，这就是光声效应。
光声效应实际上是光热和热声两个效应的迭加，其主要的研究过程为热的转换和传播的过程。
1880年，Bel1发现光声效应。
1938年，苏联学者Viengerov利用光声效应研究了气体对红外光的吸收，并测定了混在N2气中的CO2。
但光声效应的深入研究与广泛应用则始于本世纪70年代中期。
Rosencwaig和Gersho于1976年提出了凝聚态物质中的光声效应理论，通称为R-G 理论[1]，较系统地论述了凝聚态物质中光声效应的产生机理，从而奠定了近代光声学的基础。
近年来，光声学在理论研究和实际应用两方面取得了飞速发展，成为国内外引人注目的研究领域，它已广泛地应用于物理、化学、生物、医学及环境等各门学科的研究。
受篇幅限制，本文只简要介绍与讨论光声学各分支目前的研究进展及发展趋势，并侧重回顾我国科研人员的研究成果。
2 光声效应理论2.1 光声效应的R-G理论物质吸收光能后, 分子跃迁到激发态, 在返回初始状态时, 或者通过伴随发光的辐射跃迁过程, 或者通过非辐射跃迁过程, 以热的形式散逸。
因入射的调制光具有一定频率, 在试样吸收点上就产生一个周期性的热分布。
固体试样的热量扩散至试样表面, 传导给周围的耦合气体, 界面层的气体在密闭的光声池里起到气体活塞作用, 产生压力波动, 被微音器检测为光声信号。
图1 光声池结构示意图光声池的一维模型如图1所示, 以热扩散方程为基础, R-G理论导出了一束单色调制光入射至样品上产生的光声信号表达式。
它是以气体压力作为时间变量函数来表示的。
假设入射光为正弦波:)cos 1(20t I I ω+=(1) 固体吸收光能后产生的热部分传到表面, 形成温度分布, 进而在周围的气体中产生压力变化ΔP (t): ()P P t ημθ⎤Δ=⎥⎦ (2)其中η为比热比, P 0为大气压，T 0为环境温度, ω为调制入射光的角频率，θ为温度分布(???)，论了六.2 液体脉冲光声效应理论于吸收光能而加热，从而激发声波。
热声斯特林发动机热动力学特性的CFD研究第二部分：热声转换特性及热声声流的研究
ｃｌａｉ ｎ， ｗｈｉｈ ｐ ｅ ｉ ｎ ｒｌ ｅ ｉｉｄ ｔ ｅ ｆ ａ ｉ ｉｉ ｎ ａｉ ｉｙ ｏ ｈ ｉ ｔ ｌ ｏ ｃ ｒ ｌｍｉ ａ ｉ ｖ ｒｆｅ ｈ ｅ ｓｂ ｌ ｙ ａ ｄ ｖ ｌｄ ｔ ｆｔ ｅ ＣＦＤ ｍｅｈｏ ｙ ｔ ｔ ｄ． Ｔｈ ｓｐａ ｅ ｅ ｌ ｔ ｉ ｐ ｒｄ ａｓｗｉ ｈ
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２０ ０ ６年 第 ５期 总 第 １ ３期 ５
低 温 工 程
ＣＲＹＯＧＥＮＩ ＣＳ
ＮＯ ５ ２ ６ ． ００
Ｓ ｕｍ ＮＯ ５ ．１ ３
热 声 斯 特 林 发 动 机 热 动 力 学特 性 的 Ｃ Ｄ研 究 Ｆ
第 二部 分 ： 热声 转 换 特性 及 热声 声 流 的研 究
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ｌ ｗ ｎ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ａ ｅ ｓ ｏ ｆｏ ｉ ｈ ｙ ｔｍ ｒ ｈ ｗｎ， ｄ ｍｏ ｓｒ ｔｎ ｏ ｄ ａ ｒｅ ｎ ｔ ｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌａ ｄ ｅ ｐｅ ｔｄ ｒ ｓ ｌｓ Ｂｙ ｅ ｎ ｔａｉ ｇ ａ ｇ ｏ ｇ ｅ ｍｅ ｔｗｉｈ ｅ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｎ ｘ ｃｅ ｅ ｕ ｔ
Ａｂｓｒ ｃ ： ｅ ｆｒｔｐ ｒ ｆｔ ｉ ｔ ｄ ｒ ｓ ｎ ｅ ｈ ｖ ｌｔｏ ｏ ｅ ｓ ｏ ｅｆｅ ｃｔ ｄ ｔ ｅ ｍｏ ｃ ｕ ｔｃ Ｏ ． ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｉ ａ ｔｏ ｈ ｓｓｕ ｙ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｔｅ ｅ ｏｕ ｉ ｎ ｐｒ ｃ ｓ ｆｓ ｌ・ｘ ｉ ｈ ｒ ａ ｏ ｓｉ Ｓ ｓ ｅ
热声系统起振机理的初步研究
热声系统起振机理的初步研究
欧阳录春;邱利民;张武;孙大明;谢雪梅
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2002(000)005
【摘要】根据气体密度、粘度和导热系数等物性参数随温度的变化规律,在对热声系统中热声转换的关键部件丝网板叠进行合理简化的基础上,给出了热声系统起振机理的一种初步解释,对进一步完善热声理论具有一定指导意义.
【总页数】6页(P6-11)
【作者】欧阳录春;邱利民;张武;孙大明;谢雪梅
【作者单位】浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027;浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027;浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027;浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027;浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027
【正文语种】中文
【中图分类】TB533
【相关文献】
1.热声斯特林发动机系统的起消振过程研究 [J], 金滔;毛长松;汤珂;洪剑平;钟笑鸣
2.热声系统起振消振行为的实验研究 [J], 金滔;陈国邦;应哲强;徐友仁;冯绍苏
3.热声起振机理的研究进展 [J], 刘靖;邱利民;赖碧翚;孙大明
4.热声直线发电系统声学阻抗匹配机理与匹配性设计研究 [J], 林锦豪
5.直线导轨副系统阻尼减振机理研究及仿真 [J], 刘文威;黄强;黄创绵;成克强;王远航;董成举
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蕴含在热声制冷技术中的物理知识
蕴含在热声制冷技术中的物理知识【摘要】热声制冷技术是一种新型的制冷技术，通过声波的作用将气体分子的运动能转化为热能，从而实现制冷效果。
在热声制冷中，声波起着至关重要的作用，它可以使气体分子迅速振动并相互碰撞，从而提高气体的温度。
热声制冷还依靠热力学原理和热传递过程，将热能从物体中传递到周围环境中。
通过声波能量转换，热声制冷技术可以实现高效、节能的制冷效果，对环境友好。
未来，热声制冷技术有着广阔的应用前景，可以在航天、医疗、船舶等领域发挥重要作用。
其未来的发展方向是提高制冷效率、降低成本，并实现更广泛的应用。
热声制冷技术的发展将在制冷领域带来革命性的进展，为人类创造更加舒适、环保的生活环境。
【关键词】热声制冷技术、物理知识、声波、气体分子、热力学原理、热传递、声波能量转换、应用前景、未来发展方向1. 引言1.1 热声制冷技术的背景热声制冷技术是一种利用压缩气体在声波作用下产生的温度变化来实现制冷的技术。
其背景可以追溯到19世纪中叶，当时科学家发现气体在声波作用下具有明显的温度变化。
随着现代科学技术的发展，热声制冷技术逐渐成为了制冷领域的一个重要分支。
热声制冷技术的背景可以说是源远流长的，但直到20世纪70年代，随着超声波技术和热力学理论的发展，热声制冷技术才逐渐引起人们的关注。
热声制冷技术的出现填补了传统制冷技术无法满足高精度制冷需求的空白，成为了一种全新的绿色高效制冷技术。
热声制冷技术的背景不仅仅是为了提供更好的制冷效果，更是为了应对环境问题和能源危机，实现全球可持续发展的目标。
热声制冷技术的背景凸显了其在当今社会中的重要性和必要性。
随着科技的不断进步和发展，热声制冷技术必将在未来取得更大的突破和应用。
1.2 热声制冷技术的重要性热声制冷技术具有较高的效率和稳定性。
由于声波能够将热量从低温区传递到高温区，使得热声制冷系统的制冷效果更加高效，能够实现更低的温度。
热声制冷技术操作简单，结构复杂度低，容易实现自动化控制，稳定性较高。
物理学研究进展-声子输运和热导性质
(1.17)
事实已经证明Landauer-Buttiker公式正确地解释了介观体系的电导量子化现象。在他们研究的启发下，Luis G. C. Rego和George Kirczenow推导了一维纳米结构中弹道声子输运的热导表达式。根据Landauer公式，热流 从高温热库流向低温热库的表达式如下：
这个方程为用位移表示的运动方程，叫Navier方程。
材料中波的传播是等容积波和膨胀波的组合传播。借助Helmholtz分解定理，根据弹性体中发生的位移满足的不同条件，可将这两种不同的波分解出来，建立关于位移的两种不同传播速度的波动方程。我们可将位移进行如下分解：
(1.4)
其中： 且 ，分别对应为某标量式的梯度和某矢量式的旋度。
(1.9)
其中， ， 为杆的极惯性矩，这个方程为杆纵振动的Love理论。考虑时间谐波波 ，将波函数代入上面方程可得到对应的色散方程，如果考虑横截面为圆形截面，让上面的方程(1.8)与(1.9)所得的色散曲线与对应的精确理论的色散方程所得的色散曲线相比较，Love理论更加接近精确值。
2.扭转模的近似理论
但是这种方法也有不少的缺点其中最主要的缺点是把声子视为经典粒子而在低维系统中波相干效应起着非常重要的作用同时求解boltzmann输运方程必须知道声子的驰豫时间需要对声子的散射机制很了解目前对一些声子的散射过程如非简谐声子效应同位素缺陷和缺陷散射有一定的了解但是对其他的一些散射机制特别是界面散射机制知之甚少这些缺点制约着这种理论的发展
1低维纳米结构中的热输运理论
1.1热输运性质在体材料与纳米材料中的区别
热声发动机用声学放大器的改进研究
Ｘａ ｏ ｇ Ｑｕ Ｌｍ ｎ Ｓ ｎＤ ｒｉｇ Ｗａ ｇＢ Ｗａ ｇＨ ｉ Ｙ ｎ ｉ ｉｉ ｏ ｕ ａ ｎ ｎ ｎ ｏ ｎ ｕ
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（ 江 大 学 制 冷 与 低 温 研 究 所 杭 州 ３ ０ ２ ） 浙 １０７
摘 要 ： 学放 大器是 一种 可显 著提 高热 声发动机 输 出压 力振 幅和压 比的 装置 ， 声 存在 的主要 问题
是 声功损 失过 大。通过 理论 研 究 ， 出采 用较 大管径进 一 步提 高声 学放 大器性 能 的方法 ， 提 称为 改进 型 声学放 大器。 实验 结果表 明 ： 声 学放 大器在 大幅度提 升 输 出压 比的 同时 ， 该 没有 明显降低 发动机 内的 压 比和 破坏 发动机 内部 声 场 ， 能使 发动机 工作在较 高的 品质 状 态 。采 用 变 负载 法测 量 声功 的 实验 结 果也表 明， 改进型 的 声学放 大 器有 效地 解决 了声 功损 失过 大的 问题 。 关键 词 ： 热声发 动机 声 学放 大 器 声 功
热声效应原理
热声效应原理
热声效应原理是指在声波传播的过程中，由于声波所带动的分子热运动，导致介质中局部温度的变化，进而影响声波的传播。
具体来说，当声波经过介质时，声波所带动的分子热运动会使介质中的局部温度发生微小变化，这种温度变化又会引起介质密度、压力和声速等物理量的变化，从而导致声波的传播速度和幅度发生改变。
这种效应在高频声波和介质吸收系数较小的情况下尤为显著。
热声效应广泛应用于声学领域，如超声波检测、医学诊断、材料检测、流体力学等方面。
在超声波检测中，利用热声效应可以实现对材料中的缺陷、裂纹和异物等进行非破坏性检测。
在医学诊断中，利用热声效应可以实现对人体内部组织的成像，辅助医生进行诊断。
此外，在流体力学领域，利用热声效应可以实现对流体的流速、密度和压力等参数进行测量。
- 1 -。
双声源驱动热声系统的理论声场重构与实验验证
２０１０年第２期 总第１７４期 低 温 工 程
ＣＲＹＯＧＥＮＩＣＳ Ｎｏ．２ ２０１０ Ｓｕｍ Ｎｏ．１７４
双声源驱动热声系统的理论声场重构与实验验证 周立华 谢秀娟 李 雷 李 青。 （ 中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室 北京 １００１９０） （ 中国科学院研究生院北京１０００３９）
摘 要：搭建了一套双声源驱动热声热机实验系统，该系统包括双扬声器、谐振管、置于谐振管内 的回热器和换热器等元件。利用双声源法，可实现对谐振管及回热器边界声场的任意调制，包括调节 幅值（调幅）、调节相位（调相）和调节频率（调频）。在给定双声源条件下，采用双传感器法对该系统 谐振管中的声场参数（包括声压、质点速度、当地声阻抗等）分布进行理论声场重构，并通过实验分 析，证实了该方法在等径谐振管内非声压腹点和节点处的适用性和准确性，而在声压腹点和节点处 （附近）的误差最大达到１２．４％。同时，对谐振管内的声场进行了行波驻波分解，得到了谐振管中行 驻波成分比例。 关键词：双声源驱动 回热器 声场重构 行驻波 中图分类号：ＴＢ６１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００￣５１６（２０１０）０２－００１４－０６
Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅｒｍｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｄｏｕｂｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｒｉｖｅｒｓ
Ｚｈｏｕ Ｌｉｈｕａ ・ Ｘｉｅ Ｘｉｕｊｕａｎ Ｌｉ Ｌｅｉ ・ Ｌｉ Ｑｉｎｇ （ Ｋｅｙ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ） （ Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ）
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关键词 ： 热声效应 ； 自激振荡 ； 热声装置 ； 研究进展
中 图 分 类 号 ：Ｂ １ 文献 标 识 码 ： Ｔ ６ Ａ ｄ ｉ１．９ ９ ｊｉ ｎ １７ －８ ９ ２ １ ． ．０ ｏ：０ ３ ６／．ｓ ．６４２６ ．０ ２ １０ １ ｓ
０ 引 言
热声系统是一个非常奇妙 的能产生热声效应
流体 ） 的声振荡与第二介质（ 固体壁 ） 间由于热 之 相互作用而产生的时均能量效应． 广义 的说 ， 它是 振荡 过程 与 扩 散 过 程 的 相 互 作 用 与耦 合 ； 义 的 狭
说， 它是 热 能与有 序声 能 的直接 转换 ．
１７ ７ ７年 ， ｙｏ ｉ ｉｓ最早 记 载 了热声 现 象 ． Ｂ ｒｎＨ ｇ ｎ ｇ
作用会 产生热声效应一热声 自激振荡或热声泵热 ． 热声效应在热声热机 （ 冷机 ） 热声空 调 、 制 、 混合物分 离 、 太 阳能利用等领域具有十分诱人 的应用前 景． 回顾 了热声理 论 的研 究进展 ， 主要 包括热声 网络模 型 、 参数 激 励 机理 、 特征 时间研究 、 热力学优化 、 子气模 拟以及非线性热声 理论等方 面的一些最新成果 ． 格 重点介 绍了辛 群 在热声网络 中的应用． 系统中等温流体管道 内工质运动 的传输 矩阵为辛矩 阵 ， 而存 在温度梯度 的热声 回热器 中气体工质微团的传输矩阵可 以通过变量代换 ， 将传输矩 阵转换 为辛矩 阵 ， 使整个 热声系统 网络传 输都可 用 辛矩阵传输来表示． 对热声理 论研 究的发展趋势进行 了展望 ， 出了一些有待解决 的问题 和研究思路． 提
常用 的计 算 方 法 有 Ｄ ｌ ｅａ—Ｅ 程 序 、 Ｆ ｔ Ｃ Ｄ模 拟 ｎ ］格 子气 自动 机模 型 等 ． 文 拟对 热 卜¨ 、 Ｈ 本
声理论 相关 方 面的研 究状 况做一 简要 介绍 ．
在 一根 两端 开 口大管 中的适 当位 置放 置 燃 烧着 的
氢火焰 ， 以激 发 出风琴 管 的声 音 ， 可 被称 为 “ 歌 焰” 而对热声现象的系统研究则始于 １ 世纪 ， ． ９ 但
基金项 目： 国家 自然科学基金项 目（ ｏ ５ １６ ４ ） Ｎ ． １７ １３ 作者简介 ： 吴 锋（ ９ ５一） 男 ， １５ ， 湖北松滋人 ， 教授 ， 博士 ， 士生导师．研究方 向： 博 热能动力装置优化 ．
大学 郭方 中 埽 教 授 的研 究 小 组 首 次 提 出 了 等
变 了人们对动力机械的传统观念． 热声热机 （ 制冷 机） 由于其结构 简单 、 寿命长 、 无污染 、 运动部 无 件、 可利用太 阳能及其 它低品位能源等诸多优点 而倍受动力工程领域 和低 温工程领域的青睐． 美
第３ ４卷第 １ 期 ２１ ０ ２年 １月
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程
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Ｖｏ ． ４ Ｎ １３ ｏ １
Ｊ Ｗｕ ａ Ｉｓ． Ｔ ｃ ． ｈ ｎ ｎｔ ｅｈ
Ｊ ｎ ２ ２ ａ ． ０１
文章编号 ：６４—２６ （ ０ ２ Ｉ ０ １ ６ １７ ８ ９ ２ １ ） 一００ —０ 来自热 声理论 的研究进展
国于 ２ ０世纪 ７ ０年 代 中开 始研 究 热 声 热 机 （ 冷 制 机 ） 日本 于 ８ ， ０年 代 末 跟 进． 在 美 国 、 现 日本 等 国
都已开始应用研究阶段． 国于 ６ 年代开始军用 我 ０
斯 特林制 冷机 研 制 ，Ｏ年代 初 开 始 立项 进 行 热 声 ９ 原 理研 究． ２ 在 １世 纪初 ， 国的小 冷量 、 寿命 自 我 长 由活塞 斯特 林 制 冷 机 已开 始 在航 天 器 上试 用 ， 热 声 谐振 管 的研 究 也 获 得 很 大 进 展 ， 些 新 的热 声 一 热 机和 热声 制冷 机 的实 验装 置不断 出现 Ｊ ． 对 热声 理论 的研究 是 从 对热 声 回热器 的研 究 开 始 的． 常用 的理 论 有 “ 常流 模 型 ” “ 变流 动 定 、交 模型”“ 、相移 模 型” “ 性 热声 模 型 ” “ 板边 界 、线 、短 层 近似 模 型 ” 、网络 模 型 、 非线 性 热 声 理论 等 ，
吴 锋 ， 青 ， 方中 ， 安 李 ２ 郭 舒 庆
（． １ 武汉工程大学理 学院， 湖北 武汉 ４ ０７ ；． ３０４ ２ 中国科 学院理化技术研 究所， 北京 １０９ ； ０ １０ ３ ．华 中科技 大学 能源与 动 力工程 学 院 ， 北 武 汉 ４ ０７ ） 湖 ３０４
摘 要： 简要介绍 了热声振荡 的基本原理 和特点 ， 在具有偏 置温差 的热声 核声通道 中熵波和振荡 流体的相互
是 直到 近 几 十 年 才 取 得 突 破 性 进 展 ＿ Ｊ热 声 热 ４ ． 机 （ 冷机 ） 是 利 用热 声 效 应 的能 量 装 换 装 置 ． 制 就 它 最 突出 的特 点 是 无 运 动 部 件 ， 一 特 点 彻 底 改 这
１ 网 络模 型
在对 斯特 林 热 机 回热 器 的研 究 中 ， 中科 技 华
收 稿 日期 ：０ １ １ １ ２ １ —１ —１
温回热器的网络模 型， 运用流体 网络阻 、 、 感 容等 概念 以及 热动 力学 理论 和 网络 方法 分 析研 究 了 回
热器 中流体的流动特性． 中科院低温 中心的 肖家 华＿ 根据固体壁 面与外热源 的热接触情况将 】 热声效应划 分为“ 等温热声 效应” “ 热热声效 、绝