热声谐振声场相位和功流分布的实验研究

    1 引 言

    热声谐振管是将热能转化为声能的装置,对于驻波热声热机,通常认为它的声场相位(即压力和流速的相位差)为90b[1,2,5],但是热声热机实际上是工 作于混合波,既有驻波分量,也有行波分量,其相位分布比较复杂。在热声热机带负载工作时,其相位必须匹配,才能达到最高效率,因此准确测量声场的相位分 布,对于负载匹配具有重要意义。热声热机产生的能量并不能全部用于对外做功,为了维持谐振的声场,它本身的各部件也会消耗一部分功。为了提高热机效率,减 小额外功流损失,首先应了解其功流的分布。本文作者自行研制了一台热声谐振管装置[3],实测了沿轴向的声场相位和功流的分布情况,并和网络模拟的结果进 行了比较。

    2 实验装置

    热声谐振管实验装置如图1所示。它主要由热端换热器、回热器、冷端换热器和驻波管组成,它们的长度分别为20 mm, 50 mm, 10 mm, 213 m。热量由电加热系统供给热端换热器,冷端换热器用冷水进行冷却。这样在回热器的两端建立起一个温度梯度,当温度梯度超过临界温度梯度时,热声谐振管产生 自激振荡。回热器将热能转化为声能。声能除了在管内的耗散外,还可以输出对负载做功。测量系统主要有温度测量和压力测量,在热端换热器和端换热器中,分别 用镍铬-镍硅和铜-康铜热电偶测量其温度。压力测量使用压阻传感器。在谐振管的高温端采用耐高温的压力传感器,其最大容许温度为900bC。在谐振管的低 温端采用宝鸡压力传感器厂生产的CYG压组式压力传感器,频响范围为15 kHz。实验中使用信号调解放大器,它既可以给传感器提供标准工作电源,同时对传感器的信号放大,以满足计算机采集系统A/D转换器的输入要求。采集系统 主要由A/D转换器、PC计算机和相应的采集软件组成,可以实现多路信号的同时采集,并能够动态显示波形。

    3 实验数据的处理方法

    由于声场相位直接测量起来比较困难,所以运用近几年声学信号处理的新技术—双传感器法测量声场的相位与声功率。双传感器技术主要根据声强与声压信号互谱之 间的关系,应用了声场中二定点声压的差分近似求声速的原理。设相距为Δx的两个传感器测量的压力波动分别为p1和2,则其中点的压力和速度振荡的表达式分 别为

    压力振荡和速度振荡的相位差为

θ=θpθu

    其中θp,θu分别为压力和速度的相角。

    谐振管两传感器之间中点处的声功流为[4]

    其中r0为谐振管的半径,X为谐振频率,ρ和a分别为气体的密度和声速,σ,γ和δγ分别为气体的普朗特数、比热比和粘性穿透深度。p2为p2的共轭复数。