电声驱动热声制冷机中非线性声耦合的研究

针对扬声器驱动的热声制冷机的声耦合研究中一直被忽略的扬声器的非线性问题，建立电动扬声器驱动的热声制冷机的非线性模型，模型中同时考虑到扬声器的非线性和带板叠的热声谐振管中大振幅声波产生的非线性效应，利用等效电路法计算系统中扬声器振膜位移、谐振管中声功率及电声转换效率等参数，考察系统非线性对制冷机中声耦合的产生的影响；同时，考察系统的非线性对热声谐振管中高次谐波产生的影响，研究谐振管中高次谐波的抑制方法，并在电流和电压两种驱动方式中优化选择。建立由电动扬声器驱动的热声制冷机的测量系统，测量扬声器的振膜振幅，谐振管中声压等参数，与计算结果比较，对理论模型进行修正。此项研究在非线性声学的基础上对扬声器驱动的热声制冷机中的声学耦合进行优化，最大可能地降低由于声源与谐振管间的声学失配而造成的能量损失，从而提高制冷机的制冷效率和功率，使这种制冷机进一步向实用领域发展。

相比于传统的制冷机，热声制冷机由于不使用氟里昂并且不使用压缩机，因而有着环保、寿命长久等独特优点；但是，它也存在着制冷效率较低的问题。因此，如何加强热声制冷机中声源与谐振管间的声耦合，减少能量损失，从而提高制冷机的功率与效率成为热声制冷研究的核心内容。本项目旨在将热声制冷机中的声耦合研究从线性领域推广到非线性声学的领域，主要针对在热声制冷机的声耦合的研究中一直被忽略的扬声器本身的非线性、热声板叠中的非线性以及热声谐振管中的非线性声场等对热声制冷系统性能的影响进行了研究。本项目建立了电动扬声器驱动的热声制冷机的非线性模型，利用等效电路法模拟了系统中扬声器振膜位移、扬声器输出声功率及电声转换效率等参数，考察系统非线性对制冷机中声耦合的产生的影响；同时，研究了热声谐振管中高次谐波产生机理及其与制冷机工作参数的关系，探索了谐振管中高次谐波的抑制方法；根据不同的工作条件，在电流和电压两种驱动方式中进行优化选择。此外，类比多孔材料中的非线性声传播建立了热声板叠非线性阻抗的理论模型，并建立了由电动扬声器驱动的热声制冷机的测量系统，实验获得了热声板叠的非线性声阻抗，得到了与理论模型吻合的结果。在此基础上，基于不同结构、不同参数、不同工作频率下的板叠性能，对热声板叠进行了优化选择，并在此基础上研究了各种热声板叠对热声谐振管中非线性声场的抑制作用，进一步减少了热声制冷机中高次谐波对其性能的不良影响。此项研究基于非线性声学对扬声器驱动的热声制冷机中的声耦合进行优化，最大可能地降低由于声源与谐振管间的声学失配而造成的能量损失，提高制冷机的制冷效率和功率，使热声制冷机进一步向实用化方向发展。