基于声学超构材料的热声制冷的研究

In the thermoacoustic refrigerator, the acoustic coupling, structure of the acoustic field and high-order harmonic wave in the thermoacoustic resonant pipe are important factors determining the efficiency and power of the refrigerator. However, the performance optimization of the thermoacoustic refrigerator based on the conventional resonant pipe has reached the limitation. Therefore, in this project, we introduce a new type of artificial material into the thermoacoustic refrigeration, which is the acoustic metamaterial. New methods are presented and studied in order to optimize the performances of thermoacosutic refrigerators based on the unique acoustic characteristics of the acoustic metamaterials. First, theoretical models are set up to describe the mechanism of the tubular acoustic metamaterial. Then, experimental systems are built to study the unique acoustic characteristics, such as the transmission forbidden bands, structures of acoustic fields and so on, based on which the relations bewteen the performances and strucral parameters of the metamaterials are presented. Furthermore, the nonlinear effects in the type of metamaterials are studied theoretically and experimentally. The unique acoustic characteristics of the acoustic metamaterials in the acoustic fields with high-intesities are exhibited. Finally, the thermoacoustic refrigerators based on the type of acoustic metamaterials are presented, in which the negative constitutive parameters and the forbidden bands are used to optimize the structures of the acoustic fields and suppress the high-order hamonic waves in thermoacoustic resonant pipes. Meanwhile, the acoustic impedance matching in the new type of thermoacoustic refrigerators are studied in order to enhance the acoustic couplings and optimize the performances of the new type of thermoacoustic refrigerators.

在热声制冷机中，声耦合、谐振管中的声场结构以及高次谐波都是影响其效率与功率的重要因素，而基于传统谐振管的热声制冷机性能的提升已经基本达到极限。因此，申请人在本项目中将一种新型的人工材料：声学超构材料应用于热声制冷当中，研究利用这种材料的特异声学性质对热声制冷机性能进行优化的新方法。本课题首先对基于声谐振管的超构材料特异声学性能的机理进行理论研究，并建立实验系统，对这种超构材料中的传输禁带，声场结构等特性进行测量，确定其声学性能与结构参数间的关系。进一步对超构材料的非线性特性进行理论建模与实验测量，研究其在强声场下的声学特性。最后，研制基于管状声学超构材料的新型热声制冷机，利用超构材料的负参数和声传输禁带等特异性能优化热声谐振管中的声场结构，抑制热声谐振管中的高次谐波对系统的不良影响；同时，研究此种新型热声制冷机中的声阻抗匹配问题，加强系统的声耦合，优化这种新型热声制冷机的各项性能。

在热声制冷机中，声耦合、谐振管中的声场结构以及高次谐波都是影响其效率与功率的重要因素，而基于传统谐振管的热声制冷机性能的提升已经基本达到极限。因此，我们在本项目中将一种新型的人工结构：声学超构材料应用于热声制冷机当中，研究利用这种材料的特异声学性质对热声制冷机性能进行优化的新方法。本项目首先研究了基于谐振管的声学超构材料的机理，揭示了其特异声学性能（负密度、负模量、负折射、传输禁带以及群速度调控等）的产生机理，获得了其声学性能与结构参数间的联系，并在此基础上对材料特性进行优化，为实用化研究打下基础。同时，我们还进一步研究了非线性效应对材料的特异声学性能的影响，揭示超构材料性能与工作声强间的关系，从而为将此种超构材料应用于强声场中打下了理论基础。此外，我们建立了实验系统，对超构材料中的传输禁带，声场结构等特性进行测量，确定其声学性能与结构参数间的关系。使用高声强的扬声器与传声器，在强声场中对这种超构材料的性能进行了测量，获得了这种超材料的非线性特性。除了声学超构材料的性能研究，本项目的另一个重点是将基于谐振管的声超构材料引入热声制冷机中，提出新型热声制冷机模型。利用这种超构材料的特异声学性能，优化谐振管中的声场结构，抑制热声制冷机中非线性高次谐波。同时，对这种新型热声制冷机进行性能优化，加强其中的声耦合，提高能量转化效率，进一步提高热声制冷机的制冷效率和功率，从而突破其性能瓶颈。