【《热声理论分析概述》1600字】

低温回热式制冷机的回热器内存在着交变流动的气体振荡，振荡的气体会产生声，气体在振荡过程中传递了能量，科学家们称之为热声现象，简单来说，热声效应是指热能和声能相互转换的现象。从声学角度来看，热声效应就是回热式制冷机工作的机理，而热声理论认为：回热器不仅仅是个功热转化器，而且还是个可逆的热声转换部件，在一定情况下，回热器内的气体一方面达到泵热制冷的目的，另一方面实现声功的放大[15]。虽然热声理论的提出和在脉管制冷机上的应用较晚，但这个现象的出现可是很早就有了的。早在1777年，ByronHiggins发现了最早的热声现象——“歌焰”现象，装置如下图10所示，他发现给两头不封闭的中空管子内部放置一团火焰，当火焰移动到某个位置后，会有声音产生，仿佛管子在唱歌，后世将于此类似的管子称为“Higgins管”。在距今约一百多年前，制作玻璃工艺品的工人们要将热处理后的中空细玻璃管的一端，吹成一个中空的玻璃球，他们发现，有时候可以听见管子的开口处会传出响声，对此这个现象的探究首先是在1850年，学者Sondhauss进行了相关的实验分析，他发现玻璃发声的现象与玻璃本身无关，而是与玻璃的尺寸有关，并且得到了音节高低与器皿尺寸的定量关系[16]，为了表彰他的功绩，人们把这种一端端口封闭，而另一端端口开放，而且具有热声效应的管子称其为“Sondhauss管”，如上图11所示。和这相似的现象还有“Taconis振荡”，如图12所示，这是Taconis等人于1949年在研究He3-He4中气液相平衡时偶然发现的，他们将一根一侧堵死，另一侧开口的中空管子的伸入到液氦流体中，搅动的同时会伴随着发声[17]，后来他们对这个现象作出了一些相关的解释，他们认为在搅动充满气体的管子时可能会产生振荡，这种随时可能产生的振荡是导致低温液体快速蒸发的原因。到了1969年，Rott等人为了解决著名的热声现象——“Taconis振荡”耗散现象的问题，也开始了热声效应的研究，并且提出了热声理论[18]，随后又大量的学者都加入了热声效应的研究，其中，对热声理论有所推广的有：中科院理化所的科学家肖家华，他系统的探究了热声理论，然后将热声理论由驻波声场延伸至一般声场，接着在建立出来的热声理论框架基础上，探讨了根据热声效应来达到声功放大以及泵热制冷的声场条件[19-22]。到了1859年，学者Rijke在研究热声现象的时候观察到：把热丝网放入一根两端均开口的中空竖直管中，当铁丝网的位置处于中空竖直管的靠下半部位置时，他发现了强烈的声振荡。如果把管子的上端端口堵住，声振荡就会被抵消；当他将热丝网放在距离竖直管下端1/4管长的地方时，发现此时产生的声波是最强的；然后他将热丝网逐渐移动至管子的上半部时，发现产生的声波会逐渐减弱[14]。这个现象其实本质上也是属于热声效应的一种，正是由于Rijke对这个现象进行了最早的分析，人们为了感谢他的贡献，也就把这种奇特的现象就称为“Rijke振荡”，对应的，产生这种现象的管子自然也就被称之为“Rijke管”如上图13所示。上述的四种现象均是热致声效应的典型代表，然而与之相逆的声致冷效应现象的发现，却是比较晚的，虽然在1963年由Gifford和Longsworth等人研制并发明的第一代脉管制冷机——基本型脉管制冷机，它的工作机理本质上是可以认定为基于声致冷效应的原理，但是由于并没有产生明显的声现象，所以当时的科学家们并没有将之定论为声致冷效应现象，而是选择去建立新的理论去解释它的工作机理，这样就导致首个出现的声致冷现象并没有引起大家的重视，而真正意义上被大家察觉并且重视声致冷效应的事件是发生在1975年，科学家P.Merkli和H.Thomann等人在研究时发现了一种现象：在往复运动活塞激励的一端封闭的驻波谐振管中，中间区域的温度会下降，两端的温度在升高[23]，这才让热声理论逐渐的走进了科学家们的眼中。从此之后，热声理论走上了脉管制冷机工作机理的主舞台，虽然在特定时期都产生了一定的局限性，但是经过各国科学家的不断努力和不断探索研究，从线性热声理论到非线