热声系统起振消振行为的实验研究

    1　前　言

    热声振荡器工作中的首要问题无疑是起振问题,这也是自发现热声现象的200多年来,人们一直在探索的基本问题。早在1777年,Byron Higgins就在实验中发现,将氢火焰放在两端开口的垂直管的“适当位置”,管中会激发出声音。此后, Sondhauss定性地研究了一端封闭、一端开口所谓Sondhauss管的振荡情况,而Rijke则对一根两端开口的下半部分放有加热丝网的垂直空管进行了声振荡研究。

    N.Rott[1]和G.W.Swift[2,5]等对热声现象进行的定量分析,对起振条件的认识也从纯经验阶段上升到比较精确的定量阶段,他们提出的“临界温度梯度”,即热声系统从无振荡状态转变到振荡状态时板叠两端存在的温度梯度,对于深入认识热声现象的本质是极其重要的。

    1949年, Taconis在研究液氦的时候,发现了众所周知的Taconis振荡,即一根一端封闭的空管子接触到液氦的液面时,管中将可能发生振荡。Taconis振荡的发现提出了一严峻的课题:如何防止低温系统中的氦振荡的发生。这也就牵涉到与起振相对应的消振问题。

    基于不同的目的和历史背景,对起振与消振的研究通常是分别进行的。虽然一些学者也试图把起振与消振联系起来进行研究,并得出在声品质因数的倒数与温差的关系图上的一致性[8,9]。但是,他们的研究仍然是建立在稳态系统(假定在任一时刻的温度是不变的)起振点与消振点重叠的假设之上[9]。此外,周淑亮和松原洋一等对在一定的加热功率下,热声起振行为的观察,并发现存在起振温度与消振温度的不一致性[4]。

    本文进行了热声系统起振与消振的实验,提出了非稳态过程(假定任一时刻的温度是变化的)中存在的“热声振荡滞后回路”,实验结果验证了滞后回路的存在。最后,考察了影响滞后回路的若干因素。

    2　实验过程

    2.1　实验装置

    热声驱动器的主体部分主要由加热器、蓄热器(即热声板叠)、冷却器、共振管和消声器等部分组成[3],如图1所示。其中热声板叠由一系列6目和10目的丝网以1∶2的比例相间填充成,加热器为电内加热器,冷却器为水冷器。表1列出了各主要部件的尺寸。

    此外,还有测量系统和控制系统。压力波测量系统由压力传感器、应变仪和光线示波器组成,用来测量驱动器的输出压力波的各个参量,包括频率、振幅和压比等。而温度测量采用高温热电偶,该系统温度值由数显仪直接显示,加热器的电源由与数显仪相联的继电器来控制通断。

    2.2　实验过程

    本文分别进行了热声系统在不同压力下的对称加热和非对称(即单向)加热条件下的实验。