热声效应及其实验

    1 引 言

    热声致冷是80年代提出来的致冷原理和方法.热声致冷在冷却红外探测器件、超导电子学器件等低温固体电子器件的微型低温制冷领域具有特殊的优点,同时在某些方面具有替代氟利昂制冷的潜在能力,因而受到广泛的关注.热声效应涉及声学、热力学、传热学、流体动力学等多个学科,笔者研制的热声致冷系统结构非常简单,可作为热声效应演示仪器,帮助学生理解热声致冷的基本原理.

    2 实验装置

    本文所介绍的热声致冷装置由音频信号发生器、功率放大器、示波器、40 W音频扬声器、1/4波长谐振管、热声堆、铝塞、测温探头、数字式温度计等器件组成,如图1所示.

    信号发生器产生一定频率的声振动,由功率放大器放大后推动扬声器.扬声器发出的声波机械能在谐振腔内成为致冷做功的动力.谐振腔是内径为25 mm、长为23.4 cm的有机玻璃管,它通过1块薄树脂板(中心有一圆孔,其半径与谐振管相等)盖在扬声器上.谐振管上部有一形如图2所示的热声堆片,它是该致冷装置的关键部分.在热声堆上方4.1 cm处有一个2 cm长的铝塞,它将谐振管的上端口封住.铝塞上开一小孔,将测温探头置于热声堆的下部腔内,由数字式温度计读出系统工作前后的气体温度.

    由上述可见,就致冷装置而言,扬声器、谐振管和热声堆是3个主要部件.该实验采用的是1只40 W的普通扬声器,实践证明产生很好的致冷效果.谐振管的长度决定了系统的谐振频率.根据声学理论[1],对于均匀有限长管的管内声场,只有当管长为声波波长的1/4时,才会产生谐振现象,此时振幅最大,致冷效果最为明显.设空气中的声速c=340 m/s,则谐振频率

    考虑到温度对声速的影响以及管端开口误差,实际频率略有偏差.为了准确选定工作频率,在铝塞内安放了微型驻极体话筒,并将话筒接在示波器上.系统工作时,先在示波器上寻找振幅最大的谐振峰,以此来确定实验中的谐振频率.该实验由此而确定的最佳工作频率为367 Hz(该实验是在室温32.8℃时所做,后来在20℃左右又做过多次实验,实验结果最大温差与室温无关).

    该实验最主要的另一部件是管内热声堆.热声堆主要起热交换器的作用.本系统中的热声堆是用钓鱼线和宽为35 mm的胶卷所组成的.将直径为0.368 mm的钓鱼线每隔5 mm用502胶水依次平行的粘在胶卷底片上,之后将胶卷底片卷起,组成一简易的热交换装置(如图2所示).这样,空气分子能够沿着热声堆的纵向(即谐振管长度方向)在各叠层之间运动.

    制作热声堆主要考虑各层之间需要有一定的交换热量的穿透深度[2].热波穿透深度δk为时间f中热扩散的距离,其关系式如下