热声效应简介

中文名: 热声效应

热声效应是指固体介质与振荡流体之间产生的时均能量效应，产生沿着(或逆着)声传播方向的时均热流和时均功流。按能量转换方向的不同，热声效应分为两类：一是用热能来产生声能，包括各类热声发动机；二是用声能来输运热能，包括各种回热式制冷机。可产生热声效应的流体介质必须有可压缩性、较大的热膨胀系数、小的普朗特数，而且对于要求较大温差，较小能量流密度的场合，流体比热要小，对于要求较小温差，较大能量流密度的场合，流体比热要大。

简介

热致声效应相对而言比较易于观察到，人们对于此类热声现象的发现可以追溯至200多年前。

1777年，Byron Higgins把氢气火焰放入两端开口的垂直管的合适位置时，如图1.1（a）所示，管中能够激发出声音，这即为“歌焰”现象。类似的现象在其他地方也可以观察到，其被称之为“Higgins管”作用，例如高烟囱或者炉膛中的火焰有时候会引起强烈的噪音或振动，另如二战中德国所用的Ⅵ导弹，也是因为“Higgins管”作用使其在飞行中发出强烈的噪音，此外脉动燃烧技术也发源于此。

一百多年前，吹玻璃工人发现了类似的现象，当一个热玻璃球连接到一根中空玻璃管上时，也会激发出强烈的声波[2]。1850年，Sondhauss对这种一端封闭、一端开口的热声振荡管进行了研究，以后的学者为纪念他的贡献而将其命名为“Sondhauss管” ,如图1.1（b）所示。

1859年，Rijke将加热丝网放到一根两端开口的垂直空管的下部，观察到了强烈的声振荡，并对这种现象进行了定性的分析，这种结构后来被称“Rijke管” ，如图1.1（c）所示。此后，Bosscha 采用冷的丝网代替热的丝网也达到了Rijke振荡，但冷丝网与热丝网的位置恰好相反。由于“Rijke管” 在脉动燃烧中的应用以及与火箭压缩机安全性等密切相关，时至今日仍在进行大量研究，并被广泛用于热声效应的教学实验中。

1949年，Taconis等人观察到将一端封闭的管子的开口端伸入到液氦中搅动时会发出声音，Taconis对此做出了定性解释，这就是低温领域中著名的“Taconis振荡” 。这种振荡经常发生在液氦与室温环境之间的管道中，导致低温液体的快速蒸发，正确理解这种现象的产生机理对于防止低温系统中的振荡具有重要意义。

与热致声或者冷致声效应相比，声致冷效应的发现则晚了许多：从现代热声学的角度出发，首次声致冷效应归于1963 年由Gifford 和Longsworth 等提出并研制的基本型脉冲管制冷机，但由于这种基本型脉冲管制冷机工作频率低至数赫兹，其声学特性并不显著。在1975 年由P. Merkli 和H. Thomann 等人在往复运动活塞激励的一端封闭的驻波谐振管中发现了中间区域温度下降，而两端温度升高的现象，这应该是历史上首次明显的声致冷现象。