基于LabVIEW的声波谐振管实验研究

为了更高效地测量声波谐振管的谐振频率,本文基于LabVIEW设计了测量声波谐振管谐振频率的扫频程序,分别得到了两端闭管条件下不同管长的谐振频率,以及首端闭管与尾端闭管条件下的谐振频率.此外,还通过绘制管内驻波波形图对声压波腹发生偏离的假设进行了验证.最后,对谐振管管身小孔开闭对谐振频率的影响进行了探究,发现小孔位置越接近驻波的声压波腹,谐振频率的偏离量越大.     

谐振管内非线性驻波的有限体积数值算法

为了扩展谐振管内非线性驻波在工程中的应用, 以及克服现有数值计算方法仅局限于求解直圆柱形和指数形谐振管内非线性驻波的问题. 根据变截面的非稳态可压缩热黏性流体Navier-Stokes方程和空间守恒方程, 并基于求解压力速度耦合方程的半隐式算法和交错网格技术, 构建一种能够计算任意形状轴对称谐振管受活塞驱动时内部非线性驻波的有限体积算法. 分别对圆柱形、指数形和圆锥形谐振管内的非线性驻波进行仿真计算. 通过与现有试验结果以及数值仿真结果的对比, 验证了该方法的正确性.并获得除驻波声压之外的另外一些新的物理结果, 包括速度、密度、温度的瞬时变化.在直圆柱形谐振管内产生冲击声压波, 速度波形中出现钉状结构.而在指数形和圆锥形谐振管内产生高声压幅值的驻波, 没有出现冲击波, 速度波形中均未发现钉状结构. 计算结果表明谐振管内非线性驻波的物理属性与谐振管形状之间有密切关系.     

新型热声谐振机构的理论分析和实验验证

谐振管作为热声发动机的重要组成部分,其长度占整个系统轴向长度的大部分。本文提出了一种利用液体和弹性膜组成谐振系统的方法,并使用这种谐振系统取代谐振管,使系统轴向尺寸减少为原来的1/5。文中利用线性热声理论对该谐振系统的谐振频率进行了计算,并对不同阻尼系数对系统的耗散做出了分析。实验结果表明,在利用驻波热声发动机驱动的情况下,谐振系统自激起振,谐振频率为360 Hz,实际谐振频率与计算值误差在5%以内。     

热声驱动器谐振频率影响因素分析

分析了结构参数、操作参数以及工质等因素对热声驱动器谐振频率的影响 ,并结合驻波型热声驱动器 ,给出了相应的计算结果和实验数据。     

热声谐振管品质因数的实验研究

回热器中填充了玻璃丝绵,在声驱动的热声谐振管中发生共振,通过测量谐振频率,分析热声谐振管的频率特性,辨识谐振管的品质因数,其测量结果能与理论计算值较好的吻合。实验证实,品质因数是评价热声谐振管工作性能的重要参数。     

指数型热声谐振管的固有频率

采用计算流体力学软件Fluent模拟研究了11种不同形状参数的指数型热声谐振管内二维非线性声场特性,分析了驱动频率和驱动强度对管内声压演化过程及固有频率的影响,并探索了指数管的固有频率与理论计算谐频之间的关系.研究发现:当驱动频率偏离谐振管固有频率时,管内将出现明显的"拍"现象;指数管的固有频率随驱动强度的增加而增加,呈现硬弹簧效应,但驱动强度对固有频率的影响较小并且在任何驱动下指数管的固有频率均小于理论计算谐频.针对所研究的指数型管,获得了其固有频率与理论计算谐频之间的关系式.结果表明,相同驱动下,形状参数m值约等于2.8的指数管所能获得的压力幅值及压比最大,且m=2.8指数管的固有频率与理论计算谐频之间的关系式与其他管型略有不同.      

双声源驱动热声系统声场调制研究

本文在回热器边界声场调制理论的基础上,考虑了两端换热器和谐振管变径的影响,推导出热声系统(谐振管和回热器)内声场与双声源复声压相关的声场调制关系式。理论和实验分析了双声源复声压对谐振管中的行波比率以及回热器中的声阻抗的调制,并给出通过复声压调制后的系统内声场分布图。对比结果表明该声场调制关系式的适用性,通过双声源复声压的调节,能调制出谐振管及回热器所期望的工作声场。     

气体火焰驻波在低频段熄火的研究

用驻波函数和伯努利方程推导出火焰驻波管内任意位置的声压方程,并分析了低频时熄火的原因.引入压节(波幅)、压腹(波节)解释了驻波管两端出现高火焰的原因.用全封闭的驻波管完整地呈现了低频段共振点的驻波.     

基于气泵的声管实验及分析

为研究声管的发声频率，进行了实验设计和分析.声管转动发声是由于空气在声管中的流动，考虑实际的实验条件，设计了气泵吹气代替声管转动的实验方式，改变吹气速率并测量发声频率.通过对实验结果的分析发现，此时的声管不符合两端开口即两端为波腹的条件，而是一端波节、一端波腹.声管的发声频率取决于其长度，符合驻波特性，发声时吹气速率与波纹长度须满足共振条件.研究结果有助于对驻波的理解和相关内容的实验设计.     

四分之一波长锥形谐振管共振频率的研究

在热声发动机系统中,谐振管用来调节系统的超振频率.通常的四分之一波长谐振管由一段谐振管后面连接一个比较大的气体容积构成,与二分之一波长谐振管相比,在相同的起振频率下前者可以有相对短的管长.锥形谐振管除了调节频率外,还可以提高热声发动机输出压力波的压比.本文通过数值计算软件Fluent6.0中的K-ε湍流模型模拟了不同长度、不同的进出口直径的一系列锥形谐振管,得出了近似四分之一波长锥形谐振管的共振频率与其长度、锥度之间的关系,并初步与实验进行了对照.     

自制鲁本斯火焰管在声学教学中的应用研究

为了直观地演示声波的有关实验现象, 实现声驻波的可视化, 制作了一个鲁本斯火焰管演示仪器用于 实验教学, 并就声压和频率对火焰高度和位置的影响进行了分析和研究, 实验发现火焰形状与声波波形相对应, 并 且呈现出高频动态变化的特征     

介质密度对谐振腔声压的影响

基于热声效应的磁致伸缩换能器热声制冷机,其内部的介质密度对于制冷效率的提高有重要作用。选用改变基础声压来控制谐振腔内介质密度的大小,选取了基础声压0.2—1.0 MPa之间,每0.2 MPa作为间隔,对五种基础声压下1 000—8 000 Hz不同激励下用有限元仿真软件ATILA进行仿真分析,得到趋势是呈现增大的,而且最大值在基础声压和激励频率最大值处,达到了359.97 Pa;在基础压力为0.6 MPa、激励频率为2 000 Hz的条件下谐振腔同时满足驻波形态和高声压。并对整机的模型进行激励频率-辐射板位移输出分析,得到在激励频率为9 000 Hz时,辐射板输出位移最大。随着介质密度的增加,热声制冷机内谐振腔内的驻波形态并没有因此而增加,存在一个同时满足驻波状态和高声压的状态。     

声柱谐振时的频率和效率

本文从实验和理论方面对声柱谐振时的频率进行了研究,并对声柱谐振时的效率作了理论计算。结果表明,谐振频率随扬声器单元数N的变化近似地按线性规律增加;而谐振时的效率在N少于3时与N成正比,当N大于4时逐渐趋于平缓。 文中还表明了将声柱中各个扬声器作为长管一端的平面活塞辐射源处理更符合于实验结果。     

一个新型的T形耦合谐振光声腔

本文介绍一种工作于耦合谐振频率上的新型谐振式光声腔(T形腔)的设计及其性能.从腔内声压的积分表达式出发,用格林函数对耦合谐振腔的谐振频率作了理论计算,并对实际的T形腔的谐振频率作了数值计算和实验测定,结果表明两者良好吻合.在CO_2激光光声谱仪上,对T形腔性能的测量结果表明,耦合谐振光声腔有高达900左右的Ω值;并在T形腔的小腔的3λ/4开管谐振频率上,背景信号与光声信号是反相的,从而有可能简便而实时地记录下扣除了背景信号的光声谱。对甲醇及苯蒸气的浓度检测灵敏度分别为和     

近临界区CO_2对热声谐振管性能的影响分析

谐振管是热声热机的主要部件之一,减小声功在谐振管中的耗散对改善热声热机输出特性具有积极意义。由于近临界区流体的热物性具有特殊性,用其作为工质时将会对谐振管内的声功损耗产生重要影响。本文对声功在以近临界区CO_2为工质的谐振管中的损耗情况进行了计算和分析。结果显示,在本文的计算条件下,相较于压力较低的CO_2,采用近临界区CO_2作为工质可降低谐振管内的声功损耗,并在工作压力略低于临界压力时,谐振管内的声功损耗可达到最小值.此外,在保持谐振频率不变的情况下,采用近临界区CO_2作为工质可一定程度上缩短谐振管的长度。     

两端开口圆柱形液腔低频谐振辐射特性

为研究两端开口圆柱形液腔的低频谐振辐射特性,建立了其在低频近似条件下的分布参数模型,由电-力-声类比得到了等效振动模型,给出了无声负载下的谐振频率表达式。随后利用“长度等效方法”建立了液腔在辐射条件下的自辐射等效模型和声场辐射等效模型,给出了液腔的修正长度、谐振频率及指向性函数,并讨论了弹性壁条件下的情况。结合有限元法研究了刚性(弹性)壁条件下,圆管结构特征参量对液腔一阶谐振频率的影响规律,给出了自辐射等效模型满足求解精度的条件,并利用压电效应激励液腔一阶谐振,讨论了其声场辐射特性。对比结果表明:液腔一阶谐振频率的等效模型计算值与有限元仿真值符合较好,误差低于5%;液腔的修正长度为4a/π,液腔在一阶谐振下近似呈“∞”型指向性。此模型将两端开口圆柱形液腔类比为“液体圆棒”,即可将液腔视作液腔类水声换能器结构的一部分,提供了从分布参数模型角度分析此类换能器工作机理与辐射特性的理论支撑。     

声驻波场中空化泡的动力学特性

以水为工作介质, 考虑了液体的可压缩性, 研究了驻波声场中空化泡的运动特性, 模拟了驻波场中各位置处空化泡的运动状态以及相关参数对各位置处空化泡在主Bjerknes力作用下运动方向的影响. 结果表明: 驻波声场中, 空化泡的运动状态分为三个区域, 即在声压波腹附近空化泡做稳态空化, 在偏离波腹处空化泡做瞬态空化, 在声压波节附近, 空化泡在主Bjerknes 力作用下, 一直向声压波节处移动, 显示不发生空化现象; 驻波场中声压幅值增加有利于空化的发生, 但声压幅值增加到一定上限时, 压力波腹区域将排斥空化泡, 并驱赶空化泡向压力波节移动, 不利于空化现象的发生; 当声频率小于初始空化泡的共振频率时, 声频率越高, 由于主Bjerknes 力的作用将有更多的空化泡向声压波节移动, 不利于空化的发生, 尤其是驻波场液面的高度不应是声波波长的1/4; 当声频率一定时, 空化泡初始半径越大越有利于空化现象的发生, 但当空化泡的初始半径超过声频率的共振半径时, 由于主Bjerknes力的作用将有更多的空化泡向声压波节移动, 不利于空化的发生.     

谐振管形状对热声发动机内非线性声场的影响

研究了谐振管一端受活塞声源激励,另一端刚性封闭条件下,管道形状对热声发动机谐振管内部非线性声场的影响。基于流体力学基本方程建立了渐变截面谐振管内一维非线性声场的模型,考虑了黏性耗散及非线性效应的影响。利用伽辽金法数值求解了该模型的速度势方程,分析了谐振管形状、活塞振动速度及激励频率对管内声场的影响。将双曲形、指数形、锥形、正弦形等四种变截面谐振管内的非线性声场与圆柱形直管的情况进行了比较。结果反映了谐振管内声场的压力波动受活塞振动速度及谐振管形状的影响;显示了当活塞振动幅度较大时,谐振管内出现的波形畸变、频率曲线偏移、共振频率滞后等非线性现象;揭示了变截面谐振管在抑制管内的高阶谐波及提高压比等方面的优越性。      

掺杂硅纳米梁谐振频率的理论模型及分子动力学模拟

通过理论计算与模拟,研究分析了P元素替代掺杂单晶硅纳米梁的谐振频率.计算模拟了两端固支单晶硅纳米梁的谐振频率随尺寸、掺杂浓度与温度的变化.通过对计算结果与模拟结果的分析得到:单晶硅纳米梁的谐振频率随着硅纳米梁长度尺寸的增大而减小;硅纳米梁的谐振频率随着掺杂浓度的增大而增大,但变化趋势并不明显;最后考虑了温度效应,发现掺杂硅纳米梁的谐振频率随着温度的增大而减小,但从谐振频率的数值来看,硅梁的谐振频率随温度的变化趋势并不明显,即温度对硅梁谐振频率基本无影响.由此得出结论:掺杂浓度与温度对硅纳米梁谐振频率的影响很小,影响单晶硅纳米梁谐振频率的主要因素是尺寸大小,掺杂单晶硅纳米梁的谐振频率具有尺寸效应.     

相位匹配下锥形光纤激发出的回廊模谐振

分别计算不同直径下锥形光纤基模和玻璃微球谐振腔内最低阶径向回廊模的传播常量,利用相位匹配条件,作出了锥形光纤与石英玻璃微球腔的直径对应关系曲线.在此基础上,选择锥腰直径2.8 μm左右的低损耗锥形光纤与直径143.1 μm球形度很好的玻璃微球腔进行近场耦合以激发球内的最低阶径向回廊模谐振,在锥形光纤的两端进行通光测试,在输出端获得了等间距分布的窄线宽滤波谱线,其吸收峰位置与利用Mie理论计算的球内最低阶径向回廊模谐振峰位置相一致.