提高面向热声效应的磁致伸缩换能器声场声压的方法研究

摘要

热声制冷机是利用声音能量搬移热量的新型装置。相较与传统的制冷设备，其具有结构简单、运行稳定可靠、寿命长、对环境安全无害等优点。在航空航天、低温电子、超导等领域展现出了十分广阔的应用前景。由热声效应的原理可知，有效提高制冷机谐振腔内的声压值可以获得更好的制冷效果。而谐振腔内声压值的大小取决于与之相配合的换能器的辐射板位移大小。故找到提高换能器辐射板位移大小的方法是增强热声机制冷效果的有效途径，且热声机的制冷效果可以通过谐振腔内声压值的大小来衡量。本文的研究工作从以下几个方面展开以找到提高谐振腔内声压值的方法。
　　首先，利用磁致伸缩换能器内T-D材料棒磁致应变量大、驱动电压低、机-电耦合系数高及响应速度快等优点，结合其独特的E及阶跃效应，利用有限元软件ATILA对处于不同边界条件下的磁棒进行模态分析和施加了多匝线圈磁场激励的谐响应分析，并且得到了“线圈激励频率-磁棒端面位移输出”曲线。发现磁棒端面的位移最大值出现在其一阶纵向振动固有模态对应频率周围。进而得出了可以通过调节T-D材料棒的边界条件使换能器在期望频率上获得大位移输出的结论。
　　其次，建立了磁致伸缩换能器驱动谐振腔产生声压的有限元模型。同时进行了换能器内T-D材料棒的磁-机耦合和谐振腔气体与换能器辐射板的气-固耦合分析。在对多匝线圈施加交变电流的情况下，得到了谐振腔内的声压值。此模型采用的电流激励优于直接对谐振腔施加位移与压力激励，可以直接指导后续实验验证和优化工作。仿真结果发现，随着激励电流频率的升高，换能器辐射板位移值也逐渐增大，同时谐振腔内形成稳定驻波时的声压值也随之增大。即辐射板位移值的增大可以有效的提高谐振腔内的驻波波幅的声压值大小。但提高辐射板位移需要驱动频率的升高，这会同时影响到谐振腔内驻波波形的形成。所以需要综合考虑辐射板位移大小与谐振腔内气体波形情况来确定换能器的驱动频率。
　　最后，研究了谐振腔内加载基础声压时对腔内受激励时产生的声压值大小的影响。发现随着加载基础声压的增大，谐振腔内产生的声压值也随着增大。但是各声压下出现驻波时对应的频率较正常大气压时减小，不利于换能器的微型化。所以需要根据分析结果选择最优的加载压力与驱动频率的组合。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2热声制冷技术的发现

1.3热声效应的工程化应用

1.4研究内容

2热声效应理论及热力学分析方法

2.1热声效应理论

2.2热声效应基本原理

2.3热声学热力学循环分析

2.4 本章小结

3 基于△E及阶跃效应的换能器T-D棒位移输出分析

3.1磁致伸缩材料的工作特性

3.2磁致伸缩棒的纵向振动理论分析

3.3 磁致伸缩材料棒主要参数及其确定

3.4磁致伸缩换能器主要部件的设计

3.5 Terfenol-D棒模态及位移输出谐响应分析

3.6本章小结

4磁致伸缩换能器驱动谐振腔声场有限元分析

4.1气柱固有频率有限元方程的建立

4.2 三种边界条件介绍

4.3 磁致伸缩换能器谐振腔声场有限元分析

4.4 本章小结

5结论

参考文献

在学研究成果

致谢