專利名稱：一種聲諧振器,產(chǎn)生聲諧振的方法,及一種熱交換系統(tǒng)的制作方法
本申請(qǐng)是第93105667.5號(hào)中國(guó)專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
本發(fā)明與一種在一個(gè)聲諧振腔內(nèi)產(chǎn)生接近線性強(qiáng)聲波的聲諧振器有關(guān)，這種聲諧振器專門用于各種聲共振壓縮機(jī)。
本發(fā)明者的早期美國(guó)專利5,020,977致力于一種應(yīng)用聲學(xué)原理進(jìn)行壓縮的壓縮蒸發(fā)致冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)。這種壓縮機(jī)是由一個(gè)具有一個(gè)內(nèi)含流體致冷劑的諧振腔駐波壓縮機(jī)構(gòu)成的。壓腔內(nèi)的致冷劑中產(chǎn)生一個(gè)行波，而這個(gè)行波在腔內(nèi)的致冷劑中轉(zhuǎn)換成一個(gè)駐波，使致冷劑受到壓縮。
到目前為止，線性聲學(xué)的領(lǐng)域主要限于聲壓振幅較小的情況。如果聲壓振幅與平均流體壓力相比較大，凡會(huì)產(chǎn)生非線性問(wèn)題。在這些條件下，一個(gè)純正弦波通常將發(fā)展成一個(gè)沖擊波。
由于壓力變化幅度大而引起的聲速的空間變化會(huì)使壓力陡峭，從而發(fā)展成沖擊波。在傳播期間，一個(gè)有限波的壓力波峰的熱力學(xué)狀態(tài)與其壓力波谷的熱力學(xué)狀態(tài)是頗為不同的，因此沿波傳播方向的聲速不同。結(jié)果是，壓力波峰趕上壓力波谷，發(fā)展成一個(gè)沖擊波。
在自由空間、波導(dǎo)和聲共振器內(nèi)傳播的波都能形成沖擊波。下面這些出版物對(duì)在各種聲共振器內(nèi)的沖擊波形成進(jìn)行了研究。
Temkin導(dǎo)出了一種計(jì)算在活塞激勵(lì)的筒形共振器內(nèi)不形成沖擊波的聲壓振幅極限的方法(見(jiàn)Samuel Temkin,“Propa-gation and standing sawlooth waves”,(J.Acoust.Soc.Am.45,224(1969))。他首先假設(shè)在一個(gè)共振器中有左行和右行的兩個(gè)沖擊波，然后得這兩個(gè)沖擊波所引起的熵增量。將這個(gè)熵?fù)p耗代入能量平衡方程，解出作為激勵(lì)器位移函數(shù)的極限聲壓振幅。Temkin的理論與有限振幅的行波和駐波的實(shí)驗(yàn)都非常符合。
Craikshank對(duì)在活塞激勵(lì)筒形共振器內(nèi)有限振幅聲振蕩的理論和實(shí)驗(yàn)作了比較(見(jiàn)D.B.C Cruikshank,“Experimentalinvestigation of finite-amplitude acoustic oscillations in a closedtube”,J.Acoust.Soc.Am.52,1024(1972))。Cruikshank實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的沖擊波與理論上的十分符合。
與大量文獻(xiàn)一樣，Temkin和Cruikshank的著作都假定活塞激勵(lì)筒形共振器具有恒定橫截面(CCS)面積，筒的終端與活塞面平行。CCS共振器具有頻率上與波的諧波一致的諧振模，因此沖擊波的形成不受限制。雖然在Temkin和Cruikshank的文章中沒(méi)有說(shuō)明，但它們?cè)谒麄兊慕庵卸茧[含地作了鋸齒形沖擊波的假設(shè)，然而這個(gè)假設(shè)只是對(duì)CCS共振器才是合理的。
對(duì)于具有非諧振模的共振器來(lái)說(shuō)，就不能再用鋸齒形沖擊波的簡(jiǎn)單假設(shè)。這是由Weiner指出的，他提出了一種逼近方法，計(jì)算在共振器內(nèi)不形成沖擊波的極限聲壓振幅(見(jiàn)Stephen Weiner,“Standing sound waves of finite amplitade”,J.Acoust.Soc.Am40,240(1966))。Weiner首先假定有一個(gè)沖擊波，然后計(jì)算各諧波對(duì)基波所做的功。將這個(gè)功代入到一個(gè)能量平衡方程，解出作為激勵(lì)器位移函數(shù)的極限聲壓振幅。
Weiner還進(jìn)一步證明，衰減偶次諧波將能得到一個(gè)較高的基波聲壓振幅極限。作為一個(gè)能衰減偶次諧波的共振器的例子，他例舉了一個(gè)用于固體燃料燃燒研究的一稱為“T燃燒室”的T形腔。這個(gè)T燃燒室起著一個(gè)中央有一個(gè)通孔的熱激勵(lì)1/2波長(zhǎng)共振器的作用。每個(gè)偶次模在這個(gè)通孔處都將有一個(gè)聲壓波腹，因此都受到了能量通過(guò)這個(gè)通孔幅射那樣形式的衰減。Weiner除了衰減以外沒(méi)有提出其它建議來(lái)消除諧波。衰減也就是能量的耗散，因此對(duì)于能量效率來(lái)說(shuō)，這并不是所希望的。
在氣體燃燒加熱的文獻(xiàn)中可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)一些諧波衰減方案的例子(例如見(jiàn)Abbort A.Putnam,“Combustiom-Driven Oscil-lations in Industry(American Elsevier Publishing Co.,1971))。在一般的采用衰減型方案的噪聲控制領(lǐng)域能找到另外一些例子，因?yàn)樵谶@些應(yīng)用中能量損耗并不重要。Obest在其著作中提供了一個(gè)值得注意的不同途徑，他希望產(chǎn)生高強(qiáng)度的聲音來(lái)校驗(yàn)話筒(見(jiàn)Her-mann Oberst,“A method for the production of extramelypowrful standing soundwaves in air”,Akust.Z.5,27(1940))。Oberst發(fā)現(xiàn)，用具有非諧波共振模的共振器可以減小有限振幅波的諧波分量。他的共振器是由兩根不同直徑的相連管子構(gòu)成的，較小的那根端部封閉，而較大的那根則保持敞開(kāi)。共振器的敞開(kāi)端受旋轉(zhuǎn)著的開(kāi)口盤(pán)調(diào)制的空氣射流激勵(lì)。
采用了這種結(jié)構(gòu)，Oberst以0.02巴的激勵(lì)壓力振幅產(chǎn)生了高達(dá)0.10巴的共振壓力振幅，對(duì)基波的增益為5。共振器將具有30％誤差(即偏離正弦)的激勵(lì)波形變換成一個(gè)僅有5％誤差的波形。然而，Oberst預(yù)計(jì)，如果施加更高的聲功率，非線性畸變就會(huì)十分明顯。其實(shí)，即使是共振聲壓振幅只有0.005巴，用肉眼也能觀察到Oberst的波形中的諧波分量。
Obers認(rèn)為，由于共振器模與波的諧波不相符，因此對(duì)這些有限振幅波會(huì)產(chǎn)生這樣的響應(yīng)。然而，對(duì)共振器和波的諧波之間的相互作用并沒(méi)有確切加以說(shuō)明?？磥?lái)，Oberst的看法是，共振波的譜密度的壓縮就是因?yàn)檫_(dá)到激勵(lì)波形各諧波的Q放大量較小的緣故。這個(gè)解釋只對(duì)于Oberst得到的適度的壓力振幅才是可信的。Oberst沒(méi)有指明或提示他的方法可能產(chǎn)生超過(guò)他所達(dá)到的線性聲壓振幅，他對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化也不能抱有希望。相反，Oberst指出，聲壓振幅再大一些的話，非線性會(huì)占優(yōu)勢(shì)。
聲共振器中另一個(gè)非線性源是在高速情況下能發(fā)生的邊界層湍流。Merkli和Thomann通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了在有限聲壓振幅的情況下存在一個(gè)振蕩著的片流變?yōu)橥牧鞯呐R界點(diǎn)(見(jiàn)P.Merkli,H.Thomann,“Transition fo tarbulence in oscillating pipe flow”,J.Fluid Mech.,68,567(1975))。他們的研究也是以CCS共振器完成的。
總的來(lái)看，有限共振聲學(xué)文獻(xiàn)似乎預(yù)言流體的固有非線性終將支配任何的共振系統(tǒng)，而與共振器所施加的邊界條件無(wú)關(guān)。文獻(xiàn)所預(yù)計(jì)的這些極限遠(yuǎn)低于本發(fā)明所達(dá)到的實(shí)際性能。
因此，就需要有能高效率產(chǎn)生非常大的無(wú)沖擊聲壓振幅的產(chǎn)品，作為在本發(fā)明者的美國(guó)專利5,020,977中揭示的那種蒸汽壓縮熱傳導(dǎo)條件的氣體壓縮裝置。此外，在聲學(xué)領(lǐng)域中的許多其它應(yīng)用，例如熱聲型熱機(jī)等，也能從產(chǎn)生大振幅正弦波形的技術(shù)中有所得益。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供通過(guò)促使一個(gè)波的諧波相消自相干來(lái)消除沖擊波形成的聲共振器，從而能得到接近線性的大振幅聲壓。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供使由有限振幅聲邊界層湍流引起的非線性能量耗散為最小的聲共振器。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供使邊界粘滯能量耗散和邊界熱耗散為最小的聲共振器。
本發(fā)明的第四個(gè)目的是提供一種用來(lái)獲得大聲壓振幅的聲激勵(lì)裝置。
本發(fā)明的第五個(gè)目的是提供一種能在受到具有豐富諧波的波形激勵(lì)時(shí)仍保持接近正弦的聲壓振蕩的聲共振器。
本發(fā)明的聲共振器有一個(gè)內(nèi)含流體的共振腔。這個(gè)共振腔的幾何形狀使得在流體中的至少一個(gè)諧波產(chǎn)生相消自干涉，從而避免了在有限聲壓振幅上形成沖擊波，共振腔的模截面面積沿腔改變，沿腔改變模截面面積位置定在降低流體聲速和減少邊界粘滯能量耗散的位置上。這種共振腔可以是一個(gè)用于熱傳導(dǎo)流體壓縮的駐波壓縮機(jī)的共振腔。
本發(fā)明的聲共振器激勵(lì)系統(tǒng)有一個(gè)內(nèi)含流體的共振腔，這個(gè)共振腔的兩端都加上了聲反射終端。一個(gè)激勵(lì)裝置以選定的一個(gè)腔共振模的頻率使共振腔振動(dòng)。本發(fā)明的聲共振器和激勵(lì)系統(tǒng)可以接到熱交換裝置上，形成一個(gè)諸如蒸氣壓縮系統(tǒng)那樣的熱交換系統(tǒng)。
如上所述，本發(fā)明的共振器和聲激勵(lì)裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)，能夠獲得振幅相當(dāng)大的接近線性的聲壓。特別是，本發(fā)明的實(shí)際性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了有限共振聲學(xué)文獻(xiàn)中所預(yù)示的結(jié)果。
從所附的說(shuō)明書(shū)和附圖中可以更加清楚地看到本發(fā)明的這些和其他一些目的和優(yōu)點(diǎn)。說(shuō)明和附圖中所有相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)記的是相同的部件。
在這些附圖中

圖1示出了一個(gè)具有是基模的諧振模(即共振頻率是基模的整數(shù)倍)的高次模式的共振器的情況；
圖2示出了一個(gè)具有不是基模的諧振模的高次模的諧振器的情況；圖3為本發(fā)明的一個(gè)共振器實(shí)施例的剖視圖，該實(shí)施例用一根心棒作為模調(diào)整的措施；圖4為圖3所示共振器的測(cè)量數(shù)據(jù)表；圖5為圖3所示共振器的理論數(shù)據(jù)表；圖6為本發(fā)明的一個(gè)利用直徑不同的各段來(lái)調(diào)整模的共振器實(shí)施例的剖視圖；圖7為圖6所示共振器的測(cè)量數(shù)據(jù)表；圖8為圖6所示共振器的理論數(shù)據(jù)表；圖9為本發(fā)明的一個(gè)幾何形狀更為優(yōu)化的共振器實(shí)施例的剖視圖；圖10為圖9所示共振器的理論數(shù)據(jù)表；圖11為一個(gè)用于本發(fā)明的共振器激勵(lì)系統(tǒng)的設(shè)備的剖視圖，其中整個(gè)共振器沿其縱軸受到振動(dòng)；圖12為用了增強(qiáng)消除諧波的多孔材料的圖9所示的共振器的剖視圖；以及圖13為連接到熱交換裝置形成熱交換系統(tǒng)的圖11的共振器和激勵(lì)系統(tǒng)的剖視圖。
現(xiàn)在來(lái)說(shuō)明通過(guò)模式調(diào)整消除諧波來(lái)限制形成沖擊波的情況。
眾所周知，在大聲壓振幅的情況下形成的壓力陡峭會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)具有經(jīng)典的鋸齒波形的沖擊波。由付立葉分析可知，鋸齒波形就意味著有眾多的諧波存在。
如果有限振幅聲波是在一個(gè)恒定截面(CCS)的共振器內(nèi)產(chǎn)生的，則將出現(xiàn)的沖擊波的諧波振幅就可以通過(guò)對(duì)一個(gè)鋸齒波形的付立葉分析預(yù)先確定。初看這并不意外，但必需理解，一個(gè)CCS共振器具有的模在頻率上是與基波的諧波相符的諧振模(即其共振頻率為基模的整數(shù)倍)?？梢詫CS共振器看作具有非諧振模的更為一般的共振器的一種特殊情況。非諧振模共振器具有從未得到開(kāi)發(fā)的提供振幅頗大的線性聲波的潛能。通過(guò)將非諧振模共振器設(shè)計(jì)合成促使基波的諧波自相消干涉就可以開(kāi)發(fā)出這種潛能。
本發(fā)明應(yīng)用這個(gè)原理提供了一個(gè)新的共振器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，使諧波的自相消最佳。這個(gè)新的通過(guò)模調(diào)整抵消諧波(MACH)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則消除了沖擊波的形成。采用MACH共振器已經(jīng)在平均聲壓為每平方英寸80磅的情況下獲得峰一峰值為每平方英寸100磅的聲壓振幅，而不形成沖擊波。這也就是說(shuō)峰值聲壓振幅為平均聲壓的62％。
一旦理解了MACH設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，就可以將共振器設(shè)計(jì)成各種不同的幾何形狀，來(lái)調(diào)整共振器的高次模，促使諧波自相消。一種利用MACH原理的直接方法是將共振器的模調(diào)整到落在相應(yīng)的諧波之間。
圖1這個(gè)柱狀圖示出基波的各次諧波與一個(gè)CCS1/2波長(zhǎng)共振器的共振模之間的關(guān)系。在縱軸上標(biāo)記了聲波的各次諧波，而柱的高度則表示模的共振頻率。對(duì)于基波頻率為100赫的波來(lái)說(shuō)，它將會(huì)有頻率為200赫、300赫、400赫……的各次諧波。由圖1可見(jiàn)，這個(gè)聲波的各次諧波的頻率都分別與共振器各模的共振頻率相同。也就是說(shuō)，聲波的n次諧波的頻率與共振器的n次模的共振頻率相同。因此，不會(huì)發(fā)生諧波的自相消干涉，或者只有一點(diǎn)點(diǎn)自相消干涉，從而不能限制沖擊波形成。對(duì)于一個(gè)充分發(fā)展成的沖擊波來(lái)說(shuō)，2次諧波的聲壓振幅與基波的振幅之比達(dá)到6分貝。
圖2這個(gè)柱狀圖示出了促使諧波相消自干涉的許多可能方案中的一個(gè)方案。由圖2可見(jiàn)，共振器模調(diào)整到落在各諧波之間。對(duì)于這個(gè)例子來(lái)說(shuō)，共振器的各模在頻率上都已下移，因此n次模落在n次諧波和n-1次諧波之間。采用這個(gè)方案就能使各次諧波發(fā)生很強(qiáng)的相消自干涉。
圖3是一個(gè)已制成的并經(jīng)測(cè)試的共振器的剖視圖，這個(gè)共振器具有頻率得到下移的模。圖3所示共振器由筒形腔體2、頂端法蘭4、頂端法蘭6以及一端呈錐形的芯棒8構(gòu)成，所有各部件均是鋁的。錐形芯棒8焊到與腔體2焊接的頂部法蘭4上。腔體2的內(nèi)徑為5.71厘米，內(nèi)部長(zhǎng)度為27厘米。錐形芯棒8的錐形半錐角為34.98°，從頂部法蘭4開(kāi)始計(jì)量的長(zhǎng)度為10厘米。錐形芯棒8的錐端磨園，以便減小湍流。
錐形芯棒8插入腔體2內(nèi)，使得在有芯棒8鐵區(qū)域的腔模截面面積較小。這樣，圖3所示共振器分成具有不同模截面面積的兩段，這兩段的聲阻抗不同。聲阻抗的改變使共振器模移到非諧波的頻率上。各模偏移的程度可以通過(guò)改變錐形芯棒8的直徑和長(zhǎng)度加以控制。這種共振器的激勵(lì)方式在以后說(shuō)明。
圖4是對(duì)圖3的共振器進(jìn)行測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)表。表的最后一列出了模偏移程度的相對(duì)值，這是通過(guò)計(jì)算n次模式的頻率“fn”與n倍基波頻率“nf1”之差得到的。當(dāng)將共振器的各模分別置于相應(yīng)的相鄰諧波頻率之間的頻率中點(diǎn)時(shí)，達(dá)到理想的模偏移，其值等于基波頻率的1/2。對(duì)于圖3的共振器來(lái)說(shuō)，理想偏移為f1/2=166.97赫。對(duì)于CCS共振器來(lái)說(shuō)，各模的模偏移按定義為fn-nf1=0。
圖3的共振器的設(shè)計(jì)方案雖然沒(méi)有提供理想的模偏移，然而足以得到相當(dāng)顯著的效果。這是由于少數(shù)的前n次諧波的付立葉之和對(duì)沖擊波的形成起著決定性的作用。因此，充分消除二次、三次和四次諧波就能大大減少?zèng)_擊波的形成。當(dāng)圖3的共振器用氣體致冷劑HFC-134a加壓到80絕對(duì)壓強(qiáng)(磅/寸2)時(shí)，需要11.8瓦的聲輸入功率來(lái)獲得42絕對(duì)壓強(qiáng)的峰峰聲壓振幅(在頂端法蘭4處測(cè)量)。這在由不僅考慮邊界層的熱損耗和粘滯損耗的嚴(yán)格線性理論預(yù)計(jì)的所需激勵(lì)功率的30％以內(nèi)。在這些條件下，二次諧波的振幅比基波的振幅低20分貝，而高次諧波的振幅則要低30分貝以上。
圖5為圖3所示的共振器的理論數(shù)據(jù)表。理想上，fn-nf1對(duì)于共振器的各個(gè)模都應(yīng)該等于理想偏移。然而，由圖5可見(jiàn)，隨著模式序號(hào)的增加，模式偏移的程度也增加。在六次模，偏移增大到使該模的頻率接近與五次諧波相同。采用更先進(jìn)的共振器結(jié)構(gòu)，可以將許多模同時(shí)調(diào)到相應(yīng)各諧波之間。隨著受到正確調(diào)整的模的個(gè)數(shù)的增加，共振器的線性增加。
圖6是另一個(gè)已制成的并經(jīng)測(cè)試的共振器的剖視圖。圖6所示共振器有一個(gè)由小直徑段10、錐形段12、大直徑段14、錐形喇叭16和頂端法蘭18形成的共振腔。由小直徑段10、錐形段12、大直徑段14和錐形喇叭16組成的腔體是用一整塊鋁加工出來(lái)的。鋁的端部法蘭18焊在錐形喇叭16的口上。小直徑段10的內(nèi)長(zhǎng)為7.28厘米，內(nèi)徑為3.81厘米。錐形段12的半錐角為25.63°內(nèi)長(zhǎng)為3.72厘米。大直徑段14的內(nèi)長(zhǎng)為13.16厘米，內(nèi)徑為7.38厘米。錐形喇叭16的半錐角為26.08°，內(nèi)長(zhǎng)為2.84厘米。段10和段14將共振器分成具有不同模截面面積的兩段，這兩段具有不同的聲阻抗。這種結(jié)構(gòu)使共振器模下移到非諧波頻率上。
圖6所示共振器除去了圖3中的錐形芯棒，從而減小了共振器的內(nèi)表面，這就降低了邊界層的熱損耗和粘滯損耗。各模的偏移程度可以通過(guò)改變段10、段14、錐形段12和喇叭16的尺寸加以控制。喇叭16主要上移高次模的頻率，從而補(bǔ)償了高次模的過(guò)分下移。這種共振器的激勵(lì)方式將在以后說(shuō)明。
圖7和圖8分別為圖6共振器的測(cè)量數(shù)據(jù)表和理論數(shù)據(jù)表。與圖3的共振器相比，圖6的共振器改善了二次、三次和四次模的調(diào)整，也降低了高次模的過(guò)分偏移。圖6的共振器的二次、三次和四次模的偏移非常接近理想偏移，因此改善了性能。
當(dāng)圖6的共振器用氣體致冷劑HFC-134a加壓到80絕對(duì)壓強(qiáng)時(shí)，獲得了峰-峰值為100絕對(duì)壓強(qiáng)的聲壓振幅(在小直徑段10的端部10a處測(cè)量)而沒(méi)有形成沖擊波。然而湍流明顯，這表明了聲速高到足以引起非片流的程度。如下面所示，改變共振器的幾何形狀可以大大地減小聲速。對(duì)于圖6的共振來(lái)說(shuō)，當(dāng)峰-峰值為60絕對(duì)壓強(qiáng)時(shí)(在小直徑段10的端部10a測(cè)量)，所有諧波振幅都比基波振幅低25分貝以上。
通常，一個(gè)幾何形狀給定的共振器的模可以從以下對(duì)聲壓和速度列出的波動(dòng)方程的通式中算出P(x)=Acos(Kx)+Bsin(Kx)V(x)=i/(pc)(Acos(Kx)+Bsin(Kx))其中，i=(-1)1/2，p為平均流體密度，c為聲速。將共振器的邊界條件加到以上P(x)、V(x)方程即可求出任意復(fù)常數(shù)A和B。體現(xiàn)本發(fā)明的共振器是通過(guò)在頻域內(nèi)模貫共振器的各有限元迭代P(x)和V(x)設(shè)計(jì)的，直至在共振器的端部達(dá)到零速。如上所述，將共振器模設(shè)置到諧波之間提供了利用MACH原理的許多方式中的一種方式。為了更精確地預(yù)計(jì)諧波消除的情況，在計(jì)算諧波的自干涉時(shí)，可以將這些諧波處理成在共振器邊界內(nèi)行進(jìn)的波。這樣做的目的是證明諧波的自相消隨共振器幾何形狀的變化而變化。
下面將對(duì)MACH共振器的性能和不限制沖擊波形成的CCS共振器的性能進(jìn)行比較。作為一個(gè)比較，考慮隨著一個(gè)有限振幅波的傳播而形成沖擊波的正常發(fā)展情況。按照Pierce提出的方法，能夠計(jì)算出一個(gè)峰-峰值為60絕對(duì)壓強(qiáng)的聲壓波充分發(fā)展成沖擊波必需行進(jìn)的距離(見(jiàn)Allan D.Pierce,Acoustics,P.571(AcousticalSociety of America 1989))。對(duì)于平均壓力為80絕對(duì)壓強(qiáng)(在氣體致冷劑HFC-134a中)的情況，壓行進(jìn)僅22厘米后，波形就從一個(gè)正弦波發(fā)展成為一個(gè)沖擊波，這個(gè)距離小于一個(gè)等于圖6共振器的27厘米長(zhǎng)度的穿程！由此容易體會(huì)到這個(gè)長(zhǎng)期存在的假設(shè)在相當(dāng)大的振幅情況下，任何共振器的結(jié)構(gòu)必需考慮氣體的固有非線性。
為了有效地建立大振幅共振聲波，重要的是使共振器的邊界層的粘滯損耗和熱損耗盡量小。此外，應(yīng)該使與所要求的聲壓振幅有關(guān)的聲速最小，以避免生成過(guò)大的湍流。
對(duì)于一個(gè)在具有恒定模截面面積的共振器中的純正弦駐波來(lái)說(shuō)，峰值聲速等于P/(pc)，其中P的峰值聲壓振幅，p為平均流體密度，c為在平均聲壓下的聲速。實(shí)際上，峰值聲速可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)墓舱衿鞯膸缀涡螤罴右詼p小。例如，對(duì)于圖6的共振器，由于有了錐形段12，共振腔的中部得到擴(kuò)張，峰值聲速降低為0.82(P/cpc)(P在小直徑段10的端部10a處測(cè)量)。這種模截面面積的增大發(fā)生在速度剛要在共振腔中部達(dá)到最大以前，因此降低了聲速。
象圖6共振器的那樣擴(kuò)張段，還具有其他一些優(yōu)點(diǎn)。由于聲速降低，邊界層的粘滯耗也就減小。此外，擴(kuò)張段還減小了頂端法蘭18處的峰值聲壓振幅，從而減小了邊界層在共振器的這個(gè)端部上的熱損耗。同樣，圖6的喇叭端16形成的擴(kuò)張段也減小了邊界層的熱損耗。當(dāng)象圖16的錐形段12那樣的一個(gè)擴(kuò)張段的位置沿共振器的長(zhǎng)度方向改變時(shí)，邊界層的熱損耗和粘滯損耗也要發(fā)生改變。理論上已經(jīng)提出，當(dāng)擴(kuò)張段安排在共振器長(zhǎng)度的大約0.3處，這些損耗和為最小。
通常，在實(shí)際設(shè)計(jì)能量效率高的共振器時(shí)，要折衷考慮模調(diào)整消除諧波、聲速最小化以及熱損耗和粘滯損耗最小化這些問(wèn)題。圖9是一個(gè)共振器的剖視圖，示出了在這些設(shè)計(jì)參數(shù)之間進(jìn)行折衷的眾多可能方案中的一個(gè)方案。
圖9所示共振器的共振腔具有錐形擴(kuò)張段20、彎曲擴(kuò)張段22、彎曲喇叭段24和頂端法蘭28。在共振器的端部20a上開(kāi)有諸如進(jìn)口、出口或閥那樣的口21a、21b。雖然沒(méi)有示出，但在圖3和圖6所示的共振器上也都有這樣的口。共振振器的腔體最好用象玻璃纖維那樣的低導(dǎo)熱的材料制成，因?yàn)檫@樣可以減小邊界層熱損耗。然而，其它材料，例如鋁，只要是能加工成所要求形狀的，也能使用。就調(diào)整模式的方法而言，圖9的共振器原則上與圖6的共振器相同，只是它具有提供較大的模調(diào)整選擇能力的段。這種選擇能力是由于這些彎曲段使模截面面積的變化率變化而獲得的，情況說(shuō)明如下。一定的面積變化引起的模頻移量取決于駐定波型的哪個(gè)部分遭遇到這面積變化。在共振器內(nèi)的許多疊加的駐定波型中，每一個(gè)都將在其波型的一個(gè)不同點(diǎn)上遭遇到固定的面積變化。因此，適合調(diào)整某一模的面積變化可能不利于調(diào)整另一模。彎曲段通過(guò)不同的模受到不同的面積變化率的作用能夠?qū)@種不利調(diào)整加以補(bǔ)償。所謂“彎曲段”并不是指某個(gè)具體的數(shù)字表面，而是應(yīng)該廣義地理解為任何這樣的一段其模截面面積的變化率是軸向維的函數(shù)，并且該變化率的導(dǎo)數(shù)不為零。有無(wú)數(shù)個(gè)數(shù)字表面可以沿用。經(jīng)仔細(xì)研究，對(duì)于彎曲擴(kuò)張段22和彎曲喇叭段24可以采用下面列出的一組方程組。
在圖9中，在共振器頂端20a處是內(nèi)徑為2.54厘米、長(zhǎng)為4.86厘米的恒定直徑段。錐形擴(kuò)張段20的長(zhǎng)度為4.1厘米，半錐角為5.8°。彎曲擴(kuò)張段22的長(zhǎng)度為3.68厘米。在彎曲擴(kuò)張段22的右面是長(zhǎng)度為11.34厘米、直徑恒為5.77厘米的一段。在彎曲喇叭24的右面是長(zhǎng)度為0.86厘米、直徑恒為13厘米的一段。在有限元程序中，彎曲擴(kuò)張段22由方程Dn=Dn-1+0.00003(7+n)，而彎曲喇叭24由方程Dn=Dn-1+0.00038(n)，其中Dn為現(xiàn)行元的直徑，Dn-1為上一個(gè)元的直徑，而每個(gè)元的長(zhǎng)度為0.00108米。
圖10為圖9所示共振器的理論數(shù)據(jù)表。由此可見(jiàn)，模和諧波在頻率上交疊的點(diǎn)已經(jīng)顯著地推到較高的頻率上。
圖9的共振器還將聲速降低到0.58(P/(PC))(P在共振器小直徑頂端20a處測(cè)量)這表明，對(duì)于所要求的聲壓縮振幅，聲速有明顯的降低。此外，圖9的共振器還減小了熱和粘滯的能量總耗散僅為圖6共振器的三分之二。如果不計(jì)湍流損耗，則在給定的聲壓振幅下熱和粘滯的能量總損耗度就等于維持該聲壓振幅所需的聲輸入功率。因此，減小熱和粘滯的能量損耗將提高能量的效率。
下面將對(duì)本發(fā)明的共振器的激勵(lì)加以說(shuō)明。
一個(gè)共振器的奇次模能夠有效地通過(guò)在其縱向軸上機(jī)械地振蕩整個(gè)共振器加以激勵(lì)。這是本發(fā)明的共振器的優(yōu)選方法。雖然，圖3、圖6和圖9所示的各共振器也可以通過(guò)一個(gè)將一個(gè)運(yùn)動(dòng)的活塞插入端部打開(kāi)的共振器加以激勵(lì)，但這有一個(gè)缺點(diǎn)，整共振器激勵(lì)方法就避免了這些缺點(diǎn)。
整共振器激勵(lì)可以作如下解釋。如果整個(gè)共振器沿其縱向軸振蕩，則兩個(gè)端蓋都將起著活塞的作用。在一個(gè)兩端加了端蓋的共振器的兩個(gè)相對(duì)端處的奇次模的聲壓振蕩的相位將相互相差180°。因此，當(dāng)整個(gè)共振器振蕩時(shí)，它的兩個(gè)端蓋，或者說(shuō)終端，能用來(lái)激勵(lì)一個(gè)在共振器兩端具有適當(dāng)相位的奇次模。這樣，基模就能有效地得到激勵(lì)。
圖11是一個(gè)剖視圖，示出了許多可用來(lái)激勵(lì)整個(gè)共振器的方法中的一個(gè)方法。在圖11中，電動(dòng)式振動(dòng)器或激勵(lì)器29有一個(gè)與共振器34的頂端法蘭28剛性連接的導(dǎo)電線圈26，結(jié)圈26插在磁鐵32的空氣隙30中。磁鐵32由彈性波紋管36扣到頂端法蘭28上。波紋管36保證使線圈26正確地在空氣隙30內(nèi)對(duì)準(zhǔn)。
當(dāng)線圈26受到一個(gè)振蕩電流供電時(shí)，所產(chǎn)生的電磁力將使共振器34沿著它的縱向軸機(jī)械振蕩。磁鐵32可以受到剛性約束，這樣，相對(duì)共振器34來(lái)說(shuō)就具有無(wú)限大的質(zhì)量。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，磁鐵32并未受到約束，因此可經(jīng)相對(duì)共振器34自由運(yùn)動(dòng)。無(wú)論在哪種情況下，都能為波紋管36選取一個(gè)適當(dāng)?shù)膹椥韵禂?shù)，以便產(chǎn)生一個(gè)等于聲共振的機(jī)械共振，從而得到較高的電聲轉(zhuǎn)換效率。波紋管36可以用其它一些由合適的材料制成的器件，如彈性膜片、磁性彈簧或更通用的彈簧等，來(lái)代替。
整共振器激勵(lì)減小了為得到一定聲壓振幅所需的機(jī)械位移。當(dāng)激勵(lì)整個(gè)共振器時(shí)，共振器的兩個(gè)端部都起著活塞作用。在極大多數(shù)情況下，整共振器激勵(lì)所需的機(jī)械位移的峰值大體為單活塞耦合結(jié)構(gòu)的一半。
半峰值整共振器激勵(lì)(HPER)具有如下一些優(yōu)點(diǎn)。如上所述，適當(dāng)調(diào)整共振腔模是有效率地獲得大聲壓振幅的關(guān)鍵。因此，在工作期間這種調(diào)整必需仍然不變。兩端都不敞開(kāi)的共振器在工作期間和共振器整個(gè)壽命內(nèi)將能精確地保持調(diào)整不變。
聲壓縮機(jī)使用HPER激勵(lì)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于受HPER激勵(lì)的共振腔是密封的，其中沒(méi)有用油潤(rùn)滑的運(yùn)動(dòng)部件與要受壓縮的流體接觸，因此就可以得到一種根本無(wú)油的壓縮機(jī)。聲壓縮機(jī)上所需的吸入閥和排出閥通常是安置在共振器的窄端，那里壓力振幅最大。例如，圖9共振器的閥位置可以定在頂端20a的口21a、21b處。圖9共振器左、右兩端處的聲壓振幅比近似為3∶1。
如上所述，一個(gè)設(shè)計(jì)正確的MACH共振腔可使基波的高次諧自相消。由于同樣的原因，MACH共振腔可以消除掉可能在激勵(lì)器的位移波形中存在的諧波。因此，MACH共振腔能夠?qū)⒁粋€(gè)非正弦激勵(lì)位移轉(zhuǎn)變成一個(gè)正弦聲壓振蕩。此外，在一個(gè)象圖11的激勵(lì)器中存在的各種機(jī)械共振都會(huì)有助于將一個(gè)非正弦激勵(lì)電流轉(zhuǎn)變成一個(gè)正弦位移波形。
在有些應(yīng)用中，采用非正弦激勵(lì)信號(hào)能夠得到較高的效率。例如，激勵(lì)線性馬達(dá)所需的功率放大器可以設(shè)計(jì)成工作在脈沖輸出狀態(tài)，這樣，效率非常高。可以對(duì)電流脈沖進(jìn)行定時(shí)，使得每隔一個(gè)聲周期或幾個(gè)聲周期產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖。
HACH共振腔可以采用的另一個(gè)非正弦激勵(lì)是在美國(guó)專利5,020,977中揭示的流體直接吸收電磁能量，該專利在此列為參考專利。脈沖式的微波和紅外能量，在穿過(guò)吸收型流體時(shí)，將在流體內(nèi)產(chǎn)生聲波。MACH共振器將有助于消除所產(chǎn)生的諧波，從而促進(jìn)了正弦壓力振蕩的形成。電磁脈沖可以定時(shí)成每隔一個(gè)聲周期或幾個(gè)聲周期發(fā)出一個(gè)脈沖。
諸如燒結(jié)金屬、陶瓷、金屬絲網(wǎng)篩等多孔物質(zhì)經(jīng)常用于噪聲控制領(lǐng)域。多孔材料能提供隨頻率和聲速變化的傳輸系數(shù)和反射系數(shù)。適當(dāng)?shù)貙⑦@些材料配置在共振器內(nèi)，可以得到輔助調(diào)整模式的作用。
圖12為一個(gè)共振器34的剖視圖，示出了多孔材料的眾多可能使用方法中的一種方式。在圖12中，多孔材料38剛性安裝在共振器34的頂端法蘭28附近。多孔材料38對(duì)共振器的基模影響極小，因?yàn)槠渎曀僭陧敹朔ㄌm28的表面附近較小。而共振器的高次模式的速度卻在多孔材料38的位置附近達(dá)到最大。因此，高次諧波受到較大反射系數(shù)的多孔材料的作用而反射，從而促進(jìn)了相消自相干。通過(guò)沿共振器34的長(zhǎng)度方向改變多孔材料38的位置就可對(duì)模調(diào)整加以調(diào)整。
這樣，就能用多孔材料作為使諧波相消自干涉最佳化的輔助手段。由于用了多孔材料而帶來(lái)的設(shè)計(jì)靈活性可以更為主動(dòng)在使共振器的一些特殊參數(shù)得到最佳化。例如可以減小基模的速度而不妨礙所要求的調(diào)整。
對(duì)于用微波激勵(lì)的共振器來(lái)說(shuō)，多孔材料38還能與頂端法蘭28一起形成一個(gè)微波腔，將微波能量引入共振器34。圖12示出了一個(gè)微波激勵(lì)器39通過(guò)同軸電纜41與共振器34耦合的情況，同軸電纜41的環(huán)形終端41a插入到共振器34內(nèi)孔材料38和頂端法蘭28之間的區(qū)域。
圖13是示出共振器34和激勵(lì)裝置29用于熱交換系統(tǒng)情況的剖視圖。由圖可見(jiàn)，共振器34的口34a、34b通過(guò)導(dǎo)管47、49接到熱交換裝置45?？?4a上裝有排放閥52，而口34b上裝有抽取閥54。排放閥52和抽取閥54將共振器34內(nèi)有振蕩聲壓轉(zhuǎn)到流過(guò)熱交換裝置45的凈流體。熱交換裝置可以包括例如冷凝器和蒸發(fā)器，從而象圖13那樣的熱交換系統(tǒng)就形成了一個(gè)蒸氣壓縮系統(tǒng)。
雖然以上說(shuō)明中含有許多具有規(guī)格、尺寸等，但這僅作為對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的示例性說(shuō)明，而不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。由于發(fā)明都認(rèn)識(shí)到聲共振器能提供顯著的諧波自相消作用，從而能提供振幅很大的聲波而不會(huì)產(chǎn)生沖擊波，認(rèn)識(shí)到通過(guò)采用適當(dāng)?shù)墓舱衿鹘Y(jié)構(gòu)可以減小諸如湍流損耗及邊界層損耗那樣的與有限振幅波有關(guān)的其它一些非線性，因此提出了本發(fā)明和一些優(yōu)選實(shí)施例。
應(yīng)用MACH原理幾乎能夠完全消除諧波。然而，本發(fā)明不限于能完全消除諧波的共振器。如上所述，為了得到一個(gè)無(wú)沖擊的大振幅聲波，并不需要完全消除掉某一諧波，也不需要消除所有諧波，而只要消除某個(gè)范圍內(nèi)的部分諧波即可。只要諧波的振幅足夠小，這些諧波的存在不會(huì)形成沖擊波。消除一個(gè)、二個(gè)或多個(gè)諧波的共振器都可以認(rèn)為是滿意的共振器，這取決于具體應(yīng)用的要求。因此，本發(fā)明的范圍不限于任何一種具體的共振器結(jié)構(gòu)。
對(duì)于熟悉該技術(shù)的人員來(lái)說(shuō)，很容易采用許多方式來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用本發(fā)明的基本特點(diǎn)。例如，將共振器模移到相鄰諧波之間的頻率中點(diǎn)上只是應(yīng)用MACH原理的諸多方式中的一個(gè)方式。對(duì)于某種應(yīng)用來(lái)說(shuō)，只要能提供充分的自相消干涉，將共振器偏移多少并不重要。
此外，有許多不同的共振器幾何形狀能支持駐波和應(yīng)用MACH原理進(jìn)行模調(diào)整。例如，可以采用與本發(fā)明的這些實(shí)施例類的方法對(duì)環(huán)形共振器模加以調(diào)整。雖然在本發(fā)明的以上說(shuō)明中列舉的是模頻率得到下移的共振器，然而類似的共振器結(jié)構(gòu)能使模頻率上移。例如，如果圖56中的段10和段14的直徑互換，則這個(gè)共振器模頻率將被上移而不是下移。此外。共振器可以設(shè)計(jì)成工作在非基模的共振模，而仍然應(yīng)用MACH原理。再者，無(wú)論對(duì)于液體或氣體都可應(yīng)用MACH共振器來(lái)抑制沖擊波。
可以理解，MACH共振器在聲壓縮機(jī)中的應(yīng)用不限于蒸氣壓縮熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，也可以用于大量更為一般的需要壓縮流體的系統(tǒng)。例如，可用于許多為了防止污染流體而需要采用無(wú)油壓縮機(jī)的工業(yè)系統(tǒng)中。最后，有許多激勵(lì)器可以配合HPEA激勵(lì)的共振器。例如，電磁激勵(lì)器和壓電陶瓷激勵(lì)器也都能提供整共振器激勵(lì)所需的力。簡(jiǎn)單地說(shuō)，任何能使整個(gè)共振器機(jī)械振蕩和提供所需的力的激勵(lì)器都能使用。
因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該由所述各實(shí)施例確定，而是應(yīng)該由所附各權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1．一種聲共振器激勵(lì)系統(tǒng)，所述激勵(lì)系統(tǒng)包括一個(gè)內(nèi)含流體的共振腔，該腔具有各帶反射終端的兩個(gè)端部；其特征是該系統(tǒng)還包括一個(gè)激勵(lì)裝置，該裝置沿所述腔的一個(gè)軸使所述共振腔機(jī)械振蕩以激發(fā)該腔的一個(gè)選定的聲諧振模。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲共振器激勵(lì)系統(tǒng)，其特征是其中所述共振腔是一個(gè)駐波壓縮機(jī)的共振腔。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲共振器激勵(lì)系統(tǒng)，其特征是其中所述共振腔是一個(gè)為傳熱過(guò)程進(jìn)行流體壓縮的駐波壓縮機(jī)的共振腔。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲共振器激勵(lì)系統(tǒng)，其特征是其中所述激勵(lì)裝置對(duì)所述共振腔施加周期性的非正弦力。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲共振器激勵(lì)系統(tǒng)，其特征是其中所述共振腔包括一個(gè)錐形段。
6．根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲共振器激勵(lì)系統(tǒng)，其特征是其中所述共振腔包括一個(gè)彎曲擴(kuò)張段。
全文摘要
一種聲共振包括一個(gè)內(nèi)含流體的共振腔,共振腔的幾何形狀能促使流體內(nèi)的至少一個(gè)諧波產(chǎn)生自相消干涉,從而避免了在有限聲壓振幅下形成沖擊波。共振腔在其兩個(gè)端部都有反射終端,或只在一端有反射終端。激勵(lì)裝置使共振腔以該腔的一個(gè)選定的共振模頻率進(jìn)行機(jī)械振蕩。激勵(lì)裝置可以是一個(gè)接到共振腔敞開(kāi)端的運(yùn)動(dòng)活塞、一個(gè)電磁振動(dòng)器、或是一個(gè)電磁激勵(lì)器。
文檔編號(hào)G10K15/04GK1299046SQ0011830
公開(kāi)日2001年6月13日 申請(qǐng)日期2000年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1992年5月11日
發(fā)明者泰姆斯·S·璐卡斯 申請(qǐng)人:馬克羅索尼克斯公司