本文主要从事热声制冷和声波传感的研究。主要分为三部分：(1)扬声器驱动的热声制冷机的性能优化；(2)扬声器非线性对热声制冷机性能的影响的分析；(3)基于声延迟线的声波传感器的理论和实验研究。在绪论中，我们首先对有关这三部分内容的国内外研究进展进行了概述；然后，在文中分别对它们进行了详细的讨论。 1．扬声器驱动的热声制冷机性能优化 随着低温制冷技术的不断成熟，各种高效的制冷方法相继出现，并在科研、工业生产、医学以至日常生活中得到了广泛的应用，制冷温度最低已经达到4.2 K以下，制冷量也从几十毫瓦增加到了几千瓦以上。热声制冷机作为一种新兴的制冷方式在众多制冷技术中占有重要的一席之地，这是由于它有两个优点：(1)运动部件少，寿命长。热驱动的热声制冷机中可以完全不用运动部件，而由扬声器驱动的热声制冷机中唯一的运动部件就是扬声器的振动部件，并且比起热驱动更方便、体积更小，与一般制冷机中的压缩机相比，可以大大提高系统的寿命；(2)不使用氟里昂，无污染。热声制冷机中使用的气体一般为惰性气体，而且不使用氟里昂，可以完全解决当前含氟制冷机对大气臭氧层破坏这一重大的环境问题。不过，热声制冷机也有它的缺点，这就是相比于传统的制冷机效率比较低。扬声器驱动的热声制冷机中很大一部分能量损失是由于声源与谐振管之间的不匹配造成的。因此，本文的一个重点是从声学角度研究扬声器与热声谐振管之间的阻抗匹配问题，从而对系统进行性能优化，提高热声制冷机的效率。 文中首先对谐振管的谐振频率进行了研究，提出了两种新的谐振频率的计算方法：声压模拟法和驻波最小点法。与传统的流体阻抗法相比，这两种方法最大的优点就是考虑了谐振管末端声阻尼的影响，而不是只考虑声抗部分，这样，大大提高了谐振管谐振频率计算的精度。此外，与普通的谐振管不同，热声谐振管中需要加入板叠，因此，我们还研究了板叠对谐振管声阻抗的影响，并且发现板叠的存在会少许改变谐振管的谐振频率，但对谐振管阻抗曲线的形状没有明显的影响。 文中使用等效电路法对电动扬声器驱动的热亩制冷机的性能进行了优化，分别对恒流驱动和恒压驱动两种方式进行了讨论。结果表明，系统的谐振条件，即系统总抗性为零，就是扬声器输出声功率和电声转换效率的优化条件，同时也是输出声压极大的条件。为了获得更大的输出声功率和电声转换效率，需要对谐振管的输入声阻优化取值。文中还比较了恒流和恒压两种驱动方式的优化结果，并给出了各自的优点和缺点。进一步，利用双传声器法对谐振管中的声场进行了测量，通过测量结果得到了系统的优化工作频率以及板叠的最佳位置，结果表明，系统的最佳工作频率就是其低阶谐振频率，与理论计算符合；另外，系统谐振频率主要受扬声器谐振频率的影响，而受谐振管本身谐振频率的影响很小。板叠的最佳位置要同时考虑到制冷功率和制冷效率，两者互相制约，需要有所取舍。 为了进一步对热声制冷系统进行小型化，研究者们又提出了使用高谐振频率的压电扬声器驱动热声制冷机，从而减小谐振管长度。本文针对这种新型热声制冷机，使用完整的压电扬声器的等效电路模型，以最大输出声功率和最大电声转换效率以及系统小型化为目的，对系统性能进行了优化。结果表明，由压电扬声器驱动的热声制冷系统的优化工作条件比电动扬声器驱动的系统复杂，需要同时满足并联支路的谐振条件以及压电片和耦合元件的匹配条件，并且对谐振管输出声阻也有要求。高顺性的祸合部件是提高系统性能的关键，不过，同时需要合适等效质量以及顺性的振膜和压电片。而与电动扬声器驱动的系统不同，由压电扬声器驱动的热声制冷系统的最佳工作频率应该是谐振管的谐振频率，此时，不仅可以获得最佳的系统性能，对系统的小型化也有很大好处。 2．扬声器非线性对热声制冷机性能的影响 由于在热声制冷机中声振荡幅度很大，所以用线性理论进行的研究结果与实验会有较大差距，因此，非线性理论被引入了热声制冷的研究中。人们对管中的非线性声振动和非线性热声效应已经进行了很深入的研究，但是，在扬声器驱动的热声制冷机中，扬声器本身的非线性对系统性能也有很大的影响，而且这种影响还未被重视。本文使用了扬声器的非线性模型，用二次函数对扬声器的磁隙中磁场和支撑系统的劲度系数进行等效模拟，在此基础上，利用谐波平衡法求解了非线性条件下的扬声器等效电路方程，得到了扬声器振膜位移、声功率、电功率、电声转换效率等参量，并且与线性条件下的计算结果比较，讨论了非线性对电动扬声器驱动的热声制冷机性能的影响。结果表明，扬声器非线性的存在会使扬声器输出声功率和电声转换效率减小，从而降低热声系统的性能。磁场非线性对系统谐振频率没有影响，而支撑系统劲度的非线性还同时改变系统的谐振频率；因此，在系统设计时，要考虑非线性效应。文中还比较了恒流驱动和恒压驱动时的不同结果。最后，文章还介绍了减小非线性效应影响的方法。 3．声波传感器的研究 由于声波传感器有着极高的灵敏度，所以它的应用极其广泛，不仅可以用来测量温度、气压、流量、湿度、电压等物理量；与敏感薄膜技术相结合，还可以用来检测微量的有害气体的泄漏；在生物和化学领域，它可以检测溶液中的微量化学物质，甚至病毒、DNA等；它还被用在反毒品领域，检测空气中的微量毒品颗粒。除此之外，它具有体积小，适合大量生产的优点；并且由于声波传感器一般工作在几兆甚至上千兆赫兹的微波频段，它还可以很容易地实现远程通讯和监控。近年来，由于薄膜技术的不断成熟，使用压电薄膜为载体的声波传感器逐渐开始替代使用体压电材料的传感器，这是因为，薄膜材料的厚度远小于体材料，因此可以大大提高传感器的灵敏度和反应速度；同时，由于集成电路的基底就是硅，以硅作为基底的薄膜声传感器件可以很容易的与放大电路和外部数据处理电路进行集成，达到进一步小型化和便携化的目的。不过，在国内的声波传感器的报道中，几乎都是使用体材料作为声波载体，基本未见薄膜材料的使用。在各种声波传感器中，由于Lamb波在整个板内传播，可以使用厚度远小于波长的薄板作为基底材料，从而整体的体积和质量都比其它形式的声波传感器小，所以灵敏度是声波传感器中最高的，而且温度测量时的响应也是最快的。不过，国际上对Lamb波传感器的运用大多是利用其Ao模式在低频段声速度小于液体中声速度的特点，制作无损耗的液体环境中使用的传感器，而很少将Lamb波传感器用于气体环境中的传感。 本文主要研究了以硅片上生长的氧化锌压电薄膜为声波载体的，在气环境中使用的表面波和Lamb波传感器。首先，对多层薄板中的声传播进行了理论研究，使用传递矩阵法计算了ZnO/Si双层薄板中的Lamb波的色散曲线和振动分布。同时，利用传递矩阵法对Lamb波的机电耦合系数进行了计算，并将计算结果与传统的速度差法和格林函数法进行了比较，结果发现：速度差法由于本来就是计算Rayleigh波机电耦合系数的近似方法，所以计算结果和传递矩阵法以及格林函数法的结果之间有很大误差，特别是如果薄板层数增加时，误差会更大。而格林函数法的计算中由于要使用到近似奇异的高阶矩阵和向量，并且阶数随薄板层数迅速增加，所以数值计算中的困难较大，而且还会产生增根。传递矩阵法的计算精度较高，计算量也比较小。另外，文中还用传递矩阵法计算了Lamb波声速随薄板表面质量负载的变化，从而得到了传感器的灵敏度。分别计算了气体和液体两种应用环境的Lamb波传感器的灵敏度，给出了适合的工作频率和模式，并且对薄膜和基底的厚度进行了优化设计。 我们使用磁控溅射技术在玻璃和硅片表面生长了氧化锌压电薄膜，通过台阶仪和X射线衍射对薄膜的厚度及长向进行了测量；利用光刻技术制作了叉指换能器，在薄膜中激发声波，制成了表面波延迟线；并且利用等离子刻蚀技术对硅片背面进行腐蚀，制成了Lamb延迟线。使用了网络分析仪和阻抗分析仪对延迟线的性能进行了测量，证明延迟线的性能良好。同时，我们以安捷伦公司的INA—02186放大芯片为核心，制成了30dB增益，0Hz-1GHz的高增益宽带放大器，并且成功进行了二级级连，获得了60dB的增益。将延迟线与放大器连接，制成了闭环谐振式声波传感器，并且进行了温度的测量，测量结果表明，以硅片为基底的Lamb波温度传感器有着极高的灵敏度和良好的线性输出，非常好地满足了温度传感的要求。 文章的最后，是对全文的结论，以及今后工作的展望与计划。