热声回热器结构频率特性研究

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回热器是热声热机的关键部件。在回热器中产生的热-声转换过程一直是众多学者的研究热点,理论和实验研究证明其特殊的结构直接影响热声系统的性能。随着研究的深入,回热器作为声学元件所固有的声学特性对热声效应的影响日益受到关注,但目前在这方面很少有系统研究的报道。本文在热声研究中引入结构声理论讨论回热器结构振动、结构声传播和辐射对系统内声场的影响,并得出以下结论: 热声回热器结构中的声波主要以弯曲波的形式存在。色散效应所导致的弯曲波衰减是声功耗散的重要原因。回热器内的横向熵波使得气体工质中的质点形成波动并作用于回热器结构表面,从而在结构中激发振动而产生声波;回热器内的声波作用于结构表面,同样能导致结构声的产生,但是该情况下需考虑两者的耦合。 采用Ansys软件对热声回热器中的板叠建立模型并进行模态分析。计算了不同规格不锈钢薄板的振动模态和相应的固有频率。结果显示:(1)回热器中薄板结构主要受弯曲波作用,振动时发生弯曲变形;(2)薄板振动模态的固有频率随板厚度减小而降低,随长度减小而增加;(3)薄板振动模态随阶数升高而趋于复杂,相应的固有频率值由数十赫兹发展到数千赫兹,包含热声系统谐振频率的工作区间。 结合结构声与结构振动理论在热声回热器研究中引入吻合频率及其声学特性。通过计算回热器结构的吻合频率特性,以及回热器位置,填充介质厚度、材料对结构声辐射能力的影响,得出结论:(1)在低频热声系统中,由于振荡基波频率较低,并有可能低于结构中的吻合频率,因此声场中的高频部分将产生吻合效应导致声辐射能力加强,从而削弱基频声波的强度即吻合效应在这种情况下对系统性能产生消极影响;(2)在高频热声系统中,其振荡基频高于结构中的吻合频率,由于吻合效应的作用使得结构声辐射能力得到大大加强,从而增大系统中的声场强度,有益于提升热声系统的效率。
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