[发明专利]一种热声制冷实验演示装置

说明书

技术领域

本发明涉及理化教学演示设备相关技术领域，具体的说，是涉及一种热声制冷实验演示装置。

背景技术

热声制冷的概念是美国LosAlamos国家实验室的J.C.Wheatley等人在20世纪80年代提出的。世界上第一台采用扬声器驱动的热声制冷机是1985年由美国海军研究生院的Hofler研制成功的。

虽然热声制冷机目前还处于试验样机和某些特殊场合应用阶段(如冷却航天飞机上的红外传感器及海军舰船上的雷达电子系统等)，但因其在稳定性、使用寿命、环保(使用无公害的流体为工作介质)及无运动部件等方面的优势以及在普冷和低温等领域潜在的应用前景，近二三十年来，热声制冷机迅速成为了制冷领域一个新的研究热点。

从原理上来说，热声效应是指由于处于声场中的固体介质与震荡流体之间的相互作用，使得距固体壁面一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生的热流，并在这个区域内产生(或者吸收)声功的现象。

按能量转换的方式不同，热声效应可分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声震荡；二是用声来产生热，即声驱动的热量传输。

扬声器驱动的热声制冷机是按照第二类原理来进行工作的。只要具备一定的条件热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。

假设在振荡工质气体场中加人一块沿气体振荡方向放置的平板，分六个阶段来分析气体微团在一定声频率下沿平板作往复运动时温度和体积的变化，主要过程如图l所示。

图1中，圆的大小表示气体微团体积的大小，设平板温度为T，气体微团最初处于位置1(x-0)，温度为T，声波驱动气体微团向右到达位置2，微团被绝热压缩，温度上升到T++。因气体温度高于平板温度，热量Q由气体微团流向平板，微团体积缩小，温度降到T+。

热流也引起位置X+处平板温度的升高。接着，气体微团由位置3绝热运动到位置4，到达一个新的温度T-，然后再绝热膨胀到位置5，温度为T---。此时气体温度低于平板温度，热量Q从平板流向气体微团，气体微团受热膨胀，温度回升到T--，热流同时引起平板温度在X-处下降。

气体微团再向右运动，经绝热压缩过程重新回到起始位置1，完成热力循环。于是气体微团向右运动对平板放热，向左运动从平板吸热。热量被转移到平板右方，而平板左方被冷却。完成一个循环。

虽然热声制冷从原理上可以非常清楚的进行说明，但是较为抽象。学生在进行学习研究时，无法在宏观上对热声制冷进行了解，因此实际教学效果与预期存在较大差异。

现有技术中，已经有关于热声制冷教学演示方面的研究。例如：申请号为2009100862318的中国专利文献记载了一种共振型热声制冷演示仪。该装置中包括音频信号发生器，发生器的两端分别与扬声器和功率放大器连接，扬声器置于减震垫上，同时还设置有谐振管、密封圈、热声堆和铜塞。并通过温度计进行温度显示。

该装置在一定程度上能够协助学生进行热声制冷的宏观理解，但是其扬声器为直接置于空气中，演示的过程中会发出较大的噪音，极大的降低了实验的趣味性，在另一定程度上引起学生反感。同时其能量转换结构设计不是很合理，无法使得学生通过触摸来直接体验热声制冷的实质含义。

因此，有必要设计一种全新结构的热声制冷演示仪器，来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种热声制冷实验演示装置。本装置通过设计全新的结构，能够较好的使学生在宏观加深对热声制冷原理的理解，且噪音较小，深受学生喜爱。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热声制冷实验演示装置，包括：

谐振管，谐振管内设有板叠，板叠的两侧分别紧贴有换能器，换能器的外侧紧贴有温度传感器；

所述谐振管的一端与壳体连接，谐振管的另一端与声容连接；

所述壳体内设置有扬声器，声容内设有拾音器；

扬声器发出声波，使谐振管内的空气进行谐振波动，则两换能器的温度就出现差异，完成热声制冷演示。

优选的，所述壳体为密闭结构。

优选的，所述壳体内部的真空度小于1atm。

优选的，所述壳体内设有隔音棉。

优选的，所述板叠的中心位于谐振管的四分之一处。

优选的，所述扬声器与置于壳体外部的控制单元相连接，且温度传感器将信号传递至控制单元。

优选的，所述控制单元为电脑或触摸屏。

优选的，所述换能器为铜网。