图 1.带有行波的热声制冷机THEAC-25（左）和带有驻波的Triton C-10c的热声制冷机（右）先前的部分：
“ 1条” ，
“ 2条” 。
1）热声发动机，冰箱和热泵1.1）引擎在热声发动机中，热能被转换成声能。 这种过程称为直接热声效应。
图 2.发动机热交换器中的声波功率放大在热交换器的输入处，小功率Win的波到达并被放大，通过发动机热交换器达到Wout的值。 为了放大波，有必要消耗热能。 以加热温度Tnag供应热能Pin。 并非所有的热能都可以转换成声能，因为任何热机的最大转换效率都受到卡诺循环的效率的限制。 因此，有必要将一部分热功率Pout倾倒到环境中。 去除热量的温度等于-To。 请注意，在发动机中，热交换器中温度升高的方向和声功率的增长方向是相同的。
1.2）冰箱在冰箱中，实现了反向热声效果。 也就是说，与发动机相比，情况正相反。 强大的声波Win到达冰箱的热交换器设备的输入，在热交换器中衰减到Wout的值。 波功率的损失是在热交换器之间产生温差。
图 3.在波衰减期间产生温差一个热交换器开始加热，另一个热交换器开始冷却。 即，声波从一个热交换器带走热量，并将其传递给另一个热交换器。 在这种情况下，有必要将热能Pout从加热热交换器排放到环境中，并且作为冰箱的有用热能的热能Pin进入冷热交换器。 冰箱将物体冷却至Tohl温度。
1.3）热泵实际上，热泵与冰箱相同，唯一的区别在于，从环境中获取的热量输出被认为在冰箱中有用，而在热泵中传递给环境的功率（用于各种需求）。
图 4.另外，在波衰减期间产生温差，仅加热功率而不是冷却被认为是有用功率。请注意，在冰箱和热泵中，热交换器中温度降低的方向都与声波功率降低的方向相反，这表明实现了逆热声效果。 可以使用引擎或连接到线性电动机的强大扬声器或活塞来产生进入输入的声波。
2）具有驻波的设备和具有行波的设备根据谐振器中的波的类型，热声装置分为两种：具有行波的装置和具有驻波的装置。
让我们看看传播的声波和驻波的声波之间有什么区别。
2.1）奔波GIF 1.压力，气体速度图及其在行波中的位移图一条行波穿过右侧GIF 1上的谐振器。 在行波中，压力和气体速度波动是同相的。 在这种情况下，能量沿波动方向传递。 gif 1中的粉红色椭圆形描绘了谐振器内部各个点处压力与基本气体部分的坐标的关系图。 波向右传播的声功率在数值上等于粉红色椭圆形的面积，即PX图的面积。 如您所见，在不同点处的椭圆是相同的，这表明当沿着谐振器移动时，波功率不会改变。 即，这里不考虑沿谐振器移动时的波的衰减。
行波可以在谐振器中传播，该谐振器是环形管。 在这种情况下，对应于这种谐振器的谐振频率的波长将等于管道本身的长度。
GIF 2.行波装置2.2）驻波驻波是沿相反方向传播的两个行波之和。 这样的波可以在反射过程中从任何物体发生并返回到声源。
GIF 3.压力，气体速度图及其在驻波中的位移图GIF 3在半波谐振器中，即在长度等于波长一半的谐振器中显示驻波。 可以想象，GIF 3下方的谐振器是一个两端都塞有塞子的管道。 在这种情况下，例如，有人摇晃管道，并且内部的气体垂悬在管道的两端之间。 由于管道的两端被塞住，因此塞子表面的气体速度只能为零（从速度图上可以看到）。 也就是说，速度节点出现在管道的末端。 同时，很明显，在塞子上会观察到最大幅度的压力波动（波腹或波腹），压力单位（无振动的点）位于管道的中间。
在驻波中，压力波动和速度波动之间的相位差为90度。 在这种情况下，谐振器所有点的PX图都是线，即没有面积的图形。 因此，不会在驻波中向右或向左传递能量。 但是波浪本身自然具有能量。
通过将扬声器或活塞放在其一端之一上，可以在半波谐振器中产生驻波，从而在谐振器的谐振频率上产生振荡。 通过在谐振器中放置一个附加的热交换器，可以创建一个热声制冷机。
GIF 4.半波谐振器中的驻波。 谐振器的左侧是所谓的堆栈-行波引擎中再生器的类似物由于声能在谐振器和换热器中的散射，所产生的波将不会完全驻波。 需要从活塞持续通电。 在GIF 4上可以看到，由于活塞振动，因此活塞处的气体也随之振动。 声能从活塞传递到谐振器，这补偿了谐振器中的能量损失。 因此，即使所产生的波非常接近驻波，但如果进行更精细的检查，则它是驻波和行波之和。
在实际的热声设备中，也永远不会有纯粹的行波或纯粹的驻波。 波浪总是中间的东西，但是如果设备中的波浪与驻波非常相似，则该设备称为具有驻波的设备，如果该波浪与行波相似，则称其为具有行波的设备。
3）主要尺寸3.1）外壳长度外壳-谐振器热声装置的长度由波长确定。 相反，更好的说法是，谐振器外壳的长度决定了谐振器中的波长。
在具有驻波的设备中，体长通常等于波长的一半。 例如，对于典型类型的设备而言，对于300 Hz的典型频率，在空气中工作时外壳的长度约为0.56米，而在氦气中工作时长度则为1.65米。
图 5.带有驻波的设备的主要尺寸在行波装置中，波长大约等于人体的长度。 这种设备的典型振荡频率为100 Hz，而在空气中工作时，外壳的长度为3.4米，在氦气中工作时为10米。
图 6.行波装置的主要尺寸3.2）外壳直径外壳的直径基于设备所需的功率确定。 功率随着装置直径的增加而与壳体的横截面积成比例地增加，因为热交换器的功率与横截面面积成比例地增长。
谐振器是传统的管道，最好具有光滑的壁。
GIF 5.振荡气体与腔壁的相互作用如果我们考虑声波在直径足够大（大约一厘米或更大）的谐振器中的传播，结果发现波中的气体与谐振器壁的相互作用不是全部，而是仅在位于谐振器壁附近的小边界层中。 在gifka 5上，显示了在气体振荡期间，由于腔壁附近的壁摩擦而导致的气体速度异常变形。 在壁面上，气体速度为零，这在大多数流体动力学问题中通常被视为边界条件。
粘度深度图上的纵轴以所谓的粘性渗透值δν标记。
粘性渗透的深度是与身体壁相互作用的层的大小的估计值。 例如，对于在正常条件下以70 Hz的频率在空气中传播的声波，粘性穿透深度为0.27 mm。 在GIF 5上，可以看到壁和气体的相互作用的值大于粘性渗透的深度，但是，波与壁充分相互作用的区域的值只有大约1 mm。 在谐振器的中心，观察到普通的声音振动，就好像根本没有谐振器一样。 因此，由于相对于壁的摩擦而产生的声能的散射仅发生在壁附近的狭窄边界层中。
热渗透深度在声波中，气体压缩并膨胀，而气体温度则由于交替进行绝热加热和冷却而波动。 这是在自由空间中传播的波浪中发生的。 当波在腔中移动时，波与腔壁相互作用，壁的温度开始影响声波中的气体温度波动。
以与与壁的粘性相互作用相同的方式，也存在用于热相互作用的量，该量表征了主动地与壁热相互作用的气体层的尺寸。 该量称为-热穿透深度δκ。 壁附近的气体温度波动以与前面示例中的气体速度相同的方式变形。 因此，如果您只是说现在GIF 5的波动不是在气体速度中发生的，而是在温度中发生的，并且现在垂直轴的标记不是在粘性渗透的深度中而是在热深度中，那么GIF 5对于温度波动也适用。 在数值上，热渗透的深度总是大于粘性的深度。 例如，对于在正常条件下且振动频率为70 Hz的相同空气，热穿透深度约为0.32毫米，仅比上一个示例中的黏度深度大1.185倍。
从这一切可以得出什么结论？
首先，在谐振器具有足够大的直径的情况下，波几乎不会与谐振器发生粘滞或热相互作用。 谐振器仅设置波的方向和类型。 因此，为了传递和从气体中带走热能，热交换器中的通道（孔，开口，狭缝）的尺寸必须在热渗透区域内的某处，但决不能大于该值。
然后，由于对于任何气体和任何频率，粘性和热渗透的深度几乎相等，因此热声装置注定要具有与气体在热交换器表面上的摩擦有关的损失。
3.3）热交换器中的通道尺寸对于行波装置，为了获得最大效率，热交换器中孔的水力半径必须小于热穿透深度Rh <δk，以确保气体与热交换器表面之间的良好热接触。 此条件来自热声学方程。 对于再生器，此条件尤为重要。 通常，再生器孔的水力半径的最佳值比热穿透深度小3.5至6倍。 热交换器中孔的尺寸对装置的影响远小于蓄热室中孔的尺寸，因此，为了便于制造，通常最好相对于蓄热室中的孔增加热交换器中孔（通道）的尺寸。
另一方面，热声方程告诉我们，在具有驻波的设备中，烟囱的孔的水力半径值（在具有行波的设备中为蓄热器的类似物）应近似等于气体中的热渗透深度。 即，在具有驻波的装置中，叠层中的孔径应比在具有行波的装置中的塞提利斯短壁虫大3.5-6倍。 具有驻波的装置的热交换器中的孔的尺寸不会像堆叠中以及具有行波的装置中的孔的尺寸那样大地影响装置的效率。
3.4）热交换器和再生器的长度在声波中，气体的每个基本部分都相对于其平衡位置以振幅X1执行谐波振荡（请参见图5和图6）。 蓄热室或烟囱的最佳长度值通常大于气体排量2 | X1 |（大于气体基本部分偏离平衡位置的偏差的两倍幅度）。 如果偏移值的典型值为1 cm，则再生器或烟囱的长度可以为1 cm至5 cm，具体取决于操作温度。 热交换器的长度与再生器的长度相同。
4）带有驻波的设备和带有行进的设备中的热力学循环4.1）发动机和驻波冰箱在具有驻波的设备的堆栈中实现的热力学循环最接近在燃气涡轮发动机中实现的布莱顿循环。
引擎GIF 6.驻波引擎中的热力学循环GIF 6显示了堆叠板之间气体基本体积的振荡。 气体通过压缩和膨胀来改变其温度（左下角的图）。 温度与坐标的关系图类似于椭圆（绿线）。 图中的白线表示电池堆的表面温度。 您会看到沿着堆栈长度的温度梯度。 即，当从堆叠的左端到右端移动时，温度线性降低。
如果烟囱温度的白线在图表上的斜率大于椭圆形-气体温度图表的斜率，则该设备的工作原理类似于发动机。
PV图显示在右上角-压力对气体基本部分中体积的依赖性。 图中的椭圆形区域在数值上等于在发动机情况下对气体所做的功和在冰箱（热泵）情况下对气体所做的功。
由于当使用驻波工作时，烟囱通道的最佳尺寸大约等于热穿透深度，因此气体与固体表面的热接触并不理想，并且烟囱中任何特定点处的气体和烟囱的温度可能会彼此不同。 如果气体和烟囱之间的热接触是理想的，那么气体和烟囱的温度曲线图是重合的，因为气体会在出现的任何点立即获取烟囱表面的温度。
烟囱中的临界温度梯度Gif 7.堆中的临界温度梯度现在，拿起引擎，开始减少烟囱上的温差，同时以某种方式（例如使用扬声器）保持声波的振幅。 同时，为时过早或过晚，都会出现一种状态，其中波中气体的基本部分的温度开始波动，因此其温度开始与烟囱表面的温度一致，无论这部分气体位于何处（GIF7。温度图中的绿线和白线）匹配）。
在这种情况下，堆栈上不做任何工作（PV图是一条线-该图没有面积）
实现上述情况的烟囱中的温度梯度称为该特定波的临界温度梯度。 具有临界温度梯度的设备对于实际使用绝对是无用的。 它恰好位于引擎和冰箱之间的位置。 然而，方便的是将设备相对于它进行比较，以便确定它是引擎还是冰箱。
电冰箱GIF 8.带有驻波的冰箱中的热力学循环如果烟囱温度下的斜率小于椭圆形气体温度下的斜率，则该设备的工作原理类似于冰箱。
请注意，发动机和冰箱图中绿点的旋转方向相反，这意味着在一种情况下，工作是在天然气上进行的，而在另一种情况下，天然气在工作。将冰箱变成引擎需要做什么？您必须在保持声波幅度的同时增加堆栈中的温度梯度，或者在保持温度梯度的同时减小波的幅度。4.2）发动机和行波制冷机在行波装置的再生器中实现的热力学循环最接近斯特林循环，该循环在同名发动机中实现。在具有行波的装置中，由于较小的最佳孔径，因此可以实现气体与蓄热室表面之间理想的热接触。Gifka 9.行波引擎中的热力循环此处的气体温度（温度图上的绿线）与再生器所有点的温度（温度图上的白线）一致。右下角的PV图表示正在处理气体。应当理解，尽管气体和蓄热器的温度图是相同的，但是这并不是如前所述意义上具有临界温度梯度的设备。在具有驻波的设备中，有必要为给定的波选择必要的温度梯度，以使其与声波中的温度波动一致。在行波装置中，由于蓄热室中的孔非常小，因此总是确保蓄热室与气体之间的良好热接触。因此，在行波设备中始终存在临界温度梯度，因此该术语在这里没有任何意义。那如何做天然气工作呢？确实，在临界温度梯度下，对于具有驻波的设备，没有任何工作。事情是在临界温度梯度下，气体的工作不是精确地在驻波中进行，而是在行波中，压力和气体速度波动之间的相位差不同，而在这种情况下，功最大。对于带有行波的冰箱，曲线图的外观与GIF 9完全相同，只是PV图上的绿点将沿相反的方向旋转，这表明燃气正在起作用，而不是在燃气中起作用。总之，对于每个想更多地了解热声学的人，我都想推荐G. Swift的书，他在洛斯阿拉莫斯国家实验室工作，为热声学做出了巨大贡献：Swift GW热声引擎和冰箱：一门简短的课程。洛斯阿拉莫斯：洛斯阿拉莫斯国家实验室，1999年。179页。 URL：下载链接我还附上了G. Swift团队创建的热声过程的动画：下载链接。要查看动画，您需要解压缩存档，将其放入硬盘驱动器的Program Files文件夹中（否则由于某些原因它们将无法使用）。Windows的所有动画都在EXEs文件夹中。在本文中，我只讲了本书中的一小部分，而没有使用数学。在原始版本中，一切都更加有趣。