变截面驻波管声学性质研究及其应用

The standing-wave tube with variable section has the dissonant property that the frequency of its high-order harmonics is not the integral multiple of the first one. In this way, the energy of the high-order harmonics can not be accumulated with resonance and so the high-amplitude nonlinear pure standing wave can be gained in such standing-wave tube. The acoustical characters of this kind of standing-wave tube will be studied theoretically and experimentally in this program and the research results, in turn, will provide a theoretic foundation to its optimization design. On that basis, the methods to obtain the 184 dB or more extremely nonlinear pure standing wave field with this kind of standing-wave tube will be studied. Meanwhile, the nonlinear properties and the applications of the obtained extremely nonlinear standing-wave field will also be investigated theoretically and experimentally.

变截面驻波管本身具有失谐性，即高阶共振频率不是一阶共振频率的整数倍，这样低阶共振频率激励下的非线性驻波的高次谐波在管内不能产生共振聚集能量，从而可获得非畸变大振幅非线性纯净驻波。我们将对变截面失谐驻波管的声学特性进行深入细致的理论和实验研究，为变截面失谐驻波管的优化设计提供理论基础；在此基础上，对利用变截面失谐驻波管获取184 dB及以上极端非线性驻波场的方法进行深入研究，并对所获得的极端非线性驻波场的非线性性质和应用进行相应的理论和实验研究。

大振幅非畸变非线性纯净驻波场不仅具有深刻的理论意义，而且具有很强的实用性。大振幅驻波场的理论仍在建立中，大振幅非畸变纯净驻波场可用于传声器的校准、声悬浮、化学反应过程的控制等。尤其近年来，为提高具有优良环保性能的热声发动机和热声制冷机（统称为热声机）的功率和效率，大振幅非畸变非线性纯净驻波场的研究和获取更是受到人们的普遍关注。.大振幅非线性驻波能量会由基波向二次、三次等高次谐波依次转移，形成能量串接，从而使波形发生畸变。当非线性驻波场声压级提高到一定程度时，高次谐波将趋于饱和，最终导致激波的出现。高次谐波和激波的出现极大地消耗了非线性驻波场的能量，致使非线性驻波场声压级将无法再进一步得到提高。同时，波形畸变和能量损耗也使得大振幅非线性驻波的应用受到很大的限制。不同于等截面驻波管，非等截面驻波管本身就具有失谐性，即高阶共振频率不是一阶共振频率的整数倍。可利用其自身的失谐性质来有效地抑制高次谐波的增长和波形畸变，这样的驻波管被称之为失谐驻波管。.以扬声器为驱动声源的非等截面驻波管实验台结构简单，易于搭建。历史上对这一驻波装置曾经有过相关的研究，研究对象主要是由两级管径不同的直圆管组成的突变截面驻波管，所获得的纯净驻波场声压级均未超过174 dB，并且对该类驻波管声学性质以及管内大振幅非线性驻波场谐波饱和特性的研究均仍未见详细的报道。鉴于此，本项目对变截面失谐驻波管，包括两级以及多级变截面驻波管的声学特性采用传递矩阵法进行了深入细致的理论和实验研究，为变截面失谐驻波管的优化设计提供理论基础。在此基础上，采用扬声器为驱动声源，利用变截面失谐驻波管获取了184 dB及以上的极端非线性驻波场，此时，声压幅值已达到和超过二分之一个标准大气压，并对所获得的极端非线性驻波场的非线性性质进行了深入的理论和实验研究。