高频热声自激振荡器的特性及阵列系统协同行为研究

高频是热声器件微小型化和提高其功率密度的重要手段，缺乏高频热声的分析模型和较低的功率输出是高频（kHz级以上）微型热声应用需要解决的关键问题。为此，申请项目拟研究：（1）高频微结构条件下热声自激振荡器的特性。研究几种微结构回热器及谐振腔的声特性与阻抗特性，建立相应高频振荡器的阻抗网络分析模型，并结合振荡器的起振判据，研究其负阻特性和工况、热声介质、结构配置及位置等因素对起振温度及声幅（或功率）的影响；（2）阵列自激振荡器之间的和与外激励振荡器间的协同行为。包括相位关系和幅值关系、耦合参数与耦合强度、锁频与锁相(或钳制)条件的研究，获得协同域和主动调控的方法；（3）高频微型热声的格子方法模拟及实验分析。包括微结构回热器内的流动传热，以及轴向导热损失和热粘性非线性耗散的分析。本项目的研究将对高频热声分析模型及大阵列热声振荡器（或换能器）的开发与应用均具有重要的意义。

高频是热声器件微小型化和提高功率密度的重要手段，为解决热声微小型化中的关键问题，项目针对高频振荡器的分析模拟和振荡器及其阵列的协同实验开展了深入的研究，达到预期的研究目标，并取得一些开创性的有价值的研究成果，其中发表SCI.收录的论文3篇，EI论文7篇，国际会议论文7篇，国内会议论文10篇，中国发明专利5项，博士论文2篇，硕士论文7篇。研究所取得的重要结论和创新成果概述如下。.1、通过与电子振荡器的模拟研究，建立了高频微型热声自激振荡器系统的阻抗网络模型，并给出了自激振荡器的起振判据条件，利用所建的网络模型和起振条件，可以确定实验系统的设计参数和结构配置。同时，建立了高频声驱动的热声振荡器及其带阵列谐振腔系统的网络分析模型，并对振荡器特性及其阵列谐振腔对声场的影响进行了数值研究，得出结论：阵列谐振腔可以减少或抑制能量向高次谐波或激波的转移，以避免声幅过早的达到饱和而影响声能向基频声能的传输与利用。因而，在实际中，阵列谐振腔可以应用于大幅声能驱动的热声系统及其声场的调控。.2、创新地建立了非线性（热）声振荡模拟的气体动理学格式BGK模型和算法，并成功实现了对非线性谐振荡特性及谐振管中的声流、激波及涡流等非线性特性的数值模拟。特别是，建立了适合变截面谐振腔声特性研究的气动BGK模型算法，并对指数型谐振腔中的声场和声流特性进行了细致的模拟研究；同时，在理论上，推导并获得了指数型变截面谐振管内气体的压力和压比的分析表达式，并为求解变系数椭圆方程描述的一类物理问题建立了格子Boltzmann模型和算法。此外，为非线性方程的求解提出了一种四阶无导数的迭代算法，数值试验和误差分析显示了算法的更有效性和使用性。 这些研究与分析将对变截面谐振腔的声特性、非线性的影响，以及大幅热声振荡特性的研究提供了数值与理论分析方法，首次形成基于动理学格式BGK方法的、具有自主创新的声振荡模拟程序与分析软件。.3、建立了5kHz高频声驱动的热声振荡器装置和热声自激振荡器实验样机装置及其相应的实验测试系统，对高频热声谐振荡及回热器多孔介质的特性进行了实验研究。同时，对阵列振荡器的声耦合进行了实验，并对阵列自激振荡器的协同制订了实验方案和实验测试装置系统。此外，对电磁声驱动器和压电声驱动器及其驱动的制冷系统特性进行了研究,为声驱动器的匹配与开发应用提供了实验基础。