通过模调整消除谐波的声共振器的制作方法

专利名称：通过模调整消除谐波的声共振器的制作方法
本申请涉及本发明者1991年3月6日提出的流水号为07/665，316的共同待决美国申请及在1990年3月14日提出的流水号为07/493，380的共同待决美国申请。
本发明与一种在一个声共振腔内产生接近线性强声波的声共振器有关，这种声共振器专门用于各种声共振压缩机。
本发明者的早期美国专利5，020，977致力于一种应用声学原理进行压缩的压缩蒸发致冷系统的压缩机。这种压缩机是由一个具有一个内含流体致冷剂的共振腔驻波压缩机构成的。压腔内的致冷剂中产生一个行波，而这个行波在腔内的致冷剂中转换成一个驻波，使致冷剂受到压缩。
到目前为止，线性声学的领域主要限于声压振幅较小的情况。如果声压振幅与平均流体压力相比较大，凡会产生非线性问题。在这些条件下，一个纯正弦波通常将发展成一个冲击波。
由于压力变化幅度大而引起的声速的空间变化会使压力陡峭，从而发展成冲击波。在传播期间，一个有限波的压力波峰的热力学状态与其压力波谷的热力学状态是颇为不同的，因此沿波传播方向的声速不同。结果是，压力波峰赶上压力波谷，发展成一个冲击波。
在自由空间、波导和声共振器内传播的波都能形成冲击波。下面这些出版物对在各种声共振器内的冲击波形成进行了研究。
Temkin导出了一种计算在活塞激励的筒形共振器内不形成冲击波的声压振幅极限的方法(见Samuel Temkin，“Propagation and standing sawlooth waves”，(J.Acoust.Soc.Am.45，224(1969))。他首先假设在一个共振器中有左行和右行的两个冲击波，然后得这两个冲击波所引起的熵增量。将这个熵损耗代入能量平衡方程，解出作为激励器位移函数的极限声压振幅。Temkin的理论与有限振幅的行波和驻波的实验都非常符合。
Craikshank对在活塞激励筒形共振器内有限振幅声振荡的理论和实验作了比较(见D.B.C Cruikshank，“Experimental investigation of finite-amplitude acoustic oscillations in a closedtube”，J.Acoust.Soc.Am.52，1024(1972))。Cruikshank实验证明，实验产生的冲击波与理论上的十分符合。
与大量文献一样，Temkin和Cruikshank的著作都假定活塞激励筒形共振器具有恒定横截面(CCS)面积，筒的终端与活塞面平行。CCS共振器具有频率上与波的谐波一致的谐振模，因此冲击波的形成不受限制。虽然在Temkin和Cruikshank的文章中没有说明，但它们在他们的解中都隐含地作了锯齿形冲击波的假设，然而这个假设只是对CCS共振器才是合理的。
对于具有非谐振模的共振器来说，就不能再用锯齿形冲击波的简单假设。这是由Weiner指出的，他提出了一种逼近方法，计算在共振器内不形成冲击波的极限声压振幅(见Stephen Weiner，“Standing sound waves of finite amplitade”，J.Acoust.Soc.Am.40，240(1966))。Weiner首先假定有一个冲击波，然后计算各谐波对基波所做的功。将这个功代入到一个能量平衡方向，解出作为激励器位移函数的极限声压振幅。
Weiner还进一步证明，衰减偶次谐波将能得到一个较高的基波声压振幅极限。作为一个能衰减偶次谐波的共振器的例子，他例举了一个用于固体燃料燃烧研究的一称为“T燃烧室”的T形腔。这个T燃烧室起着一个中央有一个通孔的热激励1/2波长共振器的作用。每个偶次模在这个通孔处都将有一个声压波腹，因此都受到了能量通过这个通孔幅射那样形式的衰减。Weiner除了衰减以外没有提出其它建议来消除谐波。衰减也就是能量的耗散，因此对于能量效率来说，这并不是所希望的。
在气体燃烧加热的文献中可以进一步发现一些谐波衰减方案的例子(例如见Abbort A.Putnam，“Combustiom-Driven Oscillations in Industry(American Elsevier Publishing Co.，1971))。在一般的采用衰减型方案的噪声控制领域能找到另外一些例子，因为在这些应用中能量损耗并不重要。Obest在其著作中提供了一个值得注意的不同途径，他希望产生高强度的声音来校验话筒(见Hermann Oberst，“A method for the production of extramely powrful standing sound waves in air”，Akust.Z.5，27(1940))。Oberst发现，用具有非谐波共振模的共振器可以减小有限振幅波的谐波分量。他的共振器是由两根不同直径的相连管子构成的，较小的那根端部封闭，而较大的那根则保持敞开。共振器的敞开端受旋转着的开口盘调制的空气射流激励。
采用了这种结构，Oberst以0.02巴的激励压力振幅产生了高达0.10巴的共振压力振幅，对基波的增益为5。共振器将具有30%误差(即偏离正弦)的激励波形变换成一个仅有5%误差的波形。然而，Oberst预计，如果施加更高的声功率，非线性畸变就会十分明显。其实，即使是共振声压振幅只有0.005巴，用肉眼也能观察到Oberst的波形中的谐波分量。
Obers认为，由于共振器模与波的谐波不相符，因此对这些有限振幅波会产生这样的响应。然而，对共振器和波的谐波之间的相互作用并没有确切加以说明。看来，Oberst的看法是，共振波的谱密度的压缩就是因为达到激励波形各谐波的Q放大量较小的缘故。这个解释只对于Oberst得到的适度的压力振幅才是可信的。Oberst没有指明或提示他的方法可能产生超过他所达到的线性声压振幅，他对进一步优化也不能抱有希望。相反，Oberst指出，声压振幅再大一些的话，非线性会占优势。
声共振器中另一个非线性源是在高速情况下能发生的边界层湍流。Merkli和Thomann通过实验证明了在有限声压振幅的情况下存在一个振荡着的片流变为湍流的临界点(见P.Merkli，H.Thomann，“Transition fo tarbulence in oscillating pipe flow”，J.Fluid Mech.，68，567(1975))。他们的研究也是以CCS共振器完成的。
总的来看，有限共振声学文献似乎预言流体的固有非线性终将支配任何的共振系统，而与共振器所施加的边界条件无关。文献所预计的这些极限远低于本发明所达到的实际性能。
因此，就需要有能高效率产生非常大的无冲击声压振幅的产品，作为在本发明者的美国专利5，020，977中揭示的那种蒸汽压缩热传导条件的气体压缩装置。此外，在声学领域中的许多其它应用，例如热声型热机等，也能从产生大振幅正弦波形的技术中有所得益。
本发明的一个目的是提供通过促使一个波的谐波相消自相干来消除冲击波形成的声共振器，从而能得到接近线性的大振幅声压。
本发明的另一个目的是提供使由有限振幅声边界层湍流引起的非线性能量耗散为最小的声共振器。
本发明的第三个目的是使边界粘滞能量耗散和边界热耗散为最小的声共振器。
本发明的第四个目的是提供一种用来获得大声压振幅的声激励装置。
本发明的第五个目的是提供一种能在受到具有丰富谐波的波形激励时仍保持接近正弦的声压振荡的声共振器。
本发明的声共振器有一个内含流体的共振腔。这个共振腔的几何形状使得在流体中的至少一个谐波产生相消自干涉，从而避免了在有限声压振幅上形成冲击波，共振腔的模截面面积沿腔改变，沿腔改变模截面面积位置定在降低流体声速和减少边界粘滞能量耗散的位置上。这种共振腔可以是一个用于热传导流体压缩的驻波压缩机的共振腔。
本发明的声共振器激励系统有一个内含流体的共振腔，这个共振腔的两端都加上了声反射终端。一个激励装置以选定的一个腔共振模的频率使共振腔振动。本发明的声共振器和激励系统可以接到热交换装置上，形成一个诸如蒸气压缩系统那样的热交换系统。
如上所述，本发明的共振器和声激励装置具有许多优点，能够获得振幅相当大的接近线性的声压。特别是，本发明的实际性能远远超出了有限共振声学文献中所预示的结果。
从所附的说明书和附图中可以更加清楚地看到本发明的这些和其他一些目的和优点。说明和附图中所有相同的标号标记的是相同的部件。
在这些附图中

图1示出了一个具有是基模的谐振模(即共振频率是基模的整数倍)的高次模式的共振器的情况;
图2示出了一个具有不是基模的谐振模的高次模的谐振器的情况;
图3为本发明的一个共振器实施例的剖视图，该实施例用一根心棒作为模调整的措施;
图4为图3所示共振器的测量数据表;
图5为图3所示共振器的理论数据表;
图6为本发明的一个利用直径不同的各段来调整模的共振器实施例的剖视图;
图7为图6所示共振器的测量数据表;
图8为图6所示共振器的理论数据表;
图9为本发明的一个几何形状更为优化的共振器实施例的剖视图;
图10为图9所示共振器的理论数据表;
图11为一个用于本发明的共振器激励系统的设备的剖视图，其中整个共振器沿其纵轴受到振动;
图12为用了增强消除谐波的多孔材料的图9所示的共振器的剖视图;以及图13为连接到热交换装置形成热交换系统的图11的共振器和激励系统的剖视图。
现在来说明通过模式调整消除谐波来限制形成冲击波的情况。
众所周知，在大声压振幅的情况下形成的压力陡峭会导致产生一个具有经典的锯齿波形的冲击波。由付立叶分析可知，锯齿波形就意味着有众多的谐波存在。
如果有限振幅声波是在一个恒定截面(CCS)的共振器内产生的，则将出现的冲击波的谐波振幅就可以通过对一个锯齿波形的付立叶分析预先确定。初看这并不意外，但必需理解，一个CCS共振器具有的模在频率上是与基波的谐波相符的谐振模(即其共振频率为基模的整数倍)。可以将CCS共振器看作具有非谐振模的更为一般的共振器的一种特殊情况。非谐振模共振器具有从未得到开发的提供振幅颇大的线性声波的潜能。通过将非谐振模共振器设计合成促使基波的谐波自相消干涉就可以开发出这种潜能。
本发明应用这个原理提供了一个新的共振器设计准则，使谐波的自相消最佳。这个新的通过模调整抵消谐波(MACH)的设计准则消除了冲击波的形成。采用MACH共振器已经在平均声压为每平方英寸80磅的情况下获得峰-峰值为每平方英寸100磅的声压振幅，而不形成冲击波。这也就是说峰值声压振幅为平均声压的62%。
一旦理解了MACH设计准则，就可以将共振器设计成各种不同的几何形状，来调整共振器的高次模，促使谐波自相消。一种利用MACH原理的直接方法是将共振器的模调整到落在相应的谐波之间。
图1这个柱状图示出基波的各次谐波与一个CCS1/2波长共振器的共振模之间的关系。在纵轴上标记了声波的各次谐波，而柱的高度则表示模的共振频率。对于基波频率为100赫的波来说，它将会有频率为200赫、300赫、400赫……的各次谐波。由图1可见，这个声波的各次谐波的频率都分别与共振器各模的共振频率相同。也就是说，声波的n次谐波的频率与共振器的n次模的共振频率相同。因此，不会发生谐波的自相消干涉，或者只有一点点自相消干涉，从而不能限制冲击波形成。对于一个充分发展成的冲击波来说，2次谐波的声压振幅与基波的振幅之比达到6分贝。
图2这个柱状图示出了促使谐波相消自干涉的许多可能方案中的一个方案。由图2可见，共振器模调整到落在各谐波之间。对于这个例子来说，共振器的各模在频率上都已下移，因此n次模落在n次谐波和n-1次谐波之间。采用这个方案就能使各次谐波发生很强的相消自干涉。
图3是一个已制成的并经测试的共振器的剖视图，这个共振器具有频率得到下移的模。图3所示共振器由筒形腔体2、顶端法兰4、顶端法兰6以及一端呈锥形的芯棒8构成，所有各部件均是铝的。锥形芯棒8焊到与腔体2焊接的顶部法兰4上。腔体2的内径为5.71厘米，内部长度为27厘米。锥形芯棒8的锥形半锥角为34.98°，从顶部法兰4开始计量的长度为10厘米。锥形芯棒8的锥端磨园，以便减小湍流。
锥形芯棒8插入腔体2内，使得在有芯棒8铁区域的腔模截面面积较小。这样，图3所示共振器分成具有不同模截面面积的两段，这两段的声阻抗不同。声阻抗的改变使共振器模移到非谐波的频率上。各模偏移的程度可以通过改变锥形芯棒8的直径和长度加以控制。这种共振器的激励方式在以后说明。
图4是对图3的共振器进行测量所得到的数据表。表的最后一列出了模偏移程度的相对值，这是通过计算n次模式的频率“fn”与n倍基波频率“nf1”之差得到的。当将共振器的各模分别置于相应的相邻谐波频率之间的频率中点时，达到理想的模偏移，其值等于基波频率的1/2。对于图3的共振器来说，理想偏移为f1/2＝166.97赫。对于CCS共振器来说，各模的模偏移按定义为fn-nf1＝0。
图3的共振器的设计方案虽然没有提供理想的模偏移，然而足以得到相当显著的效果。这是由于少数的前n次谐波的付立叶之和对冲击波的形成起着决定性的作用。因此，充分消除二次、三次和四次谐波就能大大减少冲击波的形成。当图3的共振器用气体致冷剂HFC-134a加压到80绝对压强(磅/寸2)时，需要11.8瓦的声输入功率来获得42绝对压强的峰峰声压振幅(在顶端法兰4处测量)。这在由不仅考虑边界层的热损耗和粘滞损耗的严格线性理论预计的所需激励功率的30%以内。在这些条件下，二次谐波的振幅比基波的振幅低20分贝，而高次谐波的振幅则要低30分贝以上。
图5为图3所示的共振器的理论数据表。理想上，fn-nf1对于共振器的各个模都应该等于理想偏移。然而，由图5可见，随着模式序号的增加，模式偏移的程度也增加。在六次模，偏移增大到使该模的频率接近与五次谐波相同。采用更先进的共振器结构，可以将许多模同时调到相应各谐波之间。随着受到正确调整的模的个数的增加，共振器的线性增加。
图6是另一个已制成的并经测试的共振器的剖视图。图6所示共振器有一个由小直径段10、锥形段12、大直径段14、锥形喇叭16和顶端法兰18形成的共振腔。由小直径段10、锥形段12、大直径段14和锥形喇叭16组成的腔体是用一整块铝加工出来的。铝的端部法兰18焊在锥形喇叭16的口上。小直径段10的内长为7.28厘米，内径为3.81厘米。锥形段12的半锥角为25.63°内长为3.72厘米。大直径段14的内长为13.16厘米，内径为7.38厘米。锥形喇叭16的半锥角为26.08°，内长为2.84厘米。段10和段14将共振器分成具有不同模截面面积的两段，这两段具有不同的声阻抗。这种结构使共振器模下移到非谐波频率上。
图6所示共振器除去了图3中的锥形芯棒，从而减小了共振器的内表面，这就降低了边界层的热损耗和粘滞损耗。各模的偏移程度可以通过改变段10、段14、锥形段12和喇叭16的尺寸加以控制。喇叭16主要上移高次模的频率，从而补偿了高次模的过分下移。这种共振器的激励方式将在以后说明。
图7和图8分别为图6共振器的测量数据表和理论数据表。与图3的共振器相比，图6的共振器改善了二次、三次和四次模的调整，也降低了高次模的过分偏移。图6的共振器的二次、三次和四次模的偏移非常接近理想偏移，因此改善了性能。
当图6的共振器用气体致冷剂HFC-134a加压到80绝对压强时，获得了峰-峰值为100绝对压强的声压振幅(在小直径段10的端部10a处测量)而没有形成冲击波。然而湍流明显，这表明了声速高到足以引起非片流的程度。如下面所示，改变共振器的几何形状可以大大地减小声速。对于图6的共振来说，当峰-峰值为60绝对压强时(在小直径段10的端部10a测量)，所有谐波振幅都比基波振幅低25分贝以上。
通常，一个几何形状给定的共振器的模可以从以下对声压和速度列出的波动方程的通式中算出P(x)＝Acos(Kx)+Bsin(Kx)V(x)＝i/(pc)(Acos(Kx)+Bsin(Kx))其中，i＝(-1)1/2，p为平均流体密度，c为声速。将共振器的边界条件加到以上P(x)、V(x)方程即可求出任意复常数A和B。体现本发明的共振器是通过在频域内模贯共振器的各有限元迭代P(x)和V(x)设计的，直至在共振器的端部达到零速。如上所述，将共振器模设置到谐波之间提供了利用MACH原理的许多方式中的一种方式。为了更精确地预计谐波消除的情况，在计算谐波的自干涉时，可以将这些谐波处理成在共振器边界内行进的波。这样做的目的是证明谐波的自相消随共振器几何形状的变化而变化。
下面将对MACH共振器的性能和不限制冲击波形成的CCS共振器的性能进行比较。作为一个比较，考虑随着一个有限振幅波的传播而形成冲击波的正常发展情况。按照Pierce提出的方法，能够计算出一个峰-峰值为60绝对压强的声压波充分发展成冲击波必需行进的距离(见Allan D.Pierce，Acoustics，P.571(Acoustical Society of America 1989))。对于平均压力为80绝对压强(在气体致冷剂HFC-134a中)的情况，压行进仅22厘米后，波形就从一个正弦波发展成为一个冲击波，这个距离小于一个等于图6共振器的27厘米长度的穿程！由此容易体会到这个长期存在的假设在相当大的振幅情况下，任何共振器的结构必需考虑气体的固有非线性。
为了有效地建立大振幅共振声波，重要的是使共振器的边界层的粘滞损耗和热损耗尽量小。此外，应该使与所要求的声压振幅有关的声速最小，以避免生成过大的湍流。
对于一个在具有恒定模截面面积的共振器中的纯正弦驻波来说，峰值声速等于P/(pc)，其中P的峰值声压振幅，p为平均流体密度，c为在平均声压下的声速。实际上，峰值声速可以通过选择适当的共振器的几何形状加以减小。例如，对于图6的共振器，由于有了锥形段12，共振腔的中部得到扩张，峰值声速降低为0.82(P/cpc)(P在小直径段10的端部10a处测量)。这种模截面面积的增大发生在速度刚要在共振腔中部达到最大以前，因此降低了声速。
象图6共振器的那样扩张段，还具有其他一些优点。由于声速降低，边界层的粘滞耗也就减小。此外，扩张段还减小了顶端法兰18处的峰值声压振幅，从而减小了边界层在共振器的这个端部上的热损耗。同样，图6的喇叭端16形成的扩张段也减小了边界层的热损耗。当象图16的锥形段12那样的一个扩张段的位置沿共振器的长度方向改变时，边界层的热损耗和粘滞损耗也要发生改变。理论上已经提出，当扩张段安排在共振器长度的大约0.3处，这些损耗和为最小。
通常，在实际设计能量效率高的共振器时，要折衷考虑模调整消除谐波、声速最小化以及热损耗和粘滞损耗最小化这些问题。图9是一个共振器的剖视图，示出了在这些设计参数之间进行折衷的众多可能方案中的一个方案。
图9所示共振器的共振腔具有锥形扩张段20、弯曲扩张段22、弯曲喇叭段24和顶端法兰28。在共振器的端部20a上开有诸如进口、出口或阀那样的口21a、21b。虽然没有示出，但在图3和图6所示的共振器上也都有这样的口。共振振器的腔体最好用象玻璃纤维那样的低导热的材料制成，因为这样可以减小边界层热损耗。然而，其它材料，例如铝，只要是能加工成所要求形状的，也能使用。就调整模式的方法而言，图9的共振器原则上与图6的共振器相同，只是它具有提供较大的模调整选择能力的段。这种选择能力是由于这些弯曲段使模截面面积的变化率变化而获得的，情况说明如下。一定的面积变化引起的模频移量取决于驻定波型的哪个部分遭遇到这面积变化。在共振器内的许多叠加的驻定波型中，每一个都将在其波型的一个不同点上遭遇到固定的面积变化。因此，适合调整某一模的面积变化可能不利于调整另一个模。弯曲段通过不同的模受到不同的面积变化率的作用能够对这种不利调整加以补偿。所谓“弯曲段”并不是指某个具体的数字表面，而是应该广义地理解为任何这样的一段其模截面面积的变化率是轴向维的函数，并且该变化率的导数不为零。有无数个数字表面可以沿用。经仔细研究，对于弯曲扩张段22和弯曲喇叭段24可以采用下面列出的一组方程组。
在图9中，在共振器顶端20a处是内径为2.54厘米、长为4.86厘米的恒定直径段。锥形扩张段20的长度为4.1厘米，半锥角为5.8°。弯曲扩张段22的长度为3.68厘米。在弯曲扩张段22的右面是长度为11.34厘米、直径恒定为5.77厘米的一段。在弯曲喇叭24的右面是长度为0.86厘米、直径恒为13厘米的一段。在有限元程序中，弯曲扩张段22由方程Dn＝Dn-1+0.00003(7+n)，而弯曲喇叭24由方程Dn＝Dn-1+0.00038(n)，其中Dn为现行元的直径，Dn-1为上一个元的直径，而每个元的长度为0.00108米。
图10为图9所示共振器的理论数据表。由此可见，模和谐波在频率上交叠的点已经显著地推到较高的频率上。
图9的共振器还将声速降低到0.58(P/(PC))(P在共振器小直径顶端20a处测量)这表明，对于所要求的声压缩振幅，声速有明显的降低。此外，图9的共振器还减小了热和粘滞的能量总耗散仅为图6共振器的三分之二。如果不计湍流损耗，则在给定的声压振幅下热和粘滞的能量总损耗度就等于维持该声压振幅所需的声输入功率。因此，减小热和粘滞的能量损耗将提高能量的效率。
下面将对本发明的共振器的激励加以说明。
一个共振器的奇次模能够有效地通过在其纵向轴上机械地振荡整个共振器加以激励。这是本发明的共振器的优选方法。虽然，图3、图6和图9所示的各共振器也可以通过一个将一个运动的活塞插入端部打开的共振器加以激励，但这有一个缺点，整共振器激励方法就避免了这些缺点。
整共振器激励可以作如下解释。如果整个共振器沿其纵向轴振荡，则两个端盖都将起着活塞的作用。在一个两端加了端盖的共振器的两个相对端处的奇次模的声压振荡的相位将相互相差180°。因此，当整个共振器振荡时，它的两个端盖，或者说终端，能用来激励一个在共振器的两端具有适当相位的奇次模。这样，基模就能有效地得到激励。
图11是一个剖视图，示出了许多可用来激励整个共振器的方法中的一个方法。在图11中，电动式振动器或激励器29有一个与共振器34的顶端法兰28刚性连接的导电线圈26，结圈26插在磁铁32的空气隙30中。磁铁32由弹性波纹管36扣到顶端法兰28上。波纹管36保证使线圈26正确地在空气隙30内对准。
当线圈26受到一个振荡电流供电时，所产生的电磁力将使共振器34沿着它的纵向轴机械振荡。磁铁32可以受到刚性约束，这样，相对共振器34来说就具有无限大的质量。在这个优选实施例中，磁铁32并未受到约束，因此可经相对共振器34自由运动。无论在哪种情况下，都能为波纹管36选取一个适当的弹性系数，以便产生一个等于声共振的机械共振，从而得到较高的电声转换效率。波纹管36可以用其它一些由合适的材料制成的器件，如弹性膜片、磁性弹簧或更通用的弹簧等，来代替。
整共振器激励减小了为得到一定声压振幅所需的机械位移。当激励整个共振器时，共振器的两个端部都起着活塞作用。在极大多数情况下，整共振器激励所需的机械位移的峰值大体为单活塞耦合结构的一半。
半峰值整共振器激励(HPER)具有如下一些优点。如上所述，适当调整共振腔模是有效率地获得大声压振幅的关键。因此，在工作期间这种调整必需仍然不变。两端都不敞开的共振器在工作期间和共振器整个寿命内将能精确地保持调整不变。
声压缩机使用HPER激励还有一个优点。由于受HPER激励的共振腔是密封的，其中没有用油润滑的运动部件与要受压缩的流体接触，因此就可以得到一种根本无油的压缩机。声压缩机上所需的吸入阀和排出阀通常是安置在共振器的窄端，那里压力振幅最大。例如，图9共振器的阀位置可以定在顶端20a的口21a、21b处。图9共振器左、右两端处的声压振幅比近似为3∶1。
如上所述，一个设计正确的MACH共振腔可使基波的高次谐自相消。由于同样的原因，MACH共振腔可以消除掉可能在激励器的位移波形中存在的谐波。因此，MACH共振腔能够将一个非正弦激励位移转变成一个正弦声压振荡。此外，在一个象图11的激励器中存在的各种机械共振都会有助于将一个非正弦激励电流转变成一个正弦位移波形。
在有些应用中，采用非正弦激励信号能够得到较高的效率。例如，激励线性马达所需的功率放大器可以设计成工作在脉冲输出状态，这样，效率非常高。可以对电流脉冲进行定时，使得每隔一个声周期或几个声周期产生一个电流脉冲。
HACH共振腔可以采用的另一个非正弦激励是在美国专利5，020，977中揭示的流体直接吸收电磁能量，该专利在此列为参考专利。脉冲式的微波和红外能量，在穿过吸收型流体时，将在流体内产生声波。MACH共振器将有助于消除所产生的谐波，从而促进了正弦压力振荡的形成。电磁脉冲可以定时成每隔一个声周期或几个声周期发出一个脉冲。
诸如烧结金属、陶瓷、金属丝网筛等多孔物质经常用于噪声控制领域。多孔材料能提供随频率和声速变化的传输系数和反射系数。适当地将这些材料配置在共振器内，可以得到辅助调整模式的作用。
图12为一个共振器34的剖视图，示出了多孔材料的众多可能使用方法中的一种方式。在图12中，多孔材料38刚性安装在共振器34的顶端法兰28附近。多孔材料38对共振器的基模影响极小，因为其声速在顶端法兰28的表面附近较小。而共振器的高次模式的速度却在多孔材料38的位置附近达到最大。因此，高次谐波受到较大反射系数的多孔材料的作用而反射，从而促进了相消自相干。通过沿共振器34的长度方向改变多孔材料38的位置就可对模调整加以调整。
这样，就能用多孔材料作为使谐波相消自干涉最佳化的辅助手段。由于用了多孔材料而带来的设计灵活性可以更为主动在使共振器的一些特殊参数得到最佳化。例如可以减小基模的速度而不妨碍所要求的调整。
对于用微波激励的共振器来说，多孔材料38还能与顶端法兰28一起形成一个微波腔，将微波能量引入共振器34。图12示出了一个微波激励器39通过同轴电缆41与共振器34耦合的情况，同轴电缆41的环形终端41a插入到共振器34内孔材料38和顶端法兰28之间的区域。
图13是示出共振器34和激励装置29用于热交换系统情况的剖视图。由图可见，共振器34的口34a、34b通过导管47、49接到热交换装置45。口34a上装有排放阀52，而口34b上装有抽取阀54。排放阀52和抽取阀54将共振器34内有振荡声压转到流过热交换装置45的净流体。热交换装置可以包括例如冷凝器和蒸发器，从而象图13那样的热交换系统就形成了一个蒸气压缩系统。
虽然以上说明中含有许多具有规格、尺寸等，但这仅作为对本发明优选实施例的示例性说明，而不是对本发明范围的限制。由于发明都认识到声共振器能提供显著的谐波自相消作用，从而能提供振幅很大的声波而不会产生冲击波，认识到通过采用适当的共振器结构可以减小诸如湍流损耗及边界层损耗那样的与有限振幅波有关的其它一些非线性，因此提出了本发明和一些优选实施例。
应用MACH原理几乎能够完全消除谐波。然而，本发明不限于能完全消除谐波的共振器。如上所述，为了得到一个无冲击的大振幅声波，并不需要完全消除掉某一谐波，也不需要消除所有谐波，而只要消除某个范围内的部分谐波即可。只要谐波的振幅足够小，这些谐波的存在不会形成冲击波。消除一个、二个或多个谐波的共振器都可以认为是满意的共振器，这取决于具体应用的要求。因此，本发明的范围不限于任何一种具体的共振器结构。
对于熟悉该技术的人员来说，很容易采用许多方式来开发应用本发明的基本特点。例如，将共振器模移到相邻谐波之间的频率中点上只是应用MACH原理的诸多方式中的一个方式。对于某种应用来说，只要能提供充分的自相消干涉，将共振器偏移多少并不重要。
此外，有许多不同的共振器几何形状能支持驻波和应用MACH原理进行模调整。例如，可以采用与本发明的这些实施例类的方法对环形共振器模加以调整。虽然在本发明的以上说明中列举的是模频率得到下移的共振器，然而类似的共振器结构能使模频率上移。例如，如果图56中的段10和段14的直径互换，则这个共振器模频率将被上移而不是下移。此外。共振器可以设计成工作在非基模的共振模，而仍然应用MACH原理。再者，无论对于液体或气体都可应用MACH共振器来抑制冲击波。
可以理解，MACH共振器在声压缩机中的应用不限于蒸气压缩热传导系统，也可以用于大量更为一般的需要压缩流体的系统。例如，可用于许多为了防止污染流体而需要采用无油压缩机的工业系统中。最后，有许多激励器可以配合HPEA激励的共振器。例如，电磁激励器和压电陶瓷激励器也都能提供整共振器激励所需的力。简单地说，任何能使整个共振器机械振荡和提供所需的力的激励器都能使用。
因此，本发明的范围不应该由所述各实施例确定，而是应该由所附各权利要求确定。
权利要求
1.一种声共振器，其特征是这种声共振器包括一个内含流体的共振腔，所述声共振腔的几何形状能促使所述流体中至少一个谐波产生相消自干涉，避免了冲击波的形成。
2.一种如在权利要求1中提出的声共振器，其特征是其中所述共振腔是一个驻波压缩机的共振腔。
3.一种如在权利要求1中提出的声共振器，其特征是其中所述共振腔是一个用于传热过程流体压缩的驻波压缩机的共振腔。
4.一种如在权利要求1中提出的声共振器，其特征是所述声共振器还包括一个安装在所述共振腔内的多孔部件，用来增大所述至少一个谐波的相消自干涉。
5.一种如在权利要求1中提出的声共振器，其特征是所述共振腔有两个端部，在每个端部上都形成反射形成反射终端，而所述共振器还包括使所述共振腔以该腔的一个选定的共振模频率进行机械振荡的装置。
6.一种如在权利要求1中提出的声共振器，其特征是所述共振腔具有一个敞开端部和一个带有反射终端的封闭端部，而所述声共振器还包括一个插入所述共振腔的敞开端部、以所述共振腔的一个选定的共振模频率进行振荡的运动活塞。
7.一种如在权利要求1中提出的声共振器，其特征是其中所述共振腔具有沿腔改变的模截面面积，这种模截面面积的改变安排在能使所述流体的声速减小的位置处。
8.一种如在权利要求1中提出的声共振器，其特征是其中所述共振腔具有沿腔改变的模截面面积，这种模截面面积的改变沿腔安排在能使边界层粘滞能量耗散减小的位置处。
9.一种如在权利要求1中提出的声共振器，其特征是其中所述共振腔具有沿腔改变的模截面面积，这种模截面面积的改变沿腔安排在能使边界层热能量耗散减小的位置处。
10.一种如在权利要求1中提出的声共振器，其特征是其中所述流体是气体。
11.一种如在权利要求1中提出的声共振器，其特征是其中所述流体是液体。
12.一种声共振器激励系统，其特征是所述激励系统包括一个内含流体的共振腔，该腔具有各带反射终端的两个端部;以及一个激励装置，该装置使所述共振腔以该腔的一个选定的共振模频率进行机械振荡。
13.一种如在权利要求12中提出的声共振器激励系统，其特征是其中所述共振腔是一个驻波压缩机的共振腔。
14.一种如在权利要求12中提出的声共振器激励系统，其特征是其中所述共振腔是一个为传热过程进行流体压缩的驻波压缩机的共振腔。
15.一种如在权利要求12中提出的声共振器激励系统，其特征是其中所述激励装置对所述共振腔施加周期性的非正弦力。
16.一种如在权利要求12中提出的声共振器激励系统，其特征是其中所述共振腔包括一个锥形段。
17.一种如在权利要求12中提出的声共振器激励系统，其特征是其中所述共振腔包括一个弯曲扩张段。
18.一种包括一个内含流体的共振腔的砀共振器，其特征是所述共振腔至少在该腔的第一和第二部分分别具有不同的第一和第二模截面面积，以便使在所述流体中的至少一个谐波产生相消自干涉。
19.一种如在权利要求12中提出的声共振器激励系统，其特征是所述激励系统还包括一个通过电磁方式在所述共振腔内的流体中建立一个驻波的装置。
20.一种热交换系统，其特征是所述热交换系统包括一个内含流体的共振腔，所述共振腔至少在该腔的第一和第二部分分别具有不同的第一和第二模截面面积，以便使在所述流体中的至少一个谐波产生相消自干涉;一个接到所述共振腔的激励装置，用来在所述共振腔内形成一个声波，使得流体在所述共振腔内受到压缩;以及一个接到所述共振腔的热交换装置。
全文摘要
一种声共振器包括一个内含流体的共振腔。共振腔的几何形状能促使流体内的至少一个谐波产生自相消干涉，从而避免了在有限声压振幅下形成冲击波。共振腔在其两个端部都有反射终端，或只在一端有反射终端。激励装置使共振腔以该腔的一个选定的共振模频率进行机械振荡。激励装置可以是一个接到共振腔敞开端的运动活塞、一个电磁振动器、或是一个电磁激励器。
文档编号G10K15/04GK1086305SQ9310566
公开日1994年5月4日 申请日期1993年5月11日 优先权日1992年5月11日
发明者泰姆斯·S·璐卡斯 申请人:索尼克压缩机系统公司