变截面谐振管内非线性声场特性研究

• 作 者: 刘丹晓
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 变截面谐振管 非线性声场 优化设计

闭合管道内的声传播是一个经典的声学问题。近年来热声机的蓬勃发展重新引起人们对闭管内有限振幅声场的研究兴趣。谐振管作为热声发动机的重要部件之一,其度、直径以及形状的改变会对热声发动机系统产生重要的影响,引起系统频率、压比的改变,有时甚至会完全改变整个系统的正常运行状态。深入研究谐振管中的非线性波传输过程,特别是研究特殊形状谐振管中的非线性驻波声场是一个重要而有意义的题。本文从声学角度出发,开展了变截面谐振管的理论和实验研究工作,旨在研究谐管内部的复杂非线性声场,特别是谐振管形状对管内声场的影响,为谐振管的优化设计提供参考和指导。主要工作如下:　　
(1)从质量守恒方程、动量守恒方程以及物态方程这三个流体力学基本方程出发分别推导出了整体驱动和边界活塞驱动两种情况下,渐变截面谐振管内声场的一维二非线性数学模型。然后利用Galerkin加权残数法对无量纲化的速度势方程进行数值解,得到谐振管内非线性声场的时域解。这一数值解可以描述声场随时间逐渐增长直达到稳定的整个变化过程。　　
(2)在整体驱动和边界活塞驱动两种情况下,对纵截面为长方形的圆柱形直管以纵截面分别为指数形、双曲形、锥形、正弦形的变截面谐振管内的声场进行了分析和较。研究了截面形状对管内声场的影响,得到了管内压比随管形系数的变化趋势,描了谐振管内波形畸变、共振频率偏移等非线性现象。　　
(3)对突变截面谐振管内声场进行了理论和实验研究。研究发现将管路系统的一反共振频率设计在共振基频的倍频附近,可以对二次谐波产生极大的抑制,从而在管端得到高声压、低畸变的声波波形。