热声热机因结构简单、无运动部件、可靠性高、使用寿命长,加之使用的是无污染工质的特点,已经成为一个新的研究热点。经过二十多年的发展,热声热机已由热声理论研究走向热机应用研究阶段,迫切要求有方便实用的模型和相应的计算,这个任务只有结合实用样机的设计研究和实验研究才能有可靠的结果。本文的任务就是结合热声热机的理论和样机的实验研究,解决工程应用的模型及方法。以热声器件的热动力学理论为基础,建立起热声器件、热端换热器、冷端换热器、谐振管、谐振腔等部件的分布参数网络模型,并用该模型把热机系统联立起来。把声学理论引入网络模型中,建立起用声特性参数如传播常数、特性阻抗来表述的热机系统分布参数网络模型,不仅能为热机系统的理论计算提供依据,而且能揭示热机系统的热声本质,突出热机系统各部件的有源和无源的区别。为高频热声热机的方案研究提供方便实用的应用模型。为解决微型热声热机样机方案的频率优化和热声器件的寻优,提出热声器件的频谱特性。采用网络模型研究了热声器件的频移特性和热声器件不同填料的频谱特性,研究表明:采用混合工质可以提高热机系统谐振频率的可调范围,易于实现热声器件与热机系统的频率匹配;不同填料的通频带不同,针束型热声器件的通频带最宽,可选择性好,优先选用。网络方法为热声器件的寻优及解决频率匹配问题提供了理论依据。 采用作者建立的分布参数网络模型对热声原动机、热声制冷机分别进行了参数匹配计算,确定出影响热机性能的因素,便于热机系统达到匹配,性能达到最优。对热声原动机,计算了系统的振荡频率,这是热机系统理论计算的前提,并确定出影响振荡复频率的因素,然后在此基础上计算了热声原动机的最大输出声功率,确定出影响声功率的影响因素。更进一步对热驱动的热声制冷机的参数匹配进行计算,确定出影响制冷机制冷效果的影响因素。为验证分布参数网络模型计算的准确性,采用实验对<WP=4>以上计算结果进行了验证,实验表明该理论模型能很好地用于热机系统的理论计算,而且计算准确。为了验证以上模型和方法,采用热机系统分布参数网络模型,优化设计出过渡尺寸的电声制冷机。热声器件采用针束型填料,钢针针径、针间距分别按最大冷量因子、最大冷量因子和最小损耗因子优化;以制冷系数为优化指标,优化出热声器件长度、换热器长度及其与制冷机系统的匹配关系。为了提供模型所需的实验数据库,设计出一种测量热声器件性能参数的实验方法:传递矩阵-变谐振腔法,详细介绍了测量原理、方法和实验步骤,采用该方法测量出板叠和针束型热声器件的性能参数。为了探索进一步提高热声热机工作频率的理论基础,考虑了热扩散速度有限对热声效应的影响,研究弛豫时间对振荡的速度波、热波的影响,分析弛豫时间对热机系统负阻尼振荡特性的影响,并讨论了影响振荡特性的因素。对高频率的微型热机,把横向导热弛豫时间、温度波弛豫时间引入基本导热方程来分析微尺度流体通道中的导热过程。