熱聲直線發電系統聲學阻抗匹配機理與匹配性設計研究

林錦豪

摘? ?要：本文針對熱聲直線發電系統組成結構的相關內容進行分析，結合熱聲直線發電系統聲學阻抗匹配機理，包括匹配方法分析、集總聲學流源模型構建、彈性儲能調諧應用等內容，通過研究數學模型的構建、最大聲功匹配設計方法、匹配性Matlab仿真分析等匹配性設計方案的具體內容，目的在于優化熱聲直線發電系統的運行結構，提高系統的運行可靠性。

關鍵詞：熱聲直線發電系統? 聲學阻抗匹配機理? 彈性儲能調諧

中圖分類號：TM 615? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0097-02

1? 熱聲直線發電系統的組成結構

熱聲直線發電系統主要由熱聲發動機與直線發電機機構組成，兩組系統融合在一起便構成了整體應用系統，該系統主要由以下幾部分構成：第一，主冷卻器結構與次冷卻器，主要輔助熱聲的冷卻，使其保持在合理的聲控范圍內。第二，聲容管道與慣性管道，結構主要用于存儲聲波，同時也負責緩沖聲波。第三，加熱器結構、回熱器、熱緩沖結構。三組結構共同組成了加熱結構，為發電作出準備。第四，直線電源結構，在發動機進行聲學處理后，直接將其輸送至直線發電機，由其進行下一階段的處理。

2? 熱聲直線發電系統聲學阻抗匹配機理分析

2.1 匹配方法分析

從系統的構成來看，熱聲直線發電系統整機性能的提高不僅依賴于熱聲發動機的設計，也依賴于直線發電機的設計[1]。熱聲直線發電系統的兩機耦合處聲波壓力與熱聲發動機的機械結構和氣體工質特性相關，因此從兩機耦合處聲學輸出特性出發，對直線發電機聲學阻抗進行合理設計，也可以實現兩機阻抗匹配。通過對發電機機械結構及其電負載進行合理設計與控制，可提高直線發電機在聲學流道捕獲聲功的能力，從而提高系統輸出的電功和聲電效率，實現系統能量優化運行[2]。

2.2 集總聲學流源模型構建

在集總聲學流源模型構建的過程中，加入了熱聲波動觀點、熱聲網絡分析方法、熱動力學思想等觀念，此類內容也是開展模型研究的重要依據。在模型構建的過程中，需要明確熱聲發動機循環過程的運行原理，將運行原理結構與直線發電機進行關聯，找到兩者之間的最優化相位耦合結果，從而提高結構的應用效果。在具體的應用過程中，可以機械結構零件進行關聯，從而調節整個結構系統的聲場特性，從而提升整個系統運行的穩定性。

2.3 彈性儲能調諧應用

在熱聲發電系統結構組成中，直線發電機屬于重要的運動結構，該結構的主要作用是將熱聲發動機中所存儲的聲功，借助結構驅動使其可以轉換為可以利用的電能。為了提升結構運行的穩定性，通常情況下，會對熱聲發動機結構進行固定，同時也會將發電機機械彈簧的彈性示數進行調整，使其可以滿足系統結構的運行需求。此類彈性儲能調諧結構能夠代替原系統中駐波諧振管進行工作，并且在運行過程中可以保持結構的諧振屬性，從而提升系統的阻抗匹配性。

3? 熱聲直線發電系統聲學阻抗匹配性設計

3.1 數學模型的構建

在模型匹配性設計過程中，為了提升結構本身的適用性，可以在原結構上增加可控聲功捕獲電負載結構，從而使整個系統的運行狀態趨于平衡，使其能夠滿足阻抗匹配性設計要求。在結構運行使用的過程中，可控聲功捕獲電負載結構可以直接嵌入到發電機結構當中，此時的結構以能量轉換器為樞紐，與機械結構組成阻抗，此時可控聲結構也將直接與其他結構進行關聯，使其可以形成相位耦合阻抗運行模式。

3.2 最大聲功匹配設計方法

在聲功控制過程中，其最大控制率與系統中的各項參數存在著直接聯系，如熱聲功率、直線發電功率、電負載情況、活塞面積、系統阻尼系數、機械彈簧的彈力系數、負載電容數值等。在對最大聲功匹配進行設計時，可以借助公式來計算不同參數的權重，根據權重計算結果，來構建完善的綜合評價體系，根據評價體系對相關內容進行評價，從而有效提升系統的運行穩定性。

3.3 匹配性Matlab仿真分析

3.3.1 負載電阻抗分析

在結構彈力系數不變的情況下，負載電阻抗出現變化時，系統本身所產生的阻抗角也隨之發生變化，若結構所連接的負載電阻值為10Ω時，在負載電容為12μF時，系統的耦合角度趨近于零，即此時可以捕獲的聲功數值最高，系統的運行效率最大。若結構所連接的負載電阻值為50Ω時，系統在負載電容為17μF時達到最小值，但是無法接近于零，負載電阻為200Ω時，耦合角度的變化量不大，一直處于比較穩定的狀態。若在此類情況下想要提升捕獲聲功，需要通過改變彈性系數的方式進行。

3.3.2 發電機聲學阻抗

如圖三所示，該圖為發電機聲學阻抗與結構之間的關聯性，由圖中所顯示的內容可得，在負載電阻值保持不變時，彈性剛度的增加會提升結構的聲功捕獲率，在達到某一臨界值之后，聲功又會逐漸降低。而最佳的彈性剛度數值在300kN/m左右，而最佳負載電阻值在10Ω左右，表明該狀態即為整體結構的平衡狀態，可以滿足匹配性設計需求。

4? 結語

綜上所述，電能作為社會經濟發展的主要能源供應，在實際發展過程中，如何提升利用效率也成為企業關注的重點話題，熱聲直線發電系系統結構的應用，能夠有效提升單次的利用效率，具有非常大的發展潛力。通過研究系統聲學阻抗匹配機理與匹配性設計內容，對于提高系統應用穩定性有著積極的意義。

參考文獻

[1] 高曉曦.熱聲直線電機起振及發電控制策略的研究[D].沈陽工業大學，2018.

[2] 李文瑞.橫向磁通永磁直線熱聲發電機空間磁場計算及特性分析[D].沈陽工業大學，2018.

[3] 何新.熱聲直線發電系統聲學阻抗匹配機理與匹配性設計研究[D].沈陽工業大學，2016.