热声制冷

早在1816年，Laplace （Pierre-Simon, marquis de Laplace, French, 1749 – 1827）纠正Newton (Sir Isaac Newton, English, 1643 –1727 ) 早期声音在空气中速度的计算时，热和声的相互作用已经引起了声学家的兴趣。Newton假定声波在气体中的膨胀和压缩不会影响气体的温度。Laplace则认为实际上气体的温度会发生细微的变化，他还导出空气中的正确声速，比Newton的估计值快18％。

19世纪的玻璃工在吹制他们的手工艺品时，有时会听到这些手工艺品自发地发出声音。实际上，当他们在一个玻璃容器的一端加热时，不经意间就把它转变成了一台热声发动机。这种现象最早在1850年被是记载在科学文献中，那时热和声之间的关系已被比较好地认识到了。这种现象要通过热和声的相互作用进行解释。

玻璃工手中的热声发动机

Rijke 管、Sondhauss管和Taconis 振荡是最早实验研究热声振荡的例子。

热声效应

声波在空气中传播时会产生压力及位移的波动，声波的传播也会引起温度的波动。当声波所引起的压力、位移及温度的波动与一固体边界相作用时，就会发生明显的声波能量与热能的转换。

根据能量转换观点可将热声效应分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡；二是用声来产生热流，即声驱动的热量传输。其相应的机械装置分别为热声压缩机和热声制冷机。热声压缩机和热声制冷机在原理上是一致的，只是由于某些参数不同而导致了运行结果的迥异。

在一般情况下，为了在细长管子上产生很大的温度梯度，可对其封闭端进行加热，管内气体受热后膨胀产生压缩力导致气流运动；波动的气流靠近管壁处的气团不断地与管壁接触换热。由于气流的急速运动以及传热边界层粘滞性的存在，气团与管壁的换热不可能完全，管壁附近的气体温度与传热边界层以远的同平面（径向）气体的温度分布不同，即导致传热滞后现象，存在压力波与温度波之间的相位差，激发了气体的振荡。可见，气流运动与传热之间的相位差是产生热声振荡的必要条件。

若要获得颇具强度的热声振荡，不能只采用一根大管子就可实现。因为管内的传热受传热边界层的控制，只有那些接近管壁的气团才参与换热；采用由许多小管子组成热声发生器有可能有效。但实际上应采用众多狭道，会比管子更奏效，因为狭道的比表面积更大。

热声制冷机原理

小型热声制冷机

现代热声学实验方面最重要的发展之一是美国新墨西哥大学的Carter教授和他的研究生K. T.Feldman在1962年对Sondhauss管进行的改进。他们在Sondhauss管中采用适当的结构来提高它的效率，大大加强了管内的热声效应。1988年，美国Los Alamos国家实验室的G. W. Swift和J. T. Wheatley研制了第一台热声制冷机，并进一步发展Rott的热声理论。

由于热声机械没有运动部件，可实现长寿命运转，对空间技术等具有开发潜力和应用前景。另一方面，热声机械可采用热能（燃气、太阳能等）驱动，它的应用将为合理利用低品位能源、提高系统的热力学效率开辟新的途径。

热声天然气液化器