怎樣制作熱聲效應(yīng)斯特林引擎

十九世紀(jì)的吹玻璃工人，偶爾會(huì)聽(tīng)到被加熱的玻璃管自然發(fā)出神秘的單音，這令人費(fèi)解的聲音其實(shí)是熱機(jī)的另一種輸出形式。一般的引擎以轉(zhuǎn)動(dòng)的形式輸出能量;聲音也具有能量，只不過(guò)以空氣作為傳遞的媒介。

熱聲效應(yīng)的原理

空氣振動(dòng)形成聲音，聲音發(fā)生時(shí)，為方便討論，將傳播聲音的空氣分成無(wú)數(shù)小塊空氣，應(yīng)用牛頓力學(xué)來(lái)分析空氣振動(dòng)的情形，會(huì)得到聲音的波動(dòng)方程式，此方程式的解顯示：聲音傳播時(shí)，各個(gè)小塊空氣都會(huì)發(fā)生膨脹收縮和位移。如果小塊空氣被壓縮后，再被加熱膨脹，對(duì)周圍空氣作較大的正功;之后這小塊空氣又先被冷卻，再被壓縮，作較小的負(fù)功 （周圍空氣對(duì)這小塊空氣作較小的功） 。雖然這小塊空氣并非對(duì)活塞或渦輪作功，而是對(duì)周圍空氣作功，事實(shí)上也完成了工作流體加熱后膨脹，冷卻后被壓縮的熱機(jī)循環(huán)，把熱能轉(zhuǎn)換成聲音振動(dòng)的能量，增加聲音的強(qiáng)度，此即所謂“熱聲效應(yīng)”。

凡是利用工作流體在冷、熱區(qū)間移動(dòng)，執(zhí)行壓縮的工作流體經(jīng)加熱而膨脹作正功，膨脹后先冷卻再壓縮作負(fù)功的熱機(jī)循環(huán)，這樣的機(jī)構(gòu)都被歸類為斯特林引擎。利用熱聲效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，也就稱為熱聲效應(yīng)斯特林引擎（thermoacoustics stirling heat engine） ，熱聲效應(yīng)斯特林引擎大致可分為駐波（standing wave）和行波（traveling wave）兩種。

駐波型斯特林引擎的作功原理

駐波型斯特林引擎，基本上是一端閉口，一端開(kāi)口的管狀共振腔，在共振腔內(nèi)近閉口端裝有熱片堆（stack），熱片堆中有許多平行共振腔軸向的密集穿孔。熱片堆在靠近閉端溫度較高，另一端溫度較低，于是延共振腔軸向的溫度梯度（temperature gradient）相當(dāng)大。

當(dāng)駐波發(fā)生時(shí)，熱堆片穿孔中的各小塊空氣（工作流體）向閉口端位移，而被壓縮，同時(shí)移向熱片堆較高溫處，該小塊空氣在熱穿透深度（thermal penetration depth）以內(nèi)的部分，會(huì)被熱片堆加熱，使得溫度升高，隨即膨脹對(duì)周圍空氣做較大的正功，駐波的能量于是加大，小塊空氣也隨著膨脹，同時(shí)移至熱片堆的冷端，當(dāng)能量增加的駐波再度壓縮這小塊空氣時(shí)，此小塊空氣已先被較低溫的熱片堆冷卻，只消耗較少的聲波能量即可被壓縮。于是，熱能便不斷地變成駐波的能量。

動(dòng)手做駐波型斯特林引擎

本文介紹一種駐波型熱聲效應(yīng)斯特林引擎的制作方法，所需材料都是一般實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的東西：

一、內(nèi)徑2cm、長(zhǎng)22cm試管一支。

二、直徑0.25~0.4mm的鎳鉻線和直徑0.8mm的漆包線。

三、內(nèi)徑1~1.2mm玻璃毛細(xì)管。

四、AB膠及膠帶等。

五、木材、螺絲釘?shù)取?/p>

另外還須要準(zhǔn)備電源供應(yīng)器。本實(shí)驗(yàn)的電源供應(yīng)器最好選擇能大范圍調(diào)整電壓和電流的類型。

首先將玻璃毛細(xì)管切成約2~3公分長(zhǎng)，再用AB膠黏成一束（圖一），裁切玻璃管時(shí)需留意切口鋒利傷人。玻璃毛細(xì)管束要能輕松塞入試管中，并且注意AB膠不要堵住毛細(xì)管口，玻璃毛細(xì)管束于是構(gòu)成許多軸向穿孔（圖二） ，AB 膠黏合處盡可能靠近玻璃毛細(xì)管束的一端 （不須整支毛細(xì)管都涂滿AB膠） ，在另一端，纏繞鎳鉻線 （圖三）。先將漆包線與鎳鉻線連接處的漆刮除后，鎳鉻線兩端分別連接漆包線，確保鎳鉻線和漆包線能導(dǎo)通。再用藍(lán)色膠帶將漆包線裹在玻璃毛細(xì)管束上，避免漆包線拉扯鎳鉻線或鎳鉻線松脫。

圖一：黏結(jié)完成的玻璃毛細(xì)管束。

圖二：玻璃毛細(xì)管構(gòu)成許多軸向穿孔。

圖三：玻璃毛細(xì)管束的一端纏繞鎳鉻線。

用木材制作一具簡(jiǎn)易的支架，以適當(dāng)方式將試管置于支架上，將一端纏繞鎳鉻線的玻璃毛線管置于試管中，導(dǎo)通鎳鉻線兩端的漆包線從試管口伸出即可。玻璃毛細(xì)管用鎳鉻線加熱的那頭向著試管封閉的底部，玻璃毛細(xì)管加熱區(qū)域的位置，大約在靠近試管底部三分之一試管總長(zhǎng)度的地方（圖四） 。

圖四：玻璃毛細(xì)管束的加熱區(qū)靠近試管底部約三分之一處。

自制斯特林引擎的操作

操作時(shí)需加熱，試管內(nèi)外的溫度都可能很高，務(wù)必小心，以免燙傷。先把電源供應(yīng)器的電壓調(diào)到最小，用鱷魚(yú)夾接通電源供應(yīng)器的輸出端和兩條從試管伸出的漆包線 （圖五）。逐漸調(diào)高電源供應(yīng)器的電壓，透過(guò)試管可以看到纏在玻璃毛細(xì)管一端的鎳鉻線開(kāi)始發(fā)出暗紅色的光，再調(diào)高電源供應(yīng)器的輸出功率，使鎳鉻線發(fā)出亮橘色的光（急速再升溫）（圖六）。注意不可使鎳鉻線發(fā)出白熾的亮光，否則鎳鉻線可能燒斷。再稍等約十秒鐘，試管就發(fā)出很響的單音。

圖五：電源供應(yīng)器提供電力使鎳鉻線加熱。

圖六：從鎳鉻線發(fā)光的顏色和亮度，可大致判斷鎳鉻線的溫度。

如果一直未發(fā)出聲響，可從試管垂直的方向，對(duì)試管口大力地吹口氣，或在試管口附近鼓掌，誘發(fā)熱聲效應(yīng)。通常如果對(duì)著空的試管這樣吹氣，就會(huì)像吹排笛時(shí)而發(fā)出的單音一般，試管只會(huì)發(fā)出聲音，但試管內(nèi)放入一端加熱的毛細(xì)管束制成的熱片堆，試管發(fā)出的聲音就會(huì)有好似回音一般的聲音，持續(xù)一段時(shí)間，這表示整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置完全正確，熱聲效應(yīng)也正常發(fā)生。此時(shí)再稍提高電源供應(yīng)器的輸出電壓使鎳鉻線溫度升高，試管就會(huì)持續(xù)發(fā)出相當(dāng)響的聲音了;或者也可經(jīng)過(guò)更急熱的程序︰先關(guān)掉電源，待其冷卻二十分鐘，再打開(kāi)電源急速升溫，試管不久也會(huì)發(fā)出響聲。

熱聲效應(yīng)引擎的改良與展望

駐波型熱聲斯特林引擎的工作流體，并未完全符合熱機(jī)循環(huán)的過(guò)程，所以效率較低。1998年左右C. M. de Blok等人發(fā)明行波型熱聲斯特林引擎，使其工作流體更合乎熱機(jī)循環(huán)的方式，將熱能轉(zhuǎn)換成聲音的能量，有效提高熱聲效應(yīng)斯特林引擎的效率。

熱聲效應(yīng)斯特林引擎是一項(xiàng)新的能源技術(shù)，可以使用多元能源作為動(dòng)力，目前美國(guó)和中國(guó)在此領(lǐng)域有較出色的研究成果，所產(chǎn)生的聲波可用來(lái)推動(dòng)熱聲致冷機(jī)液化氣體或冷卻電子設(shè)備，也可用來(lái)發(fā)電。