热声直线发电系统声学阻抗匹配机理与匹配性设计研究

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　　摘   要：本文针对热声直线发电系统组成结构的相关内容进行分析，结合热声直线发电系统声学阻抗匹配机理，包括匹配方法分析、集总声学流源模型构建、弹性储能调谐应用等内容，通过研究数学模型的构建、最大声功匹配设计方法、匹配性Matlab仿真分析等匹配性设计方案的具体内容，目的在于优化热声直线发电系统的运行结构，提高系统的运行可靠性。
　　关键词：热声直线发电系统  声学阻抗匹配机理  弹性储能调谐
　　中图分类号：TM 615                               文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0097-02
　　1  热声直线发电系统的组成结构
　　热声直线发电系统主要由热声发动机与直线发电机机构组成，两组系统融合在一起便构成了整体应用系统，该系统主要由以下几部分构成：第一，主冷却器结构与次冷却器，主要辅助热声的冷却，使其保持在合理的声控范围内。第二，声容管道与惯性管道，结构主要用于存储声波，同时也负责缓冲声波。第三，加热器结构、回热器、热缓冲结构。三组结构共同组成了加热结构，为发电作出准备。第四，直线电源结构，在发动机进行声学处理后，直接将其输送至直线发电机，由其进行下一阶段的处理。
　　2  热声直线发电系统声学阻抗匹配机理分析
　　2.1 匹配方法分析
　　从系统的构成来看，热声直线发电系统整机性能的提高不仅依赖于热声发动机的设计，也依赖于直线发电机的设计[1]。热声直线发电系统的两机耦合处声波压力与热声发动机的机械结构和气体工质特性相关，因此从两机耦合处声学输出特性出发，对直线发电机声学阻抗进行合理设计，也可以实现两机阻抗匹配。通过对发电机机械结构及其电负载进行合理设计与控制，可提高直线发电机在声学流道捕获声功的能力，从而提高系统输出的电功和声电效率，实现系统能量优化运行[2]。
　　2.2 集总声学流源模型构建
　　在集总声学流源模型构建的过程中，加入了热声波动观点、热声网络分析方法、热动力学思想等观念，此类内容也是开展模型研究的重要依据。在模型构建的过程中，需要明确热声发动机循环过程的运行原理，将运行原理结构与直线发电机进行关联，找到两者之间的最优化相位耦合结果，从而提高结构的应用效果。在具体的应用过程中，可以机械结构零件进行关联，从而调节整个结构系统的声场特性，从而提升整个系统运行的稳定性。
　　2.3 弹性储能调谐应用
　　在热声发电系统结构组成中，直线发电机属于重要的运动结构，该结构的主要作用是将热声发动机中所存储的声功，借助结构驱动使其可以转换为可以利用的电能。为了提升结构运行的稳定性，通常情况下，会对热声发动机结构进行固定，同时也会将发电机机械弹簧的弹性示数进行调整，使其可以满足系统结构的运行需求。此类弹性储能调谐结构能够代替原系统中驻波谐振管进行工作，并且在运行过程中可以保持结构的谐振属性，从而提升系统的阻抗匹配性。
　　3  热声直线发电系统声学阻抗匹配性设计
　　3.1 数学模型的构建
　　在模型匹配性设计过程中，为了提升结构本身的适用性，可以在原结构上增加可控声功捕获电负载结构，从而使整个系统的运行状态趋于平衡，使其能够满足阻抗匹配性设计要求。在结构运行使用的过程中，可控声功捕获电负载结构可以直接嵌入到发电机结构当中，此时的结构以能量转换器为枢纽，与机械结构组成阻抗，此时可控声结构也将直接与其他结构进行关联，使其可以形成相位耦合阻抗运行模式。
　　3.2 最大声功匹配设计方法
　　在声功控制过程中，其最大控制率与系统中的各项参数存在着直接联系，如热声功率、直线发电功率、电负载情况、活塞面积、系统阻尼系数、机械弹簧的弹力系数、负载电容数值等。在对最大声功匹配进行设计时，可以借助公式来计算不同参数的权重，根据权重计算结果，来构建完善的综合评价体系，根据评价体系对相关内容进行评价，从而有效提升系统的运行稳定性。
　　3.3 匹配性Matlab仿真分析
　　3.3.1 负载电阻抗分析
　　在结构弹力系数不变的情况下，负载电阻抗出现变化时，系统本身所产生的阻抗角也随之发生变化，若结構所连接的负载电阻值为10Ω时，在负载电容为12μF时，系统的耦合角度趋近于零，即此时可以捕获的声功数值最高，系统的运行效率最大。若结构所连接的负载电阻值为50Ω时，系统在负载电容为17μF时达到最小值，但是无法接近于零，负载电阻为200Ω时，耦合角度的变化量不大，一直处于比较稳定的状态。若在此类情况下想要提升捕获声功，需要通过改变弹性系数的方式进行。
　　3.3.2 发电机声学阻抗
　　如图三所示，该图为发电机声学阻抗与结构之间的关联性，由图中所显示的内容可得，在负载电阻值保持不变时，弹性刚度的增加会提升结构的声功捕获率，在达到某一临界值之后，声功又会逐渐降低。而最佳的弹性刚度数值在300kN/m左右，而最佳负载电阻值在10Ω左右，表明该状态即为整体结构的平衡状态，可以满足匹配性设计需求。
　　4  结语
　　综上所述，电能作为社会经济发展的主要能源供应，在实际发展过程中，如何提升利用效率也成为企业关注的重点话题，热声直线发电系系统结构的应用，能够有效提升单次的利用效率，具有非常大的发展潜力。通过研究系统声学阻抗匹配机理与匹配性设计内容，对于提高系统应用稳定性有着积极的意义。
　　参考文献
　　[1] 高晓曦.热声直线电机起振及发电控制策略的研究[D].沈阳工业大学，2018.
　　[2] 李文瑞.横向磁通永磁直线热声发电机空间磁场计算及特性分析[D].沈阳工业大学，2018.
　　[3] 何新.热声直线发电系统声学阻抗匹配机理与匹配性设计研究[D].沈阳工业大学，2016.
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