1. 热声现象及热声效应

2. 热声技术

3. 热声发动机技术

4. 热声制冷机技术

5. 热声热泵技术

1. 热声现象及热声效应

简单地说，热声效应是由热在弹性介质（常为高压惰性气体）中引起声学自激振荡的物理现象。如下图所示的简单装置，当热量施加到热端换热器上，热端换热器所包围的气体被加热。气体膨胀并产生首个压力扰动波前，向两端以声速传播。同时由于膨胀后的气体被推入回热器板叠的空隙中，回热器的温度低于热端换热器，气体换热后体积收缩，收缩的气体有向回运动的倾向。同时，第一个压力波前传播到谐振腔的端部而反射回来，反射波与气体收缩运动相叠加。在某一频率（由谐振管长度与声速度决定）上产生正反馈加强，经若干个周期的重复加强后，达到饱和而形成持续的谐振波动。这个过程完成了热到声波形式的机械能的转换，这一过程就是“热声正效应”。这个热声装置就是最简单的“热声发动机”。如果在谐振管中利用电声振荡装置产生声压力波，“热声逆效应”的结果就会使得两个换热器间产生温差，即泵热过程。利用这个泵热过程，就可以制作由声波进行制冷的“热声制冷机”。目前的热声制冷机已可轻易地实现摄氏零下200度以下的低温。

此外，将上述两套系统连接在一起。一个系统加热，产生声振荡，另一个系统吸收声振荡进行制冷。这样的系统可以实现完全无机械运动部件，由热直接驱动的制冷机。

2. 热声技术

热声技术实质上是一项“热机技术”。有人甚至称热声热机为“第四代热机”（美国Swift）。如同蒸汽机或内燃机一样，热声热机可将热转换为机械能，或用机械能产生温度差。因此在热能利用和低温制冷方面有广泛的应用。与今天大量使用的内燃机不同，并不一定需要用液体或气体燃料注入到气缸内部燃烧做功，只要有热量施加在热头就能工作。在化石能源日益短缺的今天，这就使低成本地利用太阳能热发电或产生机械功成为可能。

现有发动机中与热声热机最为接近的是斯特林热机（Stirling Engine，最早的外燃机）。斯特林制冷机和斯特林发动机已经有多年商业应用。常规动力潜艇的静音动力电源、当前大功率太阳能发电最高效率的保持者和深空探测器中的核衰变热发电机都有斯特林热机的身影。但由于造价和可靠性问题限制了其广泛应用。热声热机与斯特林热机的不同之处，是利用声学特性实现内部气体的配置，而不是利用高温或低温处的机械活塞。这就为降低制造成本和提高可靠性提供了良好的特性。两者有相近的应用领域和方式，本征效率相近。但热声热机可靠性更高，成本更低，寿命更长。

对于热声发动机的意义和在热机家族中的地位，可由图2说明。社会生活与工业已经离不开动力装置。交通与电力生产是最重要的应用场所。由于化石燃料是以往的主导能源，化石能源的特性也就决定了动力装置的命运。在今天的交通领域，航空动力以燃气轮机为主导，其特征是流体燃料在机内燃烧，高温产生气体膨胀推动旋转的涡轮或喷射高速气流产生推进力；汽车等相对小功率的交通工具则广泛采用气缸活塞结构的汽油机或柴油机，其特征是流体或气体燃料在气缸内燃烧，高温产生气体膨胀推动往复运动的活塞再驱动曲柄连杆机构获得动力输出；在现代火力发电系统中，以煤炭、重油燃烧或核燃料裂变作为热源，燃料的特性决定其为外燃方式，即在锅炉中产生高压水蒸汽推动汽轮机产生旋转动力。综合起来，我们不难发现只有内燃和外燃两种燃烧方式，涡轮旋转和活塞往复两种动力产生方式，由此产生如图2所示的四种组合。内燃-旋转、内燃-往复与外燃-旋转在今天的能源工业与交通工业中大量使用，主导了热机应用。而外燃-往复方式在历史上曾经以瓦特的蒸汽机为代表，随着燃料变化和技术发展而逐渐淘汰。斯特林外燃机也属于这个形式，但因可靠性与成本问题而未得到大量使用。热声热机技术克服了斯特林热机的这些缺点，随着能源结构的转变，尤其是太阳能热利用的需求增加，有望成为广泛使用的热机技术。

3. 热声发动机技术

利用热在压力气体中产生自激振荡这一热声现象，可以实现将热转换为压力波动，也即声波，压力波是交变机械能，也就实现了热-机转换。热声发动机就是指通过热声效应由热产生机械动力的装置。

与传统的热机技术相比，热声技术具有以下突出优点和发展潜力：第一，可靠性高：热声发动机和热声制冷机都没有运动部件，它们的压缩过程和膨胀过程完全有声波自身具有的升高和降低来实现；第二，效率高：由于没有机械运动部件，因此常规热机中因机械摩擦而产生的损失就可避免；第三，结构简单、制作成本低：热声热机主要由换热器、回热器和管道组成，其机械加工复杂程度比传统动力机械大大降低，因此制造成本可以更低；第四，环保和广泛的适应性：热声技术一般采用惰性气体作工作介质，同时是一种外燃式的设备，因此具有更高的环保特性，可采用多种热源驱动工作（太阳能、生物质能、工业余热等）。研究热声效应和热声技术的内在物理机理和能量转换特性，包括声学特性、气体传热特性、流动特性、热功转换特性等并非易事。经过很多人多年努力，迄今已经建立起来了较为系统的热声设计理论。在理论的指导下，已经制造出了多个热声发动机和制冷机产品，并逐渐形成了完整的技术体系。

为便于说明，前面用最简单的驻波系统介绍了基本原理。实际的热声系统为获得高的效率和可靠的工作特性，一般采用行波结构（如图3左）。新近提出（中科院罗二仓）并成功运行了的双作用多缸行波热声发动机，不需要谐振管，使得热声热机更为高效和紧凑，极有利于实用化（见图3中、右所示）。

4. 热声制冷机技术

与热声发动机相反，利用热声逆效应可以实现通过声波（交变机械能），将热从低温输送到高温的泵热过程。当高温端固定在环境温度时，低温端的温度就会持续降低而实现制冷的功能。

声波可以通过电声器件（或直线振荡电机）产生，也可以由前述的热声发动机产生。前者方便在大部分有电力供应的应用场合，而后者可以实现利用热源直接制冷，在特定的场合有独特的优势。

5. 热声热泵技术

与热声制冷类似，但将低温端的温度固定为环境温度，可以实现高效制热，即热泵功能。在工业过程与生活中，很多场合都需要用电力产生热。常见的加热方式是采用电热元件将电力通过电阻发热产生热能，但这种热产生方式不经济，能源利用效率低。热泵作为一种新型的加热方式可以提高数倍的能源利用效率，如空气源、水源或地源热泵等。目前现有的热泵利用工质的压缩-蒸发过程（常见空调系统的逆过程）实现热泵功能。然而，由于工质特性的限制，这种热泵很难实现大温差泵热（一般低于100摄氏度），限制了在更高温度的应用。

利用热声热机，可以实现更高温度的泵热过程而制造热声热泵。由于热声热泵采用气体工质，适宜在很宽的温度范围内工作，因此热声热泵更适合高温（高于150摄氏度）应用场合。