回热器 靠它，NASA将重返月球，声音的力量不简单
还记得《变形金刚》里机器人们所争夺的“能量块”吗？它体积虽小，但蕴含的能量却不可估量。
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在目前地球上已探明的能源中，最接近“能量块”的能源毋庸置疑是核能。1公斤铀235核裂变释放的热能大约相当于燃烧2700吨标准煤或1700吨原油。但是，如果想让人类创造出的机器人随意进行星际穿越，还需要利用发动机或发电机将核热能转化为机械能或电能，使得机器人能有足够的能量运作。
一提到发动机，大家首先想到的可能是柴油机、汽油机或燃气轮机，这些发动机均具有很多精密的高温机械运动部件，需要定期维护保养。
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四缸柴油机
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燃气轮机
今天，大院er将向大家介绍一种机械运动部件很少，甚至没有机械运动部件的发动机—热声发动机。
什么？管子会唱歌？
在认识热声发动机之前，我们先简单了解一下什么是热声效应。早在18世纪初期，热与声之间的相互作用就引起了声学家的兴趣。在此之前，牛顿认为声波在空气中的膨胀和压缩不会影响温度，计算得到空气中声速约为297m/s。直到18世纪初期，拉普拉斯考虑了声音在空气中传播时空气温度的变化，从而修正了牛顿的预测值，才得到空气中更为准确的声速。
不仅如此，热与声之间的相互转化现象也不断被人们发现。早在1777年，拜伦·希金斯（Byron Higgins）发现，在将氢气火焰放在一段两端开口的空管子中的适当位置时，管子中会激发出声波，这就好像是管中的火焰在唱歌。因此，人们形象地将这一现象称为“歌焰”(Singing Flame)效应。
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“歌焰”效应(Plavnik G. 2006)
1859 年，里克（Rijke）发现，用加热过的金属丝网代替希金斯（Higgins）管中可燃性气体的火焰，能获得比希金斯管更为显著的声振荡现象。这种带有加热金属丝网的管子被称为里克管。如今，里克管振荡被广泛地应用于脉冲燃烧器以及热声效应的演示实验。
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里克管，只要在空管中放置一片金属丝网，并在下方加热，管子就会发出声音
十八世纪中期，欧洲的吹玻璃工人也发现：当他们将温度较低的细玻璃管与热玻璃泡连接时，细玻璃管的另一端（即开口端）有时会发出声音。桑德豪斯（Sondhauss）随后对此进行了深入研究，后来这种一端开口、另一端封闭的热声振荡管就被人们命名为“桑德豪斯管”。
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桑德豪斯管，将高温的玻璃球连接到一根细玻璃管上时，玻璃管顶端会有声音发出
1949 年，Taconis（可音译为 塔克尼斯）在实验中偶然发现将一端封闭，另一端开口的管子的开口端伸入到液氦的液面时，管中将可能发生声波的振荡，这就是低温领域著名的的Taconis 振荡。Taconis振荡的原理与桑德豪斯管类似，它可能发生在低温与室温之间的充满气体的管道中。这种振荡会破坏管道内的稳定性，对低温系统有着不利的影响。
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以上这些热与声相互转化的现象我们都称为热声效应（Thermoacoustic effect）。
那么，为什么会产生热声效应呢？
1878年，瑞利（Rayleigh）给出了定性解释：如果在气体最致密的时候加入热量或最稀薄的时候吸取热量，声振动就会被加强（热能变成声能形式的机械能）；反之，如果在气体最致密的时候吸取热量或最稀薄的时候加入热量，声振动就会被衰减（声能变为热流）。
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瑞利爵士，1842–1919，英国物理学家，因发现了惰性气体“氩”以及在气体密度精确测量方面所作出的贡献，获得了1904年度诺贝尔物理学奖
热声效应也能制造发动机？
按照能量转换方向的不同，热声效应可以分为两类：一类用温度变化来产生声音,即热致声效应；另一类是用声音来产生温度变化，即声致冷（热）效应。
热声发动机是利用热声效应，实现热能到机械能（声能）转化的一类发动机。当然我们也可以利用声致冷（热）效应构成热声制冷机或热声热泵。
典型的热声发动机通常包括一段耐压的声学管道、位于管道内的热端换热器、回热器（在驻波热声发动机中，我们有时称其为板叠），以及冷端换热器。管道内通常充注高压惰性气体，如氦气、氮气等。热端换热器和冷端换热器分别与外界热源和冷源进行热交换，从而在回热器两端建立起温差。
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