Optimization of a Metallic Thermoacoustic Sound Source

Thumbnail Image

Files

master_Vesterinen_Visa_2010.pdf (18.89 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2010

Department

Informaatio- ja luonnontieteiden tiedekunta

Major/Subject

Fysiikka

Mcode

Tfy-3

Degree programme

Language

en

Pages

v + 48 + [5]

Series

Abstract

Propagation of sound in fluids is regarded only as an isentropic process in traditional applications, but the underlying theory of fluid dynamics and thermodynamics gives rise to interesting phenomena in specialized conditions. Thermoacoustic coupling is a weak, localized process which can be used to drive thermal engines with acoustic power. In the inverse situation, thermal energy can be converted into sound and even ultrasound. In this work, theoretical foundations of thermoacoustic loudspeakers are reviewed. Coupling of temperature and pressure in fluids can be explained with two partial differential equations. By solving thermoacoustic fields analytically and numerically, the performance of various loudspeaker designs can be studied. Theory is compared to experiments with the aid of suspended metal wire array loudspeakers manufactured by VTT Technical Research Centre of Finland. It is essential to understand the interplay between frequency-dependent factors that limit acoustic performance. In the search for the ultimate limit of loudspeaker efficiency, it can be justified that the upper bounds are determined by loudspeaker size and the parameters of the fluid which control thermoacoustic coupling strength. Several optimization steps are proposed for improving the metal wire array loudspeakers.

Äänen etenemistä kaasussa, kuten esimerkiksi ilmassa, käsitellään perinteisesti isentrooppisena ilmiönä. Teoria virtaus- ja termodynamiikasta on kuitenkin monipuolinen ja sen avulla voidaan ymmärtää mielenkiintoisia ilmiöitä, jotka näkyvät vain erikoistilanteissa. Näistä ilmiöistä yksi on termoakustinen kytkeytyminen, joka sitoo paine- ja lämpötilakentät heikosti yhteen. Lämpövoimakoneita voidaan ajaa termoakustisesti käyttämällä ääniaaltoja teholähteenä. Kääntäen on mahdollista tuottaa lämpöenergiasta ääntä sekä ihmisten kuulemilla taajuuksilla että ultraäänitaajuuksilla. Tässä diplomityössä selitetään teoreettisesti, miten termoakustiset kaiuttimet toimivat. Äänen ja lämpötilan oskillaatioita kuvataan kahdella toisiinsa kytkeytyneellä osittaisdifferentiaaliyhtälöllä. Kaiuttimien suorituskykyä tutkitaan ratkaisemalla ilman paine- ja lämpötilakentät analyyttisesti ja numeerisesti. Tuloksia vertaillaan akustisiin mittauksiin, joissa termoakustisina äänilähteinä toimivat ripustettujen metallilankojen muodostamat hilat. Lankahilat on suunniteltu ja valmistettu Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa (VTT). Kaiutinanalyysissä selvitetään, miten suorituskykyä eli hyötysuhdetta vähentävät, taajuudesta riippuvat tekijät suhtautuvat toisiinsa. Työssä löydetään termoakustisen kaiuttimen hyötysuhteen yläraja, johon vaikuttavat ainoastaan kaiuttimen koko ja kaiutinta ympäröivän ilman termofysikaaliset ominaisuudet. Lisäksi pohditaan lankahilakaiuttimien optimoimista monelta kantilta.

Description

Supervisor

Kauppinen, Esko

Thesis advisor

Hassel, Juha

Keywords

applied physics, sovellettu fysiikka, thermoacoustic, termoakustiikka, sound generation, äänilähde, suspended metal wire, ripustettu metallilanka, frequency response, taajuusvaste, acoustic efficiency, akustinen hyötysuhde, ultrasound, ultraääni

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122357909

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI