مقاله گرماصوتیات؛ تاریخچه و روند تکامل آن

بخشی از مقاله

چکیده

گرماصوتیات شاخه ای از علم است که به مطالعه تبدیل انرژی گرمایی به انرژی صوتی و برعکس میپردازد. این حوزه نوین تاکنون توجه فزاینده ای را در کشورهای امریکا، قاره اروپا، چین و ژاپن به خود اختصاص داده است. قوانین و اصول گرماصوتیات از ترکیب حوزه مکانیک سیالات پیشرفته، انتقال حرارت و فرآیندهای انتشار امواج صدا حاصل آمده است.

هدف از ترکیب این سه حوزه دستیابی به سازوکار نوین انتقال انرژی بدون نیاز به قطعه متحرک و سیالات مخرب محیط زیست بوده است. گرچه کشف پدیده گرماصوتیات نوین نمی باشد، اما کاربردها و استفادههای آن در دهههای اخیر رشد چشمگیر داشته است. موضوع گرماصوتیات به طور عام مشتمل بر مقولات متنوعی همچون سرمایش/گرمایش، تولید توان - صوتی و برقی - ، جدایش گازها، تصویربرداری پزشکی و ارتباطات گرماصوتی میباشد. تاکنون کاربرد کاهش دما به واسطه سامانههای گرماصوتی بیش از سایر کاربردهای این پدیده مورد استقبال بوده است. در این نوشتار ضمن بیان مقدمهای بر اصول گرماصوتی به بیان روند تکامل آن در مقولات مختلف پرداخته شده است.

.1 مقدمه ای بر گرماصوتیات

پدیده گرماصوتیّات فصل مشترک مفاهیم صوتیات و گرماپویایی - ترمودینامیک - 1 میباشد. سابقه کشف و تحقیقات پیرامون این پدیده به کمتر از دو قرن گذشته برمیگردد، اما جذابیت خاص در مفاهیم آن و کاربردهای گوناگونی که از این پدیده به دست آمده، موجب پیشرفت چشمگیر آن در علوم مهندسی گردیده است. پدیده گرماصوتیات فرآیند تبدیل انرژی حاصل از برهمکُنش نوسانهای دمایی با نوسانهای فشاری موج صوتی میباشد.

به دلیل اختلاف دمای ناچیز در امواج صداهای عادی که روزمره شنیده میشوند، برهمکُنش نوسان های دمایی با نوسانهای فشار موج صوتی قابل توجه نمیباشد؛ امّا در شرایط مناسب با تقویت اختلاف دمای ایجاد شده تا جاییکه اثرات گرماپویایی قابل توجهی همچون گرای - گرادیان - گرمایی تند، شارشهای گرمایی شدید و میدانهای قوی صوتی پدید آیند، این پدیده به وجود میآید. فهم جامع و نظریهسازی در گرماصوتیات نیازمند دانش و تخصص کامل در هر دو حوزه صوتیات و گرماپویایی میباشد.

.1-1 پدیده گرماصوتی

انقباض و انبساط امواج صدا - امواج طولی - در نسبت فشارهای بالا باعث ایجاد تغییرات دمایی قابل توجه میشود. ذرات گاز در نقاط انقباض و انبساط به ترتیب با افزایش و کاهش دما همراه هستند؛ این فرایند اساس عملکرد سامانههای گرماصوتی میباشد .[1] در واقع پدیدهی گرماصوتی از برهمکُنش نوسانهای فشار و اختلاف دما ایجاد میگردد؛ ترکیب این نوسانها اثرات گرماصوتی را به وجود میآورند. در پدیده گرماصوتی از امواج صدا به عنوان منبعی برای تلمبهی حرارت2 استفاده میگردد که اساس عملکرد یخچالهای گرماصوتی میباشد؛ از طرفی در موتورهای گرماصوتی از وجود اختلاف دما در لایههای مجاور درون گاز به عنوان یک منبع برای تولید موج صدا استفاده میشود. در شکل 1 به طور نمادین اساس عملکرد یخچال و موتور گرماصوتی نمایش داده شدهاند

شکل 1 اساس عملکرد یخچال - راست - و موتور گرماصوتی - چپ - با امواج صدا و انتقال حرارت 

در یخچالهای گرماصوتی بر خلاف موتورهای گرماصوتی با صرف کار صوتی، حرارت از منبع سرد به منبع داغ منتقل میشود. جزء اصلی سامانههای گرماصوتی، موج صدا میباشد. پدیدههای گرماصوتی بر اساس ماهیت فیزیکی موج صدای ایستاده1 و موج صدای رونده2 تقسیمبندی میشود

.2 روند تکامل گرماصوتیات

گرماصوتیات، تاریخچهای بیش از دو قرن دارد. اولین بار اثر گرماصوتی در اواخر قرن 18 میلادی به طور اتفاقی توسط شیشهگران3 مشاهده شد. آنها مشاهده نمودند که هنگام داغ شدن یک انتهای لوله شیشهای، صدایی از آن تولید میشود؛ اما آنها دلیل این اتفاق را نمیدانستند .[3] در سال 1777 ایجاد امواج نوسانی صدا به واسطه قرار دادن شعلهی هیدروژن در یک لوله بزرگ به نام لوله آوازخوان4 توسط هیگینز5 مورد آزمایش قرار گرفت [4] و .[5] در سال 1850یک فیزیکدان آلمانی به نام کارل فِردریش جولیوس ساندهاوس6 اثر گرماصوتی را در یک لولهی شیشهای باریک که به یک حباب شیشهای متصل بود، مورد مطالعه قرار داد.

.1-2 تاریخچه گرماصوتیات نظری

اولین مباحث نظری مرتبط با امواج صدا و ارتباط آن با نوسانهای دما در سال 1816 مورد توجه قرار گرفت؛ محققین در اوایل دههی 1970 دریافتند که با استفاده از صدا میتوان خنکسازی7 ایجاد نمود. ریلی8 نخستین کسی است که توصیفی کیفی درباره آنچه شیشهگرها مشاهده کردند را ارائه داد؛ لذا وی را میتوان اولین فردی دانست که توصیف کیفی اثرات گرماصوتی را ارائه و تشریح نمود. ریلی در کتاب خود با نام » نظریه صدا« 9 که در سال 1887 اولین نسخهی آن منتشر شد، به بحث درباره توانایی تولید اختلاف دما به کمک نوسانهای صدا پرداخت .[5] وی ویژگی نوسانهای حرارتی القا شده را به صورت یک نظریه معرفی نموده است که عبارت است از: »اگر حرارت در لحظه ای که ذرات گاز متراکم شدهاند به آنها داده شود و در زمانی که ذرات منبسط شدهاند از آنها گرفته شود، نوسانها تقویت میشوند و بالعکس.

برخلاف چرخه ی گرماپویاییِ تولید صدا، چرخه معکوس این پدیده، که در آن با استفاده از نوسانهای صوتی اختلاف دما ایجاد میشود، پدیده نسبتاً نوینی است. پایهی گرماصوتیات نظری از سال 1868 ، توسط کریشهف نهاده شد . [7] وی جذب انرژی صوتی ناشی از انتقال حرارت نوسانی بین دیواره لولهی همدما و گاز داخل آن را به دست آورد .[5] در سال 1949 کرامرز10 تلاش کرد تا نظریه کریشهف را برای لولهای که در راستای طولی آن گرای1 دمای شدیدی وجود داشته باشد، عمومیت بخشد. کارهای وی اولین تلاشها برای محاسبات کمی نوسانهای صوتی گرمارانده2 بود 

نقطه عطف در این زمینه در 1969 رخ داد؛ هنگامی که روت3 و همکاران، با الهام گرفتن از پدیدهی نوسانهای تاکونیس - 1949 - 4، رشته مقالات مهمی را منتشر نمودند که در آنها نظریه خطی5 گرماصوتیات مطرح شده بود. وی توصیفی از معادلات ریاضی برای گاز در حال نوسان در داخل لوله دارای گرای دما ارائه کرد. در سال1980 روت نتایج کارهای قبلیاش را در مقالهی مروری6 مهمی خلاصه و جمع نمود که اساس تلاشها و انگیزشهای بعدی در زمینه گرماصوتیات قرار گرفت .[8] یازاکی7 اثبات نمود که تحلیل روت در زمینه نوسانهای تاکونیس به لحاظ کمّی دقیق8 بوده است. در سال 1986 با اختراع یخچال موج ایستاده هافلر9، صحت نظریات روت در مورد مجراهای کوچک - باریک - مجدداً تائید شد

.2-2 تاریخچه کارهای تجربی

در دهه 1940 آزمایشگاههای تلفن بِل10 در آمریکا، اختراعیرا از هارتلِی11 دریافت نمودند که در زمینه مولدهای برقی12 بود .[11] این این مولدهای برقی توان صوتی13 را از لوله های ساندهاوس به سطح قابل توجهی از توان برقی تبدیل مینمودند. این اتفاق یکی از قدمهای مهم در توسعه موتورهای حرارتی14 به حساب میآید

ریکه در سال 1959 با قرار دادن صفحه توری حرارت داده شده در یک لوله عمودی، نوسانهای صوتی پرقدرتی را مشاهده کرد و مورد تحلیل قرار داد. از آن پس این نوسانها به عنوان نوسانهای ریکه مشهور شدند. این نوسانها به نوسانهایی که در محفظههای احتراق موشکها رخ میدهند نیز نسبت داده شدند. در آن زمان، نوسانهای گرماصوتی احتراق ریکه با واژههایی نظیر اسکریمینگ - فریادزننده - 15، اسکریچینگ - جیغ کشیدن - 16و چوگینگ - پِتپِت کردن - 17 معرفی و توصیف میشدند

در واقع میتوان از ساندهاوس و ریکه به ترتیب به عنوان پایهگذاران ماشینهای گرماصوتی موج ایستاده و موج رونده18 نام برد. در همین زمان و بهصورت کاملاً مستقل، یخچال تپ لوله19 به مهمترین موضوع فعالیتهای تحقیقاتی در زمینه خنکسازی زمگن تبدیل شد

این توسعه با کشف اتفاقی گیفورد20 و تحقیقات متعاقب او در مورد علت خنکسازیِ در اثر اعمال تپهای موج مربعی21 فشار، بر انتهای باز لوله یک سر بسته شروع شد؛ هرچند که علت این پدیده در همان زمان تشخیص داده نشد. در سال 1963 یخچال تپ لولهای برای اولین بار توسط گیفورد و دانشجوی او، لانگزورث22 در دانشگاه سیراکوز23 شناسایی و مورد بررسی قرار گرفت. این یخچال قادر به سردسازی تا دمای 150 کلوین بود