還記得《變形金剛》裏機器人們(men) 所爭(zheng) 奪的“能量塊”嗎？它體(ti) 積雖小，但蘊含的能量卻不可估量。

（圖片來源：動畫片《變形金剛》）

在目前地球上已探明的能源中，最接近“能量塊”的能源毋庸置疑是核能。1公斤鈾235核裂變釋放的熱能大約相當於(yu) 燃燒2700噸標準煤或1700噸原油。但是，如果想讓人類創造出的機器人隨意進行星際穿越，還需要利用發動機或發電機將核熱能轉化為(wei) 機械能或電能，使得機器人能有足夠的能量運作。

一提到發動機，大家首先想到的可能是柴油機、汽油機或燃氣輪機，這些發動機均具有很多精密的高溫機械運動部件，需要定期維護保養(yang) 。

四缸柴油機（圖片來源：https://gfycat.com/）

燃氣輪機

（圖片來源：https://gfycat.com/）

今天，大院er將向大家介紹一種機械運動部件很少，甚至沒有機械運動部件的發動機—熱聲發動機。

什麽(me) ？管子會(hui) 唱歌？

在認識熱聲發動機之前，我們(men) 先簡單了解一下什麽(me) 是熱聲效應。早在18世紀初期，熱與(yu) 聲之間的相互作用就引起了聲學家的興(xing) 趣。在此之前，牛頓認為(wei) 聲波在空氣中的膨脹和壓縮不會(hui) 影響溫度，計算得到空氣中聲速約為(wei) 297m/s。直到18世紀初期，拉普拉斯考慮了聲音在空氣中傳(chuan) 播時空氣溫度的變化，從(cong) 而修正了牛頓的預測值，才得到空氣中更為(wei) 準確的聲速。

不僅(jin) 如此，熱與(yu) 聲之間的相互轉化現象也不斷被人們(men) 發現。早在1777年，拜倫(lun) ·希金斯（Byron Higgins）發現，在將氫氣火焰放在一段兩(liang) 端開口的空管子中的適當位置時，管子中會(hui) 激發出聲波，這就好像是管中的火焰在唱歌。因此，人們(men) 形象地將這一現象稱為(wei) “歌焰”(Singing Flame)效應。

“歌焰”效應(Plavnik G. 2006)

1859 年，裏克（Rijke）發現，用加熱過的金屬絲(si) 網代替希金斯（Higgins）管中可燃性氣體(ti) 的火焰，能獲得比希金斯管更為(wei) 顯著的聲振蕩現象。這種帶有加熱金屬絲(si) 網的管子被稱為(wei) 裏克管。如今，裏克管振蕩被廣泛地應用於(yu) 脈衝(chong) 燃燒器以及熱聲效應的演示實驗。

裏克管，隻要在空管中放置一片金屬絲(si) 網，並在下方加熱，管子就會(hui) 發出聲音（圖片來源：維基百科）

十八世紀中期，歐洲的吹玻璃工人也發現：當他們(men) 將溫度較低的細玻璃管與(yu) 熱玻璃泡連接時，細玻璃管的另一端（即開口端）有時會(hui) 發出聲音。桑德豪斯（Sondhauss）隨後對此進行了深入研究，後來這種一端開口、另一端封閉的熱聲振蕩管就被人們(men) 命名為(wei) “桑德豪斯管”。

桑德豪斯管，將高溫的玻璃球連接到一根細玻璃管上時，玻璃管頂端會(hui) 有聲音發出（圖片來源：作者提供）

1949 年，Taconis（可音譯為(wei) 塔克尼斯）在實驗中偶然發現將一端封閉，另一端開口的管子的開口端伸入到液氦的液麵時，管中將可能發生聲波的振蕩，這就是低溫領域著名的的Taconis 振蕩。Taconis振蕩的原理與(yu) 桑德豪斯管類似，它可能發生在低溫與(yu) 室溫之間的充滿氣體(ti) 的管道中。這種振蕩會(hui) 破壞管道內(nei) 的穩定性，對低溫係統有著不利的影響。

（圖片來源：作者提供）

以上這些熱與(yu) 聲相互轉化的現象我們(men) 都稱為(wei) 熱聲效應（Thermoacoustic effect）。

那麽(me) ，為(wei) 什麽(me) 會(hui) 產(chan) 生熱聲效應呢？

1878年，瑞利（Rayleigh）給出了定性解釋：如果在氣體(ti) 最致密的時候加入熱量或最稀薄的時候吸取熱量，聲振動就會(hui) 被加強（熱能變成聲能形式的機械能）；反之，如果在氣體(ti) 最致密的時候吸取熱量或最稀薄的時候加入熱量，聲振動就會(hui) 被衰減（聲能變為(wei) 熱流）。

瑞利爵士（Lord Rayleigh），1842–1919，英國物理學家，因發現了惰性氣體(ti) “氬”以及在氣體(ti) 密度精確測量方麵所作出的貢獻，獲得了1904年度諾貝爾物理學獎（圖片來源：維基百科）

熱聲效應也能製造發動機？

按照能量轉換方向的不同，熱聲效應可以分為(wei) 兩(liang) 類：一類用溫度變化來產(chan) 生聲音,即熱致聲效應；另一類是用聲音來產(chan) 生溫度變化，即聲致冷（熱）效應。

熱聲發動機是利用熱聲效應，實現熱能到機械能（聲能）轉化的一類發動機。當然我們(men) 也可以利用聲致冷（熱）效應構成熱聲製冷機或熱聲熱泵。

典型的熱聲發動機通常包括一段耐壓的聲學管道、位於(yu) 管道內(nei) 的熱端換熱器、回熱器（在駐波熱聲發動機中，我們(men) 有時稱其為(wei) 板疊），以及冷端換熱器。管道內(nei) 通常充注高壓惰性氣體(ti) ，如氦氣、氮氣等。熱端換熱器和冷端換熱器分別與(yu) 外界熱源和冷源進行熱交換，從(cong) 而在回熱器兩(liang) 端建立起溫差。

熱聲發動機結構（圖片來源：中科力函）

熱聲效應主要發生在回熱器中，其結構一般為(wei) 多孔介質結構。簡單來說，我們(men) 可以將回熱器看作一種帶有孔隙的固體(ti) 。

熱聲發動機中的回熱器(圖片來源：Swift GW. 2017)

需要說明的是，“熱聲發動機”一詞中的聲既具有通常意義(yi) 上聲波的概念，即一定頻率的壓力波動，同時它的強度又遠大於(yu) 日常生活中接觸到的聲波。一般普通人說話的聲音在40分貝到60分貝之間，而熱聲發動機中的聲壓級在200分貝左右。在實際熱聲發動機中，聲波在耐壓管道內(nei) 的高壓氣體(ti) 中傳(chuan) 播。其中發動機的振蕩頻率由聲學管道的長度和氣體(ti) 聲速共同決(jue) 定，典型的頻率為(wei) 20～1000 Hz。熱聲發動機中工作氣體(ti) 典型的平均壓力為(wei) 1~15 MPa，而典型局部壓力波動幅值可以達到平均壓力的10％甚至更高。

熱聲發動機是一種由外部供熱（或燃燒）的發動機，因此它可以利用太陽能、生物質/化石燃料燃燒熱、工業(ye) 餘(yu) 熱、核熱等不同形式的熱源。此外，與(yu) 傳(chuan) 統的發動機不同，熱聲發動機內(nei) 部沒有任何運動部件，因此它具有結構簡單、可靠性高、使用壽命長等突出優(you) 點。

我們(men) 知道，聲波在介質中傳(chuan) 播分為(wei) 行波和駐波兩(liang) 種形式。相應地，按照回熱器中的典型聲場特性，可將熱聲發動機分為(wei) 駐波熱聲發動機和行波熱聲發動機。對於(yu) 駐波熱聲發動機，其回熱器內(nei) 的壓力和速度振蕩的相位差接近90°。

駐波（上）和行波（下），背景色表示壓力（紅色為(wei) 高值，藍色為(wei) 低值），其中的點表示氣體(ti) 分子運動（圖片來源：https://www.comsol.com/multiphysics/acoustics）

駐波熱聲發動機（圖片來源：作者提供）

而對於(yu) 行波熱聲發動機，回熱器處的壓力波動和速度振蕩近似同相，這與(yu) 傳(chuan) 統斯特林發動機回熱器中的相位關(guan) 係是一致的，因此行波熱聲發動機的熱效率比駐波熱聲發動機更高（對斯特林發動機的介紹我們(men) 留在下一節進行）。目前，行波熱聲發動機在實驗室獲得的最高熱效率達到了36%，這一熱效率可以與(yu) 內(nei) 燃機的效率相媲美。

行波熱聲發動機（圖片來源：作者提供）

此外，通過將多個(ge) 相同的熱聲發動機核心單元通過聲學管道首尾相連，形成環路結構，還可以構成雙作用型行波熱聲發動機，這樣的結構有助於(yu) 提升熱聲發動機的輸出功率和功率密度。

雙作用型行波熱聲發動機

（圖片來源：作者提供）

熱聲發動機產(chan) 生的高強度壓力波動可用於(yu) 驅動多種負載，如脈衝(chong) 管製冷機、熱聲製冷機或發電機等。

美國Las Alamos國家實驗室與(yu) Praxair公司聯合研製的行波熱聲發動機驅動脈衝(chong) 管製冷機用於(yu) 天然氣液化，可實現燃燒 30%的天然氣，從(cong) 而液化其餘(yu) 70 %的天然氣(圖片來源：Wollan JJ, et al.2002)

荷蘭(lan) Sound Energy公司研製的熱聲空調，其原理是利用熱聲發動機產(chan) 生高強度壓力波動，再利用該壓力波動驅動熱聲製冷機。當使用100-200°C的工業(ye) 廢熱或太陽能為(wei) 熱源時，可以提供25kW的冷量（圖片來源：Sound Energy）

什麽(me) 是熱聲發電技術？

說完了熱聲發動機，我們(men) 來聊聊熱聲發電技術，它是將熱聲發動機與(yu) 發電機（聲電轉換裝置）結合，通過發電機將熱聲發動機產(chan) 生的聲功轉換為(wei) 電功輸出的一類技術。

傳(chuan) 統熱聲發電係統主要采用直線發電機作為(wei) 聲電轉換裝置，下圖為(wei) 這類發電係統的典型結構示意圖。當對發動機熱端換熱器提供一定熱量，並冷卻發動機冷端換熱器，使回熱器兩(liang) 端達到一定溫差後，係統便會(hui) 產(chan) 生自激振蕩（即不外加信號係統內(nei) 部產(chan) 生的恒穩和持續的振蕩），熱能也會(hui) 因此轉換為(wei) 聲能，並推動直線發電機的活塞和動磁體(ti) 往複運動，使得發電機定子線圈中的磁通量發生變化，從(cong) 而感應出電動勢對外輸出電能。

行波熱聲發電係統，行波熱聲發動機驅動兩(liang) 台對置布置的直線發電機（圖片來源：https://advanceseng.com/）

我們(men) 也可以利用雙作用型行波熱聲發動機來驅動直線發電機進行發電，目前這樣的發電係統在實驗室已經獲得了最高9 kW的發電功率，熱電轉換效率高達23%。

雙作用行波熱聲發電機，包含4個(ge) 首尾相連的熱聲發電單元，每個(ge) 單元包含1台行波熱聲發動機和兩(liang) 台對置布置的直線發電機（圖片來源：作者提供）

1861年，英國牧師羅伯特·斯特林（Robert Stirling）發明了斯特林發動機。斯特林發動機是一種基於(yu) 封閉的回熱式熱力循環運行的熱力機械，它通過工作氣體(ti) (如空氣、氫氣、氦氣、氮氣等)在高低溫的循環膨脹和壓縮，實現熱能向機械能的轉換。這裏的封閉循環是指工作氣體(ti) 被永久約束在發動機係統內(nei) ，而回熱是指使用了一種特殊類型的用於(yu) 瞬態蓄熱的內(nei) 部熱交換器，稱為(wei) 回熱器，其結構也為(wei) 多孔介質結構。

羅伯特·斯特林（Robert Stirling），1790–1878，蘇格蘭(lan) 牧師，工程師。他發明了斯特林發動機並於(yu) 2014年入選Scottish Engineering Hall of Fame（圖片來源：維基百科）

曲柄連杆型斯特林發動機（圖片來源：https://www.appropedia.org/Stirling_motor）

典型的斯特林發動機主要由排出器活塞，動力活塞和三個(ge) 熱交換器組成：熱端換熱器，回熱器和冷端換熱器。動力活塞將動態氣壓轉換為(wei) 機械動力，而排出器活塞則用於(yu) 在室溫端換熱器和高溫端換熱器之間移動工作氣體(ti) 。

斯特林發動機結構簡圖

（圖片來源：作者提供）

早期的斯特林發動機中，排出器活塞和動力活塞通過曲柄和連杆等機械結構連接在一起，工作中需要油潤滑，相應帶來工作氣體(ti) 汙染和泄露等問題。1961年，美國俄亥俄大學威廉· 比爾（William Beale）進一步發明了自由活塞斯特林發動機，取消了原有斯特林發動機中的曲柄連杆機構，提高了斯特林發動機的可靠性和使用壽命。

自由活塞斯特林發電機，由右端的自由活塞斯特林發動機和左端的直線發電機耦合而成。（圖片來源：https://www.pinterest.co.kr/）

隨著熱聲學研究的不斷發展，研究人員對斯特林發動機又有了新的認識。從(cong) 熱聲學觀點來看，斯特林發動機與(yu) 熱聲發動機原理完全相同，可以看做是一種廣義(yi) 的熱聲發動機。斯特林發動機和熱聲發動機中，工作氣體(ti) 所經曆的熱力循環均為(wei) 熱聲循環，斯特林發動機利用排出器活塞來保證回熱器處的壓力波動和速度振蕩近似同相，熱聲發動機則利用聲學管道來保證回熱器處的壓力波動和速度振蕩近似同相。因此，就自由活塞斯特林發電機和傳(chuan) 統行波熱聲發電係統這兩(liang) 種係統而言，傳(chuan) 統熱聲發電係統相當於(yu) 利用聲學管道消除了自由活塞斯特林發電機中發動機側(ce) 的運動部件—排出器活塞。

自由活塞斯特林發電機（左）和行波熱聲發電機（右）

（圖片來源：NASA）

此外，熱聲發電係統還可以采用液態金屬磁流體(ti) 發電機、壓電陶瓷、雙向透平等作為(wei) 聲電轉換裝置，不過，這些熱聲發電係統大多還處在早期研發階段。

歐洲航空局提出的熱聲驅動液態金屬磁流體(ti) 發電係統（圖片來源：https://cordis.europa.eu/project/id/313096/reporting/es）

熱聲發電機的應用

作為(wei) 一種新型的熱發電技術，熱聲發電技術以其運動部件少、可靠性高、使用壽命長、熱電轉換效率高等優(you) 點，在空間電源、太陽能熱發電、分布式能源係統等領域具有發展潛力和重要應用前景。

美國擬在2025年前後重返月球，將空間核反應堆電源送上月球為(wei) 人類基地供電。該空間核反應堆電源采用自由活塞斯特林發電機技術作為(wei) 熱電轉換方案，目前已完成帶核樣機地麵測試。

美國Kilopower空間核反應堆電源的整體(ti) 概念和帶核樣機地麵測試係統結構（圖片來源：NASA）

此外，熱聲發電技術還可以應用於(yu) 太陽能熱發電、家用熱電聯產(chan) 裝置、汽車尾氣餘(yu) 熱回收等領域。

中科院理化所研製的太陽能驅動行波熱聲發電係統

（圖片來源：作者提供）

新型熱聲發電技術：

熱聲驅動摩擦納米發電機是什麽(me) ？

通過前麵的介紹我們(men) 知道，在現有的熱聲發電係統中，雖然熱聲發動機側(ce) 沒有運動部件，但是在發電機側(ce) ，大多具有固體(ti) 運動部件。這就在一定程度上降低了熱聲發電係統的可靠性，增加了研發難度。因此，我們(men) 能否研製一種完全沒有固體(ti) 運動部件的熱聲發電係統呢？

這顯然是可行的，比如將熱聲發動機與(yu) 摩擦納米發電機（Triboelectric nanogenerator, TENG）結合。通過摩擦起電和靜電感應，摩擦納米發電機可將多種形式的機械能有效轉化為(wei) 電能輸出，其潛在應用領域包括微納能源、自驅動傳(chuan) 感、藍色能源和高壓電源等。

近期，中科院理化所的研究人員提出將液態金屬基摩擦納米發電機（LM-TENG）耦合在駐波型熱聲發動機的諧振管中，從(cong) 而構建出一種完全無固體(ti) 運動部件的、高可靠的熱聲發電係統。

該發電係統的工作原理為(wei) ，熱聲發動機利用熱致聲效應將外部熱源的熱能轉化為(wei) 工作氣體(ti) 往複振蕩的聲能，氣體(ti) 的往複振蕩驅動U形諧振管中的液態金屬液麵做升降往複運動，使得摩擦納米發電機中兩(liang) 種摩擦電性質不同的材料[液態金屬和Kapton（聚酰亞(ya) 胺）]表麵周期性接觸和分離，利用兩(liang) 種材料之間摩擦/接觸起電產(chan) 生的電荷分離和感應電荷產(chan) 生的電勢差驅動外接電路中自由電子流動，進而將驅動兩(liang) 種材料接觸分離的聲能收集起來並轉化成電能輸出，最終實現從(cong) 熱能到電能的持續、穩定轉換。

熱聲驅動液態金屬基摩擦納米發電機工作原理

（圖片來源：作者提供）

實驗中，熱聲驅動液態金屬基摩擦納米發電機獲得了最高15 V的開路電壓輸出，驗證了這一新型熱聲發電技術的原理可行性。

參考文獻：

[1] 周遠,羅二倉(cang) .熱聲熱機技術的研究進展[J].機械工程學報,2009,45(03):14-26.

[2] Garrett SL, Backhaus S. The Power of Sound: Sound waves in" thermoacoustic" engines and refrigerators can replace the pistons and cranks that are typically built into such machinery. American scientist. 2000;88(6):516-25.

[3] Swift GW. Thermoacoustics: A unifying perspective for some engines and refrigerators [M].2017.

[4] 羅二倉(cang) ,戴巍,吳張華,吳劍峰.交變流動熱機的介觀熱力循環理論 第二部分 發動機回熱器的介觀熱力循環模型及分析[J].低溫工程,2004(02):1-10.

[5] Zhu S, Yu G, Tang W, Hu J, Luo E. Thermoacoustically driven liquid-metal-based triboelectric nanogenerator: A thermal power generator without solid moving parts [J]. Applied Physics Letters. 2021;118(11):113902.

作者： 朱順敏

單位：中國科學院理化技術研究所

來源：科學大院


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