سبد خرید شما خالی است!
در ادامه مقالات آموزشی رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات و پس از آشنایی با جریان آشفته و مدل های جریان آشفتگی در این مقاله آموزشی به آشنایی با مفهوم ترموآکوستیک می پردازیم که امیدواریم برای شما دانشجویان کارشناسی ارشد و فارغ التحصیلان رشته مهندسی مکانیک برای ارایه مقالات آموزشی و پژوهشی, پایان نامه های کارشناسی ارشد مفید واقع شود .
کلمه ترموآکوستیک از دو کلمه ترمو به معنای گرما و آکوستیک به معنای صوت تشکیل شده است. این خاصیت به استفاده از گرما برای تولید امواج صوتی اشاره دارد؛ بدین صورت که اگر بتوان طی مکانیزمی هوای یک ناحیه را گرم و سرد نمود، این تغییر دمای محیط سبب تغییر فشار محیط میشود. اگر این تغییر دما تناوبی باشد تغییر فشار نیز به صورت تناوبی خواهد بود و در نتیجه صوت تولید میشود. اما برای تولید صوت به این روش، مکانیزمی لازم است که بتوان طی آن، یک ناحیه نازک از یک محیط را سرد و گرم نمود. برای درک بیشتر پدیده، سیمی را در نظر بگیرید که از آن جریان الکتریکی عبور می‌کند. به دلیل مقاومت اهمی، با عبور جریان از سیم انرژی الکتریکی به گرما تبدیل شده و سیم گرم میشود.
اگر جریان الکتریکی به صورت تناوبی نیز از این سیم بگذرد این سیم به صورت پیوسته گرم میشود تا با محیط اطراف به تعادل گرمایی برسد. این پدیده به این علت است که سیم دارای یک ظرفیت گرمایی است که با هر تناوب جریان، بخشی از انرژی را در خود ذخیره کرده و بخشی را به محیط اطراف می‌دهد. ظرفیت گرمایی سیم باعث میشود انرژی در خود سیم ذخیره و در هر تناوب سیم گرمتر شود تا به تعادل گرمایی با محیط برسد. حال سیم ایده‌آلی را در نظر بگیرید که دارای ظرفیت گرمایی بسیار کوچک و نزدیک به صفر باشد. در این حالت با عبور جریان الکتریکی از این سیم ایده‌آل، انرژی تولید شده در سیم، در خود سیم ذخیره نمی‌شود و این انرژی تماماً به محیط اطراف داده شده و موجب میشود هوای اطراف این سیم گرم شود. حال اگر جریان عبوری از سیم به صورت تناوبی باشد این سیم قادر است هوای مجاور خود را با فرکانس جریان عبوری گرم و سرد نماید. گرم و سرد شدن هوای مجاور سیم طبق رابطه گاز ایده آل PV=NRT موجب تغییر فشار هوای مجاور میشود. این تغییر فشار متناوب در هوا همان امواج صوتی است.
انرژی ورودی به سیم ایده‌آل انرژی الکتریکی است که از رابطه زیر محاسبه میشود:
U=R[Isin(ωt) ]^2=RI^2 (1/2-cos(2ωt)/2)
طبق این رابطه انرژی ورودی به سیم دارای یک بخش ثابت و یک بخش تناوبی است که فرکانس آن دو برابر فرکانس جریان اصلی است. در پدیده ترموآکوستیک فقط قسمت تناوبی در تولید موج صوتی دخیل است. لذا مشاهده میشود که فرکانس موج صوتی ایجاد شده 2 برابر فرکانس ورودی (فرکانس جریان الکتریکی) میشود. این موضوع قابل درک نیز هست؛ زیرا در هر نیم سیکل جریان ورودی، جریان یک بار از صفر (مینیمم) تا مقدار ماکزیمم و دوباره از ماکزیمم به صفر می‌رسد که سبب میشود در این نیم سیکل جریان هوای اطراف سیم به صورت یک سیکل کامل یک بار گرم و سرد شود. لذا خاصیت ترموآکوستیکی فرکانس موج ورودی را دو برابر می‌کند.
امروزه با پیشرفت تکنولوژی موادی ساخته شده‌اند که دارای ظرفیت گرمایی بسیار ناچیز و نزدیک به ایده‌آل صفر هستند و می‌توانند با مکانیزم ترموآکوستیک موج فشاری تولید کنند. از این مواد که تاکنون کشف و ساخته شده‌اند می پردازیم
.
مواد دارای خاصیت ترموآکوستیک باید دارای ظرفیت گرمایی فوقالعاده کوچک و در عین حال نسبت سطح به حجمِ بالا باشند تا بتوانند حداقل انرژی را در خود ذخیره و حداکثر انرژی را به محیط اطراف بدهند. بنابراین این مواد باید دارای ظرفیت گرمایی بر واحد سطح (HCPUA) )Heat Capacity Per Unit Area( بسیار کوچک باشند. لازمه این خاصیت، نازک کردن رساناها تا حد ممکن است. در ابتدا فویلهای فلزی در ضخامت میکرومتری مورد آزمایش قرار گرفت که تولید صوت از این مواد بسیار کوچک بود. با پیشرفت تکنولوژی و بهبود روشهای تولید، مواد جدیدی ساخته شد که به خوبی خاصیت ترموآکوستیک در آنها دیده میشود.
نانو سیمهای آلومینیوم، فیلمهای اکسیدی اینیدیم قلع، گرافن و صفحات نانولولههای کربنی سوپرالاین از جمله موادی هستند که دارای خاصیت ترموآکوستیک هستند. در این میان، صفحات نانولولههای کربنی به دلیل ماهیت اروژل بودن که سبب میشود انتقال گرما از این مواد در سطح بیشتری(به صورت حجمی) انجام شود دارای کارایی بیشتری هستند. همچنین روش ساخت این نوع نانولولهها نسبت به مواد دیگر ارزانتر وساده تر میباشد.
امیدواریم که این مقاله که به آشنایی با مفهوم ترموآکوستیکی پرداخته است برای شما عزیران مفید واقع شده باشد تا بتوانید از این مقاله آموزشی در پایان نامه های کارشناسی ارشد و مقالات آموزشی و پژوهشی استفاده نمایید .
برای مطالعه مقالات آموزشی بیشتر در رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات می توانید با کلیک بر روی عنوان های مقاله های زیر به مقاله مورد نظر هدایت شوید :
آشنایی و راهنمای نصب نرم افزار Matlab
بسیار مفید بود. اگر از نحوه ساخت و محاسبات کاربردی آن هم گفته میشد خیلی بهتر بود.
