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書籍詳細

音響テクノロジーシリーズ 21)

  熱音響デバイス

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琵琶哲志 東北大教授 博士(工学) 著

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発行年月日:2018/07/25 , 判 型: A5,  ページ数:296頁

ISBN:978-4-339-01136-4,  定 価:4,752円 (本体4,400円+税)

熱で音を出す(=音波エンジン),音で冷やす(=音波クーラー)等の熱音響デバイスについて解説。エネルギーや環境問題に関連し,各種熱源が利用可能な外燃機関であること,可動部品を本質的に利用しないことで注目が集まっている。

【目次】

第1章 多様な熱音響デバイス

1.1 熱音響デバイスに関わる研究の歴史
1.1.1 熱音響研究の黎明期
1.1.2 Rottの理論的研究
第1章 多様な熱音響デバイス

1.1 熱音響デバイスに関わる研究の歴史
1.1.1 熱音響研究の黎明期
1.1.2 Rottの理論的研究
1.1.3 ロスアラモス国立研究所と筑波大学の研究
1.1.4 現在の研究動向
1.2  熱音響デバイスの分類
1.3  音波エンジン
1.3.1 熱音響自励振動
1.3.2 共鳴管型音波エンジン
1.3.3 ループ管型音波エンジン
1.4  音波クーラー
1.4.1 共鳴管型音波クーラー
1.4.2 ループ管型音波クーラー
1.4.3 GM冷凍機とパルス管冷凍機
1.4.4 熱駆動型音波クーラー
1.5  ドリームパイプ
1.6  熱音響デバイスの利点
1.7  熱音響デバイスの実用化への試み
引用・参考文献

第2章 管内の音波伝搬

2.1 波動方程式とその解
2.2 音速と比音響インピーダンス
2.3 管内音波の伝播定数
2.4 補 足
2.4.1 管内音波の伝搬定数に関する実験
2.4.2 次元解析: とRe数
引用・参考文献

第3章 気柱共鳴管とそのQ値

3.1  振動のQ値
3.1.1 Q値の役割
3.1.2 減衰振動とQ値
3.1.3 減衰振動する振動系のQ値
3.2 振動量の複素表示
3.2.1 複素表示の方法
3.2.2 機械振動系の共鳴曲線とQ値
3.3 音響エネルギーと音響強度
3.3.1 流体要素のエネルギーと仕事
3.3.2 断熱音波におけるEとIの関係
3.4 散逸のない気柱共鳴管
3.4.1 音場の導出
3.4.2 気柱共鳴管のQ値
3.5 気柱共鳴管における粘性散逸
3.5.1 粘性流体の運動方程式と境界条件
3.5.2 運動方程式の解
3.5.3 流速変動の図示
3.5.4 粘性散逸が起きる場所
3.5.5 断面平均流速
3.6 散逸を伴う気柱共鳴管
3.6.1 音場の導出
3.6.2 散逸のある気柱共鳴管のQ値
3.6.3 気柱共鳴管に対する実験例
3.7 温度勾配のある気柱共鳴管
3.7.1 タコニス振動
3.7.2 温度勾配のある気柱共鳴管のQ値
3.8  補   足
3.8.1 管路と電気回路のアナロジー
3.8.2 境界条件が与えられたときの音場
3.8.3 無限平板上の流速振動
引用・参考文献




第4章 音響学から熱音響学へ

4.1 Ceperleyの提案
4.2 熱機関の伝統的描像
4.2.1 熱力学第一法則と第二法則
4.2.2 熱力学的サイクル
4.3 熱機関を理解するための新しい概念
4.4 定常的振動流場のエネルギー流束密度
4.4.1 エンタルピー流束密度,仕事流束密度と熱流束密度
4.4.2 熱流と仕事流
4.4.3 熱流と仕事流を使った熱機関の概念図
4.5 エネルギー流線図
4.5.1 エネルギー流線図の書き方
4.5.2 エネルギー流線図による熱機関の図示
4.5.3 理想的蓄熱器のエネルギー流線図
4.6 エネルギー流の具体例
4.6.1 単純熱伝導
4.6.2 断熱音波
4.6.3 温度勾配のある共鳴管
4.6.4 共鳴管型音波エンジンとループ管型音波エンジン
4.6.5 スターリングエンジン
4.7 熱音響デバイスの概念設計
4.7.1 パルス管冷凍機と音波クーラー
4.7.2 熱駆動型音波クーラー
4.7.3 直列配列蓄熱器をもった熱音響エンジン
4.8  補 足
エネルギー流に基づく自然現象の分類
引用・参考文献

第5章 管内音波の基礎方程式とその解

5.1 流体力学の基礎方程式の線形化
5.2 オイラー的記述とラグランジュ的記述
5.3 エネルギー流束密度と仕事源のラグランジュ的表現
5.3.1 仕事流束密度
5.3.2 熱流束密度
5.3.3 仕事源
5.4 エントロピー変動に対する方程式
5.5 温度勾配がないときのエントロピー変動
5.5.1 エントロピー変動の動径分布
5.5.2 断面平均エントロピー変動
5.6  温度勾配があるときのエントロピー変動
5.6.1 非粘性流体の場合
5.6.2 粘性流体の場合
5.7  温度変動と密度変動
5.7.1 温度変動
5.7.2 密度変動
5.8  管内音波の波動方程式
5.9 補足:流体力学の基礎方程式の導出
5.9.1 保存則
5.9.2 連続の方程式
5.9.3 運動方程式(ナビエストークス方程式)
5.9.4 エネルギー方程式
引用・参考文献

第6章 エネルギー流束密度と仕事源の成分分け

6.1 非粘性流体の仕事流束密度,熱流束密度と仕事源
6.2 圧力,変位,断面平均エントロピー変動の実関数表示
6.2.1 圧力変動
6.2.2 断面平均エントロピー変動
6.3 仕事流束密度
6.4 熱流束密度
6.4.1 圧力変動に由来する熱流束密度成分( と )
6.4.2 変位変動に由来する熱流束密度成分( )
6.4.3 熱流束密度に関するまとめ
6.5 仕事源
6.5.1 圧力変動に由来する仕事源成分( )
6.5.2 変位変動に由来する仕事源成分( と )
6.5.3 仕事源に関するまとめ
6.6  粘性流体のエネルギー流束密度と仕事源
6.6.1  振動量同士の積の時間平均に関する数学公式
6.6.2  流体要素の断面平均変位変動と圧力変動
6.6.3  粘性流体の仕事流束密度
6.6.4  粘性流体の熱流束密度
6.6.5  粘性流体の仕事源
6.7  補   足
6.7.1  マクスウェルの関係式
6.7.2  偏微分の性質
6.7.3  有用な熱力学的関係式
6.7.4  に対する表記方法
引用・参考文献

第7章 仕 事 源

7.1 温度勾配による音響パワーの増幅と減衰
7.1.1 Ceperleyの提案
7.1.2 進行波音場における実験
7.1.3 定在波音場における実験
7.2 音響パワー生成に必要な温度勾配
7.2.1 仕事源と温度勾配の関係
7.2.2 共鳴管内の気柱自励振動
7.2.3 ループ管内の気柱自励振動
7.3 蓄熱器におけるエネルギー変換効率
7.3.1 エネルギー変換効率の見積
7.3.2 枝管付きループ管型音波エンジン
7.4 補 足
7.4.1 負荷つきループ管エンジンの作り方
7.4.2 ループ型水スターリングエンジン
引用・参考文献

第8章 熱 流 束

8.1 音波クーラー
8.1.1 共鳴管型クーラー
8.1.2 ループ管型クーラー
8.2 蓄熱器におけるエネルギー変換効率
8.3 GM式冷凍機の冷凍能力
8.3.1 冷凍能力と音場の関係(位相差)
8.3.2 冷凍能力と音場の関係(振幅と周波数)
8.4 パルス管冷凍機の音場制御
8.4.1 オリフィス型パルス管冷凍機
8.4.2 イナータンス型パルス管冷凍機
8.4.3 位相制御機構の実験的検証
8.5 ドリームパイプ
引用・参考文献

第9章 今後の展望

9.1 熱音響デバイスの応用展開に向けて
9.1.1 熱音響理論による設計方法
9.1.2 振動流場における熱交換器の問題
9.2 非線形非平衡系としての熱音響デバイス
9.2.1 衝撃波・準周期振動・カオス振動
9.2.2 同期現象
9.2.3 エントロピー生成最小則
引用・参考文献

索引

【おすすめ本】

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