制作热声效应斯特林引擎1
制作热声效应斯特林引擎 ——极客迷（www.geekfans.com）
十九世纪的吹玻璃工人，偶尔会听到被加热的玻璃管自然发出神秘的单音，这令人费解的声音其实是热机的另一种输出形式。一般的引擎以转动的形式输出能量;声音也具有能量，只不过以空气作为传递的媒介。
热声效应的原理
空气振动形成声音，声音发生时，为方便讨论，将传播声音的空气分成无数小块空气，应用牛顿力学来分析空气振动的情形，会得到声音的波动方程式，此方程式的解显示：声音传播时，各个小块空气都会发生膨胀收缩和位移。如果小块空气被压缩后，再被加热膨胀，对周围空气作较大的正功;之后这小块空气又先被冷却，再被压缩，作较小的负功 (周围空气对这小块空气作较小的功) 。虽然这小块空气并非对活塞或涡轮作功，而是对周围空气作功，事实上也完成了工作流体加热后膨胀，冷却后被压缩的热机循环，把热能转换成声音振动的能量，增加声音的强度，此即所谓“热声效应”。
凡是利用工作流体在冷、热区间移动，执行压缩的工作流体经加热而膨胀作正功，膨胀后先冷却再压缩作负功的热机循环，这样的机构都被归类为斯特林引擎。利用热声效应把热能转换成机械能的装置，也就称为热声效应斯特林引擎(thermoacoustics stirling heat engine) ，热声效应斯特林引擎大致可分为驻波(standing wave)和行波(traveling wave)两种。
驻波型斯特林引擎的作功原理
驻波型斯特林引擎，基本上是一端闭口，一端开口的管状共振腔，在共振腔内近闭口端装有热片堆(stack)，热片堆中有许多平行共振腔轴向的密集穿孔。热片堆在靠近闭端温度较高，另一端温度较低，于是延共振腔轴向的温度梯度(temperature gradient)相当大。
当驻波发生时，热堆片穿孔中的各小块空气(工作流体)向闭口端位移，而被压缩，同时移向热片堆较高温处，该小块空气在热穿透深度(thermal penetration depth)以内的部分，会被热片堆加热，使得温度升高，随即膨胀对周围空气做较大的正功，驻波的能量于是加大，小块空气也随着膨胀，同时移至热片堆的冷端，当能量增加的驻波再度压缩这小块空气时，此小块空气已先被较低温的热片堆冷却，只消耗较少的声波能量即可被压缩。于是，热能便不断地变成驻波的能量。
动手做驻波型斯特林引擎
本文介绍一种驻波型热声效应斯特林引擎的制作方法，所需材料都是一般实验室常见的东西：
一、内径2cm、长22cm试管一支。
二、直径0.25~0.4mm的镍铬线和直径0.8mm的漆包线。
三、内径1~1.2mm玻璃毛细管。
四、AB胶及胶带等。
五、木材、螺丝钉等。
另外还须要准备电源供应器。本实验的电源供应器最好选择能大范围调整电压和电流的类型。
首先将玻璃毛细管切成约2~3公分长，再用AB胶黏成一束(图一)，裁切玻璃管时需留意切口锋利伤人。玻璃毛细管束要能轻松塞入试管中，并且注意AB胶不要堵住毛细管口，玻璃毛细管束于是构成许多轴向穿孔(图二) ，AB 胶黏合处尽可能靠近玻璃毛细管束的一端 (不须整支毛细管都涂满AB胶) ，在另一端，缠绕镍铬线 (图三)。先将漆包线与镍铬线连接处的漆刮除后，镍铬线两端分别连接漆包线，确保镍铬线和漆包线能导通。再用蓝色胶带将漆包线裹在玻璃毛细管束上，避免漆包线拉扯镍铬线或镍铬线松脱。
图一：黏结完成的玻璃毛细管束。
图二：玻璃毛细管构成许多轴向穿孔。
图三：玻璃毛细管束的一端缠绕镍铬线。