基于热声效应的灯光散热装置

一、研制背景及意义

近年来，戏剧演出和舞台表演流行趋势猛增，观赏舞台演出已成为人们生活的重要组成部分。根据调查显示，我国已建成并投入使用的剧院已达2000余家，其中专业剧场超过1000家，每个剧院平均每年举行的各类演出达46次以上。舞台演出增加，随之而来的是各类灯光设备的大量使用，如：面光灯、聚光灯、柔光灯、回光灯、帕灯、脚光灯。这些灯光设备一般都是大功率的LED灯，灯光照射强度高。大功率的LED灯在长时间的高强度运行下会产生巨大的热量，这些热量如果不能及时消散，就会大大降低灯具本身的使用寿命，对灯具芯片的运行带来影响。同时，聚集的热量容易与空气中的粉尘混合，当热量过高即可能引起爆炸，近年来我国发生的舞台灯爆炸事故对社会造成了惨重的损失。灯具的散热问题需社会的关注。

目前，舞台灯具散热方式主要采用动降温，通过在灯光装置内部设置一个具有PWM调速的电风扇来达到降温的目的；另一种降温方式是被动降温，主要通过改变灯壳外观，制造出对流空气，或加入铝质散热器将热传导出去，来达到降温的目的。这两种方式在实际的使用过程中，散热效益并不高。并且通过风扇散热的方式散热时，风扇会产生较大的切风噪音，影响观众的观赏体验，并且由于半开放式的结构导致灰尘容易进入到装置中，黏附在芯片的表面，减小散热的效率，降低装置的使用寿命。

基于以上背景，本项目组设计了这款基于热声效应的灯光散热装置，取代传统散热方式，提高散热效率并且才用密封式结构以增加芯片寿命，同时对于社会而言，提高了舞台灯的安全系数，减少因高温聚集而引起的舞台爆炸事故。

二、方案设计

（一）总体方案设计

本项目的主要设计思路如下：1）基于热声效应原理，利用软件进行仿真优化，选用合适的材料，确定最佳参数，并设计满足发生热声效应的谐振管，实现最佳的散热效果。2）考虑舞台灯使用过程中的噪声问题，对内部进行降噪处理，尽量减小噪声影响。3）解决现有舞台灯散热效率低等问题。

图1 舞台灯整体图

图2 舞台灯剖视图

基于以上设计思路，本项目设计了一款基于热声效应的灯光散热装置，用以解决现有面光灯散热效率低、容易积攒灰尘导致设备寿命缩短的问题。装置整体造型如上图所示，其内部剖视图如图2所示。装置主要包括以下几个部分：谐振管、封装基板、板叠、热端及散热器、声源、外壳。外壳及封装基板采用现有舞台灯的外壳及封装基板；谐振管选用铝合金材料，采用锥型谐振管，能够起到放大声压的作用；板叠是热声制冷中的重要组成部分，采用树脂材料制作板叠，选用平板结构型板叠；谐振管内的气体微团在声压作用下，产生绝热压缩和膨胀，声波在谐振管内形成驻波，板叠热端的气团受驻波压缩，温度升高向板叠放热，在板叠的另一端，由于驻波低压相的绝热膨胀，气团温度低于板叠，从板叠吸热，形成冷端，气团往复运动，传递热量，实现散热。在板叠右侧为散热器，材料为铝合金，加速热端散热。

（二）谐振管的设计及优化

谐振管是产生热声效应的核心零部件，在本装置之中谐振管起到利用扬声器产生的固定频率的声波制造驻波的作用。装置工作时，从扬声器产生的固定频率的声波从谐振管入口端进入后，通过谐振管中间向前传播（原声波），声波到达前方隔音罩后反射回来方向返回（反射波）。这样，在谐振管内，两个方向恰好相反、频率相同而波幅也刚好相同的原声波与反射波便会产生干涉形成驻波，当我们控制谐振管的长度使之振动方向也完全相同时，驻波效果最为明显。声震荡产生声压，引起微小气团流动，气团的流动会带着热量沿着谐振管从低温端向高温段移动。

1.谐振管的长度设计

根据热声效应产生的原理，谐振管的长度决定了装置的谐振频率，而管内声场由扬声器产生，故谐振管的长度与扬声器产生的声波直接相关联，若要产生最为明显的制冷效果，则要反射波要与原声波产生最佳驻波（两波振动方向完全相同，驻波振幅最大），即满足如下条件：

式中，L为谐振管长度，单位m；c为声音在介质中的传播速度，单位为m/s，本装置中介质为空气，故c=340m/s；λ为声波波长，单位为m；f为扬声器产生的声波频率，单位为Hz。

文章来源：《大舞台》 网址: http://www.dwtzz.cn/qikandaodu/2021/0331/710.html