(57)【要約】共振音響システム内において音響負荷と音響励振器を整合させる方法と、そのように形成された音響システムである。負荷および励振器は別個に設計することができる。本発明は、とりわけ、音響励振器と負荷の間に位置された、励振器のストローク容量よりも実質的に大きな整合容量を提供する。整合容量は、可動マス、音響励振器の特徴的剛性、および特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、結果生じた圧力波が、負荷の好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数を生成できるようにサイジングされる。あるいは、またはこれに加えて、音響励振器のストローク容量を調整することが可能である。【選択図】図１
2004528523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振音響システムにおいて音響励振器を音響負荷に整合させる方法であり、前記音響励振器が可動マス、特徴的剛性、好ましい力振幅、および好ましいストロークを有し；前記音響負荷が特徴的負荷インピーダンス、好ましい入力音響流れ振幅、および好ましい動作周波数を有している前記方法において、
ａ）前記音響励振器と前記音響負荷の間にあって、かつ互いに連携し合う整合容量であって、前記整合容量が前記音響励振器のストローク容量よりも実質的に大容量である整合容量を提供するステップと、
ｂ）前記整合容量を、前記可動マス、前記音響励振器の前記特徴的剛性、および前記特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、結果生じる圧力波が、前記負荷の前記好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数を生成するようにサイジングするステップと、
を包含する方法。
【請求項２】
前記音響励振器の前記ストローク容量を、前記可動マス、前記音響励振器の前記特徴的剛性、および前記特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、前記音響励振器がおよそ：前記動作共振周波数、前記好ましいストローク、および前記好ましい力振幅にて作動する際に、前記結果生じる圧力波が前記好ましい入力音響流れ振幅を前記負荷に伝播するようにサイジングするステップをさらに包含する請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記ストローク容量をサイジングするステップが、前記可動マスの表面領域の調整を含む請求項2に記載の方法。
【請求項４】
共振音響システム内で音響励振器を音響負荷に整合させる方法であって、前記音響励振器が可動マス、特徴的剛性、好ましい力振幅、および好ましいストロークを含み；前記音響負荷が特徴的負荷インピーダンス、好ましい入力音響流れ振幅、および好ましい動作周波数を含んでいる前記方法において、
ａ）前記音響励振器と前記音響負荷の間にあって、かつ互いに連携し合う整合容量であって、前記整合容量が前記音響励振器のストローク容量よりも実質的に大容量である整合容量を提供するステップと、
ｂ）前記音響励振器のストローク容量を、前記可動マス、前記音響励振器の前記特徴的剛性、および前記特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、前記音響励振器がおよそ、前記動作共振周波数、前記好ましいストローク、および前記好ましい力振幅にて作動する際に、結果生じる圧力波が前記好ましい入力音響流れ振幅を前記負荷に伝播するようにサイジングするステップと
を包含する方法。
【請求項５】
前記ストローク容量をサイジングするステップが、前記可動マスの表面領域の調整を含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記整合容量を、前記可動マス、前記音響励振器の前記特徴的剛性、および前記特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、前記結果生じる圧力波が、前記負荷の前記好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数を生成するようにサイジングするステップをさらに包含する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ピストンを含む音響励振器であり、前記ピストンのストロークのための空間を提供する第１ストローク容量を有する前記音響励振器と、
前記音響励振器から音響圧力波を受信する音響負荷と、
前記励振器と前記負荷の間の第２容量であり、前記第１ストローク容量よりも実質的に大容量である前記第２容量と、
を備え、
前記第２容量が、前記音響負荷の好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数が得られるようにサイジングされている、共振音響システム。
【請求項８】
前記第１ストローク容量が、前記音響励振器の特徴的剛性および前記音響負荷の特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、前記音響励振器がおよそ、前記動作共振周波数、好ましいストローク、および好ましい力振幅で動作する際に、結果生じる圧力波が好ましい入力音響流れ振幅を前記負荷に伝播するように、サイジングされている、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記ストローク容量が、前記ピストンの表面領域を変更することで調整される請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記励振器が２つのピストンを含む請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第２容量が、前記励振器に結合した延長管と励振器本体挿入部のうち少なくとも１つにより提供される請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第２容量が、前記延長管と前記励振器本体挿入部のうち少なくとも１つの大きさを変更することにより調整可能である請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
ピストンを含む音響励振器であって、前記ピストンのストロークのための空間を提供する第１ストローク容量を有している前記音響励振器と、
前記励振器から音響圧力波を受信する音響負荷と、
前記励振器と前記負荷の間の第２容量であって、前記第１ストローク容量よりも実質的に大容量である前記第２容量と、
を備え、
前記音響励振器のストローク容量が、前記可動マス、前記音響励振器の前記特徴的剛性および前記特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、前記音響励振器がおよそ、前記動作共振周波数、前記好ましいストローク、および前記好ましい力振幅にて動作する際に、結果生じる圧力波が前記好ましい入力音響流れ振幅を前記負荷に伝播できるように、サイジングされている、共振音響システム。
【請求項１４】
前記第２容量が、前記可動マス、前記音響励振器の前記特徴的剛性、および前記特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、結果生じる圧力波が前記負荷の前記好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数を生成するように、サイジングされている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
リニアモータ駆動のピストンを含むコンプレッサであって、前記ピストンのストロークのための空間を提供する第１ストローク容量を有する前記コンプレッサと、
前記コンプレッサから音響圧力波を受信するパルス管エキスパンダと、
前記コンプレッサと前記エキスパンダの間の第２容量であって、前記第１ストローク容量よりも実質的に大容量である前記第２容量と、
を備え、
前記第２容量が、前記エキスパンダの好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数が得られるようにサイジングされている、クライオクーラー。
【請求項１６】
前記第１ストローク容量が、前記コンプレッサの特徴的剛性および前記エキスパンダの特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、前記コンプレッサがおよそ、前記動作共振周波数、好ましいストローク、および好ましい力振幅で動作する際に、結果生じる圧力波が好ましい入力音響流れ振幅を前記エキスパンダに伝播できるように、サイジングされている、請求項１５に記載のクライオクーラー。
【請求項１７】
前記ストローク容量の大きさが、前記ピストンの表面範囲を変更することにより調整される請求項１６に記載の前記システム。
【請求項１８】
前記コンプレッサが２個のピストンを備えている請求項１５に記載の前記クライオクーラー。
【請求項１９】
前記第２容量が、前記コンプレッサに結合した延長管とコンプレッサ本体挿入部のうち少なくとも１つにより提供される請求項１５に記載の前記クライオクーラー。
【請求項２０】
前記第２容量が、前記延長管および前記励振器本体挿入部のうち少なくとも１つの大きさを変更することにより調整可能である請求項１５に記載のクライオクーラー。
【請求項２１】
リニアモータで駆動されるピストンを含むコンプレッサであって、前記ピストンのストロークのための空間を提供する第１ストローク容量を有する前記コンプレッサと、
前記コンプレッサより音響圧力波を受信するパルス管エキスパンダと、
前記コンプレッサとエキスパンダの間の第２容量であって、第１ストローク容量よりも実質的に大容量である前記第２容量と、
を備え、
前記コンプレッサの前記ストローク容量が、前記可動マス、前記コンプレッサの前記特徴的剛性および前記特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、前記コンプレッサがおよそ、前記動作共振周波数、前記好ましいストローク、および前記好ましい力振幅にて動作する際に、結果生じる圧力波が前記好ましい入力音響流れ振幅を前記エキスパンダに伝播できるように、サイジングされている、クライオクーラー。
【請求項２２】
前記第２容量が、前記可動マス、前記コンプレッサの前記特徴的剛性および前記特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、前記結果生じる圧力波が、前記負荷の前記好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数を生成するようにサイジングされている、請求項２１に記載のクライオクーラー。
【請求項２３】
前記ストローク容量の大きさが、前記ピストンの表面領域を変更することによって調整される請求項２１に記載のクライオクーラー。
【請求項２４】
前記コンプレッサが２個のピストンを含む請求項２１に記載のクライオクーラー。
【請求項２５】
前記第２容量が、前記コンプレッサに結合した延長管とコンプレッサ本体挿入部のうち少なくとも１つによって提供される請求項２１に記載のクライオクーラー。
【請求項２６】
前記第２容量が、前記延長管と前記励振器本体挿入部のうち少なくとも１つの大きさを変更することにより調整可能である請求項２１に記載のクライオクーラー。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願明細書は、特許法第１１９条（ｅ）に基づいて２００１年４月２０日付けで提出された米国仮特許明細書第60/285,465号に対して優先権を請求するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、概して音響共振システムに関し、特に、音響共振システムにおいて音響励振器を音響負荷に整合させる方法と、このように形成されたシステムとに関する。
【従来技術】
【０００３】
高周波数「スターリング型」パルス管クライオクーラーのような音響共振システムは、多くの場合、リニアモータ駆動の共振コンプレッサのような音響励振器によってパワー供給される。高い効率性を得るために、これらのコンプレッサはその共振周波数に近い共振周波数で動作されなければならない。しかしながら単純にコンプレッサにおける共振条件を達成すれば十分という訳ではなく、実用上の機械に対しては、これ以外にも整合条件をいくつか満たす必要がある。
【０００４】
一般に、独立して設計された音響励振器および負荷については、これらの整合条件のうちいくつかしか満たされず、その結果、性能の低下を招いてしまう。どのパラメータが固定されていると考えるかによって、負荷の設計周波数がシステム全体の共振周波数と異なるか、または全音響パワーが定格ストローク以外のストロークにて伝播されることが起こりやすい。全音響パワーが定格ストローク未満のストロークで伝播される場合、過大な励振器電流が必要である。全定格パワーが定格ストロークよりも高いストロークで伝播される場合には、機械がストローク制限されてしまうため、設計された冷却能力を達成することが不可能となる。
【０００５】
前述を斟酌すると、技術上、独立設計した音響負荷と音響励振器を整合させる方法、およびこのように形成された音響システムが必要である。
【発明の概要】
【０００６】
過去に、設計者達は、組み合わせた音響励振器と負荷を可能な限り小さくする試みを行ってきた。これを達成するために、励振器のストローク容量と、励振器と負荷の間にあるこれ以外の容量が可能な限り最小化されてきた。しかし、本発明は、とりわけ音響励振器と負荷の間に位置された、励振器のストローク容量よりも実質的に大容量の整合容量を提供する。この整合容量により、音響負荷の好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数が得られる。そのため、本発明によって音響励振器と負荷の独立した設計が可能になる。この代替として、または整合容量のサイジングに加えて、ストローク容量を、可動マス、音響励振器の特徴的剛性および特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、音響励振器が動作共振周波数、好ましいストローク、および好ましい力振幅にて動作している際に、結果生じた圧力波が好ましい入力音響流れ振幅を負荷に伝播できるようにサイジングすることが可能である。
【０００７】
本発明の第１の形態は、共振音響システムにおいて音響励振器を音響負荷に整合させる方法に向けられており、該音響励振器は可動マス、特徴的剛性、好ましい力振幅、および好ましいストロークを有し、また、該音響負荷は特徴的負荷インピーダンス、好ましい入力音響流れ振幅、および好ましい動作周波数を有し、該方法は、a）音響励振器と音響負荷の間にあって、かつ互いに連携し合う整合容量であって、該整合容量が音響励振器のストローク容量よりも実質的に大容量であるものを提供するステップと、ｂ）該整合容量を、可動マス、音響励振器の特徴的剛性および特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、結果生じる圧力波が負荷の好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数を生成できるようにサイジングするステップ、とを包含する方法である。
【０００８】
本発明の第２の形態は、共振音響システム内で音響励振器を音響負荷に整合させる方法に向けられており、該音響励振器は可動マス、特徴的剛性、好ましい力振幅、および好ましいストロークを有し：該音響負荷は特徴的負荷インピーダンス、好ましい入力音響流れ振幅、および好ましい動作周波数を有し、該方法は、a）音響励振器と音響負荷の間にあって、かつ互いに連携し合う整合容量であって、該整合容量が音響励振器のストローク容量よりも実質的に大容量であるものを提供するステップと、ｂ）音響励振器のストローク容量を、可動マス、音響励振器の特徴的剛性、および特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、音響励振器がおおよそ動作共振周波数、好ましいストローク、および好ましい力振幅にて動作する際に、結果生じた圧力波が好ましい入力音響流れ振幅を負荷に伝播できるようにサイジングするステップ、とを包含する方法である。
【０００９】
本発明の第３の形態は共振音響システムであって：ピストンを含んだ音響励振器で、ピストンのストロークのための空間を提供する第1のストローク容量を有する前記励振器と；励振器より音響圧力波を受信する音響負荷と；さらに、励振器と負荷の間の第２容量であって、第１ストローク容量よりも実質的に大容量である前記第２容量とを備え、該第２容量が、音響負荷の好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数が得られるようにサイジングされている、共振音響システムである。
【００１０】
本発明の第４形態は、共振音響システムであって：ピストンを含んだ音響励振器で、ピストンのストロークのための空間を提供する第１のストローク容量を有する前記励振器と；励振器より音響圧力波を受信する音響負荷と；励振器と負荷の間の第２容量であって、第１ストローク容量よりも実質的に大容量である前記第２容量とを備え、音響励振器のストローク容量が、可動マス、音響励振器の特徴的剛性、および特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、音響励振器がおよそ：動作共振周波数、好ましいストローク、および好ましい力振幅にて動作する際に、結果生じた圧力波が好ましい入力音響流れ振幅を負荷に伝播するように、サイジングされている、共振音響システムに向けられている。
【００１１】
本発明の第５の形態は、クライオクーラーであって：ピストンを装備したリニアモータ駆動のコンプレッサで、ピストンのストローク分の空間を提供する第１ストローク容量を有する前記コンプレッサと；該コンプレッサより音響圧力波を受信するパルス管エキスパンダと；コンプレッサとエキスパンダの間の第２容量であって、第１ストローク容量よりも実質的に大容量である前記第２容量とを備え、第２容量が、好ましい音響負荷の動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数が得られるようにサイジングされている、クライオクーラーに向けられている。
【００１２】
本発明の第６の形態は、クライオクーラーであって：リニアモータ駆動のピストンを含むコンプレッサで、ピストンのストロークのための空間を提供する第１ストローク容量を有する前記コンプレッサと；該コンプレッサより音響圧力波を受信するパルス管エキスパンダと；コンプレッサとエキスパンダの間の第２容量であって、第１ストローク容量よりも実質的に大容量である第２容量とを備え、コンプレッサのストローク容量が、可動マス、コンプレッサの特徴的剛性、および特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、コンプレッサがおよそ、動作共振周波数、好ましいストローク、および好ましい力振幅にて動作し、結果生じた圧力波が好ましい入力音響流れ振幅をエキスパンダへ伝播するように、サイジングされている、クライオクーラーに向けられている。
【００１３】
前述した、またこれ以外の本発明の特徴および利点は、以下に示す本発明の好ましい実施形態のより詳細な説明から明白であろう。
【００１４】
次に、本発明の好ましい実施形態を以降に示す図面を参照しながら詳細に説明するが、複数の図面中、同一の要素には同一の参照符号を付している。
【好適な実施形態の説明】
【００１５】
I.  概観
図１に沿って説明する。本発明は、共振音響システム１０内で音響負荷６と音響励振器８を整合させる方法と、そのように形成された音響システムを含んでいる。この目的は、独立して設計することが可能な音響励振器８と音響負荷を効率的に接続することである。本発明１０をクライオクーラー１２の形態におけるシステム１０に関連して説明する。クライオクーラー１２は、パルス管エキスパンダ１４のパルス形態の音響負荷６と、少なくとも１つのリニアモータ１５に駆動される圧力波発生器（ＰＷＧ）またはコンプレッサ１６の形態の音響励振器８とを有する。負荷６は、励振器から音響圧力波を受信する。図１には、２個のモーター１５が１つのコンプレッサ１６を形成しているところが示されている。エキスパンダ１４は、とりわけ最終冷却器１８、蓄熱器、熱交換器、パルス管等を備えることが可能である。本発明は、音響負荷および音響励振器を装備したあらゆる音響システムに適用可能であることが理解されるべきである。
【００１６】
音響励振器８を音響負荷６に、また音響負荷６を音響励振器８に整合させる役割を果たす多数のパラメータがある。各音響励振器８は、とりわけ可動部材（１個または複数）２２とピストン（１つまたは複数）２４を含むことが可能な可動マス２０を備えている。さらに、各音響励振器８は、とりわけサスペンション（１個または複数）２６の機械的剛性ｋｍｅｃｈと、ピストン（１個または複数）２４に作用するガス圧力ｋｇａｓによって生じる剛性とに起因する特徴的剛性を有する。さらに、その他の力、例えば電磁的剛性も特徴的剛性に含まれる。また、各音響励振器８は好ましい力振幅、好ましいストローク、すなわちストローク容量を有する。同様に、各音響負荷６は特徴的負荷インピーダンス、好ましい入力音響流れ振幅、好ましい動作周波数を有する。
【００１７】
パルス管クライオクーラーのようなある種の音響システムに典型的な低摩擦圧振幅において、音響励振器８はダンピングの低い一次ばねマスシステムとして特徴付けることができる。単純化のためにダンピング項を無視することで、音響励振器８の共鳴周波数が次式により得られ、
【数１】
2004528523.tif 000003
ここで、ｋｔｏｔは全剛性、つまり、サスペンションの機械的剛性ｋｍｅｃｈと、ピストンｋｇａｓに作用するガス圧力により生じた剛性との和である。したがって、
【数２】
2004528523.tif 000004
が得られる。電磁的剛性がもしあれば、この分析の目的に対しては機械的剛性ｋｍｅｃｈに含むことができる。
【００１８】
低パワー音響励振器８では、サスペンションの機械的剛性ｋｍｅｃｈはガス剛性ｋｇａｓよりもはるかに大きくなり得るので、このような励振器の共振周波数は音響負荷６のインピーダンスの弱い関数となる。しかし、高パワー励振器８（例えば、数百ワットまたはそれ以上の容量）では、ガス剛性ｋｇａｓは機械的剛性ｋｍｅｃｈよりも十分大きくなりうる。これにより励振器８の共振周波数は負荷６のインピーダンスの敏感な関数となる。したがって、単純に励振器８において共振条件を達成するだけでは不十分である。実際の機械に対しては、さらに他の「整合条件」を割り当てる必要がある。一般には、最適な設計のためには次に示す整合条件の全てを最大パワー時に同時に満たすことが必要である。すなわち、励振器８は負荷６の設計周波数で動作されなければならず、励振器８はその共振周波数で動作しなければならず、励振器８は負荷６に適切な音響パワーを伝播しなければならず、励振器は最大限の設計ストローク（つまりストローク量）で動作しなければならず、圧力の値、容積流量振幅の値、位相の値が負荷６の設計点と整合しなければならない。
【００１９】
一般に、独立設計された励振器８と負荷６についてはこれらの整合条件のいくつかしか満たされないため、性能が低下してしまう。どのパラメータが固定されていると考えるかによって、負荷６の設計周波数が完全なシステム１０の共振周波数と異なるか、または最大限の音響パワーが定格ストローク以外のストロークで伝播されることが起こりやすい。最大限の音響パワーが定格ストローク未満のストロークで伝播される場合には、過剰な励振器８の電流が必要となる。最大限の定格電力が定格ストロークよりも高いストロークで伝播される場合には、機械のストロークが制限されてしまうために設計冷却機能を達成できない。
【００２０】
II.  音響システム
音響励振器と負荷を整合させるために、本発明は、第１ストローク容量３０と負荷６の間に配置された「整合容量」２８を実装する。「ストローク容量」は、励振器８の可動マス（１つまたは複数）２０で置き換えられる容量、つまり、ピストンのストロークのための空間を提供する容量である。この例では、ストローク容量３０の大きさはリニアモータ（１つまたは複数）１５のピストン（１つまたは複数）２４のストローク容積により決定される。整合容量２８は、第１ストローク容量３０よりも実質的に大容量である。この容量の実差は特定の励振器８および負荷６によって異なる。負荷６は負荷開口部３２にて開始すると考慮される。この例では、負荷開口部３２は最終冷却器１８の開口部に設けられている。しかし、負荷開口部３２は、負荷６の任意の便宜的な開始点として考慮できる。この第２整合容量２８および/または励振器ピストン２４の範囲（ストローク容量）を、後述する本発明の方法に従って適切なサイズで設けることで、広範囲の励振器８および負荷６について全ての整合条件を満たすことが可能になる。このことは励振器８および負荷６が独立設計であっても可能である。
【００２１】
以降でさらに詳細に説明するように、ある実施形態では、整合容量２８は、結果として得た圧力波が好ましい音響負荷の動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数を生成するようにサイジングされる。特に、整合容量２８は、ピストン（１つまたは複数）２４の表面（1つまたは複数）上に作用する、結果として得た圧力波が励振器８の特徴的剛性を修正して上述の圧力波を生成するようにサイジングされる。代替として、またはこれに加えて、可動マス２０、音響励振器８の特徴的剛性、および音響負荷６の特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、音響励振器８がおよそ、動作共振周波数、好ましいストローク、および好ましい力振幅、で動作している際に、結果生じた圧力波が好ましい入力音響流れ振幅を音響負荷６に伝播するように、ピストン（1つまたは複数）２４（ストローク容量）を整合容量２８と共にサイジングすることも可能である。
【００２２】
整合容量２８は数多くの方法で提供され得る。図１に示す１実施形態では、整合容量２８は励振器本体挿入部３４と延長管３６の少なくとも１つによって供されている。整合容量２８の変更は、例えば、独立設計された励振器８および/または負荷６の大きさを調整する代わりに、周囲の封じ込め部の大きさを変更することで達成できる。例えば、整合容量２８の大きさを、励振器本体挿入部３４と延長管３６の少なくとも１つを変更することで調整できる。実際の調整は、現在知られている、または今後開発される任意の方法で実施可能である。例えば、延長管３６の内径と長さ、励振器本体挿入部３４の内径と長さ、挿入部３４が励振器本体内にのびている長さといったサイズを調整できる。
【００２３】
整合容量２８を実装した結果得られる該システムの一形態は、これまで使われているよりもより大きなストローク容量−パワー比率を有する励振器８を使用することである。一般には、例えば航空宇宙用途で使用するよう設計されたクライオクーラーが、クライオクーラーの大きさと重量を最小にするべくこの比率の最小化を試みる。しかし、地上および海上基地で使用するより大型のクライオクーラーでは、一般に大きさは重要な設計基準ではないため、本発明を有利に使用することができる。後述の節では、整合容量および/またはストローク容量の大きさを調整するための本発明の方法および技術の実装についてより詳細に説明する。
【００２４】
III.  方法
本発明は、共振音響システム１０において、まず音響励振器８と音響負荷６の間に、お互いに連携を取りながら整合容量２８を提供することにより、音響励振器８を音響負荷６に整合させる方法を含む。既述のように、整合容量２８の大きさは実質的に音響励振器８のストローク容量３０の大きさよりも大型である。
【００２５】
次に、整合容量２８は、可動マス（１つまたは複数）２０、音響励振器８の特徴的剛性、および音響負荷６の特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、結果得られる圧力波が、負荷６の好ましい動作周波数と実質的に等しい動作共振周波数を生成するようにサイジングされる。特に、整合容量２８は、ピストン（１つまたは複数）２４の表面（１つまたは複数）上に作用する、結果得られる圧力波が、励振器８の特徴的剛性を修正して上述の圧力波を生成するようにサイジングされる。代替として、またはこれに加えて、音響励振器８のストローク容量３０を、可動マス（１つまたは複数）２０、特徴的剛性、および特徴的負荷インピーダンスとの組み合わせにおいて、励振器８がおよそ動作共振周波数、好ましいストローク、および好ましい力振幅で動作している際に、結果生じた圧力波が好ましい入力音響流れ振幅を負荷６へ伝播するようにサイジングすることも可能である。上述の容量の変更は、独立設計された励振器８および/または負荷６の調整によらずに、例えば周囲の封じ込め部（１つまたは複数）の大きさを変更することで達成することも可能である。
【００２６】
上述で明らかにされた方法を実現する１つの実施例を以下に段階的に説明する。しかし、この段階的説明はおおよそのものであることを理解すべきである。段階的手法を反復することでより正確な結果に至る可能性もある。
【００２７】
整合容量の大きさの問題は、その作業が所与の励振器８に対して負荷６の動作条件を決定するものであるか、または所与の負荷６を効率的に駆動するべく励振器８の大きさを調整するものであるかに従って、いくつかの異なる観点からのアプローチが可能である。この２つのケースについて以下に説明する。
【００２８】
A.  所与の励振器形状により、圧力振幅を見出す
一実施形態では、所与の励振器形状に対する圧力振幅を見出だすことができる。これはつまり、所与の励振器８形状について、大きさの問題を次のように述べることができるということである。すなわち、負荷開口部３２において整合条件（すなわち、圧力、流れおよび相対位相）を満たすために、どの大きさの整合容量２８と、どの圧力振幅および位相（ピストン動作またはこれにより生じるガス流に関して）が要求されるか？
【００２９】
そこで、以下の値を励振器８に所与の値とする。ｐｍｅａｎ，γ，Ａ，Ｖｂａｃｋｓｉｄｅ，ｍ，｜χ｜，ｆｒｅｓ，およびｋｍｅｃｈとし、ここでｐｍｅａｎはシステム１０内の平均圧力、γは比熱の比率、Ａはピストン（１つまたは複数）２４の面積、Ｖｂａｃｋｓｉｄｅはピストン（１つまたは複数）２４の裏側の容量、ｍは励振器８の可動マス２０の質量、｜χ｜はピストンストローク振幅、ｆｒｅｓは（動作）共振周波数、そして上述のごとくｋｍｅｃｈは機械的剛性である。
【００３０】
これらの入力を基に次式が得られる。
【００３１】
【数３】
2004528523.tif 000005
圧縮可能な流体（ガス）の剛性は次式で表すことができる。
【数４】
2004528523.tif 000006
ここで、ｋｆｒｏｎｔはピストン（１つまたは複数）２４の前面にかかる力により生じる剛性、ｋｂａｃｋはピストン（１つまたは複数）２４の裏側にかかる力により生じる剛性である。したがって、
【数５】
2004528523.tif 000007
および
【数６】
2004528523.tif 000008
故に、ピストン（１つまたは複数）２４の表面（１つまたは複数）における複合圧力の振幅は次式で表される。
【数７】
2004528523.tif 000009
複合圧力ｐのこの値により、励振器８が所与の形状、平均圧力およびストロークにて共振状態で動作することができる。
【００３２】
これ以外の電力整合状態を満たすために、圧力と容量流れ値Ｕの間の位相角度θを決定しなければならない。位相角度θは、ピストン（１つまたは複数）２４の表面（１つまたは複数）における音響パワーについての関係から次式の通り、
【数８】
2004528523.tif 000010
となる。上記の方程式で、ｐは複合圧力ｐ＝ｐ１ｅｉωｔであり、ここで、ωは動作の角度周波数である。下付き表示１はピストン（１つまたは複数）２４の表面（１つまたは複数）における状態を示す。
【００３３】
位相角度θの方程式（８）を解くことで、満たすべき第２の方程式が生じる。
【数９】
2004528523.tif 000011
【００３４】
整合容量２８の大きさを決めるために、方程式（７）、（９）を連立して解く。一実施形態では、これは反復手順を用いて達成される。位相角度θについての推測から始め、方程式（７）を用いて第１容量３０内の圧力振幅ｐを計算する。この値を方程式（９）に代入し、位相角度θの第２推定を得る。こうして位相角度θについての新規の推測が得られ、圧力振幅ｐと位相角度θについての２つの方程式が繰り返し解かれる。これらの結果により、ピストン（１つまたは複数）２４の表面（１つまたは複数）についての複合圧力と容量流れ値が得られる。
【００３５】
整合容量１２の大きさを決める最終段階は、負荷６における正確な圧力流れ位相関係を得るべく、第1容量３０と負荷開口部３２の間に必要な容量を決定することである。ここで、開放容量（ｏｐｅｎ  ｖｏｌｕｍｅ）Ｖにかけて流れ値における変更の関係を使用して次式を表す。
【数１０】
2004528523.tif 000012
ここで、Ｕは、ピストン運動と位相角度θより求められる。ピストン（１つまたは複数）２４における条件をＵ１と表すと、負荷開口部３２にて要求される流れ条件、Ｕ２は次式の通り表される。
【数１１】
2004528523.tif 000013
下付き表示１はピストン（１つまたは複数）２４の表面（１つまたは複数）における条件を表し、下付き表示２は負荷開口部３２における条件を表す。整合流量２８の広がりが音響波長よりも遥かに小さいため、圧力振幅および位相が、整合容量２８の全域で極くわずかの量だけ変化する。次に、負荷開口部３２における条件がｐ、Ｕ２によって得られる。
【００３６】
前述を考慮して、方程式（１０）を次のように変形することで整合容量２８の大きさを求めるができる。
【数１２】
2004528523.tif 000014
【００３７】
B.  所望の圧力振幅を知って、ピストン面積を求める
別の実施形態では、可動マス（１つまたは複数）２０/ピストン（１つまたは複数）２４の表面領域（ストローク容量）は所与の負荷６に対して求めることができる。すなわち、所望の負荷圧力振幅ｐがわかっている場合、上述の手順を並べ替えて、要求されるピストン（１つまたは複数）２４の表面領域、したがって所望のストロークにおけるストローク容量の式を得ることができる。式（７）を変形して、以下のピストン（１つまたは複数）２４範囲についての二次方程式が得られる。
【数１３】
2004528523.tif 000015
上述の場合と類似して、方程式（９）と方程式（１３）を連立して解くが、ここでは、圧力振幅ｐと位相角度θについてではなく、領域Ａ（およびストローク容量）と位相角度θについて該式を解く。方程式（１０）、（１１）または（１２）を用いて、負荷開口部３２における所望の圧力振幅ｐと容量流れＵ２を得るために必要な整合容量２８の大きさを求める。
【００３８】
この代替実施形態は、前出の実施形態とは別個に、またはこれとの組み合わせによって提供される。
【００３９】
上述の説明において、ある種の値は定数であると推測された。例えば、システム１０内の平均圧力（ｐｍｅａｎ）、比熱の比率（γ）、ピストン（１つまたは複数）２４の領域Ａ、ピストン（１つまたは複数）２４の裏側の容量（Ｖｂａｃｋｓｉｄｅ）、励振器８の可動マス２０の大きさ（ｍ）、ピストンストローク振幅｜χ｜、動作共振周波数ｆｒｅｓ、機械的剛性ｋｍｅｃｈは定数である、として表示された。したがって容量の変更は、励振器８および/または負荷６を調整せずに、例えば周囲の封じ込め部（１つまたは複数）の大きさを変更することで達成される。しかし、励振器および/または負荷の値を変更できる場合では、整合条件を達成するために上述の方法と合わせてこれが起ってよいことを認識すべきである。いくつかの状況において変更できる１つの例証的値は、例えばピストン（１つまたは複数）２４の大きさを変更することによる励振器８の可動マス２０である。
【００４０】
上に概要を述べた特定の実施形態に関連して本発明を説明したが、当業者には多数の変形、変更、応用が明解に理解出来ることは明らかである。したがって、上で述べた本発明の好ましい実施形態は限定ではなく例証を意図するものである。特許請求の範囲に定義する本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、様々な変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】音響励振器と音響負荷の間に整合容量を有する音響共振システムを示す。
【国際公開パンフレット】
2004528523.tif 000016
2004528523.tif 000017
2004528523.tif 000018
2004528523.tif 000019
2004528523.tif 000020
2004528523.tif 000021
2004528523.tif 000022
2004528523.tif 000023
2004528523.tif 000024
2004528523.tif 000025
2004528523.tif 000026
2004528523.tif 000027
2004528523.tif 000028
2004528523.tif 000029
2004528523.tif 000030
2004528523.tif 000031
2004528523.tif 000032
2004528523.tif 000033
2004528523.tif 000034
2004528523.tif 000035
2004528523.tif 000036
2004528523.tif 000037
2004528523.tif 000038
2004528523.tif 000039
2004528523.tif 000040
2004528523.tif 000041
2004528523.tif 000042
2004528523.tif 000043
2004528523.tif 000044
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004528523.tif 000045
2004528523.tif 000046
【国際調査報告】
2004528523.tif 000047