Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Трубка Рийке превращает тепло в звук , создавая самоусиливающуюся стоячую волну . Это интересное явление в акустике, являющееся прекрасным примером резонанса .

Простая конструкция трубы Рийке с проволочной сеткой в ​​нижней половине вертикальной металлической трубы. Трубка подвешена над горелкой Бунзена .

Открытие [ править ]

PL Rijke был профессором в области физики на Лейденском университете в Нидерландах , когда в 1859 году, он открыл способ использования тепла для поддержания звука в цилиндрической открытой трубе на обоих концах. [1] Он использовал стеклянную трубку длиной около 0,8 м и диаметром 3,5 см. Внутри него, примерно в 20 см от одного конца, он поместил диск из проволочной сетки, как показано на рисунке справа. Трения со стенками трубки достаточно, чтобы марля оставалась на месте. Держа трубку вертикально и марлю в нижней половине, он нагрел марлю пламенем.пока он не стал раскаленным докрасна. Убрав пламя, он услышал громкий звук из трубки, который длился, пока марля не остыла (около 10 с ). В современных репродукциях этого эксперимента безопаснее использовать трубку из боросиликатного стекла или, еще лучше, металлическую .

Вместо того, чтобы нагревать сетку пламенем, Райке также попробовал электрический нагрев. Изготовление сетки из проволоки с электрическим сопротивлением заставляет ее светиться красным, когда пропускается достаточно большой ток . При постоянной подаче тепла звук тоже непрерывный и довольно громкий. Рийке, кажется, получал жалобы от своих университетских коллег, потому что он сообщает, что звук можно было легко услышать в трех комнатах от его лаборатории. Электрическая мощность, необходимая для этого, составляет около 1 кВт .

Лорд Рэлей , который написал исчерпывающий учебник по звуку в 1877 году, рекомендует это как очень эффективную демонстрацию лекции . Он использовал чугунную трубу длиной 1,5 м и диаметром 12 см с двумя слоями сетки из железной проволоки, вставленными примерно на четверть высоты трубы. Дополнительная марля удерживает больше тепла, что делает звук более продолжительным. В своей книге он сообщает, что звук усиливается до такой степени, что сотрясает комнату! [2]

«Обратный» эффект Рийке - а именно, что лампа Рийке также будет производить звуковые колебания, если горячий воздух проходит через холодный экран - впервые наблюдал ассистент Рийке Йоханнес Босша [3] и впоследствии исследовал немецкий физик Петер Теофил Рисс . [4] [5] [6]

Механизм [ править ]

Внутренняя часть трубы Rijke, нагретой газовой горелкой
Внутренняя часть трубки Рийке нагревается газовой горелкой
Работа Rijke Tube

Звук исходит от стоячей волны , длина которой примерно в два раза больше длины трубки, что дает основную частоту . Лорд Рэйли в своей книге дал правильное объяснение того, как стимулируется звук. [7] Поток воздуха через марлю представляет собой комбинацию двух движений. Воздух движется вверх равномерно из-за конвекционного тока, возникающего в результате нагрева сеткой воздуха. На это накладывается движение звуковой волны.

В течение половины цикла вибрации воздух поступает в трубку с обоих концов, пока давление не достигнет максимума. Во время другой половины цикла поток воздуха направляется наружу до тех пор, пока не будет достигнуто минимальное давление. Весь воздух, проходящий мимо сетки, нагревается до температуры сетки, и любая передача тепла воздуху увеличивает его давление в соответствии с законом идеального газа.. Когда воздух течет вверх мимо марли, большая его часть уже будет горячей, потому что он только что прошел через марлю во время предыдущего полупериода. Однако незадолго до максимума давления небольшое количество холодного воздуха контактирует с сеткой, и его давление внезапно увеличивается. Это увеличивает максимальное давление, таким образом усиливая вибрацию. Во время другой половины цикла, когда давление снижается, воздух над сеткой снова выталкивается вниз через марлю. Поскольку он уже горячий, никакого изменения давления из-за марли не происходит, так как нет передачи тепла. Таким образом, звуковая волна усиливается один раз за каждый цикл вибрации и быстро достигает очень большой амплитуды .

Это объясняет, почему нет звука, когда пламя нагревает марлю: весь воздух, проходящий через трубку, нагревается пламенем, поэтому, когда он достигает сетки, он уже горячий и давление не увеличивается.

Когда марля находится в верхней половине трубки, звука нет. В этом случае холодный воздух, поступающий снизу конвекционным потоком, достигает сетки к концу колебательного движения наружу. Это происходит непосредственно перед минимумом давления, поэтому внезапное повышение давления из-за теплопередачи имеет тенденцию гасить звуковую волну, а не усиливать ее.

Положение марли в трубке не критично, пока она находится в нижней половине. Чтобы определить лучшую позицию, нужно учесть две вещи. Большая часть тепла будет передаваться воздуху там, где смещение волны максимально, то есть в конце трубки. Однако эффект увеличения давления наиболее велик там, где наблюдается наибольшее изменение давления, то есть в середине трубы. Размещение марли посередине между этими двумя положениями (одна четверть от нижнего конца) - простой способ приблизиться к оптимальному размещению.

Трубка Рийке считается формой стоячей волны термоакустических устройств, известных как « тепловые двигатели » или « первичные двигатели ».

Трубка Сондхаусса [ править ]

Воспроизвести медиа
Тайваньский профессор демонстрирует трубку Рийке на китайском языке.

Трубка Рийке работает с открытыми обоими концами. Однако трубка с одним закрытым концом также будет генерировать звук от тепла, если закрытый конец очень горячий. Такое устройство называется «трубкой Зондхаусса». Это явление впервые наблюдали стеклодувы и впервые описал в 1850 году немецкий физик Карл Фридрих Юлиус Сондхаусс (1815–1886). [8] [9] Лорд Рэлей первым объяснил работу трубки Сондхаусса. [10]

Трубка Сондхаусса работает в основном аналогично трубке Рийке: сначала воздух движется к горячему закрытому концу трубки, где он нагревается, так что давление на этом конце увеличивается. Затем горячий воздух под более высоким давлением течет от закрытого конца к более холодному открытому концу трубы. Воздух передает тепло трубке и охлаждает. Воздух немного выходит за открытый конец трубки, ненадолго сжимая атмосферу; сжатие распространяется через атмосферу в виде звуковой волны. Затем атмосфера выталкивает воздух обратно в трубку, и цикл повторяется. В отличие от трубки Рийке, трубка Зондхаусса не требует постоянного потока воздуха через нее, и в то время как трубка Рийке действует как полуволновой резонатор, трубка Зондхаусса действует как четвертьволновой резонатор. [11]

Как и в случае с трубкой Рийке, было обнаружено, что размещение пористого нагревателя, а также «стопки» («пористой пробки») в трубке значительно увеличивает мощность и эффективность трубки Сондхаусса. [12] [13] (В демонстрационных моделях труба может нагреваться снаружи, а стальная вата может служить штабелем.) [14]

См. Также [ править ]

  • Пирофон

Ссылки [ править ]

  1. ^ Рийка, Питер Л. (1859a). «О колебании воздуха в трубке, открытой с обоих концов» . Философский журнал . 17 : 419–422. DOI : 10.1080 / 14786445908642701 .; первоначально опубликовано на немецком языке как: Rijke, PL (1859b). "Notiz über eine neue Art, die in einer an beiden Enden offenen Röhre enthaltene Luft in Schwingungen zu versetzen" [Уведомление о новом способе приведения в колебание воздуха, содержащегося в трубке с открытыми обоими концами]. Annalen der Physik und Chemie . 2-я серия (на немецком языке). 107 (6): 339–343. Bibcode : 1859AnP ... 183..339R . DOI : 10.1002 / andp.18591830616 .[современное цитирование: Annalen der Physik , 183 : 339–343].
  2. ^ Strutt, Джон Wm. (Лорд Рэлей) (1879). «Акустические наблюдения» . Философский журнал . 5-я серия. 7 : 149–162.
  3. ^ Открытие Bosscha в упоминается на страницах 421-422 из: Рийке, Pieter L. (1859a). «О колебании воздуха в трубке, открытой с обоих концов» . Философский журнал . 17 : 419–422. DOI : 10.1080 / 14786445908642701 .
  4. ^ Рисс, P. (1859). "Das Anblasen offener Röhren durch eine Flamme" [ Звук открытых труб пламенем]. Annalen der Physik und Chemie . 2-я серия (на немецком языке). 108 (12): 653–656. Bibcode : 1859AnP ... 184..653R . DOI : 10.1002 / andp.18591841219 .
  5. Перейти ↑ Reiss, P. (1860). "Anhaltendes Tönen einer Röhre durch eine Flamme" [Устойчивые звуки трубки пламенем]. Annalen der Physik und Chemie . 2-я серия (на немецком языке). 109 (1): 145–147. Bibcode : 1860AnP ... 185..145R . DOI : 10.1002 / andp.18601850113 .
  6. ↑ Лорд Рэлей упоминает открытия Босша и Рисса в: Strutt, John Wm. (Барон Рэлей) (1896). Теория звука . т. 2 (2-е изд.). Лондон, Англия, Великобритания: Macmillan. С. 233–234. ; перепечатано Dover Publications (Нью-Йорк, Нью-Йорк, США) в 1945 году.
  7. ^ Стратт, Джон. Wm. (Лорд Рэлей) (18 июля 1878 г.). «Объяснение некоторых акустических явлений» . Природа . 18 (455): 319–321. Bibcode : 1878Natur..18..319R . DOI : 10.1038 / 018319a0 . S2CID 4140025 .  См. Также: Strutt, John Wm. (Барон Рэлей) (1896). Теория звука . т. 2 (2-е изд.). Лондон, Англия, Великобритания: Macmillan. С. 231–234. ; перепечатано Dover Publications (Нью-Йорк, Нью-Йорк, США) в 1945 году.
  8. ^ Sondhauss, Карл (1850). "Über die Schallschwingungen der Luft in erhitzten Glasrohren und in gedeckten Pfeifen von ungleicher Weite" [Об акустических колебаниях воздуха в нагретых стеклянных трубках и в закрытых трубах неоднородной ширины]. Annalen der Physik und Chemie . 2-я серия (на немецком языке). 79 : 1–34.
  9. ↑ Многие источники пишут «Карл Сондхаус» как «Карл Сондхаус» или «Карл Сондхаус».
  10. ^ Strutt, Джон Wm. (Барон Рэлей) (1896). Теория звука . т. 2 (2-е изд.). Лондон, Англия, Великобритания: Macmillan. С. 230–231. ; перепечатано Dover Publications (Нью-Йорк, Нью-Йорк, США) в 1945 году.
  11. ^ Технический анализ этого четвертьволнового «двигателя» стоячей волны представлен в: Swift, Greg (2007). «Глава 7: Термоакустика» . В Россинг, Томас (ред.). Справочник Springer по акустике . Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Springer. С. 241 и 244-246. ISBN 9780387304465.
  12. ^ Теплообменники были впервые помещены в трубки Сондхаусс Картером, Уайтом и Стилом: Роберт Лерой Картер, М. Уайт и А.М. Стил (1962) Частное сообщение, Международное подразделение Atomics компании North American Aviation, Inc. Трубки Сондхаусса были разработаны Карлом Томасом Фельдманом младшим.
    • Фельдман, К.Т. (1966) «Исследование колебаний давления, генерируемых теплом в закрытой трубе с закрытым концом», канд. докторскую диссертацию на факультете машиностроения Университета Миссури.
    • Feldman, KT, Jr .; Hirsch, H .; Картер, Р.Л. (июнь 1966 г.). «Эксперименты над термоакустическим явлением Зондхаусса». Журнал Акустического общества Америки . 39 (6): 1236. Bibcode : 1966ASAJ ... 39.1236F . DOI : 10.1121 / 1.1942774 .
    • Фельдман К.Т. младший (январь 1968 г.). «Обзор литературы по термоакустическому явлению Зондхаусса». Журнал звука и вибрации . 7 (1): 71–82. Bibcode : 1968JSV ..... 7 ... 71F . DOI : 10.1016 / 0022-460x (68) 90158-2 .
    • Feldman, KT, Jr .; Картер Р.Л. (1970). «Исследование тепловых колебаний давления в газе». Журнал теплопередачи . 92 (3): 536–541. DOI : 10.1115 / 1.3449709 .
    Смотрите также:
    • Уитли, JC; Hofler, T .; Свифт, GW; Мильори, А. (1985). «Понимание некоторых простых явлений в термоакустике применительно к акустическим тепловым двигателям» . Американский журнал физики . 53 (2): 147–162. Bibcode : 1985AmJPh..53..147W . DOI : 10.1119 / 1.14100 .
    • Описание «акустического лазера»: Гаррет, Стивен; Бакхаус, Скотт (ноябрь – декабрь 2000 г.). «Сила звука» . Американский ученый . 88 (6): 516–525. DOI : 10.1511 / 2000.6.516 .
    • Скотт Бакхаус и Грег Свифт, «Новые разновидности термоакустических двигателей», 9-й Международный конгресс по звуку и вибрации (Орландо, Флорида, США), июль 2002 г.
    • Технический анализ этого четвертьволнового «двигателя» стоячей волны представлен в: Swift, Greg (2007). «Глава 7: Термоакустика» . В Россинг, Томас (ред.). Справочник Springer по акустике . Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Springer. С. 241 и 244-246. ISBN 9780387304465.
  13. ^ См. Также статью в Википедии: Термоакустический двигатель с горячим воздухом .
  14. ^ На YouTube см., Например:
    1. "Резонансный Стирлинг" ,
    2. "Laser de sonido термоакустический звуковой saser" , или
    3. «термоакустический эксперимент» .

Дополнительная информация [ править ]

  • Фельдман, К.Т., младший (1968). «Обзор литературы по термоакустическим явлениям Рийке». Журнал звука и вибрации . 7 (10): 83–89. Bibcode : 1968JSV ..... 7 ... 83F . DOI : 10.1016 / 0022-460X (68) 90159-4 .
  • Rijke-Rohr (трубка Rijke) по адресу: Wundersames Sammelsurium (Коллекция чудес ) (на немецком языке) Включает оригинальные статьи ранних исследователей термоакустики (Rijke, Reiss и др.).
  • Evans, RE; Патнэм, AA (1966). «Трубчатый аппарат Рийке». Американский журнал физики . 34 (4): 360–361. Bibcode : 1966AmJPh..34..360E . DOI : 10.1119 / 1.1972980 .
  • Юлиус Самнер Миллер, "Звучащие трубы" на YouTube Демонстрации трубок Rijke.