Трубка Рийке - Rijke tube

Трубка Рийке представляет собой цилиндрическую трубку с открытыми обоими концами, внутри которого источник тепла помещается , который превращает тепло в звук , путем создания самостоятельного усиления стоячей волны . 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

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. 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 она не загорелась 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!

«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, а затем исследовал немецкий физик Петер Теофил Рисс .

Механизм

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. 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 Зондхаусса

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). Лорд Рэлей первым объяснил работу трубки Сондхаусса.

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.

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. (В демонстрационных моделях трубка может нагреваться снаружи, а стальная вата может служить штабелем.)

Смотрите также

использованная литература

Дальнейшая информация