Трубка Рийке - Rijke tube

Трубка Рийке повороты высокая температура в звук, создавая самоусиливающийся стоячая волна. Это занимательное явление в акустика и является прекрасным примером резонанс.

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

Открытие

П. Л. Рийке был профессор из физика на Лейденский университет в Нидерланды когда в 1859 году он открыл способ использования тепла для поддержания звука в цилиндрический трубка открыта с обоих концов.[1] Он использовал стекло трубка длиной около 0,8 м и диаметром 3,5 см. Внутри него, примерно в 20 см от одного конца, он поместил диск проволочная сетка как показано на рисунке справа. Трение со стенками трубки достаточно, чтобы марля оставалась на месте. Держа трубку вертикально и марлю в нижней половине, он нагрел марлю пламя пока он не стал раскаленным докрасна. Убрав пламя, он услышал громкий звук из трубки, который длился, пока марля не остыла (около 10s ). В современных репродукциях этого эксперимента безопаснее использовать боросиликатное стекло трубка или, еще лучше, из металл.

Вместо того, чтобы нагревать марлю пламенем, Райке также попробовал электрические обогрев. Изготовление марли с помощью электричества провод сопротивления заставляет его светиться красным при достаточно большом Текущий передается. 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 Рэйли, который написал исчерпывающий учебник по звуку в 1877 году, рекомендует это как очень эффективный лекция демонстрация. Он использовал чугун труба длиной 1,5 м и диаметром 12 см с двумя слоями марли из утюг проволока вставлена ​​примерно на четверть вверх по трубке. 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 горячей воздух проходит через холодный экран - впервые заметил помощник Рийке Йоханнес Босша[3] и впоследствии исследовал немецкий физик Питер Теофил Рисс.[4][5][6]

Механизм

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

Звук исходит из стоячая волна чей длина волны примерно в два раза длиннее трубки, что дает основная частота. Лорд Рэйли в своей книге дал правильное объяснение того, как стимулируется звук.[7] Поток воздуха через марлю представляет собой комбинацию двух движений. Равномерное движение воздуха вверх из-за конвекция ток, возникающий из-за нагрева воздуха сеткой. На это накладывается движение звуковой волны.

В течение половины цикла вибрации воздух поступает в трубку с обоих концов до тех пор, пока давление достигает максимума. Во время другого полупериода поток воздуха направляется наружу до тех пор, пока не будет достигнуто минимальное давление. Весь воздух, проходящий мимо марли, нагретый температуре марли, и любая передача тепла воздуху увеличит его давление в соответствии с идеальным газовое право. Когда воздух проходит 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 сетки не происходит, поскольку нет передачи тепла. Таким образом, звуковая волна усиливается один раз за каждый цикл вибрации, и она быстро достигает очень большого размера. амплитуда.

Это объясняет, почему нет звука, когда пламя нагревает сетку: весь воздух, проходящий через трубку, нагревается пламенем, поэтому, когда он достигает сетки, он уже горячий, и никакого повышения давления не происходит.

Когда марля находится в верхней половине трубки, звука нет. В этом случае холодный воздух, поступающий снизу за счет конвекционного тока, 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 является максимальным, то есть в конце трубки. Тем не менее, эффект увеличения давления наиболее велик там, где наблюдается наибольшее изменение давления, то есть в середине трубы. Размещение марли посередине между этими двумя позициями (одна четверть от нижнего конца) - простой способ приблизиться к оптимальному размещению.

Трубка Рийке считается формой стоячей волны термоакустический устройства, известные как "тепловые двигатели " или же "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).[8][9] Лорд Рэлей первым объяснил работу трубки Зондхаусса.[10]

Трубка Сондхаусса работает 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, кратковременно 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 увеличивают мощность и эффективность трубки Сондхаусса.[12][13] (В демонстрационных моделях труба может нагреваться снаружи, а стальная вата может служить штабелем.)[14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Рийке, Питер Л. (1859a). «О колебании воздуха в трубке, открытой с обоих концов». Философский журнал. 17: 419–422. Дои:10.1080/14786445908642701.; первоначально опубликовано на немецком языке как: Рийке, П. Л. (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. Дои:10.1002 / andp.18591830616. [современное цитирование: Annalen der Physik, 183: 339–343].
  2. ^ Стратт, Джон У. (Лорд Рэлей) (1879). «Акустические наблюдения». Философский журнал. 5-я серия. 7: 149–162.
  3. ^ Открытие Босша упоминается на страницах 421–422: Рийке, Питер Л. (1859a). «О колебании воздуха в трубке, открытой с обоих концов». Философский журнал. 17: 419–422. Дои:10.1080/14786445908642701.
  4. ^ Рис, П. (1859 г.). "Наставник Das Anblasen Röhren durch eine Flamme" [Зондирование открытых труб пламенем]. Annalen der Physik und Chemie. 2-я серия (на немецком языке). 108 (12): 653–656. Bibcode:1859AnP ... 184..653R. Дои:10.1002 / andp.18591841219.
  5. ^ Рейсс, П. (1860). "Anhaltendes Tönen einer Röhre durch eine Flamme" [Устойчивые тона трубки пламенем]. Annalen der Physik und Chemie. 2-я серия (на немецком языке). 109 (1): 145–147. Bibcode:1860AnP ... 185..145R. Дои:10.1002 / andp.18601850113.
  6. ^ Лорд Рэлей упоминает открытия Босша и Рисса в: Стратт, Джон У. (Барон Рэлей) (1896 г.). 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:1878Натура..18..319р. Дои:10.1038 / 018319a0. S2CID  4140025. Смотрите также: Стратт, Джон У. (Барон Рэлей) (1896 г.). 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. ^ Сондхаусс, 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 г.). 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: Свифт, Грег (2007). «Глава 7: Термоакустика». В Россинге, Томас (ред.). Справочник Springer по акустике. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Springer. С. 241 и 244-246. ISBN  9780387304465.
  12. ^ Теплообменники были впервые размещены в трубках Сондхаусс Картером, Уайтом и Стилом: Робертом Лерой Картером, М. Уайтом и А. Стил (1962) Частное общение, Atomics International Division компании North American Aviation, Inc. Первый опубликованный отчет о скоплениях в трубах Зондхаусс был написан Карлом Томасом Фельдманом младшим.
    • Фельдман, К. Т. (1966) "Исследование колебаний давления, генерируемых теплом, в трубе с закрытым концом", доктор философии. докторскую диссертацию на факультете машиностроения Университета Миссури.
    • Feldman, K. T., 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. Дои: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. Дои:10.1016 / 0022-460x (68) 90158-2.
    • Feldman, K. T., Jr .; Картер, Р. Л. (1970). «Исследование тепловых колебаний давления в газе». Труды Американского общества инженеров-механиков, C: Journal of Heat Transfer. 92 (3): 536–541. Дои:10.1115/1.3449709.
    Смотрите также:
  13. ^ См. Также статью в Википедии: Термоакустический двигатель горячего воздуха.
  14. ^ На YouTube см., Например:
    1. "Резонансный Стирлинг",
    2. "Laser de sonido термоакустический звуковой лазер", или же
    3. «термоакустический эксперимент».

Дальнейшая информация