Риже түтігі: Жылуды дыбысқа айналдыру құбылысы

Кіріспе

Ридже түтігі – екі ұшы ашық цилиндр тәрізді түтік, оның ішінде жылу көзі орналасқан. Бұл жылуды дыбысқа айналдырып, өзін-өзі күшейтетін тұрған толқынды құрайды. Акустикада қызықты құбылыс болып табылады және резонансқа тамаша мысал.

Ашылу

П. Л. Рикке 1859 жылы Нидерландыдағы Лейден университетінде физика профессоры болған кезде, екі ұшы ашық цилиндрлі түтікшеде дыбысты қолдау үшін жылуды пайдаланудың жолын тапты. Ол ұзындығы 0,8 м, диаметрі 3,5 см болатын шыны түтікше қолданды. Оның ішіне бір шетінен 20 см қашықтықта, оң жақтағы суретте көрсетілгендей, сым тордан жасалған дискі орналастырды. Түтіктің қабырғаларымен үйкеліс тордың орнында тұруына жеткілікті. Түтікті тік тұрып, торды төменгі жартысында қалдырып, жалынмен қызыл қызыл қызғанша қыздырды. Жалынды алып тастағаннан кейін, түтіктен қатты дыбыс шықты, ол тор салқындағанша (шамамен 10 секунд) жалғасты. Бұл эксперименттің қазіргі заманғы қайталауларында боросиликатты шыны түтікше немесе, тіптен жақсырақ, металлдан жасалған түтікше пайдалану қауіпсіз. Рикке торды жалынмен қыздырудың орнына электрмен қыздыруды да сынап көрді. Электр кедергісі бар сымнан тор жасау, жеткілікті ток өткен кезде оны қызыл қызыл қыздырады. Жылу үнемі беріліп тұрғандықтан, дыбыс та үнемі және өте қатты болады. Рикке университеттегі әріптестерінен шағымдар алғанын айтады, себебі дыбыс оның зертханасынан үш бөлме қашықтықта оңай естілген. Бұл үшін шамамен 1 кВт электр қуаты қажет. 1877 жылы дыбыс туралы толық оқулық жазған Лорд Рейли осыны өте тиімді лекциялық демонстрация ретінде ұсынады. Ол ұзындығы 1,5 м, диаметрі 12 см темір құбырды қолданды, құбырдың төрттен бір бөлігіне темір сымнан жасалған екі қабат тор орналастырылған. Қосымша тор көбірек жылуды сақтап, дыбыстың ұзақтығын арттырады. Ол кітабында дыбыс мөлшері бөлмені дірілдетуге дейін жететінін жазады! "Кері" Рикке эффектісі – яғни, ыстық ауа суық тор арқылы өткеде дыбыстық тербелістер тудырады – алғаш рет Риккенің ассистенті Йоханнес Босша байқады, ал кейіннен неміс физигі Петер Теофил Риес зерттеді.

P. L. Rijke was a professor of physics at the Leiden University in the Netherlands when, in 1859, he discovered a way of using heat to sustain a sound in a cylindrical tube open at both ends. He used a glass tube, about 0.8 m long and 3.5 cm in diameter. Inside it, about 20 cm from one end, he placed a disc of wire gauze as shown in the figure on right. Friction with the walls of the tube is sufficient to keep the gauze in position. With the tube vertical and the gauze in the lower half, he heated the gauze with a flame until it was glowing red hot. Upon removing the flame, he obtained a loud sound from the tube which lasted until the gauze cooled down (about 10s). It is safer in modern reproductions of this experiment to use a borosilicate glass tube or, better still, one made of metal. Instead of heating the gauze with a flame, Rijke also tried electrical heating. Making the gauze with electrical resistance wire causes it to glow red when a sufficiently large current is passed. With the heat being continuously supplied, the sound is also continuous and rather loud. Rijke seems to have received complaints from his university colleagues because he reports that the sound could be easily heard three rooms away from his laboratory. The electrical power required to achieve this is about 1 kW. Lord Rayleigh, who wrote the definitive textbook on sound in 1877, recommends this as a very effective lecture demonstration. He used a cast iron pipe 1.5 m long and 12 cm diameter with two layers of gauze made from iron wire inserted about quarter of the way up the tube. The extra gauze is to retain more heat, which makes the sound longer lasting. He reports in his book that the sound rises to such intensity as to shake the room! A "reverse" Rijke effect — namely, that a Rijke tube will also produce audio oscillations if hot air flows through a cold screen — was first observed by Rijke's assistant Johannes Bosscha and subsequently investigated by German physicist Peter Theophil Rieß.

Механизм

Дыбыс, түтіктің ұзындығынан шамамен екі есе үлкен толқын ұзындығына ие тұрақты толқыннан пайда болады, бұл негізгі жиілікті анықтайды. Лорд Рейли өзінің кітабында дыбыстың қалай қозғалатынын дұрыс түсіндірген. Газа арқылы өтетін ауа ағыны екі қозғалыстың комбинациясы болып табылады. Газаның ауаны қыздыруынан туындаған конвекциялық токқа байланысты ауаның біркелкі жоғары қарай қозғалысы пайда болады. Осыған дыбыс толқынының әсерінен туындаған қозғалыс қосылады. Дыбыс тербелісінің жартысында ауа түтіктің екі жағынан да ағып кіріп, қысым максималды деңгейге жеткенше толады. Екінші жартысында ауа ағыны сыртқа қарай жүреді, қысым минималды деңгейге дейін төмендейді. Газа арқылы өтетін барлық ауа газдың температурасына дейін қыздырылады, ал ауаға берілген жылу идеал газ заңына сәйкес оның қысымын арттырады. Газадан жоғары қарай ағып жатқан ауаның көп бөлігі бұрын қызғандықтан, алдыңғы жарты циклде газдың үстінен төмен қарай өтіп кеткен болады. Дегенмен, қысымның максималды деңгейіне жеткенге дейін, аз мөлшерде салқын ауа газбен жанасып, оның қысымын күрт арттырады. Бұл қысымның максималды деңгейін арттырып, тербелісті күшейтеді. Екінші жарты циклде, қысым төмендеген кезде, газдың үстіндегі ауа қайтадан газ арқылы төмен қарай итеріледі. Ол бұрыннан қызғандықтан, газға байланысты қысым өзгермейді, себебі жылу берілмейді. Сондықтан дыбыс толқыны әрбір тербеліс циклында күшейеді және тез арада өте үлкен амплитудаға жетеді. Осы себепті, жалын газды қыздырғанда дыбыс шықпайды: түтік арқылы өтетін барлық ауа жалынмен қыздырылады, сондықтан ол газға жеткен кезде бұрыннан қызған болады және қысымның өсуі болмайды. Газа түтіктің жоғарғы жартысында орналасқанда дыбыс пайда болмайды. Бұл жағдайда, конвекциялық токпен төменнен әкелінген салқын ауа, сыртқа қарай тербеліс қозғалысының соңында газға жетеді. Бұл қысымның минималды деңгейіне дейін бірден бұрын болады, сондықтан жылу беруден туындаған қысымның күрт өсуі дыбыс толқынын күшейтудің орнына жоюға бейім. Түтіктегі газдың орналасуы төменгі жартысында болғанша маңызды емес. Оның ең тиімді орнын анықтау үшін екі нәрсені ескеру керек. Жылудың көп бөлігі ауаға, яғни түтіктің соңында, толқынның максималды ауытқуына беріледі. Алайда, қысымды арттыру әсері ең үлкен қысым өзгерісі бар жерде, яғни түтіктің ортасында болады. Газаны осы екі позицияның арасына (төменгі жағынан 1/4 қашықтықта) орналастыру – оңтайлы орналасуға жақындаудың оңай жолы. Рийке түтігі "жылу қозғалтқыштары" немесе "басты қозғалтқыштар" деп аталатын термоакустикалық құрылғылардың тұрақты толқын түрі болып саналады.

The sound comes from a standing wave whose wavelength is about twice the length of the tube, giving the fundamental frequency. Lord Rayleigh, in his book, gave the correct explanation of how the sound is stimulated. The flow of air past the gauze is a combination of two motions. There is a uniform upwards motion of the air due to a convection current resulting from the gauze heating up the air. Superimposed on this is the motion due to the sound wave. For half the vibration cycle, the air flows into the tube from both ends until the pressure reaches a maximum. During the other half cycle, the flow of air is outwards until the minimum pressure is reached. All air flowing past the gauze is heated to the temperature of the gauze and any transfer of heat to the air will increase its pressure according to the ideal gas law. As the air flows upwards past the gauze most of it will already be hot because it has just come downwards past the gauze during the previous half cycle. However, just before the pressure maximum, a small quantity of cool air comes into contact with the gauze and its pressure is suddenly increased. This increases the pressure maximum, so reinforcing the vibration. During the other half cycle, when the pressure is decreasing, the air above the gauze is forced downwards past the gauze again. Since it is already hot, no pressure change due to the gauze takes place, since there is no transfer of heat. The sound wave is therefore reinforced once every vibration cycle, and it quickly builds up to a very large amplitude. This explains why there is no sound when the flame is heating the gauze: all air flowing through the tube is heated by the flame, so when it reaches the gauze, it is already hot and no pressure increase takes place. When the gauze is in the upper half of the tube, there is no sound. In this case, the cool air brought in from the bottom by the convection current reaches the gauze towards the end of the outward vibration movement. This is immediately before the pressure minimum, so a sudden increase in pressure due to the heat transfer tends to cancel out the sound wave instead of reinforcing it. The position of the gauze in the tube is not critical as long as it is in the lower half. To work out its best position, there are two things to consider. Most heat will be transferred to the air where the displacement of the wave is a maximum, i. e. at the end of the tube. However, the effect of increasing the pressure is greatest where there is the greatest pressure variation, i. e. in the middle of the tube. Placing the gauze midway between these two positions (one quarter of the way in from the bottom end) is a simple way to come close to the optimal placement. The Rijke tube is considered to be a standing wave form of thermoacoustic devices known as "heat engines" or "prime movers".

Сондхаус түтігі

Рикке түтігі екі ұшы ашық жұмыс істейді. Дегенмен, бір ұшы жабық түтік те, егер жабық ұшы қатты ыстық болса, жылудан дыбыс тудырады. Мұндай құрылғы "Сондхаус түтігі" деп аталады. Бұл құбылысты алғаш рет шыны үрлеушілер байқаған, ал 1850 жылы неміс физигі Карл Фридрих Юлиус Сондхаус (1815–1886) оны тұңғыш рет сипаттаған. Лорд Рейли Сондхаус түтігінің жұмыс принципін алғаш түсіндірген. Сондхаус түтігі Рикке түтігіне ұқсас принциппен жұмыс істейді: бастапқыда ауа түтіктің ыстық, жабық жағына қарай жылжиды, онда қыздырылып, сол жақтағы қысымды арттырады. Содан кейін ыстық, жоғары қысымды ауа жабық ұштан түтіктің салқын, ашық ұшына ағылады. Ауа жылуын түтікке беріп, салқындайды. Ауа түтіктің ашық ұшынан сәл өте шығып, атмосфераны қысқа мерзімге қысымға ұшыратады; бұл қысым атмосфера арқылы дыбыс толқыны ретінде тарайды. Содан кейін атмосфера ауаны түтікке кері итеріп, цикл қайталанады. Рикке түтігінен өзгеше, Сондхаус түтігіне ауаның үздіксіз ағысы қажет емес, ал Рикке түтігі жарты толқынды резонанс жасаса, Сондхаус түтігі ширек толқынды резонанс жасап жұмыс істейді. Рикке түтігі сияқты, түтік ішіне кеуекті жылытқыш пен "қабаттама" (кеуекті "бұтақ") орналастыру Сондхаус түтігінің қуатын және тиімділігін арттыратыны анықталды. (Көрнекі үлгілерде түтікті сырттан қыздыруға болады, ал болат жіп қабаттама ретінде қолданылуы мүмкін.)

Қосымша ақпарат

Rijke Rohr (Rijke tube) at: Wundersames Sammelsurium (Wondrous Collection) (неміс тілінде) Термоакустиканы алғаш зерттеген ғалымдардың (Рикке, Рейсс және т.б.) түпнұсқа мақалаларын қамтиды. Джулиус Самнер Миллердің "Sounding Pipes" YouTube-тағы Рикке түтіктерінің демонстрациялары.