Трубка Рике: Преобразование тепла в звук и резонанс

Введение

Трубка Ридже – это цилиндрическая трубка с обоими открытыми концами, внутри которой находится источник тепла, преобразующий тепловую энергию в звук посредством создания самовозбуждающейся стоячей волны. Это увлекательное явление в акустике и прекрасный пример резонанса.

Открытие

П. Л. Рикке был профессором физики в Лейденском университете в Нидерландах, когда в 1859 году он обнаружил способ использования тепла для поддержания звука в цилиндрической трубке, открытой с обоих концов. Он использовал стеклянную трубку длиной около 0,8 м и диаметром 3,5 см. Внутри, примерно в 20 см от одного конца, он поместил диск из проволочной марли, как показано на рисунке справа. Трение с стенками трубки достаточно для удержания марли в положении. С вертикально установленной трубкой и марлей в нижней половине, он нагревал марлю пламенем докрасна. После удаления пламени он получал громкий звук из трубки, который продолжался до тех пор, пока марля не остывала (около 10 секунд). В современных воспроизведениях этого эксперимента безопаснее использовать боросиликатную стеклянную трубку или, что еще лучше, изготовленную из металла. Вместо нагрева марли пламенем, Рикке также пробовал электрический нагрев. Изготовление марли из проволоки с электрическим сопротивлением заставляет её светиться при прохождении достаточно сильного тока. При постоянной подаче тепла звук также становится непрерывным и довольно громким. Рикке, по-видимому, получал жалобы от своих коллег по университету, поскольку он сообщает, что звук можно было легко услышать в трех комнатах от его лаборатории. Для достижения этого требуется электрическая мощность около 1 кВт. Лорд Рэлей, автор авторитетного учебника по звуку, опубликованного в 1877 году, рекомендует это как очень эффективную демонстрацию на лекциях. Он использовал чугунную трубу длиной 1,5 м и диаметром 12 см с двумя слоями марли из железной проволоки, вставленными примерно на четверть длины трубы от нижнего конца. Дополнительная марля предназначена для удержания большего количества тепла, что увеличивает продолжительность звука. В своей книге он сообщает, что звук достигает такой интенсивности, что сотрясает комнату! "Обратный" эффект Рике – а именно, что трубка Рике также будет генерировать звуковые колебания, если горячий воздух проходит через холодную сетку – был впервые замечен помощником Рике Йоханнесом Босхой и впоследствии исследован немецким физиком Петером Теофилом Риессом.

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

Звук исходит от стоячей волны, длина волны которой приблизительно вдвое превышает длину трубки, что соответствует основной частоте. Лорд Рэлей в своей книге дал верное объяснение механизма возникновения звука. Поток воздуха через марлю представляет собой комбинацию двух движений. Существует равномерное движение воздуха вверх, обусловленное конвекционным током, возникающим из-за нагрева воздуха марлей. На это накладывается движение, вызванное звуковой волной. В течение половины цикла колебаний воздух поступает в трубку с обоих концов до тех пор, пока давление не достигнет максимума. В течение другой половины цикла поток воздуха направлен наружу до достижения минимального давления. Весь воздух, проходящий мимо марли, нагревается до её температуры, и любая передача тепла воздуху увеличивает его давление в соответствии с законом идеального газа. Поскольку воздух поднимается вверх мимо марли, большая его часть уже будет нагретой, так как только что прошла вниз мимо марли в течение предыдущего полуцикла. Однако, непосредственно перед достижением максимального давления, небольшое количество холодного воздуха соприкасается с марлей, и его давление внезапно возрастает. Это увеличивает максимальное давление, тем самым усиливая колебания. В течение другой половины цикла, когда давление падает, воздух над марлей снова опускается вниз мимо неё. Поскольку он уже горячий, никаких изменений давления из-за марли не происходит, так как теплообмен отсутствует. Таким образом, звуковая волна усиливается один раз за каждый цикл колебаний и быстро нарастает до большой амплитуды. Это объясняет, почему звук не возникает, когда пламя нагревает марлю: весь воздух, проходящий через трубку, нагревается пламенем, поэтому, достигая марли, он уже горячий и увеличение давления не происходит. Когда марля находится в верхней половине трубки, звук отсутствует. В этом случае холодный воздух, поступающий снизу конвекционным током, достигает марли к концу фазы колебания наружу. Это происходит непосредственно перед минимальным давлением, поэтому внезапное увеличение давления из-за теплопередачи стремится подавить звуковую волну, а не усилить её. Положение марли в трубке не критично, если она находится в нижней половине. Для определения оптимального положения необходимо учитывать два фактора. Наибольшая передача тепла воздуху происходит в точках максимального смещения волны, то есть на концах трубки. Однако эффект увеличения давления наиболее силен там, где наблюдается наибольшая вариация давления, то есть в середине трубки. Размещение марли посередине между этими двумя точками (на четверти длины от нижнего конца) является простым способом приблизиться к оптимальному положению. Труба Ридже рассматривается как волновой тип стоячей волны термоакустических устройств, известных как "тепловые двигатели" или "первичные двигатели".

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".

Трубка Сондхаусса

Трубка Рике работает с обоими открытыми концами. Однако трубка с закрытым концом также способна генерировать звук от нагрева, если закрытый конец очень горячий. Такое устройство называется "трубкой Зондхауса". Это явление впервые было замечено стеклодувами и впервые описано в 1850 году немецким физиком Карлом Фридрихом Юлиусом Зондхаусом (1815–1886). Лорд Рэлей первым объяснил принцип работы трубки Зондхауса. Трубка Зондхауса работает по принципу, в основном схожему с трубкой Рике: изначально воздух движется к горячему, закрытому концу трубки, где он нагревается, что приводит к увеличению давления в этой части. Затем горячий воздух под высоким давлением течет от закрытого конца к более холодному, открытому концу трубки. Воздух передает тепло стенкам трубки и охлаждается. Воздух немного выходит за пределы открытого конца трубки, кратковременно сжимая атмосферу; это сжатие распространяется в атмосфере в виде звуковой волны. Затем атмосфера возвращает воздух обратно в трубку, и цикл повторяется. В отличие от трубки Рике, трубке Зондхауса не требуется постоянный поток воздуха, и в то время как трубка Рике действует как полуволновой резонатор, трубка Зондхауса действует как четвертьволновой резонатор. Как и в случае трубки Рике, было обнаружено, что размещение пористого нагревателя, а также "стека" (пористого "вкладыша") в трубке значительно увеличивает мощность и эффективность трубки Зондхауса. (В демонстрационных моделях трубку можно нагревать снаружи, а стальная вата может использоваться в качестве стека.)

Дополнительная информация

Трубка Рике (Rijke tube) в: Wundersames Sammelsurium (Wondrous Collection) (на немецком языке). Содержит оригинальные статьи первых исследователей термоакустики (Рике, Рейсс и др.). Джулиус Самнер Миллер, "Звучащие трубы" на YouTube – демонстрации работы трубок Рике.