Богатая трубка
Трубка Рийке представляет собой цилиндрическую трубку с открытыми обоими концами, внутри которой размещен источник тепла, превращающий тепло в звук , путем создания самоусиливающейся стоячей волны . Это интересное явление в акустике и прекрасный пример резонанса .
Открытие
[ редактировать ]П.Л.Рийке был профессором физики трубке , Лейденского университета в Нидерландах , когда в 1859 году он открыл способ использования тепла для поддержания звука в цилиндрической открытой с обоих концов. [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 проволочной сетки, как показано на рисунке справа. Трения о стенки пробирки достаточно, чтобы марля удерживалась на месте. Поставив трубку вертикально и положив марлю в нижнюю половину, он нагрел марлю пламенем до тех пор, пока она не стала раскаленной докрасна. Убрав пламя, он услышал из трубки громкий звук, который продолжался до остывания марли (около 10 с ). При современном воспроизведении этого эксперимента безопаснее использовать трубку из боросиликатного стекла или, еще лучше, металлическую .
Вместо того, чтобы нагревать марлю пламенем, Рийке попробовал электрический нагрев. Изготовление сетки из проволоки с электрическим сопротивлением заставляет ее светиться красным при достаточно большого тока прохождении . Поскольку тепло подается непрерывно, звук также непрерывный и довольно громкий. Похоже, что Рийке получил жалобы от своих университетских коллег, поскольку 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 , написавший исчерпывающий учебник по звуку в 1877 году, рекомендует это как очень эффективную демонстрацию лекций . Он использовал чугунную трубу длиной 1,5 м и диаметром 12 см с двумя слоями марли из железной проволоки, вставленной примерно на четверть длины трубки. Дополнительная марля удерживает больше тепла, что делает звук более продолжительным. В своей книге он сообщает, что звук достигает такой силы, что сотрясает комнату! [2]
«Обратный» эффект Рийке, а именно то, что трубка Рийке также будет производить звуковые колебания, если горячий воздух проходит через холодный экран, впервые наблюдал помощник Рийке Йоханнес Босша. [3] и впоследствии исследован немецким физиком Петером Теофилом Риссом . [4] [5] [6]
Механизм
[ редактировать ]
Звук исходит от стоячей волны которой , длина волны примерно в два раза превышает длину трубки, что дает основную частоту . Лорд Рэлей в своей книге дал правильное объяснение того, как стимулируется звук. [7] Поток воздуха мимо марли представляет собой комбинацию двух движений. Происходит равномерное движение воздуха вверх за счет конвекционного потока, возникающего в результате нагревания воздухом сетки. На это накладывается движение, вызванное звуковой волной.
В течение половины цикла вибрации воздух поступает в трубку с обоих концов, пока давление не достигнет максимума. Во время другого полупериода поток воздуха направлен наружу до тех пор, пока не будет достигнуто минимальное давление. Весь воздух, проходящий мимо сетки, нагревается до температуры сетки, и любая передача тепла воздуху приведет к увеличению его давления в соответствии с законом идеального газа . Поскольку воздух течет вверх мимо марли, большая его часть уже будет горячей, потому что он только что прошел вниз через марлю во время предыдущего полупериода. Однако незадолго до максимума давления небольшое количество холодного воздуха контактирует с марлей, и его давление внезапно возрастает. Это увеличивает максимальное давление, тем самым усиливая вибрацию. Во время другого полупериода, когда давление снижается, воздух над марлей снова вытесняется вниз, минуя 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 большого уровня. амплитуда .
Этим объясняется отсутствие звука при нагревании пламенем марли: весь воздух, проходящий через трубку, нагревается пламенем, поэтому, когда он достигает марли, он уже горячий и повышения давления не происходит.
Когда марля находится в верхней половине трубки, звука нет. В этом случае холодный воздух, принесенный снизу конвекционным потоком, достигает сетки ближе к концу вибрационного движения наружу. Это происходит непосредственно перед минимумом давления, поэтому внезапное увеличение давления из-за теплопередачи имеет тенденцию нейтрализовать звуковую волну, а не усиливать ее.
Положение марли в трубке не имеет решающего значения, главное, чтобы она находилась в нижней половине. Чтобы определить наилучшую позицию, необходимо учитывать две вещи. Большая часть тепла будет передана воздуху там, где смещение волны максимально, т. е. в конце трубки. Однако эффект увеличения давления является наибольшим там, где наблюдается наибольшее изменение давления, т.е. в середине трубки. Размещение марли посередине между этими двумя положениями (на четверть от нижнего конца) — это простой способ приблизиться к оптимальному расположению.
Трубка Рийке считается формой стоячей волны термоакустических устройств, известных как « тепловые двигатели » или « первичные двигатели ».
трубка Зондхауса
[ редактировать ]Трубка Рийке работает с открытыми обоими концами. Однако трубка с одним закрытым концом также будет издавать звук из-за тепла, если закрытый конец очень горячий. Такое устройство называется «трубка Зондхауса». Это явление впервые наблюдали стеклодувы и впервые описал в 1850 году немецкий физик Карл Фридрих Юлиус Зондхаус (1815–1886). [8] [9] Лорд Рэлей первым объяснил работу трубки Зондхауса. [10]
Трубка Зондхаусса работает по принципу, аналогичному трубке Рийке: первоначально воздух движется к горячему закрытому концу трубки, где он нагревается, так что давление на этом конце увеличивается. Затем горячий воздух с более высоким давлением течет от закрытого конца к более холодному открытому концу трубки. Воздух передает свое тепло трубке и охлаждается. Воздух немного выходит за пределы открытого конца трубки, ненадолго сжимая атмосферу; сжатие распространяется через атмосферу как звуковая волна. 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 Зондхаусса. [12] [13] (В демонстрационных моделях трубка может нагреваться снаружи, а штабелем может служить стальная вата.) [14]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Рийке, Питер Л. (1859a). «О вибрации 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). «Уведомление о новом способе приведения в колебание воздуха, содержащегося в трубке с открытыми обоими концами». Анналы физики и химии . 2-я серия (на немецком языке). 107 (6): 339–343. Бибкод : 1859АнП...183..339Р . дои : 10.1002/andp.18591830616 . [современное цитирование: Анналы физики , 183 : 339–343].
- ^ Стратт, Джон Вм. (Лорд Рэлей) (1879 г.). «Акустические наблюдения» . Философский журнал . 5-я серия. 7 : 149–162.
- ↑ Открытие Босши упоминается на страницах 421–422 книги: Рийке, Питер Л. (1859a). «О вибрации воздуха в трубке, открытой с обоих концов» . Философский журнал . 17 : 419–422. дои : 10.1080/14786445908642701 .
- ^ Рисс, П. (1859). «Звук открытых трубок пламенем». Анналы физики и химии . 2-я серия (на немецком языке). 108 (12): 653–656. Бибкод : 1859АнП...184..653Р . дои : 10.1002/andp.18591841219 .
- ^ Рейсс, П. (1860). «Продолжительные звуки трубки пламенем». Анналы физики и химии . 2-я серия (на немецком языке). 109 (1): 145–147. Бибкод : 1860АнП...185..145Р . дои : 10.1002/andp.18601850113 .
- ↑ Лорд Рэлей упоминает открытия Босши и Рисса в: Стратт, Джон Вм. (Барон Рэлей) (1896). Теория звука . Том. 2 (2-е изд.). Лондон, Англия, Великобритания: Макмиллан. стр. 233–234. ; переиздано Dover Publications (Нью-Йорк, Нью-Йорк, США) в 1945 году.
- ^ Стратт, Джон. Вм. (Лорд Рэлей) (18 июля 1878 г.). «Объяснение некоторых акустических явлений» . Природа . 18 (455): 319–321. Бибкод : 1878Natur..18..319R . дои : 10.1038/018319a0 . S2CID 4140025 . См. также: Стратт, Джон Вм. (Барон Рэлей) (1896). Теория звука . Том. 2 (2-е изд.). Лондон, Англия, Великобритания: Макмиллан. стр. 231–234. ; переиздано Dover Publications (Нью-Йорк, Нью-Йорк, США) в 1945 году.
- ^ Зондхаусс, Карл (1850). «Об акустических колебаниях воздуха в нагретых стеклянных трубках и в закрытых трубах неоднородной ширины» . Анналы физики и химии . 2-я серия (на немецком языке). 79 :1–34.
- ^ Во многих источниках «Карл Сондхаус» пишется как «Карл Сондхаус» или «Карл Сондхаусс».
- ^ Стратт, Джон Вм. (Барон Рэлей) (1896). Теория звука . Том. 2 (2-е изд.). Лондон, Англия, Великобритания: Макмиллан. стр. 230–231. ; переиздано Dover Publications (Нью-Йорк, Нью-Йорк, США) в 1945 году.
- ^ Технический анализ этого четвертьволнового «двигателя» стоячей волны представлен в: Свифт, Грег (2007). «Глава 7: Термоакустика» . Россинг, Томас (ред.). Справочник Спрингера по акустике . Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Спрингер. стр. 241 и 244–246. ISBN 9780387304465 .
- ^ Теплообменники были впервые помещены в трубки Зондхауса Картером, Уайтом и Стилом: Роберт Лерой Картер, М. Уайт и А.М. Стил (1962). Частное сообщение, Atomics International Division of North American Aviation, Inc. Первый опубликованный отчет о дымовых трубах в Трубки Сондхауса были изготовлены Карлом Томасом Фельдманом-младшим. См.:
- Фельдман, К.Т. (1966) «Исследование тепловых колебаний давления в трубе с закрытым концом», доктор философии. диссертация, факультет машиностроения, Университет Миссури.
- Фельдман, К.Т. младший; Хирш, Х.; Картер, Р.Л. (июнь 1966 г.). «Опыты по термоакустическому явлению Зондхауза» . Журнал Акустического общества Америки . 39 (6): 1236. Бибкод : 1966ASAJ...39.1236F . дои : 10.1121/1.1942774 .
- Фельдман, К.Т. младший (январь 1968 г.). «Обзор литературы по термоакустическому явлению Зондхауса». Журнал звука и вибрации . 7 (1): 71–82. Бибкод : 1968JSV.....7...71F . дои : 10.1016/0022-460x(68)90158-2 .
- Фельдман, К.Т. младший; Картер, Р.Л. (1970). «Исследование тепловых колебаний давления в газе». Журнал теплопередачи . 92 (3): 536–541. дои : 10.1115/1.3449709 .
- Уитли, Джей Си; Хофлер, Т.; Свифт, ГВ; Мильори, А. (1985). «Понимание некоторых простых явлений термоакустики применительно к акустическим тепловым двигателям» . Американский журнал физики . 53 (2): 147–162. Бибкод : 1985AmJPh..53..147W . дои : 10.1119/1.14100 .
- Описание «акустического лазера» в: Гарретт, Стивен; Бакхаус, Скотт (ноябрь – декабрь 2000 г.). «Сила звука» (PDF) . Американский учёный . 88 (6): 516–525. дои : 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: Свифт, Грег (2007). «Глава 7: Термоакустика» . Россинг, Томас (ред.). Справочник Спрингера по акустике . Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Спрингер. стр. 241 и 244–246. ISBN 9780387304465 .
- ^ См. также статью в Википедии: Термоакустический двигатель горячего воздуха .
- ^ На YouTube см., например:
Дополнительная информация
[ редактировать ]- Фельдман, К.Т. младший (1968). «Обзор литературы по термоакустическим явлениям Рийке». Журнал звука и вибрации . 7 (10): 83–89. Бибкод : 1968JSV.....7...83F . дои : 10.1016/0022-460X(68)90159-4 .
- Rijke-Rohr (трубка Рийке) в: Wundersames Sammelsurium (Wondrous Collection) (на немецком языке). Включает оригинальные статьи первых исследователей термоакустики (Рийке, Рейсса и т. д.).
- Эванс, Р.Э.; Патнэм, А.А. (1966). «Аппарат Рийке». Американский журнал физики . 34 (4): 360–361. Бибкод : 1966AmJPh..34..360E . дои : 10.1119/1.1972980 .
- Юлиус Самнер Миллер, «Звуковые трубки» на YouTube . Демонстрация ламп Рийке.