تم اكتشاف التأثير الصوتي الحراري من قِبل المنافيخ الزجاجية منذ عدة قرون. عندما قام منفاخ الزجاج بتضخيم كرة زجاجية تم تسخينها إلى درجة حرارة عالية ، والتي تقع في نهاية الأنبوب ، ظهر صوت رتيب تلقائيًا من جانب الطرف المفتوح للأنبوب. أجرى هيغنز أول عمل علمي في هذا الاتجاه في عام 1777.


شكل 1. غناء هيغنز اللهب على اليسار وأنبوب ريجك على اليمين

ابتكر جهازًا مختلفًا قليلاً عن أجهزة النفاخ الزجاجية ، أي "شعلة الغناء" ، حيث وضع لهب الموقد الهيدروجيني في منتصف أنبوب معدني مفتوح عند كلا الطرفين. في وقت لاحق من عام 1859 ، واصل بول Rijke هذه التجارب. استبدل اللهب بشبكة معدنية ساخنة. قام بنقل الشبكة داخل أنبوب مرتب رأسيًا ووجد أنه عندما تم وضع الشبكة 1/4 من طول الأنبوب من الطرف السفلي ، تم ملاحظة الحد الأقصى لحجم الصوت.

كيف يمكن أن ينظر إليه في هذا الفيديو:

ما هو مبدأ تشغيل أنبوب Rijke؟

عند مشاهدة الفيديو ، يمكنك ملاحظة العديد من التفاصيل المهمة التي تشير إلى مبادئ أنبوب Rijke. يتبين أنه في حين يقوم الموقد بتسخين الشبكة الموجودة في الأنبوب ، فإنه لا يتم ملاحظة أي تذبذبات. تبدأ التذبذبات فقط بعد أن يزيل فاليريان إيفانوفيتش الموقد إلى الجانب. أي أنه من المهم أن يكون الهواء الموجود تحت الشبكة أكثر برودة من الهواء. النقطة المهمة التالية هي أن التذبذبات تتوقف إذا أدرت الأنبوب أفقيًا. وهذا هو ، لحدوث التذبذبات ، هناك حاجة لتدفق الهواء الحراري الموجه إلى الأعلى.

كيف يتأرجح الهواء في الأنبوب؟


GIF 1. المكون الصوتي لحركة الهواء

على gifka 1 يظهر حركة الهواء في الأنبوب بسبب وجود موجة صوتية. كل الخطوط تصور حركة طبقة رقيقة مختارة تقليديا من الهواء. يمكنك أن ترى أنه في وسط الأنبوب ، تكون قيمة السرعة الاهتزازية للهواء صفراً ، وعلى حواف الأنبوب ، على العكس ، تكون الحد الأقصى.

على النقيض من ذلك ، تكون تقلبات الضغط في الحد الأقصى في وسط الأنبوب وتقترب من الصفر عند حواف الأنبوب ، حيث أن نهايات الأنبوب مفتوحة ويوجد ضغط جوي ، وتقلبات الضغط ممكنة في الوسط ، حيث لا يوجد مكان لترك الهواء.


شكل 2. توزيع الضغط في وقت الضغط الأقصى في وسط الأنبوب وتوزيع السرعة الاهتزازية في وقت السرعة القصوى في نهايات الأنبوب

وبالتالي ، يمكننا بالتأكيد أن نقول إن الموجة الصوتية التي تحدث في أنبوب Rijke قائمة ، مع وجود عقد ضغط عند حواف الأنبوب وعقدة سرعة اهتزازية في الوسط. طول الأنبوب يساوي نصف طول الموجة الصوتية. هذا يعني أن الأنبوب هو مرنان نصف الموجة. إيلاء الاهتمام للتين. 2. يتبين أن الموضع الأمثل للشبكة الساخنة في الأنبوب هو في المكان الذي يكون فيه ناتج الضغط والسرعة الأقصى. هذا المكان حوالي 1/4 من طول الأنبوب من الطرف السفلي. وهذا يعني أن وجود تقلبات في السرعة وتقلبات الضغط أمر مهم لهذه العملية.

لحدوث التذبذبات ، كما اتضح من الفيديو ، فأنت لا تحتاج إلى مرنان فقط ، ولكن أيضًا إلى دفق مستمر من الهواء يوجه الأنبوب. وهذا هو ، مثل هذه الحركة من الهواء:


GIF 2. تدفق الهواء الحراري

في الوضع الرأسي للأنبوب ، يحدث تدفق ثابت للهواء بسبب حقيقة أن الهواء الذي يتم تسخينه بواسطة الشبكة يرتفع. هناك تدفق الحمل الحراري.

تذبذبات الهواء وتدفق الحمل الحراري في الواقع موجودة في وقت واحد. تتداخل هاتان العمليتان مع بعضهما البعض ، وتحصل على شيء مثل هذه الحركة:


GIF 3. حركة الهواء المركبة - ذبذبات + تدفق الحمل الحراري

وصف حركة الهواء. أنت الآن بحاجة إلى فهم كيف تنشأ موجة صوتية ويتم دعمها في الأنبوب.

أنبوب Rijke هو نظام يتأرجح ذاتيًا وتوجد فيه آليات التوهين للموجة الصوتية بشكل طبيعي. لذلك ، للحفاظ على الموجة ، من الضروري أن تغذيها باستمرار بالطاقة في كل فترة من التذبذبات. لفهم كيفية تنشيط الموجة بشكل أفضل ، فكر في GIF 3.


GIF 3. الدورة الحرارية في الأنبوب

حركة الهواء تشبه إلى حد بعيد حركة اليرقة ، التي تزحف الأنبوب.
في gif 3. ، يتم تقديم حالة مثالية يكون فيها التأثير الأقصى. لننظر في الأمر بمزيد من التفصيل. يمكن ملاحظة أن الهواء في حركة اليرقة هذه يتم ضغطها في المنطقة الباردة تحت الشبكة الساخنة ، ثم يتمدد في المنطقة الساخنة ، ويمر عبر الشبكة. وهكذا ، مع توسعه ، يستمد الهواء الطاقة من الشبكة الساخنة ويبرد تدريجياً. يتم تنفيذ دورة الديناميكا الحرارية مع العمل الإيجابي على الغاز. لهذا السبب ، يتم تضخيم الاهتزازات الأولية غير المحدودة ، وعندما تصبح قوة تغذية الموجة مساوية لقوة التوهين الموجي ، يبدأ التوازن ونبدأ في سماع صوت رتيب ثابت.

لا تتحقق مثل هذه الحالة المثالية إلا مع سرعة تدفق محدبة معينة ودرجة حرارة شبكة معينة. في معظم الحالات العملية ، تكون حركة الهواء في منطقة الشبكة مختلفة قليلاً ، لكن هذا يؤدي فقط إلى زيادة كفاءة الأنبوب ، ولكنه لا يغير مبدأ التشغيل.

بعد أن أصبح مبدأ تشغيل أنبوب Rijke واضحًا ، يطرح السؤال على الفور ، فلماذا يغني لهيب Higgins بقوة عند وضعه في مركز الأنبوب تقريبًا؟ الشيء هو أن اللهب أقوى بكثير من أن الشبكة تسخن الهواء تحتها ، وبالتالي فإن النقطة المثلى لموقعها أعلى من الشبكة. لذلك ، سواء كان من الضروري وضع الشعلة في وسط الأنبوب أو بالقرب من الطرف السفلي ، يعتمد بشكل أساسي على اللهب وعلى طول الأنبوب.