Der thermoakustische Effekt wurde vor einigen Jahrhunderten von Glasbläsern entdeckt. Wenn Glasbläser eine auf eine hohe Temperatur erhitzte Glaskugel am Ende des Rohrs aufpumpten, trat spontan ein monotones Geräusch von der Seite des offenen Endes des Rohrs auf. Higgins führte 1777 die ersten wissenschaftlichen Arbeiten in dieser Richtung durch.


Abb. 1. Die singende Higgins-Flamme links und die Rijke-Pfeife rechts

Er schuf ein etwas anderes Gerät als Glasbläser, nämlich die „singende Flamme“, bei der die Flamme eines Wasserstoffbrenners etwa in der Mitte eines an beiden Enden offenen Metallrohrs platziert wurde. Später im Jahr 1859 setzte Paul Rijke diese Experimente fort. Er ersetzte die Flamme durch ein erhitztes Metallgitter. Er bewegte das Gitter innerhalb eines vertikal angeordneten Rohrs und stellte fest, dass beim Platzieren des Gitters auf 1/4 der Länge des Rohrs vom unteren Ende aus die maximale Schalllautstärke beobachtet wird.

Wie es aussieht, ist in diesem Video zu sehen:

Was ist das Funktionsprinzip der Rijke-Röhre?

Wenn Sie sich das Video ansehen, können Sie einige wichtige Details feststellen, die auf die Prinzipien der Rijke-Röhre hinweisen. Es ist ersichtlich, dass, während der Brenner das Gitter in der Röhre erwärmt, keine Schwingungen beobachtet werden. Schwingungen beginnen erst, nachdem Valerian Ivanovich den Brenner zur Seite genommen hat. Das heißt, es ist wichtig, dass die Luft unter dem Netz kälter ist als über dem Netz. Der nächste wichtige Punkt ist, dass die Schwingungen aufhören, wenn Sie das Rohr horizontal drehen. Das heißt, damit die Schwingung auftritt, ist ein nach oben gerichteter konvektiver Luftstrom erforderlich.

Wie schwingt die Luft im Rohr?


GIF 1. Die akustische Komponente der Luftbewegung

Auf Gifka 1 ist die Bewegung der Luft in der Röhre aufgrund des Vorhandenseins einer Schallwelle dargestellt. Jede der Linien zeigt die Bewegung einer herkömmlich ausgewählten dünnen Luftschicht. Sie können sehen, dass in der Mitte des Rohrs der Wert der Schwingungsgeschwindigkeit der Luft Null ist und an den Rändern des Rohrs dagegen maximal.

Im Gegensatz dazu sind die Druckschwankungen in der Mitte des Rohrs maximal und an den Rändern des Rohrs nahe Null, da die Enden des Rohrs offen sind und atmosphärischer Druck herrscht und Druckschwankungen in der Mitte möglich sind, da keine Luft austreten kann.


Abb. 2. Die Druckverteilung zum Zeitpunkt des maximalen Drucks in der Mitte des Rohrs und die Verteilung der Schwingungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt der maximalen Geschwindigkeit an den Enden des Rohrs

Wir können also definitiv sagen, dass die Schallwelle, die im Rijke-Rohr auftritt, mit Druckknoten an den Rohrrändern und einem Schwingungsgeschwindigkeitsknoten in der Mitte steht. Die Länge der Röhre entspricht der halben Länge der Schallwelle. Dies bedeutet, dass die Röhre ein Halbwellenresonator ist. Achten Sie auf Abb. 2. Es wird gezeigt, dass die optimale Position des heißen Netzes im Rohr an der Stelle liegt, an der das Produkt aus Druck und Geschwindigkeit maximal ist. Diese Stelle ist ungefähr 1/4 der Länge des Rohrs vom unteren Ende entfernt. Das heißt, das Vorhandensein sowohl von Geschwindigkeitsschwankungen als auch von Druckschwankungen ist für den Prozess wichtig.

Für das Auftreten von Schwingungen benötigen Sie, wie aus dem Video hervorgeht, nicht nur einen Resonator, sondern auch einen kontinuierlichen Luftstrom, der nach oben von der Röhre geleitet wird. Das heißt, hier ist eine solche Luftbewegung:


GIF 2. Konvektiver Luftstrom

In der vertikalen Position des Rohrs tritt ein konstanter Luftstrom auf, da die durch das Netz erwärmte Luft aufsteigt. Es gibt eine konvektive Strömung.

Luftschwingungen und konvektive Strömung existieren in der Realität gleichzeitig. Diese beiden Prozesse überlappen sich und Sie erhalten so etwas wie diese Bewegung:


GIF 3. Kombinierte Luftbewegung - Schwingungen + konvektiver Fluss

Luftbewegung beschrieben. Jetzt müssen Sie verstehen, wie eine Schallwelle entsteht und in der Röhre unterstützt wird.

Die Rijke-Röhre ist ein selbstoszillierendes System, in dem die Dämpfungsmechanismen einer Schallwelle natürlich vorhanden sind. Um die Welle aufrechtzuerhalten, ist es daher notwendig, sie in jeder Schwingungsperiode kontinuierlich mit Energie zu versorgen. Betrachten Sie GIF 3, um besser zu verstehen, wie eine Welle erregt wird.


GIF 3. Thermodynamischer Zyklus im Rohr

Die Bewegung der Luft ist der Bewegung einer Raupe sehr ähnlich, die das Rohr hochkriecht.
Auf GIF 3 wird ein Idealfall dargestellt, bei dem der Effekt maximal ist. Betrachten wir es genauer. Es ist zu sehen, dass die Luft in dieser Raupenbewegung in der kalten Zone unter dem erhitzten Netz komprimiert wird und sich dann bereits in der heißen Zone ausdehnt und durch das Netz strömt. Während es sich ausdehnt, zieht Luft Energie aus dem erhitzten Netz und kühlt sich allmählich ab. Ein thermodynamischer Zyklus wird mit positiven Arbeiten an Gas durchgeführt. Aufgrund dessen werden die anfänglichen infinitesimalen Schwingungen verstärkt, und wenn die Leistung der Welleneinspeisung gleich der Leistung der Wellendämpfung wird, setzt ein Gleichgewicht ein und wir hören einen konstanten, monotonen Klang.

Ein solcher Idealfall wird nur mit einer bestimmten konvektiven Strömungsgeschwindigkeit und mit einer bestimmten Gittertemperatur realisiert. In den meisten praktischen Fällen ist die Luftbewegung im Maschenbereich geringfügig unterschiedlich, dies verschlechtert jedoch nur die Effizienz des Rohrs, ändert jedoch nichts am Funktionsprinzip.

Nachdem das Funktionsprinzip der Rijke-Röhre klar geworden ist, stellt sich sofort die Frage, warum die Higgins-Flamme dann am stärksten singt, wenn sie ungefähr in der Mitte der Röhre platziert ist. Die Sache ist, dass die Flamme viel stärker ist als das Gitter die Luft darunter erwärmt und daher der optimale Punkt für ihren Standort höher ist als der des Gitters. Ob es also notwendig ist, die Flamme in der Mitte des Rohrs oder näher am unteren Ende zu platzieren, hängt im Wesentlichen von der Flamme und der Länge des Rohrs ab.