El efecto termoacústico fue descubierto por los sopladores de vidrio hace varios siglos. Cuando los sopladores de vidrio inflaron una bola de vidrio calentada a una temperatura alta, ubicada en el extremo del tubo, entonces apareció un sonido monótono espontáneamente desde el lado del extremo abierto del tubo. Higgins realizó el primer trabajo científico en esta dirección en 1777.


Fig. 1. La llama de Higgins que canta a la izquierda y la tubería Rijke a la derecha

Creó un dispositivo ligeramente diferente al de los sopladores de vidrio, a saber, la "llama del canto", colocando la llama de un quemador de hidrógeno en el medio de una tubería de metal abierta en ambos extremos. Más tarde, en 1859, Paul Rijke continuó estos experimentos. Reemplazó la llama con una malla metálica calentada. Movió la rejilla dentro de una tubería dispuesta verticalmente y descubrió que cuando la rejilla se colocaba a 1/4 de la longitud de la tubería desde el extremo inferior, se observaba el volumen de sonido máximo.

Cómo se ve se puede ver en este video:

¿Cuál es el principio de funcionamiento del tubo Rijke?

Al mirar el video, puede observar varios detalles importantes que sugieren los principios del tubo de Rijke. Se ve que mientras el quemador calienta la rejilla en el tubo, no se observan oscilaciones. Las oscilaciones comienzan solo después de que la valeriana Ivanovich retira el quemador a un lado. Es decir, es importante que el aire debajo de la red sea más frío que sobre la red. El siguiente punto importante es que las oscilaciones cesan si gira el tubo horizontalmente. Es decir, para la aparición de oscilaciones, se necesita un flujo de aire convectivo dirigido hacia arriba.

¿Cómo oscila el aire en el tubo?


GIF 1. El componente acústico del movimiento del aire.

En gifka 1 se muestra el movimiento del aire en el tubo debido a la presencia de una onda acústica. Cada una de las líneas representa el movimiento de una capa delgada de aire seleccionada convencionalmente. Puede ver que en el centro del tubo el valor de la velocidad vibratoria del aire es cero, y en los bordes del tubo, por el contrario, es máximo.

Las fluctuaciones de presión, por el contrario, son máximas en el centro del tubo y cercanas a cero en los bordes del tubo, ya que los extremos del tubo están abiertos y hay presión atmosférica, y las fluctuaciones de presión son posibles en el centro, ya que no hay ningún lugar para dejar el aire.


Fig. 2. La distribución de la presión en el momento de la presión máxima en el centro del tubo y la distribución de la velocidad vibratoria en el momento de la velocidad máxima en los extremos del tubo.

Por lo tanto, definitivamente podemos decir que la onda acústica que ocurre en el tubo de Rijke está de pie, con nodos de presión en los bordes del tubo y un nodo de velocidad vibratoria en el medio. La longitud del tubo es igual a la mitad de la longitud de la onda acústica. Esto significa que el tubo es un resonador de media onda. Presta atención a la fig. 2. Se muestra que la posición óptima de la malla caliente en el tubo es en el lugar donde el producto de presión y velocidad es máximo. Este lugar es aproximadamente 1/4 de la longitud del tubo desde el extremo inferior. Es decir, la presencia de fluctuaciones de velocidad y fluctuaciones de presión es importante para el proceso.

Para la aparición de oscilaciones, como resultó del video, no solo necesita un resonador, sino también una corriente continua de aire dirigida hacia arriba del tubo. Es decir, aquí hay tal movimiento aéreo:


GIF 2. Flujo de aire convectivo

En la posición vertical del tubo, se produce un flujo constante de aire debido al hecho de que el aire calentado por la malla sube. Hay un flujo convectivo.

Las oscilaciones del aire y el flujo convectivo en realidad existen simultáneamente. Estos dos procesos se superponen, y obtienes algo como este movimiento:


GIF 3. Movimiento de aire combinado: oscilaciones + flujo convectivo

Movimiento aéreo descrito. Ahora debe comprender cómo surge una onda acústica y cómo se apoya en el tubo.

El tubo de Rijke es un sistema auto-oscilante en el que los mecanismos de atenuación de una onda acústica están naturalmente presentes. Por lo tanto, para mantener la onda, es necesario alimentarla continuamente con energía en cada período de oscilaciones. Para comprender mejor cómo se energiza una onda, considere GIF 3.


GIF 3. Ciclo termodinámico en el tubo.

El movimiento del aire es muy similar al movimiento de una oruga, que se arrastra por el tubo.
En el gif 3, se presenta un caso ideal en el que el efecto es máximo. Consideremos con más detalle. Se puede ver que el aire en este movimiento de oruga se comprime en la zona fría debajo de la malla calentada, y luego se expande ya en el caliente, pasando a través de la malla. Por lo tanto, a medida que se expande, el aire extrae energía de la malla calentada y se enfría gradualmente. Se está implementando un ciclo termodinámico con trabajo positivo sobre el gas. Debido a esto, las vibraciones infinitesimales iniciales se amplifican, y cuando la potencia de la alimentación de la onda se vuelve igual a la potencia de la atenuación de la onda, se establece un equilibrio y comenzamos a escuchar un sonido constante y monótono.

Tal caso ideal se realiza solo con una cierta velocidad de flujo convectivo y con una cierta temperatura de rejilla. En la mayoría de los casos prácticos, el movimiento del aire en el área de la malla es ligeramente diferente, pero esto solo empeora la eficiencia del tubo, pero no cambia el principio de funcionamiento.

Después de que el principio de funcionamiento del tubo de Rijke se hizo evidente, surge la pregunta inmediata: ¿por qué entonces la llama de Higgins canta con más fuerza cuando se coloca aproximadamente en el centro del tubo? La cuestión es que la llama es mucho más fuerte que la rejilla que calienta el aire debajo y, por lo tanto, el punto óptimo para su ubicación es más alto que el de la rejilla. Entonces, si es necesario colocar la llama en el centro del tubo o más cerca del extremo inferior, depende esencialmente de la llama y de la longitud del tubo.