L'effet thermoacoustique a été découvert par des souffleurs de verre il y a plusieurs siècles. Lorsque les souffleurs de verre gonflaient une boule de verre chauffée à une température élevée, située à l'extrémité du tube, un son monotone apparaissait spontanément du côté de l'extrémité ouverte du tube. Higgins a mené les premiers travaux scientifiques dans ce sens en 1777.


Fig. 1. La flamme chantante de Higgins à gauche et la pipe Rijke à droite

Il a créé un appareil légèrement différent des souffleurs de verre, à savoir la «flamme chantante», plaçant la flamme d'un brûleur à hydrogène au milieu d'un tuyau métallique ouvert aux deux extrémités. Plus tard en 1859, Paul Rijke a poursuivi ces expériences. Il a remplacé la flamme par une maille métallique chauffée. Il a déplacé la grille à l'intérieur d'un tuyau disposé verticalement et a constaté que lorsque la grille était placée à 1/4 de la longueur du tuyau depuis l'extrémité inférieure, le volume sonore maximal était observé.

À quoi cela ressemble peut être vu dans cette vidéo:

Quel est le principe de fonctionnement du tube Rijke?

Lorsque vous regardez la vidéo, vous pouvez remarquer plusieurs détails importants qui suggèrent les principes du tube Rijke. On voit que pendant que le brûleur chauffe la grille dans le tube, aucune oscillation n'est observée. Les oscillations ne commencent qu'après que Valériane Ivanovitch a retiré le brûleur sur le côté. Autrement dit, il est important que l'air sous le filet soit plus froid que sur le filet. Le prochain point important est que les oscillations cessent si vous tournez le tube horizontalement. C'est-à-dire que pour l'apparition d'oscillations, un flux d'air convectif dirigé vers le haut est nécessaire.

Comment l'air oscille-t-il dans le tube?


GIF 1. La composante acoustique du mouvement de l'air

Le gifka 1 montre le mouvement de l'air dans le tube dû à la présence d'une onde acoustique. Chacune des lignes représente le mouvement d'une fine couche d'air sélectionnée de manière conventionnelle. Vous pouvez voir qu'au centre du tube, la valeur de la vitesse de vibration de l'air est nulle, et sur les bords du tube, au contraire, est maximale.

Les fluctuations de pression, au contraire, sont maximales au centre du tube et proches de zéro aux bords du tube, car les extrémités du tube sont ouvertes et il y a de la pression atmosphérique, et des fluctuations de pression sont possibles au centre, car il n'y a nulle part où quitter l'air.


Fig. 2. La répartition de la pression au moment de la pression maximale au centre du tube et la répartition de la vitesse de vibration au moment de la vitesse maximale aux extrémités du tube

Ainsi, nous pouvons certainement dire que l'onde acoustique qui se produit dans le tube de Rijke est debout, avec des nœuds de pression sur les bords du tube et un nœud de vitesse de vibration au milieu. La longueur du tube est égale à la moitié de la longueur de l'onde acoustique. Cela signifie que le tube est un résonateur demi-onde. Faites attention à la fig. 2. Il est montré que la position optimale du maillage chaud dans le tube est à l'endroit où le produit de la pression et de la vitesse est maximum. Cet endroit est à environ 1/4 de la longueur du tube de l'extrémité inférieure. C'est-à-dire que la présence à la fois de fluctuations de vitesse et de fluctuations de pression est importante pour le processus.

Pour l'apparition d'oscillations, comme il s'est avéré de la vidéo, vous avez besoin non seulement d'un résonateur, mais aussi d'un flux continu d'air dirigé vers le haut du tube. Autrement dit, voici un tel mouvement de l'air:


GIF 2. Débit d'air convectif

En position verticale du tube, un flux d'air constant se produit du fait que l'air chauffé par la maille monte. Il y a un flux convectif.

Les oscillations de l'air et du flux convectif existent en réalité simultanément. Ces deux processus se chevauchent et vous obtenez quelque chose comme ce mouvement:


GIF 3. Mouvement d'air combiné - oscillations + flux convectif

Mouvement aérien décrit. Vous devez maintenant comprendre comment une onde acoustique se produit et est supportée dans le tube.

Le tube de Rijke est un système auto-oscillant dans lequel les mécanismes d'atténuation d'une onde acoustique sont naturellement présents. Par conséquent, pour maintenir l'onde, il est nécessaire de la nourrir en continu d'énergie à chaque période d'oscillations. Pour mieux comprendre comment une onde est excitée, pensez au GIF 3.


GIF 3. Cycle thermodynamique dans le tube

Le mouvement de l'air est très similaire au mouvement d'une chenille qui remonte le tube.
Sur le gif 3., un cas idéal est présenté dans lequel l'effet est maximum. Examinons-le plus en détail. On peut voir que l'air dans ce mouvement de chenille est comprimé dans la zone froide sous le maillage chauffé, puis se dilate déjà dans le chaud, passant à travers le maillage. Ainsi, à mesure qu'il se dilate, l'air puise de l'énergie dans la maille chauffée et se refroidit progressivement. Un cycle thermodynamique est en cours de mise en œuvre avec un travail positif sur le gaz. Pour cette raison, les vibrations infinitésimales initiales sont amplifiées et lorsque la puissance de l'onde devient égale à la puissance de l'atténuation des ondes, un équilibre s'installe et nous commençons à entendre un son constant et monotone.

Un tel cas idéal n'est réalisé qu'avec une certaine vitesse d'écoulement convectif et une certaine température de grille. Dans la plupart des cas pratiques, le mouvement de l'air dans la zone maillée est légèrement différent, mais cela ne fait qu'aggraver l'efficacité du tube, mais ne change pas le principe de fonctionnement.

Après que le principe de fonctionnement du tube de Rijke est devenu clair, la question se pose immédiatement, pourquoi alors la flamme de Higgins chante-t-elle le plus fortement lorsqu'elle est placée approximativement au centre du tube? Le fait est que la flamme est beaucoup plus forte que la grille réchauffe l'air en dessous et donc le point optimal pour son emplacement est plus élevé que celui de la grille. Donc, qu'il soit nécessaire de placer la flamme au centre du tube ou plus près de l'extrémité inférieure, cela dépend essentiellement de la flamme et de la longueur du tube.