Efek termoakustik ditemukan oleh peniup kaca beberapa abad yang lalu. Ketika blower kaca menggembungkan bola kaca yang dipanaskan ke suhu tinggi, terletak di ujung tabung, suara monoton muncul secara spontan dari sisi ujung terbuka tabung. Higgins melakukan karya ilmiah pertama ke arah ini pada 1777.


Fig. 1. Nyanyian Higgins bernyanyi di sebelah kiri dan pipa Rijke di sebelah kanan

Dia menciptakan perangkat yang sedikit berbeda dari peniup kaca, yaitu "nyanyian nyala," menempatkan nyala api pembakar hidrogen di sekitar tengah pipa logam yang terbuka di kedua ujungnya. Kemudian pada 1859, Paul Rijke melanjutkan eksperimen ini. Dia mengganti api dengan jaring logam yang dipanaskan. Dia memindahkan kisi-kisi ke dalam pipa yang tersusun secara vertikal dan menemukan bahwa ketika kisi-kisi ditempatkan 1/4 panjang pipa dari ujung bawah, volume suara maksimum diamati.

Tampilannya bisa dilihat di video ini:

Apa prinsip pengoperasian tabung Rijke?

Saat menonton video, Anda dapat melihat beberapa detail penting yang menyarankan prinsip-prinsip tabung Rijke. Terlihat bahwa sementara burner memanaskan grid di dalam tabung, tidak ada osilasi yang diamati. Osilasi dimulai hanya setelah Valerian Ivanovich menghilangkan burner ke samping. Artinya, penting bahwa udara di bawah jaring lebih dingin daripada di atas net. Poin penting berikutnya adalah bahwa osilasi berhenti jika Anda memutar tabung secara horizontal. Artinya, untuk terjadinya osilasi, diperlukan aliran udara konvektif yang diarahkan ke atas.

Bagaimana udara berosilasi dalam tabung?


GIF 1. Komponen akustik dari pergerakan udara

Pada gifka 1 menunjukkan pergerakan udara di dalam tabung karena adanya gelombang akustik. Masing-masing garis menggambarkan pergerakan lapisan udara tipis yang dipilih secara konvensional. Anda dapat melihat bahwa di tengah tabung, nilai kecepatan getaran udara adalah nol, dan di tepi tabung, sebaliknya, maksimum.

Fluktuasi tekanan, sebaliknya, maksimum di tengah tabung dan mendekati nol di tepi tabung, karena ujung tabung terbuka dan ada tekanan atmosfer, dan fluktuasi tekanan mungkin terjadi di tengah, karena tidak ada tempat untuk keluar udara.


Fig. 2. Distribusi tekanan pada saat tekanan maksimum di tengah tabung dan distribusi kecepatan getaran pada saat kecepatan maksimum di ujung tabung

Dengan demikian, kita dapat dengan jelas mengatakan bahwa gelombang akustik yang terjadi dalam tabung Rijke sedang berdiri, dengan titik-titik tekanan di tepi tabung dan simpul kecepatan getaran di tengah. Panjang tabung sama dengan setengah panjang gelombang akustik. Ini berarti bahwa tabung adalah resonator setengah gelombang. Perhatikan ara. 2. Terlihat bahwa posisi optimal hot mesh dalam tabung adalah di tempat produk tekanan dan kecepatan maksimum. Tempat ini sekitar 1/4 panjang tabung dari ujung bawah. Artinya, kehadiran baik fluktuasi kecepatan dan fluktuasi tekanan penting untuk proses.

Untuk terjadinya osilasi, karena ternyata dari video, Anda tidak hanya membutuhkan resonator, tetapi juga aliran udara terus menerus yang diarahkan ke atas tabung. Artinya, inilah gerakan udara:


GIF 2. Aliran udara konektif

Dalam posisi vertikal tabung, aliran udara konstan terjadi karena fakta bahwa udara yang dipanaskan oleh jaring naik. Ada aliran konvektif.

Osilasi udara dan aliran konvektif pada kenyataannya ada secara bersamaan. Dua proses ini saling tumpang tindih, dan Anda mendapatkan sesuatu seperti gerakan ini:


GIF 3. Gabungan pergerakan udara - osilasi + aliran konvektif

Pergerakan udara dijelaskan. Sekarang Anda perlu memahami bagaimana gelombang akustik muncul dan didukung dalam tabung.

Tabung Rijke adalah sistem berosilasi sendiri di mana mekanisme pelemahan gelombang akustik hadir secara alami. Oleh karena itu, untuk mempertahankan gelombang, perlu untuk terus memberi makan dengan energi di setiap periode osilasi. Untuk lebih memahami bagaimana gelombang diberikan energi, pertimbangkan GIF 3.


GIF 3. Siklus termodinamika dalam tabung

Pergerakan udara sangat mirip dengan pergerakan ulat, yang merayap naik ke tabung.
Pada gif 3., sebuah kasus ideal disajikan di mana efeknya maksimum. Mari kita pertimbangkan lebih terinci. Dapat dilihat bahwa udara dalam gerakan ulat ini dikompres di zona dingin di bawah jala panas, dan kemudian mengembang di zona panas, melewati jala. Jadi, saat mengembang, udara menarik energi dari jaring yang dipanaskan dan secara bertahap mendingin. Siklus termodinamika sedang dilaksanakan dengan kerja positif pada gas. Karena ini, getaran awal sangat kecil diperkuat, dan ketika kekuatan umpan gelombang menjadi sama dengan kekuatan atenuasi gelombang, keseimbangan masuk dan kita mulai mendengar suara konstan dan monoton.

Kasing ideal semacam itu diwujudkan hanya dengan kecepatan aliran konvektif tertentu dan dengan suhu kisi tertentu. Dalam kebanyakan kasus praktis, gerakan udara di area mesh sedikit berbeda, tetapi ini hanya memperburuk efisiensi tabung, tetapi tidak mengubah prinsip operasi.

Setelah prinsip operasi tabung Rijke menjadi jelas, pertanyaan segera muncul, mengapa kemudian nyala api Higgins bernyanyi paling kuat ketika ditempatkan kira-kira di tengah tabung? Masalahnya adalah bahwa nyala api jauh lebih kuat dari kisi-kisi menghangatkan udara di bawahnya dan oleh karena itu titik optimal untuk lokasinya lebih tinggi daripada kisi-kisi. Jadi apakah perlu menempatkan api di tengah-tengah tabung atau lebih dekat ke ujung bawah, pada dasarnya tergantung pada nyala dan pada panjang tabung.