O efeito termoacústico foi descoberto pelos sopradores de vidro há vários séculos. Quando os sopradores de vidro inflam uma bola de vidro aquecida a uma temperatura alta, localizada na extremidade do tubo, um som monótono aparece espontaneamente do lado da extremidade aberta do tubo. Higgins conduziu o primeiro trabalho científico nessa direção em 1777.


Fig. 1. O Higgins cantando acende à esquerda e o tubo Rijke à direita

Ele criou um dispositivo ligeiramente diferente dos sopradores de vidro, a “chama do canto”, colocando a chama de um queimador de hidrogênio no meio de um tubo de metal aberto nas duas extremidades. Mais tarde, em 1859, Paul Rijke continuou essas experiências. Ele substituiu a chama por uma malha de metal aquecida. Ele moveu a grade dentro de um tubo localizado verticalmente e descobriu que, ao colocar a grade em 1/4 do comprimento do tubo pela extremidade inferior, é observado o volume máximo do som.

A aparência pode ser vista neste vídeo:

Qual é o princípio do tubo Rijke?

Ao assistir ao vídeo, você pode observar vários detalhes importantes que sugerem os princípios do tubo Rijke. Observa-se que enquanto o queimador aquece a grade no tubo, nenhuma oscilação é observada. As oscilações começam apenas depois que Valerian Ivanovich remove o queimador para o lado. Ou seja, é importante que o ar sob a rede seja mais frio do que sobre a rede. O próximo ponto importante é que as oscilações cessam se você girar o tubo horizontalmente. Ou seja, para a ocorrência de oscilações, é necessário um fluxo de ar convectivo direcionado para cima.

Como o ar oscila no tubo?


GIF 1. O componente acústico do movimento do ar

No gifka 1 mostra o movimento do ar no tubo devido à presença de uma onda acústica. Cada uma das linhas representa o movimento de uma fina camada de ar selecionada convencionalmente. Você pode ver que, no centro do tubo, o valor da velocidade vibracional do ar é zero e, nas bordas do tubo, pelo contrário, é máximo.

As flutuações de pressão, pelo contrário, são máximas no centro do tubo e próximas a zero nas bordas do tubo, uma vez que as extremidades do tubo estão abertas e há pressão atmosférica, e são possíveis flutuações de pressão no centro, pois não há lugar para deixar o ar.


Fig. 2. A distribuição da pressão no momento da pressão máxima no centro do tubo e a distribuição da velocidade vibracional no momento da velocidade máxima nas extremidades do tubo

Assim, podemos dizer definitivamente que a onda acústica que ocorre no tubo de Rijke está em pé, com nós de pressão nas bordas do tubo e um nó de velocidade vibracional no meio. O comprimento do tubo é igual à metade do comprimento da onda acústica. Isso significa que o tubo é um ressonador de meia onda. Preste atenção na fig. 2. É mostrado que a posição ideal da malha quente no tubo está no local onde o produto de pressão e velocidade é máximo. Este local é aproximadamente 1/4 do comprimento do tubo a partir da extremidade inferior. Ou seja, a presença de flutuações de velocidade e de pressão é importante para o processo.

Para a ocorrência de oscilações, como resultou no vídeo, você precisa não apenas de um ressonador, mas também de um fluxo contínuo de ar direcionado para cima do tubo. Ou seja, aqui está esse movimento do ar:


GIF 2. Fluxo de ar por convecção

Na posição vertical do tubo, ocorre um fluxo constante de ar devido ao fato de o ar aquecido pela malha subir. Existe um fluxo convectivo.

As oscilações do ar e do fluxo convectivo na realidade existem simultaneamente. Esses dois processos se sobrepõem e você obtém algo como este movimento:


GIF 3. Movimento combinado do ar - oscilações + fluxo convectivo

Movimento de ar descrito. Agora você precisa entender como uma onda acústica surge e é suportada no tubo.

O tubo de Rijke é um sistema auto-oscilante no qual os mecanismos de atenuação de uma onda acústica estão naturalmente presentes. Portanto, para manter a onda, é necessário alimentá-la continuamente com energia em cada período de oscilações. Para entender melhor como uma onda é energizada, considere o GIF 3.


GIF 3. Ciclo termodinâmico no tubo

O movimento do ar é muito semelhante ao movimento de uma lagarta, que arrasta o tubo.
No gif 3., é apresentado um caso ideal em que o efeito é máximo. Vamos considerar com mais detalhes. Pode-se observar que o ar nesse movimento de lagarta é comprimido na zona fria sob a malha aquecida e depois se expande no calor, passando através da malha. Assim, à medida que se expande, o ar retira energia da malha aquecida e esfria gradualmente. Um ciclo termodinâmico está sendo implementado com trabalho positivo no gás. Devido a isso, as vibrações infinitesimais iniciais são amplificadas e, quando a potência da onda se torna igual à potência da atenuação da onda, um equilíbrio se estabelece e começamos a ouvir um som constante e monótono.

Esse caso ideal é realizado apenas com uma certa velocidade de fluxo convectivo e com uma certa temperatura da grade. Na maioria dos casos práticos, o movimento do ar na área da malha é um pouco diferente, mas isso só piora a eficiência do tubo, mas não altera o princípio de operação.

Depois que o princípio de operação do tubo de Rijke ficou claro, surge a pergunta imediatamente: por que então a chama de Higgins canta mais fortemente quando é colocada aproximadamente no centro do tubo? O fato é que a chama é muito mais forte do que a grade aquece o ar por baixo e, portanto, o ponto ideal para sua localização é maior que o da grade. Portanto, se é necessário colocar a chama no centro do tubo ou mais perto da extremidade inferior, depende essencialmente da chama e do comprimento do tubo.