几个世纪前，吹玻璃者发现了热声效应 。 当玻璃鼓风机给位于管子末端的加热到高温的玻璃球充气时，会从管子开口端的侧面自发地发出单调的声音。 希金斯（Higgins）在1777年朝这个方向进行了第一项科学工作。


图 1.左边是希金斯的歌声，右边是里克管。

他创造了一种与吹玻璃器稍有不同的装置，即“唱歌火焰”，将氢燃烧器的火焰放在两端敞开的金属管的中间。 1859年下半年，Paul Rijke继续进行了这些实验。 他用加热的金属丝网代替了火焰。 他在垂直布置的管道内移动网格，发现当网格从下端放置到管道长度的1/4时，可以观察到最大音量。

在此视频中可以看到它的外观：

Rijke管的工作原理是什么？

观看视频时，您会注意到一些重要的细节，这些细节建议了Rijke管的原理。 可以看出，当燃烧器加热管中的格栅时，没有观察到振荡。 仅在Valerian Ivanovich将燃烧器移至侧面后才开始振荡。 也就是说，网下的空气比网下的空气要冷是很重要的。 下一个要点是，如果您水平旋转电子管，振荡将停止。 即，为了发生振荡，需要向上的对流空气流。

空气如何在管中振荡？


GIF 1.空气运动的声学成分

在gifka上显示了由于声波的存在导致管中空气的运动。 每条线描绘了常规选择的薄空气层的运动。 您可以看到，在管的中心，空气的振动速度值为零，而在管的边缘，则为最大值。

另一方面，压力波动在管子的中央最大，在管子的边缘接近零，因为管子的末端是敞开的并且有大气压，并且由于没有地方可以离开空气，所以在中心的压力波动是可能的。


图 2.管子中心处最大压力时的压力分布和管子末端处最大速度时的振动速度分布

因此，我们可以肯定地说，发生在Rijke管中的声波是站立的，在管的边缘有压力节点，在中间有振动速度节点。 管的长度等于声波长度的一半。 这意味着该管是半波谐振器。 注意图。 2.显示热管在管中的最佳位置是压力和速度的乘积最大的地方。 从下端开始，该位置大约是管子长度的1/4。 也就是说，速度波动和压力波动的存在对于该过程很重要。

对于视频中出现的振荡，您不仅需要谐振器，而且还需要连续不断的空气流向上流向电子管。 也就是说，这是空气的运动：


GIF 2.对流气流

在管子的垂直位置，由于网孔加热的空气上升，使空气不断流动。 有对流。

现实中空气和对流的振荡同时存在。 这两个过程相互重叠，您将得到如下运动：


GIF 3.空气混合运动-振荡+对流

描述了空中运动。 现在，您需要了解声波是如何产生的并在管中得到支撑。

Rijke管是一种自激系统，其中自然存在声波的衰减机制。 因此，为了维持该波，需要在每个振荡周期中连续地向其馈送能量。 为了更好地了解电波的能量，请考虑GIF 3。


GIF 3.管中的热力学循环

空气的运动与毛毛虫的运动非常相似，毛毛虫沿着管道蠕动。
在gif 3.上，给出了一个效果最大的理想情况。 让我们更详细地考虑它。 可以看出，这种毛毛虫运动中的空气在加热的网眼下的冷区被压缩，然后在热区中膨胀，穿过网眼。 因此，随着空气的膨胀，空气从加热的网格中吸收能量并逐渐冷却。 通过对气体的积极工作来实施热力学循环。 因此，最初的微小振动被放大，并且当波的馈送功率等于波衰减的功率时，平衡开始建立，我们开始听到恒定的单调声音。

仅在一定的对流流速和一定的格栅温度下才能实现这种理想情况。 在大多数实际情况下，网眼区域中的空气运动略有不同，但这只会使管子的效率变差，而不会改变工作原理。

在明确了Rijke管的工作原理之后，立即出现了一个问题，为什么将希金斯火焰放置在管的大约中心位置时其火焰唱得最强烈？ 事实是，火焰比格栅要强得多，因此会加热下方的空气，因此，其位置的最佳点比格栅的最佳点高。 因此，是否有必要将火焰放置在灯管的中心或更靠近下端，基本上取决于火焰和灯管的长度。