라이케관

Rijke tube

Rijke 튜브는 양끝이 열린 원통형 튜브로, 그 안에 열을 소리로 바꾸는 열원이 배치되어 있어 자기 증폭성 정재파를 생성합니다.그것은 음향학에서 재미있는 현상이며 공명의 훌륭한 예이다.

수직 금속 파이프의 하반부에 와이어 메쉬가 있는 Rijke 튜브의 간단한 구조입니다.튜브가 분젠 버너 위에 매달려 있다.

검출

P. L. 리케는 1859년 네덜란드 레이든 대학의 물리학 교수였는데,[1] 그는 양끝이 열린 원통형 튜브에서 소리를 유지하기 위해 열을 사용하는 방법을 발견했다.그는 길이 약 0.8m, 직경 3.5cm의 유리관을 사용했다.한쪽 끝에서 약 20cm 떨어진 그 안에 오른쪽 그림과 같이 철사 거즈 원반을 넣었다.튜브 벽과의 마찰은 거즈를 제자리에 두기에 충분합니다.튜브를 수직으로 하고 거즈를 하반부에 대고 거즈를 빨갛게 달아오를 때까지 불꽃으로 가열했다.불을 끄자 튜브에서 큰 소리가 나 거즈가 식을 때까지(약 10초) 계속됐다.이 실험의 현대적 복제품에서는 붕규산 유리관이나 더 좋은 것은 금속으로 만들어진 것을 사용하는 것이 더 안전하다.

라이케는 거즈를 불꽃으로 가열하는 대신 전기 가열도 시도했다.전기 저항 와이어로 거즈를 만들면 충분히 큰 전류가 흐르면 거즈가 빨갛게 빛납니다.열이 연속적으로 공급되기 때문에 소리도 연속적이고 꽤 큰 편입니다.Rijke는 그의 연구실에서 세 개의 방 떨어진 곳에서 소리가 쉽게 들린다고 보고했기 때문에 그의 대학 동료들로부터 불평을 들은 것으로 보인다.이를 위해 필요한 전력은 약 1kW입니다.

1877년 음향에 관한 최종 교과서를 집필한 레일리 경은 이를 매우 효과적인 강의 시연으로 추천한다.그는 길이 1.5m, 직경 12cm의 주철관을 사용했으며, 주철관 위쪽으로 약 4분의 1의 철사로 만든 거즈 두 겹을 삽입했다.여분의 거즈는 더 많은 열을 유지하기 위한 것이고, 이것은 소리를 더 오래 지속시킵니다.그는 그의 책에 그 소리가 방을 [2]뒤흔들 정도로 강렬하게 올라간다고 기록한다.

Rijke의 "역방향" Rijke 효과(즉, Rijke 튜브가 차가운 스크린을 통해 뜨거운 공기가 흐르면 오디오 진동도 발생한다는 것)는 Rijke의 조수인 Johannes[3] Bossha에 의해 처음 관찰되었고 이후 독일 물리학자 Peter Theophil [4][5][6]Rieß에 의해 조사되었습니다.

메커니즘

Interior of a Rijke Tube being heated by a gas torch
가스 토치에 의해 가열되는 Rijke 튜브 내부
Rijke Tube의 작업

이 소리는 파장이 튜브 길이의 약 2배인 정재파에서 나오는 것으로 기본 주파수를 제공한다.레일리 경은 그의 책에서 소리가 어떻게 [7]자극되는지에 대한 올바른 설명을 해주었다.거즈를 통과하는 공기의 흐름은 두 가지 동작의 조합이다.공기를 가열하는 거즈로 인해 발생하는 대류 전류로 인해 공기의 상승 운동이 균일해집니다.여기에 겹쳐진 것은 음파로 인한 움직임입니다.

진동 사이클의 절반 동안 공기는 압력이 최대가 될 때까지 양 끝에서 튜브로 흐릅니다.나머지 반주기 동안 공기의 흐름은 최소 압력에 도달할 때까지 바깥쪽으로 흐릅니다.거즈를 통과하는 모든 공기는 거즈의 온도로 가열되며, 공기로의 열 전달은 이상적인 가스 법칙에 따라 압력을 증가시킵니다.공기가 거즈를 지나 위로 흐를 때, 이미 대부분의 공기가 뜨거울 것입니다. 왜냐하면 공기가 거즈를 지나 아래로 내려왔기 때문입니다.그러나 최대 압력 직전에 소량의 냉기가 거즈에 접촉하여 갑자기 압력이 높아집니다.그러면 최대 압력이 증가하므로 진동이 강화됩니다.나머지 반주기 동안 압력이 낮아지면 거즈 위의 공기가 거즈를 지나 다시 아래로 밀려 내려갑니다.이미 더워서 거즈에 의한 압력 변화는 일어나지 않으며, 열이 전달되지 않습니다.따라서 음파는 진동 주기마다 한 번씩 강화되며, 매우 큰 진폭까지 빠르게 증가합니다.

이것이 왜 불꽃이 거즈를 가열할 때 소리가 나지 않는지 설명해준다: 튜브를 통과하는 모든 공기는 불꽃에 의해 가열되기 때문에 거즈에 도달했을 때 이미 뜨겁고 압력 상승은 일어나지 않는다.

거즈가 튜브의 윗부분에 있으면 소리가 안 나요.이 경우 대류에 의해 바닥에서 유입된 냉기가 외부진동운동의 종료를 향해 거즈에 도달한다.이는 최소 압력 직전이기 때문에 열전달에 의한 급격한 압력 증가는 음파를 보강하는 것이 아니라 상쇄시키는 경향이 있습니다.

튜브에 들어가는 거즈의 위치는 하반부에 있는 한 중요하지 않습니다.최적의 위치를 찾기 위해 고려해야 할 두 가지가 있습니다.대부분의 열은 파장의 변위가 최대인 튜브 끝부분의 공기로 전달됩니다.그러나 압력 상승 효과는 튜브의 중간과 같이 압력 변동이 가장 큰 경우에 가장 큽니다.이 두 위치 사이의 중간(하단으로부터 1/4 안쪽)에 거즈를 배치하는 것이 최적의 위치에 근접하는 간단한 방법입니다.

Rijke 튜브는 "열 엔진" 또는 "주력 이동기"로 알려진 열음향 장치의 정파 형태로 간주됩니다.

손도우스관

한 대만 교수가 중국어로 리케 튜브를 시연하고 있다.

Rijke 튜브는 양끝이 열린 상태에서 작동합니다.그러나 한쪽 끝이 닫힌 튜브도 닫힌 끝이 매우 뜨거울 경우 열로부터 소리가 발생합니다.이러한 장치를 손도스 튜브라고 합니다.이 현상은 유리를 부는 사람들에 의해 처음 관찰되었고 1850년 독일의 물리학자 Karl Friedrich Juliuss (1815–1886)[8][9]에 의해 처음 설명되었습니다.Rayleigh 경은 먼저 손도우스 [10]튜브의 작동에 대해 설명했다.

Sondhauss 튜브는 기본적으로 Rijke 튜브와 유사한 방식으로 작동합니다.처음에 공기는 튜브의 뜨겁고 닫힌 끝을 향해 이동하며, 그곳에서 가열되어 그 끝의 압력이 증가합니다.그러면 고온의 고압 공기는 닫힌 끝에서 튜브의 더 차갑고 열린 끝으로 흐릅니다.공기는 열을 튜브로 전달하고 냉각시킵니다.공기는 튜브의 열린 끝을 약간 넘어 상승하여 대기를 잠시 압축합니다. 압축은 음파로 대기를 통해 전파됩니다.그러면 대기가 공기를 튜브 안으로 밀어 넣고, 순환이 반복된다.Rijke 튜브와 달리 Sondhaus 튜브는 이를 통해 일정한 공기 흐름을 필요로 하지 않으며, Rijke 튜브는 반파장 공진기 역할을 하는 반면, Sondhaus 튜브는 1/4파장 [11]공진기 역할을 합니다.

Rijke 튜브와 마찬가지로 다공성 히터와 "스택"(다공성이 있는 "플러그")를 튜브에 배치하면 Sondhauss [12][13]튜브의 전력과 효율이 크게 향상된다는 것이 밝혀졌습니다.(시범 모델에서는 튜브를 외부에서 가열할 수 있고 강철 울이 스택 역할을 할 수 있습니다.[14]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Rijke, 피터르 L.(1859a)."그 공기를 튜브 안의 진동에 양쪽 끝에 문을 열어".철학 잡지.17:419–422. doi:10.1080/14786445908642701.;는 원래 독일어에서 Rijke, P.L.(1859b):된다."Notiz über eine neue 미술,einer에 Schwingungen zu versetzen에 있는beiden 엔덴 offenen Röhreenthaltene Luft 죽는다"[ 새로운 방법 진동으로 공기 튜브 안에서 양쪽 끝 속에 들어 설치해야 할 것에 주목해라 열어].Annalen Physik 운트 Chemie 해부학자.2시리즈(독일어로).107(6):339–343.Bibcode:1859AnP...183..339R. doi:10.1002/andp.18591830616.-LSB- 현대 표창:Annalen der Physik, 183: 339–343].
  2. ^ Strutt, John Wm. (Lord Rayleigh) (1879). "Acoustical observations". Philosophical Magazine. 5th series. 7: 149–162.
  3. ^ Bossha의 발견은 다음 중 421~422페이지에 언급되어 있습니다.
  4. ^ Riess, P. (1859). "Das Anblasen offener Röhren durch eine Flamme" [The sounding of open tubes by a flame]. Annalen der Physik und Chemie. 2nd series (in German). 108 (12): 653–656. Bibcode:1859AnP...184..653R. doi:10.1002/andp.18591841219.
  5. ^ Reiss, P. (1860). "Anhaltendes Tönen einer Röhre durch eine Flamme" [Sustained tones of a tube by a flame]. Annalen der Physik und Chemie. 2nd series (in German). 109 (1): 145–147. Bibcode:1860AnP...185..145R. doi:10.1002/andp.18601850113.
  6. ^ Rayleigh 경은 1945년 도버 출판사(뉴욕, 뉴욕, 미국)에 의해 전재된 에서 Bossha와 Riess의 발견을 언급하고 있다.Strutt, John Wm. (Baron Rayleigh) (1896). The Theory of Sound. Vol. 2 (2nd ed.). London, England, U.K.: Macmillan. pp. 233–234.
  7. ^ 스트럿은 존.Wm.(주님 레일리)(7월 18일 1878년)."특정 음향 현상의 설명은".자연. 18(455):319–321.Bibcode:1878Natur..18..319R. doi:10.1038/018319a0.S2CID 4140025.참고 항목:스트럿은 존 Wm.(바롱 레일리)(1896년).이론 음의.Vol2(2판).영국, 런던 영국:맥밀런.를 대신하여 서명함. 231–234.;도버 출판사에 의해 전재한 1945년에(뉴욕, 뉴욕, 미국).
  8. ^ Sondhauss, Karl (1850). "Über die Schallschwingungen der Luft in erhitzten Glasrohren und in gedeckten Pfeifen von ungleicher Weite" [On acoustic oscillations of the air in heated glass tubes and in closed pipes of non-uniform width]. Annalen der Physik und Chemie. 2nd series (in German). 79: 1–34.
  9. ^ 많은 출처에서 "칼 손다우스"는 "칼 손다우스" 또는 "칼 손다우스"로 표기된다.
  10. ^ Strutt, John Wm. (Baron Rayleigh) (1896). The Theory of Sound. Vol. 2 (2nd ed.). London, England, U.K.: Macmillan. pp. 230–231. ; 1945년 도버 출판사(뉴욕, 뉴욕, 미국)에 의해 전재되었다.
  11. ^ 이 사분파 정파 "엔진"의 기술적 분석은 다음과 같습니다.
  12. ^ 열교환기는 카터, 화이트 및 스틸(Robert Leroy Carter, M)에 의해 손도우스 튜브에 처음 설치되었습니다.화이트, 그리고 오전.스틸(1962) 북미항공 아토믹스 국제부문 사설통신사손도우스 튜브의 스택에 대한 첫 번째 출판된 설명은 칼 토마스 펠드만 주니어였다.참조:
    • Feldman, K. T.(1966) "폐단 파이프에서 발생하는 열 발생 압력 진동에 대한 연구" 미주리 대학 기계공학부 박사 학위 논문.
    • Feldman, K. T., Jr.; Hirsch, H.; Carter, R. L. (June 1966). "Experiments on the Sondhauss thermoacoustical phenomenon". Journal of the Acoustical Society of America. 39 (6): 1236. Bibcode:1966ASAJ...39.1236F. doi:10.1121/1.1942774.
    • Feldman, K. T., Jr. (January 1968). "Review of the literature on Sondhauss thermoacoustic phenomenon". Journal of Sound and Vibration. 7 (1): 71–82. Bibcode:1968JSV.....7...71F. doi:10.1016/0022-460x(68)90158-2.
    • Feldman, K. T., Jr.; Carter, R. L. (1970). "A study of heat driven pressure oscillations in a gas". Journal of Heat Transfer. 92 (3): 536–541. doi:10.1115/1.3449709.
    다음 항목도 참조하십시오.
  13. ^ Wikipedia 기사도 참조해 주세요.열음향 열풍 엔진.
  14. ^ YouTube 에서는, 예를 참조해 주세요.
    1. "공진 스털링",
    2. "Laser de sonido 열음향 사운드 saser" 또는
    3. "음향 실험"

추가정보