Сборник самодельных технических устройств для проведения физических и инженерных опытов - страница 4

Изготовлена в 1999 году для проведения ОКР

Тепловой автогенератор звука, получивший имя в честь физика Рудольфа Рийке, был впервые продемонстрирован в 1859 году. Его открытие стало первым достоверным примером устройства, в котором звук возникает вследствие термического (теплового) возбуждения без применения механических или электрических источников колебаний.

Поже лорд Рэлей предложил качественную теорию этого явления в рамках акустики и термодинамики, показав, что прибор Рийке является примером теплоакустического генератора, где тепло, вводимое в систему с определенным фазовым сдвигом, может усиливать звуковые волны.

Принцип действия

Прибор Рийке представляет собой открытую с обоих концов вертикально ориентированную трубку (резонатор), внутрь которой на высоте приблизительно L/4 от нижнего конца помещается металлическая сетка, нагретая до высокой температуры.

Физический механизм генерации звука.

При нагревании сетки она передает тепловую энергию проходящему через неё потоку воздуха. Под действием конвекции (или внешнего нагрева, например, спиртовой горелкой) возникает восходящий поток воздуха через трубку. Если сетка расположена правильно – именно в нижней половине трубки (около четверти её длины от низа) – происходит резонансное усиление звуковых колебаний: теплота поступает в фазе с увеличением давления среды в волне, что приводит к самоподдерживающемуся звуку. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в акустическую без движущихся частей – образуется громкий устойчивый однотонный звук.

Расчёт

Поскольку труба открыта с обеих сторон, её основное акустическое колебание соответствует стоячей волне с пучностями звукового давления у концов и узлом посередине. Длина волны λ и частота F определяются:

F = C / λ = C / (2L)

Где:

– C – скорость звука в воздухе (около 343 м/с при 20 C);

– λ – длина звуковой волны;

– L – длина генерирующей трубки.

Рис. № 4. Тепловой автогенератор звука Рийке

Таким образом, для трубы длиной 1 метр основная частота составит:

F = 343 / 2 × 1 = 171,5 Гц – в диапазоне слышимого звука (низкий гул).

Эксперимент

В практической реализации был использован следующий прототип установки Рийке.

Трубка: стеклянная трубка от старой люминесцентной лампы (СССР), длиной 1 метр и диаметром 40 мм;