ライケ管

ライケ管は両端が開口した円筒形の管で、内部に熱源が配置されています。熱源は熱音響不安定性によって自己増幅定在波を発生させ、熱を音に変換します。これは音響学における興味深い現象であり、共鳴の優れた例です。

ライケ管の簡素な構造。垂直の金属管の下半分に金網が張られており、ブンゼンバーナーの上に吊り下げられている。

発見

PL ライケはオランダのライデン大学の物理学教授で、 1859 年に両端が開いた円筒形の管の中で熱を使って音を持続させる方法を発見しました。 [ 1 ] 彼は長さ約 0.8 メートル、直径 3.5 センチメートルのガラス管を使用しました。管の一方の端から約 20 センチメートル離れたところに、右の図に示すように 金網の円盤を置きました。管の壁との摩擦で金網を所定の位置に維持できます。管を垂直にし、金網を下半分に置き、炎で金網が赤熱するまで加熱しました。炎を消すと、管からは大きな音が出て、金網が冷めるまで (約 10秒) 持続しました。この実験を現代に再現する際には、ホウケイ酸ガラス管、あるいは金属製の管を使用する方が安全です。

ライケはガーゼを炎で加熱する代わりに、電気加熱も試みた。電気抵抗線でガーゼを作ると、十分な電流を流すと赤く光る。熱が継続的に供給されるため、音も連続的でかなり大きくなる。ライケは大学の同僚から苦情を受けたようで、その音は研究室から3部屋離れた場所でも容易に聞こえたと報告している。これを実現するために必要な電力は約1kWである。

1877年に音響に関する決定的な教科書を著したレイリー卿は、これを非常に効果的なレクチャーデモンストレーションとして推奨しています。彼は長さ1.5メートル、直径12センチの鋳鉄管を用い、管の約4分の1の地点に鉄線で作った金網を2層に重ねました。金網を重ねたのは熱を多く保持するためで、これにより音の持続時間が長くなります。彼は著書の中で、音が部屋を揺るがすほどの強さにまで達したと報告しています。[ 2 ]

「逆」ライケ効果、つまり、ライケ管が冷たいスクリーンを熱い空気が流れると音響振動も発生するという現象は、ライケの助手ヨハネス・ボスチャ[ 3 ]によって初めて観察され、その後ドイツの物理学者ペーター・テオフィル・リースによって調査された。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

機構

ガストーチで加熱されているライケ管の内部
ガストーチで加熱されているライケ管の内部
ライケチューブの仕組み

音は定在波から発生し、その波長は管の長さの約2倍で、基本周波数となります。レイリー卿は著書の中で、音がどのように刺激されるのかを正しく説明しています。[ 7 ]金網を通過する空気の流れは、2つの動きの組み合わせです。金網が空気を加熱することで生じる 対流により、空気は均一に上昇します。これに音波による動きが重なります。

振動サイクルの半分の間、空気は両端からチューブ内に流れ込み、圧力が最大になります。もう半分のサイクルでは、空気は外向きに流れ、圧力が最小になります。金網を通過するすべての空気は金網の温度まで加熱され、空気への熱伝達は理想気体の法則に従って圧力を上昇させます。空気が金網を上向きに通過する際、そのほとんどは前の半サイクルで金網を下向きに通過したばかりなので、すでに高温になっています。しかし、圧力が最大になる直前に、少量の冷たい空気が金網に接触し、その圧力が急激に上昇します。これによって最大圧力が上昇し、振動が強化されます。もう半分のサイクルで圧力が低下すると、金網の上部の空気は下向きに押し出され、再び金網を通り過ぎます。空気はすでに高温なので、熱伝達がなく、金網による圧力変化は起こりません。そのため、音波は振動サイクルごとに1回強化され、非常に大きな振幅に急速に達します。

これは、炎がガーゼを加熱しているときに音が出ない理由を説明しています。チューブを流れる空気はすべて炎によって加熱されるため、ガーゼに到達したときにはすでに熱く、圧力の上昇は起こりません。

ガーゼが管の上半分にある場合、音は発生しません。この場合、対流によって下から取り込まれた冷たい空気は、外向きの振動運動の終盤でガーゼに到達します。これは圧力が最小となる直前であるため、熱伝達による急激な圧力上昇は、音波を強めるのではなく、むしろ打ち消す傾向があります。

チューブ内のガーゼの位置は、下半分であればそれほど重要ではありません。最適な位置を見つけるには、2つの点を考慮する必要があります。熱の大部分は、波の変位が最大となる部分、つまりチューブの端の空気に伝わります。しかし、圧力上昇の効果は、圧力変化が最も大きい部分、つまりチューブの中央で最大になります。ガーゼをこの2つの位置の中間（下端から4分の1の位置）に配置すると、最適な位置に近づく簡単な方法となります。

ライケ管は、「熱機関」または「原動機」として知られる熱音響装置の定在波形式であると考えられています。

ゾンドハウス管

中国語でライケ管の実演をする台湾人の教授。

ライケ管は両端が開いた状態で動作します。しかし、片端を閉じた状態でも、その端が非常に高温であれば熱によって音が発生します。このような装置は「ゾンドハウス管」と呼ばれます。この現象はガラス吹き職人によって初めて観察され、1850年にドイツの物理学者カール・フリードリヒ・ユリウス・ゾンドハウス（1815–1886）によって初めて記述されました。[ 8 ] [ 9 ] ゾンドハウス管の仕組みを初めて説明したのはレイリー卿です。[ 10 ]

ゾンドハウス管の動作原理は、基本的にライケ管と似ています。まず、空気は管の高温の閉端に向かって流れ、そこで加熱されて圧力が上昇します。高温高圧の空気は、閉端から管の低温の開端に向かって流れます。空気は熱を管に伝え、冷却されます。空気は管の開端をわずかに超えて勢いよく吹き出し、一時的に空気を圧縮します。この圧縮は音波として空気中を伝播します。その後、空気は空気を管内に押し戻し、このサイクルが繰り返されます。ライケ管とは異なり、ゾンドハウス管は一定の空気の流れを必要としません。また、ライケ管が半波長共振器として機能するのに対し、ゾンドハウス管は四分の一波長共振器として機能します。[ 11 ]

ライケ管と同様に、多孔質ヒーターと「スタック」（多孔質の「プラグ」）を管内に配置すると、ゾンドハウス管の出力と効率が大幅に向上することが発見されました。[ 12 ] [ 13 ] （デモモデルでは、管を外部から加熱し、スチールウールをスタックとして使用することができます。）[ 14 ]

参照

参考文献

  1. ^ライケ, ピーター・L. (1859a). 「両端開放管内の空気の振動について」 .哲学雑誌. 17 : 419–422 . doi : 10.1080/14786445908642701 .;最初はドイツ語で次のように出版されました：Rijke, PL (1859b)。「Notiz über eine neue Art, die in einer an beiden Enden offenen Röhre enthaltene Luft in Schwingungen zu versetzen」 [両端が開いた管に入った空気を振動させる新しい方法のお知らせ]。物理学と化学のアナレン。シリーズ第 2 弾（ドイツ語）。107 (6): 339–343。Bibcode : 1859AnP...183..339R。土井：10.1002/andp.18591830616。[現代の引用: Annalen der Physik、183 : 339–343]。
  2. ^ストラット、ジョン・ウィリアム（レイリー卿）（1879年）「音響観察」『哲学雑誌』第5集、7巻、149～ 162頁。
  3. ^ボスチャの発見は、 Rijke, Pieter L. (1859a). 「両端開放管内の空気の振動について」 . Philosophical Magazine . 17 : 419– 422. doi : 10.1080/14786445908642701 .の421～422ページに記載されています。
  4. ^リース、P. (1859)。「Das Anblasen offener Röhren durch eine Flamme」 [炎による開いた管の響き]。物理学と化学のアナレン。シリーズ第 2 弾（ドイツ語）。108 (12): 653–656。Bibcode : 1859AnP...184..653R。土井：10.1002/andp.18591841219。
  5. ^リース、P. (1860)。「Anhaltendes Tönen einer Röhre durch eine Flamme」[炎による管の持続音]。物理学と化学のアナレン。シリーズ第 2 弾（ドイツ語）。109 (1): 145–147。Bibcode : 1860AnP...185..145R。土井：10.1002/andp.18601850113。
  6. ^レイリー卿は、ボッシャとリースの発見について、以下の著書で言及している： Strutt, John Wm. (Baron Rayleigh) (1896). The Theory of Sound . Vol. 2 (2nd ed.). London, England, UK: Macmillan. pp.  233– 234. 1945年にDover Publications（米国ニューヨーク州ニューヨーク）から再版されました。
  7. ^ストラット、ジョン・ウィリアム（レイリー卿）（1878年7月18日）「ある音響現象の説明」ネイチャー誌18 ( 455): 319– 321. Bibcode : 1878Natur..18..319R . doi : 10.1038/018319a0 . S2CID 4140025 .  参照：ストラット、ジョン・ウィリアム（レイリー男爵）（1896年）『音響理論』第2巻（第2版）ロンドン、イングランド、イギリス：マクミラン社、pp.  231– 234。 1945年にDover Publications（米国ニューヨーク州ニューヨーク）から再版されました。
  8. ^カール・ゾントハウス (1850)。「Über die Schallschwingungen der Luft in erhitzten Glasrohren und in gedeckten Pfeifen vonungleicher Weite」 [加熱されたガラス管内および不均一な幅の閉じたパイプ内の空気の音響振動について]。物理学と化学のアナレン。シリーズ第 2 弾（ドイツ語）。79：1～ 34。
  9. ^多くの資料では「Karl Sondhauss」を「Carl Sondhaus」または「Carl Sondhauss」と綴っています。
  10. ^ストラット、ジョン・ウィリアム（レイリー男爵）（1896年）『音響理論』第2巻（第2版）ロンドン、イングランド、イギリス：マクミラン社、pp.  230– 231。 1945年にDover Publications（米国ニューヨーク州ニューヨーク）から再版されました。
  11. ^この1/4波長定在波「エンジン」の技術的分析は、 Swift, Greg (2007). 「第7章：熱音響学」に掲載されています。Rossing, Thomas (編). Springer Handbook of Acoustics . ニューヨーク州ニューヨーク市、アメリカ合衆国: Springer. pp. 241 and 244–246. ISBN 9780387304465。
  12. ^熱交換器をゾンドハウス管内に初めて設置したのは、Carter、White、Steele らである: Robert Leroy Carter、M. White、AM Steele (1962) Private communication, Atomics International Division of North American Aviation, Inc. ゾンドハウス管内のスタックに関する最初の公表された報告は、Karl Thomas Feldman, Jr. によるものである。参照: 参照:
  13. ^ Wikipedia の記事 「熱音響熱風エンジン」も参照してください。
  14. ^ YouTube では、例えば以下をご覧ください:
    1. 「共鳴スターリング」、
    2. 「レーザー音響音響音響装置」、または
    3. 「熱音響実験」。

詳細情報

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