図 1.左側の歌うヒギンズの炎と右側のライケ管
彼はガラス送風機とはわずかに異なる装置、つまり「歌う炎」を作成し、水素バーナーの炎を両端が開いた金属パイプのほぼ中央に置きました。 1859年後半、ポール・ライケはこれらの実験を続けました。 彼は炎を加熱された金属メッシュに置き換えました。 彼は、グリッドを垂直に配置されたパイプ内に移動し、下端からパイプの長さの1/4にグリッドを配置すると、最大の音量が観察されることを発見しました。
外観はこのビデオで見ることができます：
ライケ管の動作原理は何ですか？
ビデオを見ると、ライケ管の原理を示唆するいくつかの重要な詳細に気付くことができます。 バーナーがチューブ内のグリッドを加熱している間、振動は観察されないことがわかります。 振動は、バレリアン・イワノビッチがバーナーを横に取り外した後にのみ始まります。 つまり、ネットの下の空気がネットの上よりも冷たいことが重要です。 次に重要な点は、チューブを水平に回すと振動が止まることです。 つまり、振動が発生するためには、上向きの対流気流が必要です。
チューブ内の空気はどのように振動しますか？
GIF 1.空気の動きの音響成分
gifka 1では、音波の存在によるチューブ内の空気の動きを示しています。 各線は、条件付きで選択された空気の薄い層の動きを示しています。 チューブの中心では、空気の振動速度の値がゼロであり、反対にチューブの端では最大になっていることがわかります。
反対に、圧力の変動はチューブの中央で最大であり、チューブの端でゼロに近く、チューブの端が開いていて大気圧があり、空気が出る場所がないため、中央で圧力変動が起こる可能性があるためです。
図 2.チューブの中心の最大圧力時の圧力分布と、チューブの端の最大速度時の振動速度の分布
したがって、ライケ管で発生する音波は、管の端に圧力の節があり、中央に振動速度の節があり、立っていると断言できます。 チューブの長さは、音波の長さの半分に等しくなります。 これは、チューブが半波共振器であることを意味します。 図に注意してください。 2.チューブ内のホットメッシュの最適な位置は、圧力と速度の積が最大になる場所にあることが示されています。 この場所は、下端からチューブの長さの約1/4です。 つまり、プロセスには速度変動と圧力変動の両方が存在することが重要です。
ビデオから判明したように、振動が発生するためには、共振器だけでなく、チューブに向けられた連続した空気の流れも必要です。 つまり、ここにそのような空気の動きがあります：
GIF 2.対流気流
チューブの垂直位置では、メッシュによって加熱された空気が上昇するため、一定の空気の流れが発生します。 対流があります。
実際には、空気の振動と対流の流れが同時に存在します。 これら2つのプロセスは互いに重なり合っており、次のような動きが得られます。
GIF 3.結合された空気の動き-振動+対流
記載されている空気の動き ここで、音響波がどのように発生し、チューブ内で維持されるかを理解する必要があります。
ライケ管は、音波の減衰メカニズムが自然に存在する自励発振システムです。 したがって、波を維持するには、振動の各周期で連続的にエネルギーを供給する必要があります。 波がどのように励起されるかをよりよく理解するには、GIF 3を検討してください。
GIF 3.チューブ内の熱力学サイクル
空気の動きは、チューブをcreepい回る毛虫の動きに非常に似ています。
GIF 3では、効果が最大になる理想的なケースが提示されます。 もっと詳しく考えてみましょう。 このキャタピラーの動きの空気は、加熱されたメッシュの下のコールドゾーンで圧縮された後、メッシュ内を通過してすでに高温で膨張していることがわかります。 したがって、空気が膨張すると、空気は加熱されたメッシュからエネルギーを引き出し、徐々に冷却されます。 熱力学サイクルは、ガスに対する積極的な取り組みにより実施されています。 これにより、初期の微振動が増幅され、波の送りのパワーが波の減衰のパワーに等しくなると、バランスが整い、一定の単調な音が聞こえ始めます。
このような理想的なケースは、特定の対流流速と特定のグリッド温度でのみ実現されます。 ほとんどの実際の場合、メッシュ領域の空気の動きはわずかに異なりますが、これはチューブの効率を悪化させるだけで、動作原理は変わりません。
ライケ管の動作原理が明らかになった後、すぐに疑問が生じます。なぜヒギンズの炎は、管のほぼ中央に置かれたときに最も強く鳴るのでしょうか？ 問題は、グリッドが下の空気を温めるよりも炎がはるかに強いため、その場所の最適点はグリッドの点よりも高いことです。 したがって、炎をチューブの中央に配置する必要があるか、下端近くに配置する必要があるかは、本質的に炎とチューブの長さに依存します。