ライケ管

ライケ管は両端が開いた円筒形の管で、内部に熱源が配置されており、熱音響不安定性により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。

オランダのライデン大学の物理学教授だったPL ライケは、1859 年に両端が開いた円筒形の管の中で熱を利用し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。その内側で、一方の端から約 20 センチメートルのところに、右の図に示すように 金網の円盤を置きました。管の壁との摩擦だけで金網の位置を保つことができます。管を垂直にし、金網を下半分に置き、炎で金網を赤熱するまで加熱しました。炎を消すと、管から大きな音が出て、金網が冷めるまで (約 10秒) 続きました。この実験を現代に再現する場合は、ホウケイ酸ガラス管を使用するか、金属製の管を使用する方が安全です。

レイケは、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、十分な大きさの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い。レイケは、自分の研究室から3部屋離れた場所でも音が簡単に聞こえたと報告しており、大学の同僚から苦情を受けたようだ。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書いたレイリー卿は、これを非常に効果的な講義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センチの鋳鉄管を使用し、管の約4分の1のところに鉄線で作った2層の金網を挿入しました。金網を多く入れるのは熱をより多く保持するためで、音を長く持続させます。彼は著書の中で、音が部屋を揺らすほどの強さにまで達すると報告しています。^[2]

「逆」ライケ効果、つまり、熱い空気が冷たいスクリーンを通過するとライケ管も音響振動を生成するという現象は、ライケの助手ヨハネス・ボスチャ^{[3]によって最初に観察され、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]}

音は定在波から発生し、その波長は管の長さの約2倍で、基本周波数を与えます。レイリー卿は著書の中で、音がどのように刺激されるかについて正しい説明をしています。^{[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ね合わされます。

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、圧力が最大に達します。残りの半分のサイクルでは、空気の流れは最小圧力に達するまで外向きです。ガーゼを通過するすべての空気はガーゼ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。空気がガーゼを通過して上向きに流れる際、そのほとんどは前の半サイクルでガーゼを通過して下向きになったばかりなので、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ガーゼに接触し、その圧力が突然上昇します。これにより圧力の最大値が上昇し、振動が強化されます。残りの半分のサイクルで圧力が低下すると、ガーゼの上の空気は再びガーゼを通過して下向きに押し出されます。すでに高温であるため、熱伝達がないため、ガーゼによる圧力変化は発生しません。したがって、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高まります。

これは、炎がガーゼを加熱しているときに音がし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なっており、圧力の上昇は起こりません。

ガーゼがチューブの上半分にある場合、音は出ません。この場合、対流によって下から運ばれた冷たい空気は、外向きの振動運動の終わりに向かってガーゼに到達します。これは圧力が最小になる直前であるため、熱伝達による圧力の急激な増加は、音波を強めるのではなく、打ち消す傾向があります。

チューブ内のガーゼの位置は、下半分であれば重要ではありません。最適な位置を決めるには、考慮すべき点が 2 つあります。熱のほとんどは、波の変位が最大になる場所、つまりチューブの端の空気に伝わります。ただし、圧力増加の効果は、圧力の変化が最も大きい場所、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、最適な配置に近づく簡単な方法になります。

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。

ライケ管は両端が開いた状態で作動する。しかし、片端が閉じた管でも、閉じた端が非常に熱い場合は熱によって音が発生する。このような装置は「ゾンドハウス管」と呼ばれる。この現象はガラス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）によって初めて説明された。^{[8] [9]} ゾンドハウス管の仕組みを最初に説明したのはレイリー卿である。^[10]

ゾンドハウス管は、基本的にライケ管と似た方法で動作します。まず、空気は管の熱い閉じた端に向かって移動し、そこで加熱されるため、その端の圧力が上昇します。次に、高温で圧力の高い空気は、閉じた端から管の冷たい開いた端に向かって流れます。空気は熱を管に伝えて冷却されます。空気は管の開いた端をわずかに超えて急上昇し、一時的に大気を圧縮します。圧縮は音波として大気中に伝播します。その後、大気は空気を管内に押し戻し、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せず、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 1/4 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、ゾンドハウス管のパワー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できます。）^[14]

• パイロフォン

• Feldman, KT Jr. (1968). 「Rijke熱音響現象に関する文献レビュー」Journal of Sound and Vibration . 7 (10): 83–89. Bibcode :1968JSV.....7...83F. doi :10.1016/0022-460X(68)90159-4.
• Rijke-Rohr (Rijke tube) at: Wundersames Sammelsurium (Wondrous Collection) (ドイツ語) 熱音響学の初期の研究者 (Rijke、Reiss など) によるオリジナルの記事が含まれています。
• エヴァンス、 RE ; パトナム、AA (1966)。「ライケ管装置」。アメリカ物理学ジャーナル。34 ( 4): 360–361。Bibcode :1966AmJPh..34..360E。doi :10.1119/1.1972980。
• Julius Sumner Miller、「Sounding Pipes」 (YouTube) ライケ管のデモンストレーション。