بخشی از مقاله
چکیده: وقتی هوای درون یک لوله ی صوتی در حالت تشدید قرار دارد، موج ایستاده ی طولی در آن ایجاد می گردد. اما لایه های تراکمی و انبساطی ستون هوای درون آن بطور بصری قابل رویت نیستند. در لوله های روبن وکُنت با استفاده از روشهای خاص می توان در حالت تشدید امواج ایستاده و لایه های تراکمی و انبساطی آن را بطور بصری مشاهده نمود. در لوله یرِیچ، که یک وسیله ساده ترموآکوستیکی است، انرژی گرمایی یک چشمه ی گرما با ایجاد موج ایستاده در لوله، به صوت تبدیل می گردداخیراً. در برخی کشورها از جمله در ایالات متحده آمریکا با استفاده از فناوری نوپای ترموآکوستیک، نسل جدید سیستمهای تبریدی طرحی شده اند که فقط از توان صوتی برای راه اندازی آنها استفاده می شود. در این مقاله با نگاهی کوتاه به مکانیسم تشدید در لوله های روبن، کنت و رِیچ، فناوری نوپای ترموآکوستیک در طراحی سیستمهای تبریدی را تشریح خواهیم کرد.
.1 مقدمه
لولههای صوتی، لولههایی هستند که اگر در آنها بدمیم، هوای درون آنها را به ارتعاش درآمده و ایجاد صوت مینمایند. هنگامی که در دهانهی لوله صوتی، هوا میدمیم، در هوای داخل آن موج صوتی منتشر می شود. این موج از انتهای لوله بازتاب یافته و از برهم نهی موجهای فرودی و بازتاب آن، موج ایستاده تشکیل میگردد . هر لولهی صوتی وابسته به طول خود و سرعت صوت در هوا دارای یک سری بسامدهای طبیعی است که اگر با این بسامدها هوای درون آن به ارتعاش درآید تشدید رخ داده و موج ایستاده با بسامد مورد نظر در لولهی صوتی ایجاد می گردد و در این حالت است که صدای لوله ی صوتی بسیار بلندتر شنیده میشود.
.2 تشدید در لوله روبن - Rubens' Tube -
لوله روبن یک وسیلهی آزمایشگاهی برای نشان دادن بصری امواج ایستادهی طولی در درون لولهی صوتی با استفاده شعلههای آتش است که توسط هاینریش روبن فیزیکدان آلمانی در سال 1905 میلادی اختراع شد . این دستگاه یک لولهی صوتی فلزی یک انتها باز میباشد که روی آن در یک ردیف در فواصل مساوی سوراخهایی ایجاد شده است. از یک سر لوله، گاز سوختنی وارد میشود و در سر دیگر آن یک تولیدکنندهی موج صوتی - بلندگو - قرار دارد که میتواند امواج صوتی با بسامد ثابت ایجاد نماید. اگر بلندگو صوتی هم بسامد با یکی از بسامدهای تشدید لوله ایجاد کند از بر هم نهی موج فرستاده شده و بازتاب آن از انتهای دیگر لوله، موج ایستاده تشکیل میگردد و با وارد شدن گاز و مشتعل شدن آن در سوراخ ها، مشاهده میشود که ارتفاع همهی شعلهها یکسان نیست.
سرعت خروج گاز و ارتفاع شعله در هر نقطه به فشار گاز بستگی دارد و بر طبق معادله برنولی سرعت خروج گاز با ریشهی دوم اختلاف فشار هر نقطه با محیط بیرون متناسب است2 -5 ] و.[1 با توجه به اینکه سرعت خروج گاز به طور قابل ملاحظهای در نقاط مختلف متفاوت است، ارتفاع شعله در هر نقطه متفاوت با سایر نقاط خواهد بود. در نقاط شکم در لحظاتی معین سرعت جریان گاز و در نتیجه اختلاف فشار گاز با محیط بیرون لوله و نیز ارتفاع شعله بیشینه خواهد بود. و بر عکس در نقاط گره سرعت جریان گاز و در نتیجه اختلاف فشار گاز با محیط بیرون لوله و نیز ارتفاع شعله کمترین مقدار خواهد بود. بنابراین کوتاهترین و پایاترین شعله مربوط به نقاط گره و بلندترین شعلهی در حال نوسان مربوط به نقاط شکم میباشد.
.3 تشدید درلوله کُنت - Kundt's tube -
لولهیکُنت در سال 1866 میلادی توسط فیزیکدان آلمانی به نام آگوست کنت جهت اندازه گیری سرعت صوت در گازها اختراع شده است. در لولهی کنت برای نشان دادن امواج ایستاده ی طولی در درون لولهی صوتی و نمایش نقاط گره و شکم در آن بر خلاف لوله روبن، بجای گاز طبیعی سوختنی، از ذرات سبکی مانند خرده چوب یا دانههای یونولیت استفاده میگردد. درون یک لولهی شیشهای شفاف و بلند مقداری خردهچوب ریز و یا دانههای یونولیت ریخته و در یک سر لوله و درست منطبق بر محور لوله بلندگویی قرار میدهیم که به نوسانساز - یا اسیلاتور - وصل شده است.
وقتی بلندگو با ایجاد صوت، هوای درون لوله را به ارتعاش در میآورد، از بر هم نهی موج فرودی و بازتاب آن از انتهای دیگر لوله، موج ایستاده تشکیل میگردد و نوسان مولکولهای هوا، دانههای ریز چوب را به صورت تودههایی با فاصلهی منظم درمیآورد. حال اگر بسامد نوسان ساز را به تدریج زیاد کنیم، مشاهده میشود که بهازای بسامدهای معینی که همان بسامدهای تشدید یا هارمونیکهای لوله هستند، شکمها و گرههای متفاوتی در فواصل منظمی ایجاد میشوند.
شکل:7 نمایش تودههایی از دانههای ریز چوب در فواصل منظم در درون لولهی صوتی در حال ارتعاش و تشدید برای یافتن حالتهای تشدید، میتوانیم بسامد صوت بلندگو را ثابت نگه داریم و در عوض به طرف دیگر لوله پیستون متحرکی را تعبیه نماییم و با تغییر طول لوله توسط پیستون متحرک، طولی از لوله را که صدای بلندترتولید میکند تنظیم کنیم. دامنه لرزش مولکولهای هوا در نقاطی از لوله - که در فواصل مشخص از همدیگر قرار دارند. - ، صفر است که نشانگر نقاط گرهها می باشند. دانههای ریز چوب از نقاطی که مولکولهای هوا بیشترین لرزش را دارند - شکم - ، به نقاطی که مولکولهای هوا کمترین لرزش را دارند - گره - منتقل و جمع میشود. بنابراین محل گولهها، گره و فاصله بین دو گولهی متوالی برابر نصف طول موج خواهد بود.
