리즈커(Rijke) 튜브

 

 리즈커 튜브(Rijke tube)는 네덜란드의 라이덴 대학교(Leiden University)에서 물리학교수로 근무하던 P.L. Rijke가 1859년에 발명한 것이다. [그림 1]에 리즈커 튜브를 주었다.  리즈커 튜브의 중간 아래쪽에 금속망(metal mesh)이 있다. 이 금속망을 버너나 전기로 빨갛게 가열한 후, 버너를 치우면 튜브에서 큰 소리가 발생한다. 리즈커는 당시에 길이 약 80cm, 직경이 3.5cm인 유리관을 사용했는데 소리가 약 10초 정도 유지되었다고 한다.

 

 

[그림 1] 리즈커 튜브(from Wikipedia)

 

 리즈커 튜브에서 흥미로운점은 버너를 치운 후에 튜브를 위로 세워야만 소리가 발생한다는 점이다. 튜브를 뉘이면 소리가 나지 않는다. 튜브를 거꾸로 세워도 소리가 나지 않는데 이는 금속망을 튜브의 중심 위쪽에 놓아도 안된다는 의미가 된다.  금속망(metal mesh=wire mesh=metal gauze)이 튜브의 아래 끝단에서 튜브 길이의 1/4되는 위치에 놓을 때 가장 큰소리가 발생한다는 사실을 밝힌 사람은 음향학의 아버지인 영국의 레일리 경(Lord Rayleigh)이다. 

1. Rijke tube.mp3

 [리즈커 튜브 소리: 3종]  

 리즈커 튜브의 소리발생 현상은 매우 신기한 현상이다. 이를 레일리 경이 1877년에 발행한 [소리의 이론](Theory of Sound)에서 리즈커 튜브의 소리 발생현상을 물리적으로 설명하고 있다.  기본적으로는 가열된 금속망을 통과한 공기가 온도가 올라감에 따라 팽창하면서 압력이 튜브 중간 지점에서 높아지고 그러면 튜브의 상하 방향으로 공기의 흐름이 발생하고 다시 공기가 금속망을 통과하면서 열을 받아 팽창하고를 반복하면서 튜브의 기본공진주파수로 공진하여 소리가 증폭된다는 해석이다.  따라서 리즈커 튜브의 길이가 길수록 저음의 소리가 강하게 발생한다. 튜브의 길이가 L일 때 양쪽이 열린 개관의 기본 공진주파수는 c/2L 이기 때문이다. 여기서 c는 관내 음속이다.

 

                         [그림 2] 리즈커 튜브의 공진 현상 설명도(from Wikipedia)

 

 [그림 2]는 위 설명을 도식적으로 보여주고 있다. 단, 위의 설명은 [그림2]의 중앙에서부터 시작하고 있음을 유의해야 하겠다. 즉, 가열된 금속망에 의해 데워진 공기가 위로 대류(convection)가 일어나면서 튜브의 중심부에서 고온의 기체가 고압을 형성하면서 팽창함으로써 공기가 상하로 이동하는 과정에서 금속망 아래로 일부의 공기가 내려가면서 튜브의 중앙부는 저압이 된다. 그러면 다시 일단의 찬공기가 금속망을  통과해 올라 가면서 열에너지를 얻어 튜브 중심부에 다시 고압이 형성된다. 이 과정을 반복하면서 튜브의 기본 공진주파수로 공진을 하기 때문에 리즈커 튜브의 소리는 버너를 치우면서 초기에 점차 소리가 커진다. 그러다가 금속망이 식으면 더 이상 소리가 나지 않는다. 

 

 리즈커 튜브 현상이 발견된 이 후로 열음향학(Thermoacoustics)이라는 학문분야가 생겨났고, 열음향 현상을 전자회로 칩(chip) 냉각, 군함 전기회로 냉각 등에 적용하고 있으며, 기존 냉장고에 비하여 효율은 낮지만 열음향 냉장고(Thermoacoustic refrigerator)를 만들어 아이스크림 저장고로 활용하고 있다.  이처럼 단순한 현상도 깊이 파고 들어가면 그 곳에서 새로운 세계의 문을 여는 열쇠를 마련할 수 있다는 사실에 놀라지 않을 수 없다.

 

       -------------------- by  Dajaehun