Rijkeho trubice jako hudební nástroj

Abstract

Rijkeova trubice je starý fyzikální experiment, který demonstruje spontánní vznik zvuku v otevřené trubce se zdrojem tepla. Tento jev je zkoumaný zejména ve spojitosti s jinými termoakustickými systémy. V této práci jsem se k tomuto experimentu vrátil se zaměřením na jeho potenciální využití Rijkeovy trubky jako hudebního nástroje. Prezentovaný originální přístup spočívá v aplikaci moderních metod řízení na Rijkeho trubici a rozšíření již dříve zkoumaných metod tlumení zvuku o nové koncepty, včetně regulace amplitudy a aktivního zvukového buzení. Nejprve jsem vyvinul matematický model v časové oblasti, který uvažuje nelineární aspekty dynamiky Rijkeovy trubice a jako takový rozšiřuje existující modelovací přístupy, které se zabývají především analýzou systémů ve frekvenční oblasti. Na základě tohoto matematického modelu jsem navrhnul a otestoval řídicí systém, který využívá regulaci tepelného zdroje a aktivní akustické řízení jako dvou vstupů do systému. Tyto metody společně umožňují lepší akustický projev Rijkeho trubky a poskytují dobrý základ pro další pokusy o hraní originálních hudebních skladeb. Poslední, ale co je nejdůležitější, navrhuji a stavím vlastní Rijkeho varhany s využitím moderních metod výroby a rychlého prototypování, včetně 3D tisku a laserového řezání. Varhany umožňují plnou demonstraci řídicího systému a poskytují platformu pro další výzkum a vývoj týkající se řízení termoakustické nestability.

Rijke tube is an old physical experiment demonstrating a spontaneous generation of sound in an open tube with a heat source. This phenomenon is well researched due to its parallel to other thermoacoustic systems. In this thesis, I revisit the experiment, focusing on its potential use of the Rijke tube as a musical instrument. Presented novel approach lies within aplying modern control methods on the Rijke tube, and augmenting the previously investigated methods of suppression of the sound with new concepts of control objectives, including the amplitude regulation and active sound excitation. First, I develop the time-domain mathematical model which considers the nonlinear aspects of the Rijke tube and as such extends the existing modeling approaches which are mainly focusing on frequency-domain system analysis. Upon this mathematical model I design and test the control system, which utilizes a heater control and active acoustic control as two input methods. In combination, these two allow for enhanced acoustic performance of the Rijke tube, and provide a good foundation for further attempts on playing original musical pieces. Last, but most importantly, I design and build the actual Rijke organ instrument using modern methods of fabrication and rapid prototyping, including 3D printing and laser-cutting. The organ allows the full demonstration of the control system and provides a platform for further research and development concerning the control of thermoacoustic instability.