ในวงการวิทยาศาสตร์ด้านฟิสิกส์รู้มานานกว่า 100 ปีแล้วว่า ความร้อนมีผลในการทำให้เกิดคลื่นอะคูสติก (acoustic wave) หรือคลื่นเสียง (sound wave)  ลอร์ดเรย์ลี (Lord Rayeigh) นักฟิสิกส์ขาวอังกฤษ เข้าใจว่าการขยายตัวหรือหดตัวของแก๊สโดยการรับความร้อนหรือระบายความร้อนออก จะทำให้แก๊สเคลื่อนไหวและสร้างคลื่นอะคูสติก นั่นหมายความว่า ถ้าเราให้ความร้อนแก่แก๊สในขณะที่แก๊สมีความหนาแน่นมากที่สุด หรือดึงความร้อนออกจากแก๊สในขณะที่แก๊สมีความหนาแน่นน้อยที่สุด สลับกันไปมา การขยายตัวและหดตัวของแก๊สในภาวะที่เหมาะสมจะทำให้เกิดคลื่นอะคูสติก

ภาพ ลอร์ดเรย์สี (Lord Rayleigh)
ที่มา  http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1904/strutt-bio.html

            เทอร์โมอะคูสติก (thermoacoustics)เป็นการศึกษาที่เกี่ยวข้องกับพลังงานอะคูสติกและอุณหพลศาสตร์ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งได้เป็นการศึกษาการแปลงพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นพลังงานอีกรูปแบบหนึ่ง ระหว่างพลังงานอะคูสติกและพลังงานความร้อน เครื่องทำความเย็นเทอร์โมอะคูลติก (thermoacoustic refigerator)และเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก(thermoacoustic  engine) เป็นตัวอย่างของอุปกรณ์ที่ทำงานโดยอาศัยปรากฏการณ์เทอร์โมอะคูสติก (themoacoustic effects บทความนี้จะอธิบายหลักการทำงานและส่วนประกอบของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก

ภาพ เครื่องทำความเย็นเทอร์โมอะคูสติกสำหรับใช้ในอุตสาหกรรม
ที่มา https://www.researchgate.net/figure/252853724_fig1_Figure-2-The-recentlycompleted-thermoacoustic-refrigerator-TAR

คลื่นอะคูสติกคืออะไร

            คลื่นอะคูสติกเป็นคลื่นตามยาวที่เกิดขึ้นจากการสั่นของแหล่งกำเนิดแล้วเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง โดยทิศการเคลื่อนที่ของคลื่นอยู่ในแนวขนานกับทิศการสั่นของอนุภาคตัวกลาง ดังแสดงในรูปที่ 1 คลื่นเสียงเป็นตัวอย่างของคลื่นอะดูสติกที่มีความถี่ในช่วงที่หูมนุษย์ปกติสามารถได้ยินได้ ตำราหลายเล่มเรียกคลื่นอะคูสติกว่าคลื่นเสียง

รูปที่ 1 คลื่นอะคูสติก

            ในรูปที่ 1 เมื่อคลื่นเคลื่อนที่ผ่านตัวกลาง อนุภาคของตัวกลางจะสั่นทำให้เกิดบริเวณที่มีความหนาแน่นของอนุภาคมากที่สุด ซึ่งเรียกว่าส่วนอัด และบริเวณที่มีความหนาแน่นของอนุภาคน้อยที่สุด ซึ่งเรียกส่วนขยายถ้าตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านเป็นแก๊ส บริเวณที่เป็นส่วนอัดจะมีความดันสูงสุด และบริเวณที่เป็นส่วนขยายจะมีความดันต่ำสุด คลื่นอะคูสติกจัดอยู่ในประเภทคลื่นกล (mechanical wave)

ความร้อนสร้างคลื่นอะคูสติกได้อย่างไร

            ความแตกต่างของอุณหภูมิสามารถนำมาใช้สร้างคลื่นอะคูสติกที่มีแอมพลิจูดขนาดใหญ่ได้ อุปกรณ์ที่สำคัญคือท่อกำทอน ซึ่งปติทำจากท่อที่มีผนังด้านในเรียบ ภายในท่อจะบรรจุสแต็ค (stack) ซึ่งทำจากวัสดุที่มีสภาพนำความร้อนต่ำ แต่มีความจุความร้อนสูง และประกอบด้วยช่องเล็กหรือท่อเล็ก จำนวนมากวางขนานกันในการสร้างคลื่นอะคูสติกจำเป็นจะต้องให้ความร้อนที่ปลายด้านหนึ่งของสแต็คและปลายอีกด้านหนึ่งต้องรักษาให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า (ดังแสดงในรูปที่ 2) ความแตกต่างของอุณหภูมิภายในสแต็คจะทำให้เกิดคลื่นความดันหรือคลื่นอะดูสติกภายในท่อกำทอนโต้ยอากาศที่ได้รับความร้อนจะขยายตัวและเคลื่อนที่ออกไปแล้วระบายความร้อนออกไป เมื่ออุณหภูมิลดลงก็จะเคลื่อนที่กลับเข้ามารับความร้อน และขยายตัวออกอีกเป็นวัฏจักรไปเรื่อย ๆ

รูปที่ 2 การสร้างคลื่นอะคูสติกด้วยความรัอน

เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก

            เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกเป็นเครื่องยนต์ความร้อนชนิดหนึ่ง ซึ่งทำงานโดยใช้ปรากฏการณ์เทอร์โมอะดูสติกโดยเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานอะคูสติก แล้วใช้ลูกสูบเปลี่ยนพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานกลไปขับตันลูกสูบให้ทำงาน

            เครื่องยนต์เทอร์โมะคูสติกบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ เครื่องยนต์เทอร์โมอะดูสติกแบบคลื่นนิ่งและ เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกแบบคลื่นเคลื่อนที่ในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะส่วนประกอบและหลักการทำงานของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกแบบคลื่นนิ่ง

ส่วนประกอบของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคุสติกแบบคลื่นนิ่ง

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงส่วนประกอบของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกแบบคลื่นนิ่ง

            รูปที่ 3 แสดงส่วนประกอบของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกที่สร้างขึ้นเพื่อใช้ในการทดลอง โดยอาจแบ่งออกเป็น 2 ส่วนดังนี้

ส่วนที่ 1 ชุดแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานอะคูสติก ประกอบด้วย

1. ท่อกำทอน ใช้หลอดทดลองที่ทำจากแก้วทนไฟขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 21.2 มิลลิเมตรและยาว 150 มิลลิเมตร
2. สแต็ค วัสดุที่ใช้ควรเป็นวัสดุที่มีความจุความร้อนสูง สำหรับเครื่องยนต์ที่สร้างนี้ใช้ฝอยสแตนเลสที่ทำเป็นก้อนยาวประมาณ 50 มิลลิเมตร
3. โช้ค (choke) พร้อมแผ่นระบายความร้อน ทำจากทองเหลืองที่เจาะรูตรงกลาง มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 6 มิลลิมตร ใช้คทำหน้าที่สะท้อนคลื่นให้เคลื่อนที่กลับไปในทิศตรงข้าม เพื่อสร้างคลื่นนิ่ง
4. ตะเกียงอัลกอฮอล์

รูปที่ 4 ส่วนประกอบของชุดแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานอะคูสติก

ส่วนที่ 2 ชุดแปลงพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานกล ประกอบด้วย

1. กระบอกสูบ ใช้หลอดทดลองที่ทำจากแก้วทนไฟขนาดส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 21.2 มิลลิเมตรยาว 40 มิลลิเมตร
2. ลูกสูบ ทำจากพลาสติก polyacetal
3. ก้านสูบ ทำจากลวดที่เส้นผ่านศูนย์กลางยาว 2 มิลลิเมตร
4. ข้อเหวี่ยง ทำจากอะดูมิเนียม โดยมีระยะจากจุดศูนย์กลางของข้อเหวี่ยงถึงตำแหน่งยึดก้านสูบเท่ากับ 7.5 มิลลิเมตร (ระยะชักของลูกสูบ เท่ากับ 15 มิลลิเมตร)
5. ล้อตุนกำลัง ทำจากเหล็กเพลากลมที่มีเส้นผ่นศูนย์กลางยาว 60 มิลลิเมตร หนา 15 มิลลิเมตรล้อตุนกำลัง ทำหน้าที่สะสมพลังงานในรูปของโมเมนตัมเขิงมุม เพื่อช่วยให้เครื่องยนต์สามารถหมุนด้วยอัตราเร็วสม่ำเสมอ

รูปที่ 5 ส่วนประกอบของชุดแปลงพลังงานอะคูสติกเป็นพลังงานกล

หลักการทำงานของเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก

            เมื่อนำชิ้นส่วนทั้งหมดมาประกอบเป็นเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกจะได้อุปกรณ์ดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติก

            เมื่อจุดตะเกียงอัลกอฮอล์ให้ความร้อนที่ปลายสแต็คต้านที่ติดกับโช้ค (รูปที่ 6) อากาศที่อยู่ภายในท่อจะร้อน และอุณหภูมิจะสูงขึ้น ความดันอากาศภายในท่อจะเพิ่มและดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ออกไปเล็กน้อยเมื่อเริ่มต้นอุณหภูมิของปลายสแต็คจะยังไม่สูงพอ การแกว่งตัวของอากาศเพื่อรับความร้อนและคายความร้อนจะเป็นไปอย่างช้า ๆ ทำให้เกิดคลื่นที่มีความถี่ต่ำ และไม่มีกำลังพอที่จะทำให้เครื่องยนต์ทำงาน คลื่นที่เกิดจากการสั่นของโมเลกุลของอากาศในสเต็คเมื่อเคลื่อนที่ถึงโช้ค คลื่นบางส่วนจะสะท้อนกลับทำให้ภายในท่อกำทอนมีคลื่นอะคูสติกสองคลื่นที่มีความถี่เดียวกัน แต่เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามคลื่นจะแทรกสอดกันทำให้เกิดคลื่นนิ่งเมื่ออุณหภูมิของท่อและปลายสแต็คที่ตำแหน่งถูกเปลวไฟผาทำให้มีอุณหภูมิเพิ่มสูงจนทำให้ได้คลื่นที่มีความถี่มากจนมีกำลังพอที่จะทำให้ล้อตุนกำลังทำงาน เครื่องยนต์ก็จะเริ่มทำงานอย่างต่อเนื่อง ในบางครั้งอาจต้องใช้มือหมุนล้อตุนกำลังอย่างเบา ๆ เพื่อให้เครื่องยนต์เริ่มทำงาน ยิ่งอุณหภูมิเพิ่มสูงเครื่องยนต์ก็จะหมุนเร็วขึ้น และมีกำลังมากขึ้นตามไปด้วย

            จากประสบการณ์การสร้างเครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกของผู้เขียนปัญหาที่ทำให้เครื่องยนต์ไม่ทำงานมีหลายประการ เช่น มีรูรั่วตรงรอยต่อระหว่างท่อกำทอนกับโช้ค ชุดล้อตุนกำลังมีความเสียดทานมากเกินไปความร้อนจากตะเกียงอัลกอฮอล์แบบมีใส้ให้อุณภูมิไม่สูงพอที่จะทำให้เครื่องยนต์ทำงาน

            เครื่องยนต์เทอร์โมอะคูสติกเป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่ยังไม่เป็นที่รู้จักกันมากและยังอยู่ในช่วงการศึกษาวิจัยและพัฒนา แต่เป็นเครื่องยนต์ที่มีส่วนประกอบง่าย " สามารถสร้างได้โดยใช้เครื่องมือและอุปกรณ์ที่มีอยู่ในโรงฝึกงาน ถ้าท่านผู้อ่านมีเวลา ลองสร้างดูเถิดครับรับรองได้ว่าจะเรียนรู้สิ่งที่ไม่ได้เขียนไว้ในที่นี้อีกมาก นอกเหนือจากความสุขที่ได้เห็นเครื่องยนต์ทำงานได้

ภาพ Thermoacoustic Engine
ที่มา http://gyroscope.com/d.asp?product=ACOUSTIC

            บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Backhaus. Scott, & Swift, Greg, (2002). New Vanieties of Thermoacoustic Engines LA-UR-02-2721, 9" Intemational Congress on Sound and Vibration.

DeBacco, Thomas, et al. (2011). Design and Fabrication of Thermoacoustic Engine, g" Annual International Energy Conservation Engineering Conference. 31 July - 03 August 2011, California: San Diego.

Garrett, S. (2011). Thermoacoustic Engines and Refrigerators, Penn. USA: State University. Graduate Program in Acoustics.

Yap, Mark Peterson & Cruz. Efren Dela (2015). Design and canstruction of a Simple Standing Wave Thermoacoustic Refigerator. DLSU Research Congress 2015. Philippines: De La Salle University.