楊景輝 張俊玲 蘇海洋 朱一凡

(中國人民武裝警察部隊學院基礎(chǔ)部 河北 廊坊 065000)

自制魯本斯火焰管在聲學教學中的應用研究

楊景輝 張俊玲 蘇海洋 朱一凡

(中國人民武裝警察部隊學院基礎(chǔ)部 河北 廊坊 065000)

為了直觀地演示聲波的有關(guān)實驗現(xiàn)象，實現(xiàn)聲駐波的可視化，制作了一個魯本斯火焰管演示儀器用于實驗教學，并就聲壓和頻率對火焰高度和位置的影響進行了分析和研究，實驗發(fā)現(xiàn)火焰形狀與聲波波形相對應，并且呈現(xiàn)出高頻動態(tài)變化的特征．

魯本斯火焰管 聲駐波 聲速 演示實驗

1 引言

聲音是一種常見的物理現(xiàn)象，各種各樣的發(fā)聲裝置使得聲音表現(xiàn)出豐富的物理特征，研究和探索聲波的相關(guān)原理和性質(zhì)在大學物理教學中占有重要的地位[1,2]．但是與其他機械波如水波或繩波不同，聲波看不見摸不著，在課堂教學中不容易給學生建立直觀的物理圖景，復雜的聲學概念需要學生具備一定的抽象思維能力才能夠理解．為了實現(xiàn)聲音的可視化，1866年德國科學家昆特發(fā)明一種裝置將木屑或細粉末填充在透明玻璃管中來展現(xiàn)聲波的裝置，該裝置使用音叉驅(qū)動空氣中的聲波，在波腹處可以觀察到木屑和細粉末的抖動[3]．1904年德國物理學家海因里?！敱舅故艿嚼ヌ毓艿膯l(fā)設(shè)計了另外一種可以展現(xiàn)聲波的實驗裝置魯本斯火焰管[4]．魯本斯火焰管又稱駐波火焰管類似示波儀，可以通過火焰的高度變化直觀地展現(xiàn)聲波的波形變化趨勢．

在大學物理實驗中，通常利用共鳴管或超聲波對聲波現(xiàn)象進行展示研究[1,5]，但是這些實驗儀器集成度高，操作簡單，學生介入實驗的深度不夠，不利于提高學生的實際動手能力，對培養(yǎng)和鍛煉學生嚴謹?shù)目茖W思維能力的作用有限．

本文介紹了一件學生自己動手制作的魯本斯火焰管教學演示儀器，不但可以利用火焰的高度變化直觀地展示聲駐波的波形等特征，并且能夠?qū)β暡晧骸⒄穹皖l率等參數(shù)對火焰高度的影響做進一步地研究和探索．

2 實驗原理與設(shè)計

魯本斯火焰管是一個可以用來研究聲駐波性質(zhì)的金屬管子，管子上通常需要鉆出很多等間距排列的小孔，管子的一端封閉另一端導入聲波，當導入特定頻率的聲波時在管內(nèi)會形成駐波．在管內(nèi)通入可燃性氣體并點燃時火焰的高度會隨著管內(nèi)氣壓的波動而呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化，通常認為在聲壓波腹處氣體的濃度大、流速快火焰的高度較高，而相反在聲壓波節(jié)處氣體的濃度小、流速慢火焰的高度較低，利用這個裝置可以實現(xiàn)聲波波動的可視化[4]．此外，當導入的聲波是沒有固定頻率的音樂時，從魯本斯火焰管小孔中噴出的火焰將會隨著音樂的節(jié)奏有規(guī)律地舞蹈[6]．

為了觀察和研究聲駐波，我們指導學生自己制作魯本斯火焰管實驗裝置．火焰管是長度2.000 m，直徑100.0 mm，厚度3.00 mm的鋼管，在鋼管上加工出一排直徑為2.00 mm，間距為15.00 mm的小孔．鋼管的一端使用厚度為5.00 mm的厚玻璃板(培養(yǎng)皿)封閉作為聲波的反射端使用，另一端使用高彈性橡膠薄膜(醫(yī)用手套)封閉，聲波由此導入．可燃氣體選擇液化石油氣使用專業(yè)鋼瓶封裝，實驗時將一個功率為12 W的揚聲器緊貼魯本斯管的橡膠薄膜放置，必要時使用密封膠帶固定．實驗時首先接通氣源，點燃火焰，然后通過Adobe Audition軟件控制揚聲器發(fā)出一定頻率和強度的聲音導入魯本斯管，觀察小孔中產(chǎn)生火焰的形狀和特點，研究聲駐波的現(xiàn)象和性質(zhì)[4]．

圖1 自制魯本斯火焰管裝置圖(火焰管為長2.000 m，直徑100.0 mm，厚度3.00 mm的鋼管，在鋼管上加工出一排直徑為2.00 mm，間距為15.00 mm的小孔)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1聲壓對火焰的影響

由流體力學可知，當氣體的流速較小時，流態(tài)只有層流沒有湍流，此時火焰的高度與流速近似成正比，即h∝v．由伯努利原理可知氣體的流速

其中p1為管內(nèi)氣壓，p2為管外氣壓，其中管外氣壓p2為常數(shù)．根據(jù)聲波理論，聲波在均勻有限長管內(nèi)形成駐波時，總的聲壓為

其中pi為入射聲波的振幅．設(shè)空氣中聲壓為p0，定義參考聲壓值p0=20 μPa，聲壓級

則聲壓

由此

如圖2和圖3所示，在沒有聲源輸入時調(diào)節(jié)進氣量使火焰高度為1.00 cm，此時環(huán)境噪音聲壓級為35.6 dB．隨著聲壓級的提高，火焰的高度也跟著一起增加．

圖2 無聲波輸入時火焰高度圖(環(huán)境噪音聲壓級35.6 dB，火焰高度1.0 cm)

圖3 火焰高度隨聲壓變化圖

圖4 火焰高度隨聲壓變化曲線圖

3.2頻率對火焰的影響

在實驗中控制音量不變，將頻率逐漸增大，發(fā)現(xiàn)火焰高度變化的周期逐漸變小，與相應聲波的半波長對應，火焰高度變化的規(guī)律如圖5所示．

圖5 火焰周期隨頻率變化圖

表1 頻率、波長和聲速關(guān)系表

此外，我們還注意到當聲波頻率提高到700 Hz左右時，管體出現(xiàn)明顯地共振現(xiàn)象，火焰的周期性現(xiàn)象趨于消失．由此可以判斷該金屬管材的固有頻率在700 Hz左右，當輸入聲波頻率與其固有頻率相當時，產(chǎn)生了機械共振現(xiàn)象，魯本斯火焰管出現(xiàn)了大振幅的振動不再是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，可燃氣體的壓力分布趨于均勻，火焰高度的周期性變化減弱不再明顯．

4 總結(jié)

設(shè)計和制造了一個可用于實驗教學的魯本斯火焰管并對聲波現(xiàn)象進行了研究，實驗發(fā)現(xiàn)火焰的高度隨升壓的變化有規(guī)律的增加，火焰的形狀與駐波的形狀相對應，隨著實驗的進行波速有逐漸變大的趨勢，這與熱量的積累造成可燃氣體溫度升高有關(guān)．

1 張志芹，張俊玲，劉曉彬，等.大學物理實驗.北京：公安大學出版社，2015.98

2 杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎(chǔ).南京：南京大學出版社，2002.148

3 Kundt,August. Acoustic Experiments.The London,Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science.1866,35( 4):41～48

4 H.Rubens.Demonstration stehender Schallwellen durch Manometer flammen.Verhand lungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft,1904(30):351～354

5 李學慧，高峰，孫炳全，等.大學物理實驗.北京：高等教育出版社，2006.224

6 H.Daw.The normal mode structure on the two-dimensional flame table.Am.J.Phys.1988(56):913

2017-03-23)