自制魯本斯火焰管在聲學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

楊景輝 張俊玲 蘇海洋 朱一凡

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院基礎(chǔ)部 河北 廊坊 065000)

自制魯本斯火焰管在聲學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

楊景輝 張俊玲 蘇海洋 朱一凡

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院基礎(chǔ)部 河北 廊坊 065000)

為了直觀地演示聲波的有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)聲駐波的可視化，制作了一個(gè)魯本斯火焰管演示儀器用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并就聲壓和頻率對(duì)火焰高度和位置的影響進(jìn)行了分析和研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)火焰形狀與聲波波形相對(duì)應(yīng)，并且呈現(xiàn)出高頻動(dòng)態(tài)變化的特征．

魯本斯火焰管 聲駐波 聲速 演示實(shí)驗(yàn)

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(xué)物理教學(xué)中占有重要的地位[1,2]．但是與其他機(jī)械波如水波或繩波不同，聲波看不見摸不著，在課堂教學(xué)中不容易給學(xué)生建立直觀的物理圖景，復(fù)雜的聲學(xué)概念需要學(xué)生具備一定的抽象思維能力才能夠理解．為了實(shí)現(xiàn)聲音的可視化，1866年德國(guó)科學(xué)家昆特發(fā)明一種裝置將木屑或細(xì)粉末填充在透明玻璃管中來(lái)展現(xiàn)聲波的裝置，該裝置使用音叉驅(qū)動(dòng)空氣中的聲波，在波腹處可以觀察到木屑和細(xì)粉末的抖動(dòng)[3]．1904年德國(guó)物理學(xué)家海因里?！敱舅故艿嚼ヌ毓艿膯l(fā)設(shè)計(jì)了另外一種可以展現(xiàn)聲波的實(shí)驗(yàn)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(guò)火焰的高度變化直觀地展現(xiàn)聲波的波形變化趨勢(shì)．

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，通常利用共鳴管或超聲波對(duì)聲波現(xiàn)象進(jìn)行展示研究[1,5]，但是這些實(shí)驗(yàn)儀器集成度高，操作簡(jiǎn)單，學(xué)生介入實(shí)驗(yàn)的深度不夠，不利于提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，對(duì)培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力的作用有限．

本文介紹了一件學(xué)生自己動(dòng)手制作的魯本斯火焰管教學(xué)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(duì)火焰高度的影響做進(jìn)一步地研究和探索．

2 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

魯本斯火焰管是一個(gè)可以用來(lái)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(dǎo)入聲波，當(dāng)導(dǎo)入特定頻率的聲波時(shí)在管內(nèi)會(huì)形成駐波．在管內(nèi)通入可燃性氣體并點(diǎn)燃時(shí)火焰的高度會(huì)隨著管內(nèi)氣壓的波動(dòng)而呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化，通常認(rèn)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(gè)裝置可以實(shí)現(xiàn)聲波波動(dòng)的可視化[4]．此外，當(dāng)導(dǎo)入的聲波是沒有固定頻率的音樂(lè)時(shí)，從魯本斯火焰管小孔中噴出的火焰將會(huì)隨著音樂(lè)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(dǎo)學(xué)生自己制作魯本斯火焰管實(shí)驗(yàn)裝置．火焰管是長(zhǎng)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(dǎo)入．可燃?xì)怏w選擇液化石油氣使用專業(yè)鋼瓶封裝，實(shí)驗(yàn)時(shí)將一個(gè)功率為12 W的揚(yáng)聲器緊貼魯本斯管的橡膠薄膜放置，必要時(shí)使用密封膠帶固定．實(shí)驗(yàn)時(shí)首先接通氣源，點(diǎn)燃火焰，然后通過(guò)Adobe Audition軟件控制揚(yáng)聲器發(fā)出一定頻率和強(qiáng)度的聲音導(dǎo)入魯本斯管，觀察小孔中產(chǎn)生火焰的形狀和特點(diǎn)，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(zhǎng)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(duì)火焰的影響

由流體力學(xué)可知，當(dāng)氣體的流速較小時(shí)，流態(tài)只有層流沒有湍流，此時(shí)火焰的高度與流速近似成正比，即h∝v．由伯努利原理可知?dú)怏w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(zhǎng)管內(nèi)形成駐波時(shí)，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(jí)

則聲壓

由此

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

圖2 無(wú)聲波輸入時(shí)火焰高度圖(環(huán)境噪音聲壓級(jí)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(duì)火焰的影響

在實(shí)驗(yàn)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(yīng)聲波的半波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)，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(zhǎng)和聲速關(guān)系表

此外，我們還注意到當(dāng)聲波頻率提高到700 Hz左右時(shí)，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(dāng)輸入聲波頻率與其固有頻率相當(dāng)時(shí)，產(chǎn)生了機(jī)械共振現(xiàn)象，魯本斯火焰管出現(xiàn)了大振幅的振動(dòng)不再是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，可燃?xì)怏w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(jì)和制造了一個(gè)可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的魯本斯火焰管并對(duì)聲波現(xiàn)象進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行波速有逐漸變大的趨勢(shì)，這與熱量的積累造成可燃?xì)怏w溫度升高有關(guān)．

1 張志芹，張俊玲，劉曉彬，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京：公安大學(xué)出版社，2015.98

2 杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ).南京：南京大學(xué)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(xué)慧，高峰，孫炳全，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).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)