新型魯本斯焰管

劉羽卿　寇恩源　劉月升　竇潤盛

魯本斯焰管是一種古老的物理設(shè)備，用火焰的方式視覺化演示聲波及聲壓之間的關(guān)系。其結(jié)構(gòu)和原理是：在兩端密閉的管中充入可燃?xì)怏w，管壁開孔，并于孔附近點(diǎn)燃。將聲波導(dǎo)入管中產(chǎn)生駐波，管內(nèi)氣壓隨聲壓變化，壓力大的地方噴出氣體量大，壓力小的地方噴出氣體量小，火焰高度就會(huì)變化了，演示效果非常漂亮！但我發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)備要用到可燃?xì)怏w，存在很大的安全隱患，并且火焰燃燒有不可預(yù)見的危險(xiǎn)性，不適合一些大型場合和家庭使用。因此我想能不能把魯本斯焰管進(jìn)行改進(jìn)，找到一種安全有效的改進(jìn)方案。

研究過程

有了這個(gè)想法后，最早我們想到的是聲音在空氣中傳播應(yīng)該和在水中傳播的特性是一致的，能不能用聲音來推動(dòng)水而產(chǎn)生噴泉，這樣能觀察到聲波的變化，同時(shí)也不存在安全問題了。我們把這個(gè)想法告訴了教師，獲得了他的贊同。于是我們在教師的帶領(lǐng)下，尋找相關(guān)的制作材料，并在教師的協(xié)助下設(shè)計(jì)原理圖等，最后使用激光切割機(jī)等設(shè)備進(jìn)行加工，通過逐步實(shí)驗(yàn)改進(jìn)制作成初步作品。

我們最初的設(shè)計(jì)思路是：把原來輸入可燃?xì)怏w的部分改為水泵，并用調(diào)速器調(diào)節(jié)壓力，水管上用激光切割機(jī)密集打出40個(gè)直徑2毫米的微孔，另一端用橡膠膜封閉，外部加裝1個(gè)2寸揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器接功放和信號(hào)源（如手機(jī)），水管下邊安裝水槽用于接噴泉的回水。我們用的是應(yīng)用在魚缸里的潛水泵。作品制作完成后，雖然有一定的演示效果，但不太令人滿意。總結(jié)原因有兩方面：一方面是覺得改變了聲音在空氣中傳播的原有魯本斯焰管的本質(zhì)；另一方面覺得演示效果不太理想。因此在教師的鼓勵(lì)下我倆決定再進(jìn)行改進(jìn)，在這個(gè)過程中我們想了很多辦法，但都沒有太大突破。

一次我偶然想起在進(jìn)行激光切割的時(shí)候，管子里的煙霧從小孔中冒出來，能不能用煙霧實(shí)現(xiàn)演示效果呢？可是，使用燃燒產(chǎn)生的煙霧，存在污染和氣味的問題，該如何解決呢？這時(shí)寇恩源提出家里用的空氣加濕器也會(huì)噴出煙，卻沒有任何氣味。通過請(qǐng)教教師我倆知道，原來那是水霧化裝置，是利用超聲波原件實(shí)現(xiàn)的。我們立即上網(wǎng)搜索找到了這種元件，并聽從教師的建議選購了一套功率較大的用作實(shí)驗(yàn)裝置。

我倆商量后的方案是，用激光機(jī)切割有機(jī)玻璃做容器，然后在這個(gè)容器里安裝超聲霧化裝置，在容器的上部一端（以不被水花影響的高度）安裝渦扇吹風(fēng)裝置和注水口。容器另一端用粗導(dǎo)管接1段直徑10厘米的PVC管，在管的另一端安裝橡膠膜，并安裝3寸揚(yáng)聲器，用大功率音樂功放接手機(jī)上的信號(hào)源推動(dòng)，然后在管壁上用激光機(jī)打出40個(gè)直徑2.5毫米的孔。為增加演示效果，還設(shè)計(jì)了一排高亮度紅色LED燈安裝在PVC管里。

裝置完成后我們感覺演示效果仍不理想，光源不夠亮，不太像真實(shí)的火焰，還需要進(jìn)行改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過寇恩源提醒，我們想到了小激光手電。把LED燈換成小激光手電后，通過照射水霧實(shí)驗(yàn)，效果出乎我們的意料，看起來和真實(shí)的火焰一樣，這大大激發(fā)了我們的制作熱情！后來，我們在網(wǎng)上購買了小功率帶引線的激光管，準(zhǔn)備再次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。

對(duì)于PVC管規(guī)格的選擇，我們和教師溝通后決定根據(jù)揚(yáng)聲器的大小并兼顧外觀美觀需要選用外徑10厘米的管子；PVC管的長度是通過數(shù)次實(shí)驗(yàn)決定的，太長的話末端效果會(huì)差，太短效果表現(xiàn)力差。通過實(shí)驗(yàn)，PVC管的長度確定為120毫米；還要確定PVC管的小孔密度，以及小孔直徑的大小。教師建議小孔應(yīng)該是越密越好，這樣可使演示效果更細(xì)膩，結(jié)合我們購買的激光管直徑考慮確定為15毫米間距；小孔直徑最小要高于激光照射的光柱直徑，還要更接近于人們對(duì)于火焰的感覺效果。小孔直徑的另一個(gè)決定因素是渦扇風(fēng)力大小和霧化濃度，通過實(shí)驗(yàn)最終我們把小孔直徑確定為4毫米。

我們還給霧化器和渦扇安裝了相關(guān)電路，改進(jìn)為可調(diào)節(jié)霧化量和風(fēng)力大小，這樣通過后期調(diào)節(jié)可找出最佳的效果。

實(shí)踐操作演示方法

打開電源開關(guān)后，封閉水箱中的超聲波霧化器產(chǎn)生水霧，被渦扇風(fēng)機(jī)吹入水霧導(dǎo)管，然后進(jìn)入焰管外殼中，經(jīng)過激光管兩邊的空隙從1排小孔中噴出。打開激光電源后，因?yàn)樗F對(duì)激光光線的顯像作用，噴出的水霧會(huì)顯示激光的顏色。這時(shí)在揚(yáng)聲器中播放固定頻率的聲波信號(hào)即可將聲波導(dǎo)入管中而產(chǎn)生駐波，管內(nèi)氣壓隨聲壓變化，壓力大的地方噴出水霧高，壓力小的地方噴出水霧低，激光顯示的高度就會(huì)發(fā)生變化，一排小孔就會(huì)顯示出駐波鋸齒形的變化。如果播放音樂，小孔噴出的水霧也能顯示跳動(dòng)變化。經(jīng)過實(shí)踐操作，可見彩色水霧最高可噴出20多厘米，演示效果非常好。新型魯本斯焰管不但可使人們看到舞動(dòng)的音樂，還能起到室內(nèi)加濕器的作用，可謂一舉兩得。

結(jié)論

新型魯本斯焰管在相同的駐波效應(yīng)下，用激光照射超聲霧化水汽替代點(diǎn)燃可燃?xì)怏w，達(dá)到相同的“火焰”演示效果，解決了使用可燃性氣體的安全隱患，適合各種不同環(huán)境場合，可用于欣賞音樂，實(shí)現(xiàn)音樂的節(jié)奏和強(qiáng)度同步變化，同時(shí)還可為周圍環(huán)境加濕。它既是對(duì)古老物理設(shè)備的安全化改進(jìn)，又是一款實(shí)用日用電子設(shè)備，是集科學(xué)性與趣味性一體的發(fā)明作品。

該項(xiàng)目獲得第32屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)

專家評(píng)語

本項(xiàng)目利用激光束及霧化水替代了火焰，達(dá)到了與原來同樣的效果又避免了安全隱患，還有加濕器的作用。改進(jìn)建議：美化外形設(shè)計(jì)，研究管徑、噴口大小對(duì)演示效果的影響。