新型鲁本斯焰管

刘羽卿　寇恩源　刘月升　窦润盛

鲁本斯焰管是一种古老的物理设备，用火焰的方式视觉化演示声波及声压之间的关系。其结构和原理是：在两端密闭的管中充入可燃气体，管壁开孔，并于孔附近点燃。将声波导入管中产生驻波，管内气压随声压变化，压力大的地方喷出气体量大，压力小的地方喷出气体量小，火焰高度就会变化了，演示效果非常漂亮！但我发现，这种设备要用到可燃气体，存在很大的安全隐患，并且火焰燃烧有不可预见的危险性，不适合一些大型场合和家庭使用。因此我想能不能把鲁本斯焰管进行改进，找到一种安全有效的改进方案。

研究过程

有了这个想法后，最早我们想到的是声音在空气中传播应该和在水中传播的特性是一致的，能不能用声音来推动水而产生喷泉，这样能观察到声波的变化，同时也不存在安全问题了。我们把这个想法告诉了教师，获得了他的赞同。于是我们在教师的带领下，寻找相关的制作材料，并在教师的协助下设计原理图等，最后使用激光切割机等设备进行加工，通过逐步实验改进制作成初步作品。

我们最初的设计思路是：把原来输入可燃气体的部分改为水泵，并用调速器调节压力，水管上用激光切割机密集打出40个直径2毫米的微孔，另一端用橡胶膜封闭，外部加装1个2寸扬声器，扬声器接功放和信号源（如手机），水管下边安装水槽用于接喷泉的回水。我们用的是应用在鱼缸里的潜水泵。作品制作完成后，虽然有一定的演示效果，但不太令人满意。总结原因有两方面：一方面是觉得改变了声音在空气中传播的原有鲁本斯焰管的本质；另一方面觉得演示效果不太理想。因此在教师的鼓励下我俩决定再进行改进，在这个过程中我们想了很多办法，但都没有太大突破。

一次我偶然想起在進行激光切割的时候，管子里的烟雾从小孔中冒出来，能不能用烟雾实现演示效果呢？可是，使用燃烧产生的烟雾，存在污染和气味的问题，该如何解决呢？这时寇恩源提出家里用的空气加湿器也会喷出烟，却没有任何气味。通过请教教师我俩知道，原来那是水雾化装置，是利用超声波原件实现的。我们立即上网搜索找到了这种元件，并听从教师的建议选购了一套功率较大的用作实验装置。

我俩商量后的方案是，用激光机切割有机玻璃做容器，然后在这个容器里安装超声雾化装置，在容器的上部一端（以不被水花影响的高度）安装涡扇吹风装置和注水口。容器另一端用粗导管接1段直径10厘米的PVC管，在管的另一端安装橡胶膜，并安装3寸扬声器，用大功率音乐功放接手机上的信号源推动，然后在管壁上用激光机打出40个直径2.5毫米的孔。为增加演示效果，还设计了一排高亮度红色LED灯安装在PVC管里。

装置完成后我们感觉演示效果仍不理想，光源不够亮，不太像真实的火焰，还需要进行改进和实验。经过寇恩源提醒，我们想到了小激光手电。把LED灯换成小激光手电后，通过照射水雾实验，效果出乎我们的意料，看起来和真实的火焰一样，这大大激发了我们的制作热情！后来，我们在网上购买了小功率带引线的激光管，准备再次改进实验装置。

对于PVC管规格的选择，我们和教师沟通后决定根据扬声器的大小并兼顾外观美观需要选用外径10厘米的管子；PVC管的长度是通过数次实验决定的，太长的话末端效果会差，太短效果表现力差。通过实验，PVC管的长度确定为120毫米；还要确定PVC管的小孔密度，以及小孔直径的大小。教师建议小孔应该是越密越好，这样可使演示效果更细腻，结合我们购买的激光管直径考虑确定为15毫米间距；小孔直径最小要高于激光照射的光柱直径，还要更接近于人们对于火焰的感觉效果。小孔直径的另一个决定因素是涡扇风力大小和雾化浓度，通过实验最终我们把小孔直径确定为4毫米。

我们还给雾化器和涡扇安装了相关电路，改进为可调节雾化量和风力大小，这样通过后期调节可找出最佳的效果。

实践操作演示方法

打开电源开关后，封闭水箱中的超声波雾化器产生水雾，被涡扇风机吹入水雾导管，然后进入焰管外壳中，经过激光管两边的空隙从1排小孔中喷出。打开激光电源后，因为水雾对激光光线的显像作用，喷出的水雾会显示激光的颜色。这时在扬声器中播放固定频率的声波信号即可将声波导入管中而产生驻波，管内气压随声压变化，压力大的地方喷出水雾高，压力小的地方喷出水雾低，激光显示的高度就会发生变化，一排小孔就会显示出驻波锯齿形的变化。如果播放音乐，小孔喷出的水雾也能显示跳动变化。经过实践操作，可见彩色水雾最高可喷出20多厘米，演示效果非常好。新型鲁本斯焰管不但可使人们看到舞动的音乐，还能起到室内加湿器的作用，可谓一举两得。

结论

新型鲁本斯焰管在相同的驻波效应下，用激光照射超声雾化水汽替代点燃可燃气体，达到相同的“火焰”演示效果，解决了使用可燃性气体的安全隐患，适合各种不同环境场合，可用于欣赏音乐，实现音乐的节奏和强度同步变化，同时还可为周围环境加湿。它既是对古老物理设备的安全化改进，又是一款实用日用电子设备，是集科学性与趣味性一体的发明作品。

该项目获得第32届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖

专家评语

本项目利用激光束及雾化水替代了火焰，达到了与原来同样的效果又避免了安全隐患，还有加湿器的作用。改进建议：美化外形设计，研究管径、喷口大小对演示效果的影响。