利用磁悬浮演示声音不能在真空下传播的特性(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)广州大学物理与电子工程学院 作者:朱长明

1、传统实验装置的不足

  真空不传声实验最基本的实验装置是真空抽气机和真空罩,里面放发声元件,通常为电池驱动的电铃。演示现象表现为抽气过程中铃声逐渐减小,但锤子一直在敲击铃铛.有的实验还会停止抽气,继而放气,让学生听铃声又逐渐变大.由此说明真空是不能传播声音的。

  该实验即使在真空的状态下,仍然能听到有一定响度的声音传出来.仔细分析发现电铃是放在底座上的,虽然没有空气,但底座成了传播声音的介质,严重影响了实验的效果.有人建议把电铃用细绳或者金属挂钩吊在真空罩顶部,同时提高了响度,实验效果有改善,但没能从根本上解决传播介质问题。笔者曾经指导过学生做一个土电话,用两个一次性纸杯,在底部穿孔用细绳连接,当绳拉直时,一人对着一个纸杯轻声讲话,另一人在10m远的地方用另一个纸杯罩着耳朵可以听见对方的说话,这种情形下绳子成了声音传播的介质。文章认为“这样装置与外界媒介接触最少”,说明设计者也知道与外界接触会导致声音被泄漏,但没有更好的方案使装置完全不接触。

2、磁悬浮原理

  要想从根本上实现真空不传声,只有把发声元件与真空罩完全隔离,即发声元件悬浮在真空罩中.其中气体喷射悬浮和注入液体悬浮的方法都会引入介质,不宜选用,应采用不依靠任何介质的悬浮方法,而这类方法也有多种,最常见的是磁悬浮。

  磁悬浮有2种方式:上悬浮和下悬浮.上悬浮通过异名磁极相互吸引来实现,固定端装有电磁铁和霍尔元件,下面悬挂一永久磁铁.电磁铁和永久磁铁极性相反,相互吸引,使得永久磁铁受到向上的吸引力与重力相等,磁铁将处于平衡态.霍尔元件用于侦测永久磁铁到电磁铁处的磁感应强度B,并通过负反馈电路调节电磁铁电流的大小,从而调节磁铁间吸引力的大小,维持永久磁铁与电磁铁之间的距离,保持永久磁铁在空中的悬浮状态.下悬浮与此类似,通过同名磁极相互排斥而实现悬浮.固定端在底座上,同样装有电磁铁和霍尔元件,通常是4个电磁铁共同提供排斥力以保持永久磁铁的平衡.多数磁悬浮都是通过下悬浮的方式来实现的。

3、磁悬浮实验装置

  实验设计之所以可行,源于磁悬浮技术的日臻完善,在高科技的磁悬浮列车和一系列民用工艺品中磁悬浮技术都有广泛的应用.我们采用深圳生产的磁悬浮产品,型号为KD005-CT,以下悬浮的方式实现。经过真空技术网(www.chvacuum.com)电源适配器输入电压AC 100~240V,输出DC 9 V.永久磁铁托盘直径为54.82mm,厚度为12.56mm,质量为135.0g,空载时悬浮高度约为15.2mm.发声元件采用广州番禺生产的警报器(压电式直流蜂鸣器),型号JN-5312,质量为60.2g,直径为54.42mm,高度为54.96mm,额定电压DC 6~12V.钮扣电池型号CR2032,4枚12V,外加一绿光二极管,安装在一电路板上.总质量为115.6g.真空罩采用J1017型,包括PVC底盘,直径为18mm,高为2.3mm,用于密封的黑色橡胶垫片,全玻璃透明罩.抽气机采用直联RS-1型真空泵,选用上海生产派澳牌型号为Y-60的真空压力表(该表以实际大气压为0 刻度线,绝对真空的刻度为-0.1MPa,实际测得抽气机最高真空度为-0.098MPa).声级计由NTi Audio公司生产,型号为Acoustilyzer AL1.为了提高演示效果,采用4 枚钮扣电池12V,串联一绿色发光二极管,用于说明灯亮电源通,发光和发声同时存在.12V直流将导致警报声非常尖锐,给听众以深刻的印象,为保护听众的耳朵,事先给每人发2团医用棉花(卫生,降噪).磁悬浮演示真空不传声实验装置示意图如图1所示,实物图见图2。

实验装置示意图

图1 实验装置示意图

实验装置实物图

图2 实验装置实物图

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