朱長(zhǎng)明，鄧春蘭，黃廣華

（廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的不足

真空不傳聲實(shí)驗(yàn)最基本的實(shí)驗(yàn)裝置是真空抽氣機(jī)和真空罩，里面放發(fā)聲元件，通常為電池驅(qū)動(dòng)的電鈴.演示現(xiàn)象表現(xiàn)為抽氣過(guò)程中鈴聲逐漸減小，但錘子一直在敲擊鈴鐺.有的實(shí)驗(yàn)還會(huì)停止抽氣，繼而放氣，讓學(xué)生聽(tīng)鈴聲又逐漸變大.由此說(shuō)明真空是不能傳播聲音的.

該實(shí)驗(yàn)即使在真空的狀態(tài)下，仍然能聽(tīng)到有一定響度的聲音傳出來(lái).仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)電鈴是放在底座上的，雖然沒(méi)有空氣，但底座成了傳播聲音的介質(zhì)，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的效果.有人建議把電鈴用細(xì)繩或者金屬掛鉤吊在真空罩頂部［1-2］，同時(shí)提高了響度，實(shí)驗(yàn)效果有改善，但沒(méi)能從根本上解決傳播介質(zhì)問(wèn)題。筆者曾經(jīng)指導(dǎo)過(guò)學(xué)生做一個(gè)土電話(huà)，用兩個(gè)一次性紙杯，在底部穿孔用細(xì)繩連接，當(dāng)繩拉直時(shí)，一人對(duì)著一個(gè)紙杯輕聲講話(huà)，另一人在10m遠(yuǎn)的地方用另一個(gè)紙杯罩著耳朵可以聽(tīng)見(jiàn)對(duì)方的說(shuō)話(huà)，這種情形下繩子成了聲音傳播的介質(zhì)。文章認(rèn)為“這樣裝置與外界媒介接觸最少”［2］，說(shuō)明設(shè)計(jì)者也知道與外界接觸會(huì)導(dǎo)致聲音被泄漏，但沒(méi)有更好的方案使裝置完全不接觸.

2 磁懸浮原理

要想從根本上實(shí)現(xiàn)真空不傳聲，只有把發(fā)聲元件與真空罩完全隔離，即發(fā)聲元件懸浮在真空罩中.其中氣體噴射懸浮和注入液體懸浮的方法都會(huì)引入介質(zhì)，不宜選用，應(yīng)采用不依靠任何介質(zhì)的懸浮方法，而這類(lèi)方法也有多種，最常見(jiàn)的是磁懸浮.

磁懸浮有2種方式：上懸浮和下懸浮.上懸浮通過(guò)異名磁極相互吸引來(lái)實(shí)現(xiàn)，固定端裝有電磁鐵和霍爾元件，下面懸掛一永久磁鐵.電磁鐵和永久磁鐵極性相反，相互吸引，使得永久磁鐵受到向上的吸引力與重力相等，磁鐵將處于平衡態(tài).霍爾元件用于偵測(cè)永久磁鐵到電磁鐵處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，并通過(guò)負(fù)反饋電路調(diào)節(jié)電磁鐵電流的大小，從而調(diào)節(jié)磁鐵間吸引力的大小，維持永久磁鐵與電磁鐵之間的距離，保持永久磁鐵在空中的懸浮狀態(tài).下懸浮與此類(lèi)似，通過(guò)同名磁極相互排斥而實(shí)現(xiàn)懸浮.固定端在底座上，同樣裝有電磁鐵和霍爾元件，通常是4個(gè)電磁鐵共同提供排斥力以保持永久磁鐵的平衡.多數(shù)磁懸浮都是通過(guò)下懸浮的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的［3-5］.

3 磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之所以可行，源于磁懸浮技術(shù)的日臻完善，在高科技的磁懸浮列車(chē)和一系列民用工藝品中磁懸浮技術(shù)都有廣泛的應(yīng)用.我們采用深圳生產(chǎn)的磁懸浮產(chǎn)品，型號(hào)為KD005-CT，以下懸浮的方式實(shí)現(xiàn).電源適配器輸入電壓AC 100～240V，輸出DC 9V.永久磁鐵托盤(pán)直徑為54.82mm，厚度為12.56mm，質(zhì)量為135.0g，空載時(shí)懸浮高度約為15.2mm.發(fā)聲元件采用廣州番禺生產(chǎn)的警報(bào)器（壓電式直流蜂鳴器），型號(hào)JN-5312，質(zhì)量為60.2g，直徑為54.42mm，高度為54.96mm，額定電壓DC 6～12V.鈕扣電池型號(hào)CR2032，4枚12V，外加一綠光二極管，安裝在一電路板上.總質(zhì)量為115.6g.真空罩采用J1017型，包括PVC底盤(pán)，直徑為18mm，高為2.3mm，用于密封的黑色橡膠墊片，全玻璃透明罩.抽氣機(jī)采用直聯(lián)RS-1型真空泵，選用上海生產(chǎn)派澳牌型號(hào)為Y-60的真空壓力表（該表以實(shí)際大氣壓為0刻度線(xiàn)，絕對(duì)真空的刻度為-0.1MPa，實(shí)際測(cè)得抽氣機(jī)最高真空度為-0.098MPa）.聲級(jí)計(jì)由NTi Audio公司生產(chǎn)，型號(hào)為Acoustilyzer AL1.

為了提高演示效果，采用4枚鈕扣電池12V，串聯(lián)一綠色發(fā)光二極管，用于說(shuō)明燈亮電源通，發(fā)光和發(fā)聲同時(shí)存在.12V直流將導(dǎo)致警報(bào)聲非常尖銳，給聽(tīng)眾以深刻的印象，為保護(hù)聽(tīng)眾的耳朵，事先給每人發(fā)2團(tuán)醫(yī)用棉花（衛(wèi)生，降噪）.磁懸浮演示真空不傳聲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，實(shí)物圖見(jiàn)圖2.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)步驟

1）測(cè)試地點(diǎn)選在6樓長(zhǎng)15m寬9m的實(shí)驗(yàn)室中，關(guān)閉門(mén)窗，以防止干擾別人或者受外界干擾，清除桌面雜物.實(shí)驗(yàn)裝置距實(shí)驗(yàn)室最近的墻壁為3m，用煤氣橡膠管和銅質(zhì)帶閥門(mén)的三通管連接真空罩、真空表和抽氣機(jī)，閥門(mén)全開(kāi)，磁懸浮底座通電.

2）沿豎直方向往下，雙手托住磁鐵托盤(pán)，小心地放上，實(shí)現(xiàn)磁懸浮.如果位置不對(duì)放不上，不要松手，也不要水平移動(dòng)尋找中心點(diǎn)，須再次舉高托盤(pán)重新放置.

3）安裝鈕扣電池，用手輕輕托住磁鐵托盤(pán)，放上發(fā)聲元件.用棉花塞住耳朵，接通警報(bào)器電源，綠燈亮，警報(bào)聲響起，罩上玻璃罩，取出耳中的棉花.此時(shí)可測(cè)量出磁鐵托盤(pán)與真空罩底座平面相距約12.9cm.

4）分貝計(jì)設(shè)置為：SPL／RTA；測(cè)試結(jié)果以柱狀圖形顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)頻譜分析；濾波器設(shè)置為FLAT平坦的頻率響應(yīng)（無(wú)濾波器）；SET中AUTO POWER OFF設(shè)為10min，AUTO LIGHT OFF設(shè)為3s，LCD CONGTRAST設(shè)為中等，HULTIPL SETUP設(shè)為能；記憶菜單 MEM選STORE；計(jì)時(shí)器TIMER選SINGLE，周期設(shè)為3s；量程選20～100dB，由于分貝計(jì)刻度僅7格，不能完全顯示量程內(nèi)所有值，有必要在測(cè)試中根據(jù)分貝值的大小和縱坐標(biāo)的最小刻度上下移動(dòng)縱坐標(biāo)以便于顯示所測(cè)的數(shù)值，為提高精度，通常選每大格為5dB而不是10dB.SET子菜單中分辨率RES選1／3，測(cè)試結(jié)果顯示設(shè)為最大最小聲壓級(jí)范圍，讀數(shù)取最大聲壓值；TWTD時(shí)間計(jì)權(quán)設(shè)為FAST.由于警報(bào)器從頂端發(fā)出，測(cè)試過(guò)程中，分貝計(jì)的拾音頭應(yīng)指向警報(bào)器頂端并與其保持在同一水平面上.

5）抽氣，測(cè)試真空度為-0.095MPa時(shí)0.20，0.50，1.00，2.00，5.00，10.00m 處的響度.

6）對(duì)磁懸浮裝置不抽氣時(shí)在上述位置做相同的測(cè)試.

7）使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，更換全新的鈕扣電池，把底座換成沒(méi)有磁懸浮裝置的抽氣盤(pán)，警報(bào)器直接放在抽氣盤(pán)上，抽氣，控制真空度為-0.095MPa.在上述不同位置做相同的測(cè)試.

8）重復(fù)步驟7），不換電池，不抽氣.

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

由于聲級(jí)計(jì)量程的限制，20.0dB以下不顯示，環(huán)境噪聲在20.0～22.0dB之間波動(dòng).測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 利用不同方法在不同位置處分貝計(jì)測(cè)得的響度分貝值A(chǔ)

利用表1數(shù)據(jù)作圖，可看出磁懸浮后抽真空所體現(xiàn)出的顯著變化.由圖3可知，磁懸浮裝置抽氣后1.00m處已經(jīng)基本接近最小值，特別是在課室有幾十個(gè)學(xué)生的情況下，人耳是聽(tīng)不見(jiàn)的.

圖3 不同位置處的響度

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)罩內(nèi)真空小于0.05個(gè)大氣壓（5.05×103Pa）時(shí)，距離聲源1m以上時(shí)實(shí)驗(yàn)演示效果最佳，磁懸浮在本實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，有效地克服了傳統(tǒng)固體傳聲的缺陷.由于采用的是鈕扣電池，續(xù)航能力有限，建議實(shí)驗(yàn)不要超過(guò)10min.

［1］葉又軍.簡(jiǎn)易真空不傳聲演示器［J］.中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010（4）：69.

［2］陸魁春，劉典文，沈新科.真空不能傳聲的實(shí)驗(yàn)演示［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2003，23（9）：30-34.

［3］賀文宇.關(guān)于磁懸浮陀螺穩(wěn)定懸浮條件的探討［J］.大學(xué)物理，2012，31（5）：8-10.

［4］舒信隆，景培書(shū)，張路一.磁懸浮運(yùn)動(dòng)演示儀［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（5）：16-21.

［5］李貞融.電磁感應(yīng)與磁懸浮力實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2008，28（6）：34-38.

［6］蔡陽(yáng)生，張承云，王杰，等.一個(gè)新的聲壓級(jí)測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（8）：29-32.