利用磁悬浮演示真空不传声

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［1-2］，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”［2］，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［3-5］.

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.电源适配器输入电压AC 100～240V，输出DC 9V.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.

图1 实验装置示意图

图2 实验装置实物图

4 实验步骤

1）测试地点选在6楼长15m宽9m的实验室中，关闭门窗，以防止干扰别人或者受外界干扰，清除桌面杂物.实验装置距实验室最近的墙壁为3m，用煤气橡胶管和铜质带阀门的三通管连接真空罩、真空表和抽气机，阀门全开，磁悬浮底座通电.

2）沿竖直方向往下，双手托住磁铁托盘，小心地放上，实现磁悬浮.如果位置不对放不上，不要松手，也不要水平移动寻找中心点，须再次举高托盘重新放置.

3）安装钮扣电池，用手轻轻托住磁铁托盘，放上发声元件.用棉花塞住耳朵，接通警报器电源，绿灯亮，警报声响起，罩上玻璃罩，取出耳中的棉花.此时可测量出磁铁托盘与真空罩底座平面相距约12.9cm.

4）分贝计设置为：SPL／RTA；测试结果以柱状图形显示，以实现实时频谱分析；滤波器设置为FLAT平坦的频率响应（无滤波器）；SET中AUTO POWER OFF设为10min，AUTO LIGHT OFF设为3s，LCD CONGTRAST设为中等，HULTIPL SETUP设为能；记忆菜单 MEM选STORE；计时器TIMER选SINGLE，周期设为3s；量程选20～100dB，由于分贝计刻度仅7格，不能完全显示量程内所有值，有必要在测试中根据分贝值的大小和纵坐标的最小刻度上下移动纵坐标以便于显示所测的数值，为提高精度，通常选每大格为5dB而不是10dB.SET子菜单中分辨率RES选1／3，测试结果显示设为最大最小声压级范围，读数取最大声压值；TWTD时间计权设为FAST.由于警报器从顶端发出，测试过程中，分贝计的拾音头应指向警报器顶端并与其保持在同一水平面上.

5）抽气，测试真空度为-0.095MPa时0.20，0.50，1.00，2.00，5.00，10.00m 处的响度.

6）对磁悬浮装置不抽气时在上述位置做相同的测试.

7）使用传统实验装置，更换全新的钮扣电池，把底座换成没有磁悬浮装置的抽气盘，警报器直接放在抽气盘上，抽气，控制真空度为-0.095MPa.在上述不同位置做相同的测试.

8）重复步骤7），不换电池，不抽气.

5 实验数据及数据分析

由于声级计量程的限制，20.0dB以下不显示，环境噪声在20.0～22.0dB之间波动.测量数据见表1.

表1 利用不同方法在不同位置处分贝计测得的响度分贝值A

利用表1数据作图，可看出磁悬浮后抽真空所体现出的显著变化.由图3可知，磁悬浮装置抽气后1.00m处已经基本接近最小值，特别是在课室有几十个学生的情况下，人耳是听不见的.

图3 不同位置处的响度

6 实验结论

实验结果表明，当罩内真空小于0.05个大气压（5.05×103 Pa）时，距离声源1m以上时实验演示效果最佳，磁悬浮在本实验中发挥了关键作用，有效地克服了传统固体传声的缺陷.由于采用的是钮扣电池，续航能力有限，建议实验不要超过10min.