鲁本斯的管——火的波浪

成分

鲁本斯管是由亨利希·鲁本斯于1904年发明的，它由一个大直径(通常是金属管)和顶部钻了一系列孔组成。一端接上扬声器，另一端接上可燃气体，从孔里出来的气体被点燃。

我看到Bryson Gore(因《圣诞演讲》而出名)演示过这个，我很喜欢，所以我必须自己做一个。它包括在一根铝管上钻360个1毫米的洞，并安排在一端连接扬声器，另一端连接丙烷供应。所以我现在是鲁本斯管的骄傲拥有者。

大鲁本斯的管子，扬声器刚好在右边，气体从左边进来。

正如你所看到的，火焰波似乎是被创造出来的，它们的波长随着输入声音的频率(音调)而变化。这种效应的基础是管内气体的共振。

当扬声器振动时，它会以声速向管中发射一系列的空气波，这些空气波随后会从管的远端反射回来，所以有两组波以相反的方向穿过管。

对于大多数波长，这不会产生非常有趣的效果，但是当管的长度是波长的一半的倍数时，两个波加在一起就形成了所谓的驻波。在一些地方，两种波叠加在一起形成了巨大的压力变化(antiinodes)，而在其他地方，它们相互抵消，所以压力是恒定的(节点)。

	扬声器振动时产生压缩空气，压缩空气沿着管道向下传播(声波)。
	当它们到达终点时，它们会反射回来，然后再回来。所以有两个波在管里朝相反的方向运动。
这些线是管内压力变化的曲线图	如果波长合适，这两个波就会加在一起形成一个固定的模式，叫做驻波。这包括压力变化很大的区域(尖峰)和压力恒定的其他区域(节点)。

(实际上，在鲁本斯管中情况稍微复杂一些，因为这些孔起到了阻尼的作用，扩大了共振，即使波长不太合适，也能形成图案。)

驻波是如何影响火焰的?

这实际上是一个很好的问题，管子上所有点的平均压强都是一样的，所以答案并不是波的某些部分压强比其他部分高。这意味着答案必须取决于火焰对压力变化的反应。

为了让事情变得更复杂，鲁本斯发现他的管子可以以两种完全相反的方式工作。当声音相对安静时，火焰在天线处变短，但当声音非常大时，火焰变长。

在开始时，靠近(但不完全在)末端的火焰被声音缩短了，但随着声音越来越大，火焰变得更长了

这两种完全不同的行为似乎有不同的原因。

相对安静的

当声音相对安静时，由声音引起的压力变化小于气体压力。对于相对较小的压差，通过孔的气体流量与压差的平方根成正比(压差是单位体积气体的能量，气体动能的变化与它的速度的平方成正比，所以速度和流量与压差的平方根成正比)。

这种关系意味着压力增加时流量的增加小于压力降低时流量的减少，所以平均流量，因此火焰长度，在压力变化很大的地方，在尖峰处。

管的一部分:左边的火焰有一个恒定的压力，右边火焰的压力是变化的
当压力增加时，气体流量增加一点，火焰变长一点。	当压力降低时，流量减少了很多，火焰变小了很多。

这意味着火焰在顶极(管的响亮部分)处较短，在节点处长度相同。

在这种情况下，压力变化最大的区域会产生较短的火焰，而那些安静的区域会产生较长的火焰。

当声音很大的时候

我没有发现任何关于这个案例的讨论，鲁本斯似乎认为这是显而易见的，他没有费心把它写下来。这对我来说并不明显，但这是我能想到的:

当扬声器设置为大声时，由于声音引起的压力变化远远大于气体压力，并且行为非常不同。现在，气体从孔中喷射出来，形成一股远离管子的射流。

这时管内的压力就会比外部的压力低，所以外部的气体就会被吸进去。然而，这些气体不仅仅是喷出的丙烷;吸力没有方向，所以气体从孔周围被吸进来，其中大部分是空气。

管的一部分:左边的火焰有一个恒定的压力，右边火焰的压力是变化的
压力差非常大，因此气体喷出形成快速移动的射流	压力变化如此之大，以至于空气实际上被吸入了。因为吸力发生在各个方向，所以被吸入的大部分是空气。一开始，大量的气体被喷射出来，空气被吸进去。
然而，过了一段时间，天线周围的气体与空气完全混合，火焰变得非常氧化和蓝色。如果放置足够长的时间，它们甚至可以停止燃烧。	声音最大的区域火焰最长

因此，气体被喷出来，空气被吸入，使得更多的气体在下一个循环中被喷出来。这在一段时间内极大地增加了管道外的气体流量。管子里的混合气体慢慢地由越来越多的空气组成。这使得燃烧越来越干净，形成更蓝的火焰，直到最终没有足够的气体来维持燃烧，它可以自己熄灭。

随着时间的推移，空气被吸入，使气体混合物越来越弱。只留下很少的气体可以喷出。