理学院伽玛科创计划：《火焰喷泉：超乎寻常的声波可视》成果展示

编者按 ： 

        中山大学理学院坚持以学生成长为中心，落实立德树人根本任务，不断提升人才培养质量。学院秉持“加强基础、促进交叉、尊重选择、卓越教学”人才培养理念，自2022年起启动“本科生伽玛科创计划”，支持本科生参加大学生创新训练计划、教师科研项目及学科竞赛等科研训练，激发学生主动学习，鼓励学生早进实验室、早接触科研、早潜心学术，注重培养学生的学习力、思想力、行动力，涵养创造力。

        理学院开设的2022年度本科生伽玛科创计划项目（简称：“伽玛科创项目”）经过选题、立项、研究、结项答辩等环节，历时一年的时间已顺利完成。2022年度学院伽玛科创共立项18项，参与本科生学生60名。经过专家评审，项目通过结题答辩，6个项目获评优秀。现推出科研成果展示系列。

                                                                                       火焰喷泉：超乎寻常的声波可视

                                                                                            指导老师：郑立洋 副教授

                                                                             项目完成人：何天怡、刘洁雯、杨如诗、曾煌

                                                                                                    考核结果：优秀

背景简介

        如何实现声波的可视化是一个非常有关注度而具有意义的话题。本课题的研究具有很强的实验操作性，研究成果可以呈现多样化的声场分布，现象艳丽、富有活力和激情。相关的理论与实验的训练将有助于申请团队成员对声波物理知识的理解，获得科学研究的系统性锻炼和提高。

创新点

         1.该课题具有集成创新性，集声学、流体力学的研究成果于一体，以高度满足审美需求的形式直接体现，大众接受程度高，应用范围广。

         2.该项目成果可以应用到波动物理的教学，实验现象明显，富有对称美，实现了声波可视化。

成果总结

        实验开展方面：根据需要设计出管子，材料为铝，画出设计图跟商家定做，再寻找适配的装置零部件，设计搭建实验，进行装置的组装。实验推进过程中，在出现了未加声源时因进气时没有设置减缓气流速度的物质、燃气管喷气导致的压差使气体分布不均匀而导致的火焰不稳定的问题后，通过前后三次改良铝管，调整管长，且从一边进气改为从两边侧面同时进气解决了问题，通过特定的频率获得了明显的声波共振现象；

        仿真模拟方面：使用仿真软件comsol，在一定的理想情况下对实验进行仿真模拟，模拟主要关注金属管内空气柱的情况。根据实验内容和实验装置，在仿真软件上设置相应的参数，如管长，材料，边界条件等，同时在模拟的空气柱一端设置入射波函数以及频率等来模拟实验中扬声器的功能。期间对仿真模拟的参数等进行不断调整，使其模拟尽可能贴合实验环境，并得到了与之相符合的结果；

        理论建立方面：通过阅读教材、搜集权威资料，熟习波动方程的推导过程以及如何解得波函数，得到了能解释实验现象的波函数；并通过公式里各参数考虑实验环境、初始条件、边界条件等将如何影响实验数据及现象，以此来辅助调整实验装置，得到更加准确的实验现象。