论吸管排箫的制作工艺、声学物理特性及其在STEAM教育中的应用实践 摘要： 排箫作为一种古老的吹奏乐器，其结构蕴含了深刻的声学逻辑。本文通过分析“彩虹吸管排箫”的制作案例 44，探讨了如何利用日常材料（吸管、纸黏土等）构建谐振腔体 5。研究重点分析了吸管长度与音高频率的物理关联 6，并结合实验数据验证了“空气柱越长，声音越低”的声学定律 7。此外，本文还论述了该手工制作在科学课堂中的教育价值 88，旨在为低成本科学实验提供理论支撑。 第一章 引言 1.1 排箫的历史与定义 排箫是一种将若干支同种材质的音管，通过粘接、捆绑或框架固定而成的乐器 9。根据考古发现，世界上最早的排箫可追溯至3000多年前我国西周初期的骨排箫 10。这一发现不仅证明了中国悠久的音乐文明，也为研究管乐器的演进提供了物理原型。
1.2 研究背景 在现代科学课教育中，自制乐器已成为探索“振动与声音”关系的重要环节 1111。通过制作吸管排箫、橡皮筋琴及水杯琴，学生可以直观地感受吹奏、弹拨与打击乐器的发声差异 1212。
第二章 实验材料与准备工作 根据实验设计，制作吸管排箫需要准备以下基础材料 13131313：
• 彩色吸管：作为排箫的主体，其内径应保持一致，以确保音色统一 1414。
• 密封材料：可选择纸黏土 15或海绵塞 16，用于封闭管口一端，构造闭管谐振。
• 测量与切割工具：包括剪刀 17、美工刀 18及硬纸板 19。
• 固定材料：双面胶 20或透明胶带 21。
第三章 制作工艺流程的深度解析 制作过程分为精细测量、末端密封及结构组装三个核心环节。 3.1 尺寸的科学预设 为了发出不同的音高，必须对吸管进行精确裁切 22。实验建议的五组核心尺寸如下 23：
低音管：14.2 cm 2424
次低音管：12.8 cm 25
中音管：12 cm 26
次高音管：10.7 cm 27
高音管：8.5 cm 2828
3.2 密封技术与边界条件 在声学物理中，排箫属于“闭管”结构。制作时需将裁切好的吸管一端用纸黏土封住 29。
• 要点一：密封必须严实，防止漏气导致振动能量耗散 30。
• 要点二：若采用海绵固定法，需确保吸管均匀插入海绵中，并用海绵塞密封底部 31。
3.3 结构组装与对齐 组装时，需将制作好的吸管按照由短到长的顺序排列 3232。关键在于封口的一端必须对齐 3333，这样在吹奏端会形成高低错落的阶梯状，便于吹奏者通过移动位置切换音符 343434。
第四章 声学物理原理分析 4.1 空气柱振动机制 对着吸管口吹气时，流动的空气撞击管口壁产生湍流，从而激发吸管内的空气柱发生振动 35。这种振动通过介质传导至人耳，形成声音 36。
4.2 音高（频率）与管长的定量关系 实验观察表明，每根吸管发出的声音高低不同 37。
• 长度相关性：吸管内的空气柱越长，振动波长越长，频率越低，发出的声音也就越低沉 38。
• 频率提升：随着吸管长度的缩短，空气柱振动加快，声音逐渐变高 39。
在理想闭管模型中，其基频 $f$ 可表示为： $$f = \frac{v}{4L}$$
(其中 $v$ 为声速， $L$ 为管长。此公式解释了为何长度 $L$ 越小，频率 $f$ 越高。) 第五章 实验效果评价与优化 5.1 演奏测试 在实际吹奏中，使用者应将排箫横向持握，唇部对准吸管开口处吹气 40。通过从长管向短管连续吹奏，可以清晰听到音阶的上升 41。
5.2 常见问题分析 1. 无法发声：通常是因为底端密封不严 42，未能形成有效的驻波。
音质浑浊：可能是吸管内部残留切屑，影响了空气柱的平稳振动 43。
音准偏差：需严格校对裁切尺寸，例如从14.2cm到8.5cm的递减必须精确 44444444。
第六章 在教育与生活中的应用 6.1 STEAM教育价值 “音”你精彩，“乐”享科学 45。吸管排箫的制作是一项典型的跨学科实践：
• 数学（M）：测量与阶梯长度计算 46。
• 科学（S）：探索振动频率与声波原理 47。
• 工程（E）：结构稳固性与密封性设计 48。
• 艺术（A）：彩色吸管的视觉排列与乐律之美 49494949。
6.2 环保与低成本实验 通过利用废旧吸管等生活杂物进行制作，不仅降低了科学实验的成本，也培养了学生资源再利用的意识 5050。
第七章 结论 吸管排箫作为一种简易的气鸣乐器，是演示物理声学定律的最佳载体之一 51。通过本文的详尽分析可见，从3000年前的骨排箫到现代的彩色吸管排箫 52，其核心物理逻辑——即通过改变空气柱长度调节音高——从未改变 53。这种“边学边做”的模式能够极大地激发学习者的科学兴趣，实现乐理知识与物理规律的深度融合 54545454。
参考文献：