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摘要:筆者利用軟件編寫一款適用于現代多媒體教學的聲音特性教學輔助系統，并結合信號發生器和麥克風組成一套物理實驗教具，主要應用于人教版初中物理八年級上冊“聲音的特性”一節.筆者通過對比聲音與聲波波形的變化關系，探究音調與振動頻率、響度與振幅以及不同聲源的音色差異.此外，該教具還可以演示噪聲的聲波波形以及噪聲的控制，讓學生從視覺和聽覺兩方面體驗聲音的特性，有助于教師更好地開展聲學實驗教學.
1前言
在中學物理教學中，“聲現象”是學生由實際生活現象了解物理知識的一章，其中“聲音的特性”一節通過科學方法將抽象的聲音用具體的波的相關物理量進行描述，是促進學生由抽象思維向邏輯思維轉變的重要過程.筆者將聲音信號傳輸到示波器上，讓學生直觀地觀察聲音與聲波波形的變化關系，探究音調與振動頻率、振幅與響度以及不同聲源音色差異，實現聲音的“可視化”.傳統示波器在實驗過程中存在屏幕小、調試程序復雜等問題，而虛擬儀器可以有效解決上述問題，同時筆者結合現代化多媒體設備，在課堂中對“聲音的特性”進行控制變量的實驗探究，讓學生在聽到聲音變化的同時觀察對應聲波波形的改變，從視覺和聽覺兩方面加深學生對聲音的理解.
2設計原理及儀器介紹
2.1設計原理
本教具設計原理如圖1所示，首先是一個函數信號發生器，可以發送不同類型、不同頻率的波形信號，用喇叭作為發聲聲源，筆者將信號發生器與喇叭連接，通過改變輸入信號的類型和頻率使喇叭發出不同音色、不同頻率的聲波，隨后筆者通過一個麥克風探頭接收聲源發出的聲波，一方面將接收的聲波信號傳輸到音響功放設備上，增大聲音響度，彌補喇叭發聲較小的缺點;另一方面筆者將聲波信號傳送到由編程軟件編寫的聲現象探究系統，在電腦端界面實時觀察聲波的波形變化.此外，筆者通過改變函數信號發生器發射的信號頻率和信號類型，對“聲音的特性”一節進行實驗探究，通過對比聲音與聲波波形的變化關系，探究聲音的音調與振動頻率、振幅與響度以及不同聲源的音色差異.筆者應用該教具通過控制變量法進行實驗探究，使學生既能聽到聲音又能觀察聲波波形變化，幫助學生從視覺和聽覺兩方面直觀地認識聲音的特性，符合STEM教學理念.
2.2實驗裝置簡介
本教具主要包括四個部分(如圖2所示):(1)UTG932函數信號發生器;(2)發聲喇叭(4Ω，5W);(3)麥克風;(4)配有聲現象探究系統的計算機.其中計算機既可以利用虛擬仿真聲現象探究系統進行聲音的探究實驗，也可以作為一個功放設備，實現收集聲音的放大.在課堂教學中教師可以將計算機替換成教室內的多媒體設備，放大顯示屏幕，便于學生觀察實驗現象.
3聲現象教學輔助系統
3.1聲現象教學輔助系統的設計簡介
在人教版初中物理教材中利用示波器反映聲音特性與波形的關系，但是傳統示波器調節程序繁瑣，觀察屏幕較小，不利于課堂展示.為精簡實驗儀器同時更好地展示實驗現象，筆者利用編程軟件編寫一款聲現象教學輔助系統(如圖3所示).聲現象教學輔助系統的中間部分是一塊聲波圖形實時顯示屏幕，可以實時顯示一定時間間隔內(圖3中的時間間隔為1s)麥克風端收集的聲音信號，并將聲音信號轉化為對應的聲波波形顯示出來.除此之外，界面右側有頻率和振幅的數值顯示框，可以在顯示聲音信號對應聲波波形的同時檢測聲音信號的頻率及振幅.筆者認為該系統可以匹配人教版初中物理教材中“聲音的特性”實驗教學，在演示聲現象的同時對音調與振動頻率、響度與振幅以及不同聲源的音色差異進行實驗探究.
3.2利用聲現象教學輔助系統探究聲音的特性
人教版初中物理教材通過介紹聲現象讓學生對聲音的特性形成初步認識，并引入音調、響度、音色三個特性探究聲音.基于教學目標，聲現象教學輔助系統可以對聲音特性進行定量的實驗探究.筆者將喇叭連接信號發生器，通過改變信號源的參數讓喇叭發出不同音調、不同響度、不同類型的聲音，并通過麥克風接收聲音信號，經由電腦端虛擬仿真平臺將聲音信號轉化為可視化的聲波頻率、聲波振幅以及聲波形狀，以此定量探究聲音的特性.
3.2.1聲音的音調與頻率
筆者通過控制輸出信號電壓恒定并固定麥克風與喇叭位置，使聲音發射端和信號接收端的相對距離不變，選擇典型的正弦波信號為信號基波.筆者首先通過信號發生器輸出頻率為200Hz的正弦波信號，喇叭在該信號作用下發出低沉的聲音.當麥克風接收到聲音信號后在電腦端虛擬仿真平臺上實時顯示出對應的信號聲波(如圖4所示)，在顯示屏20ms時間周期內清晰地顯示四個完整的聲波波形，對應200Hz的聲音頻率.筆者將信號發生器的輸出信號調整為400Hz的正弦信號，喇叭發出的聲音比200Hz的正弦波信號更加“尖銳”，同時可以在顯示屏上觀察到聲波波形改變為在20ms時間周期內出現8個完整的聲波波形(如圖5所示).最后筆者根據實驗結果得出音調隨著頻率增大而升高.筆者通過對比圖3和圖4聲音的振幅數值(聲音響度)，發現在實驗過程中雖然控制其余變量相同，但由于多普勒效應影響，聲波的能量發生變化，導致兩次檢測聲音信號的振幅數值不可避免地存在差異.
3.2.2聲音的響度與振幅
探究聲音的響度與振幅實驗，主要通過控制信號發生器輸出的信號類型及頻率恒定，改變輸出電壓，利用電平信號改變喇叭發聲的響度，再對虛擬仿真平臺顯示的不同響度聲波振幅進行對比，以此探究響度與振幅的關系.實驗結果如圖6所示，相同頻率的聲音，其聲波形狀也相同;但輸出電壓較大樣本，其聲音響度也較大.筆者通過對顯示屏上兩個聲音樣本進行對比，不難發現聲音響度較大，其聲波的振幅也相對較大，總結得出振幅越大，聲音的響度也隨著增大.
3.2.3聲音的音色與波形變化
不同類型的聲源，即使音調相同，其音色也大相徑庭，最直觀的反映即是聲波形狀各不相同.為反映音色與波形的聯系，筆者利用信號發生器先后發射出相同頻率的正弦波和方波信號，經由麥克風收集聲波信號，筆者發現即使聲波頻率相同，但是兩種不同類型的聲波信號反映的波形明顯不同(如圖7所示)，即波的形狀不同，其音色也不同.
3.3.3利用聲現象教學輔助系統演示噪聲及噪聲的控制
筆者利用UTG932函數信號發生器向喇叭輸出無規律的噪聲信號，經由麥克風收集聲音后在聲現象教學輔助系統顯示屏上觀察到雜亂無章的波形，與規律波形形成鮮明對比(如圖8所示).除此之外，筆者在顯示噪聲波形的同時利用教具進行噪聲控制方法的簡單實驗.人教版初中物理教材介紹三種控制噪聲的方法:消除噪聲源、阻斷噪聲傳播以及隔絕噪聲進入人耳.筆者通過簡單實驗操作演示阻斷噪聲傳播以及隔絕噪聲進入人耳兩類方法(如圖9所示).首先筆者采集一個不經處理的噪音信號(在聲現象教學輔助系統顯示屏上用淺藍色線標識)作為對比源，其聲音振幅約為2200vcc.接著筆者利用一個外罩罩住麥克風，模擬“阻斷噪音傳播”的情境，發現噪聲的聲音信號明顯減小(黃色線標識)，其振幅約為230vcc.最后筆者切斷麥克風的收集聲源，以此模擬“隔絕噪聲進入人耳”的情境，此時收集的聲音振幅基本接近于0(紅色線標識)，此處仍可以檢測到信號是由于電腦系統自帶的儀器噪音，基本可以忽略不計.利用聲現象教學輔助系統配合麥克風的簡單調整，教師利用該套物理教具可以向學生直觀形象地展示噪聲與規律音調的波形對比，以及通過簡單實驗改造實現“噪聲的控制”的實驗演示，使學生對日常生活中噪聲的控制方法有所了解、有所體會，將物理知識與生活現象緊密聯系，能夠更好地激發學生學習興趣.
4總結
綜上所述，筆者設計一款針對聲現象教學的教學輔助系統，并結合信號發生器和麥克風組成一套可用于探究聲現象的物理實驗教具，在視覺和聽覺兩方面直觀呈現聲音的特性，在實驗探究中明確聲音音調與振動頻率、響度與振幅以及不同聲源的音色差異，幫助學生掌握物理知識，提升教師教學效果.同時筆者結合聲現象教學輔助系統對麥克風進行簡單處理，讓學生直觀地了解噪聲與規律音調的波形區別，通過實驗演示控制噪聲的方法.筆者利用虛擬仿真平臺構成的教學系統進行實驗教學與傳統示波器相比更簡便、更經濟、教學功能更強大，具有更廣闊的應用前景.
作者：莊偉杰 劉平 陳新玲 單位：佛山市第三中學初中部
