摘要:笔者利用软件编写一款适用于现代多媒体教学的声音特性教学辅助系统，并结合信号发生器和麦克风组成一套物理实验教具，主要应用于人教版初中物理八年级上册“声音的特性”一节.笔者通过对比声音与声波波形的变化关系，探究音调与振动频率、响度与振幅以及不同声源的音色差异.此外，该教具还可以演示噪声的声波波形以及噪声的控制，让学生从视觉和听觉两方面体验声音的特性，有助于教师更好地开展声学实验教学.
关键词:声现象教学;声音的特性;噪声控制;实验教学
1前言
在中学物理教学中，“声现象”是学生由实际生活现象了解物理知识的一章，其中“声音的特性”一节通过科学方法将抽象的声音用具体的波的相关物理量进行描述，是促进学生由抽象思维向逻辑思维转变的重要过程.笔者将声音信号传输到示波器上，让学生直观地观察声音与声波波形的变化关系，探究音调与振动频率、振幅与响度以及不同声源音色差异，实现声音的“可视化”.传统示波器在实验过程中存在屏幕小、调试程序复杂等问题，而虚拟仪器可以有效解决上述问题，同时笔者结合现代化多媒体设备，在课堂中对“声音的特性”进行控制变量的实验探究，让学生在听到声音变化的同时观察对应声波波形的改变，从视觉和听觉两方面加深学生对声音的理解.
2设计原理及仪器介绍
2.1设计原理
本教具设计原理如图1所示，首先是一个函数信号发生器，可以发送不同类型、不同频率的波形信号，用喇叭作为发声声源，笔者将信号发生器与喇叭连接，通过改变输入信号的类型和频率使喇叭发出不同音色、不同频率的声波，随后笔者通过一个麦克风探头接收声源发出的声波，一方面将接收的声波信号传输到音响功放设备上，增大声音响度，弥补喇叭发声较小的缺点;另一方面笔者将声波信号传送到由编程软件编写的声现象探究系统，在电脑端界面实时观察声波的波形变化.此外，笔者通过改变函数信号发生器发射的信号频率和信号类型，对“声音的特性”一节进行实验探究，通过对比声音与声波波形的变化关系，探究声音的音调与振动频率、振幅与响度以及不同声源的音色差异.笔者应用该教具通过控制变量法进行实验探究，使学生既能听到声音又能观察声波波形变化，帮助学生从视觉和听觉两方面直观地认识声音的特性，符合STEM教学理念.
2.2实验装置简介
本教具主要包括四个部分(如图2所示):(1)UTG932函数信号发生器;(2)发声喇叭(4Ω，5W);(3)麦克风;(4)配有声现象探究系统的计算机.其中计算机既可以利用虚拟仿真声现象探究系统进行声音的探究实验，也可以作为一个功放设备，实现收集声音的放大.在课堂教学中教师可以将计算机替换成教室内的多媒体设备，放大显示屏幕，便于学生观察实验现象.
3声现象教学辅助系统
3.1声现象教学辅助系统的设计简介
在人教版初中物理教材中利用示波器反映声音特性与波形的关系，但是传统示波器调节程序繁琐，观察屏幕较小，不利于课堂展示.为精简实验仪器同时更好地展示实验现象，笔者利用编程软件编写一款声现象教学辅助系统(如图3所示).声现象教学辅助系统的中间部分是一块声波图形实时显示屏幕，可以实时显示一定时间间隔内(图3中的时间间隔为1s)麦克风端收集的声音信号，并将声音信号转化为对应的声波波形显示出来.除此之外，界面右侧有频率和振幅的数值显示框，可以在显示声音信号对应声波波形的同时检测声音信号的频率及振幅.笔者认为该系统可以匹配人教版初中物理教材中“声音的特性”实验教学，在演示声现象的同时对音调与振动频率、响度与振幅以及不同声源的音色差异进行实验探究.
3.2利用声现象教学辅助系统探究声音的特性
人教版初中物理教材通过介绍声现象让学生对声音的特性形成初步认识，并引入音调、响度、音色三个特性探究声音.基于教学目标，声现象教学辅助系统可以对声音特性进行定量的实验探究.笔者将喇叭连接信号发生器，通过改变信号源的参数让喇叭发出不同音调、不同响度、不同类型的声音，并通过麦克风接收声音信号，经由电脑端虚拟仿真平台将声音信号转化为可视化的声波频率、声波振幅以及声波形状，以此定量探究声音的特性.
3.2.1声音的音调与频率
笔者通过控制输出信号电压恒定并固定麦克风与喇叭位置，使声音发射端和信号接收端的相对距离不变，选择典型的正弦波信号为信号基波.笔者首先通过信号发生器输出频率为200Hz的正弦波信号，喇叭在该信号作用下发出低沉的声音.当麦克风接收到声音信号后在电脑端虚拟仿真平台上实时显示出对应的信号声波(如图4所示)，在显示屏20ms时间周期内清晰地显示四个完整的声波波形，对应200Hz的声音频率.笔者将信号发生器的输出信号调整为400Hz的正弦信号，喇叭发出的声音比200Hz的正弦波信号更加“尖锐”，同时可以在显示屏上观察到声波波形改变为在20ms时间周期内出现8个完整的声波波形(如图5所示).最后笔者根据实验结果得出音调随着频率增大而升高.笔者通过对比图3和图4声音的振幅数值(声音响度)，发现在实验过程中虽然控制其余变量相同，但由于多普勒效应影响，声波的能量发生变化，导致两次检测声音信号的振幅数值不可避免地存在差异.
3.2.2声音的响度与振幅
探究声音的响度与振幅实验，主要通过控制信号发生器输出的信号类型及频率恒定，改变输出电压，利用电平信号改变喇叭发声的响度，再对虚拟仿真平台显示的不同响度声波振幅进行对比，以此探究响度与振幅的关系.实验结果如图6所示，相同频率的声音，其声波形状也相同;但输出电压较大样本，其声音响度也较大.笔者通过对显示屏上两个声音样本进行对比，不难发现声音响度较大，其声波的振幅也相对较大，总结得出振幅越大，声音的响度也随着增大.
3.2.3声音的音色与波形变化
不同类型的声源，即使音调相同，其音色也大相径庭，最直观的反映即是声波形状各不相同.为反映音色与波形的联系，笔者利用信号发生器先后发射出相同频率的正弦波和方波信号，经由麦克风收集声波信号，笔者发现即使声波频率相同，但是两种不同类型的声波信号反映的波形明显不同(如图7所示)，即波的形状不同，其音色也不同.
3.3.3利用声现象教学辅助系统演示噪声及噪声的控制
笔者利用UTG932函数信号发生器向喇叭输出无规律的噪声信号，经由麦克风收集声音后在声现象教学辅助系统显示屏上观察到杂乱无章的波形，与规律波形形成鲜明对比(如图8所示).除此之外，笔者在显示噪声波形的同时利用教具进行噪声控制方法的简单实验.人教版初中物理教材介绍三种控制噪声的方法:消除噪声源、阻断噪声传播以及隔绝噪声进入人耳.笔者通过简单实验操作演示阻断噪声传播以及隔绝噪声进入人耳两类方法(如图9所示).首先笔者采集一个不经处理的噪音信号(在声现象教学辅助系统显示屏上用浅蓝色线标识)作为对比源，其声音振幅约为2200vcc.接着笔者利用一个外罩罩住麦克风，模拟“阻断噪音传播”的情境，发现噪声的声音信号明显减小(黄色线标识)，其振幅约为230vcc.最后笔者切断麦克风的收集声源，以此模拟“隔绝噪声进入人耳”的情境，此时收集的声音振幅基本接近于0(红色线标识)，此处仍可以检测到信号是由于电脑系统自带的仪器噪音，基本可以忽略不计.利用声现象教学辅助系统配合麦克风的简单调整，教师利用该套物理教具可以向学生直观形象地展示噪声与规律音调的波形对比，以及通过简单实验改造实现“噪声的控制”的实验演示，使学生对日常生活中噪声的控制方法有所了解、有所体会，将物理知识与生活现象紧密联系，能够更好地激发学生学习兴趣.
4总结
综上所述，笔者设计一款针对声现象教学的教学辅助系统，并结合信号发生器和麦克风组成一套可用于探究声现象的物理实验教具，在视觉和听觉两方面直观呈现声音的特性，在实验探究中明确声音音调与振动频率、响度与振幅以及不同声源的音色差异，帮助学生掌握物理知识，提升教师教学效果.同时笔者结合声现象教学辅助系统对麦克风进行简单处理，让学生直观地了解噪声与规律音调的波形区别，通过实验演示控制噪声的方法.笔者利用虚拟仿真平台构成的教学系统进行实验教学与传统示波器相比更简便、更经济、教学功能更强大，具有更广阔的应用前景.
作者：庄伟杰 刘平 陈新玲 单位：佛山市第三中学初中部
