文档介绍：中学声学实验教学的突破
谈朗威DISLab“天籁声学教学软件”的应用
江苏省梅村高级中学陶锡泉
声音是人们日常生活中司空见惯的现象,声学之于广大中学生,更是促进科学与艺术融通的桥梁。强化声学实验教学,就是对课改理念的贯彻和深化。但由于声音可说是“来无影、去污踪”所以以往中学阶段的声学教学基本上没有有效手段,将声音的响度、音调及音色等物理量以形象方式展现给学生,从而大大影响教学效果。朗威DISLab声传感器、朗威“天籁”声学教学软件等数字化实验工具,为中学物理声学实验提供了有效工具。本文主要谈谈朗威“天籁”(以下简称“天籁”)的使用。
一、实现声现象的可视化
中学物理教学中,经常提到“声波”的概念,说明声音的本质是能量以机械波形式进行的传递。尽管有声音的反射、衍射等实验可以证明声波的存在,但传统实验中恰恰缺乏对声波进行记录、描述和分析的实验工具,实验过程中过多依赖学生的感官,因此学生往往因为难以“看到”声波而造成对声学物理规律的认知障碍。以前,笔者就曾使用示波器专门设计了声电流演示装置,显著提高了声学实验教学的可视化程度。但依托示波器的演示装置操作复杂,尤其不适合初中声学实验教学使用。在信息技术高度发达的今天,天籁以传感技术为基础,充分发挥了计算机作为高速采集、处理平台的作用,先后开发出了朗威DISLab声传感器(图一)和朗威天籁声学教学软件(图二)。朗威DISLab声传感器将声信号转化为电信号并上传至数据采集器,由数据采集器以115200波特率(约10K)的高速传输至计算机,天籁教学软件即可实时描绘出声波的波形图线,同时支持声波波形的存储、回放,进一步方便了实验教学。
朗威天籁声学教学软件直接运行于计算机平台之上,普通的话筒即可成为采集声波信号的传感器,教学过程中可省略数据采集器和专用声传感器,直接在软件窗口中观察、分析。该软件采用全图形化人机交互界面,具备“音频发生器、外部输入和调用声库”三种工作模式,双窗口、单窗口两种显示方式,其中单窗口显进提供基于FFT(快速傅立叶变换)的频谱分析功能(图三),不仅能够直观显示声音的频率,还能够显示基音、泛音,为声波的叠加、音色的形成等教学内容提供了有力支持。
二、朗威天籁声学教学软件的使用
朗威DISLab声传感器和朗威天籁声学教学软件引入声学实验教学后,不仅可以改变传统实验中仅凭感观感知、体会声信号的局面,还通过信息技术特有的优势大幅度提升声学实验的量化程度,有助于学生对于声学知识的理解和把握。下面就以使用朗威天籁声学教学软件进行声音三要素教学为例加以说明。
1、振幅与响度的关系
打开朗威天籁声学教学软件,选用双窗口显示,两窗口均选用音频发生器模式。点击“发声”,拖动“频率调节”滚动条,将两窗口的发声频率均调至550Hz。
点击“发声”、“暂停”,在两窗口之间切换,让学生感知声音,发现两个窗口所发出的音调、响度均一致。
拖动下方窗口右侧“幅度”滚动条至二分之一位置,可听到该窗口所发声音响度明显下降。
点击“发声”、“暂停”,在两窗口之间切换,发现两个窗口所发出的声音音调一致但响度有很大区别。原因在于振幅的差异(图四)。
进入单窗口显示,上下拖动窗口右侧的“幅度”滚动条,可听到声音由响到轻,再由轻到响的连续变化。
结论:声音的响度是由振幅决定的。振幅越大,响度就越大。反之越小。