利用錄音軟件設(shè)計(jì)聲音傳播速度的創(chuàng)新探究活動(dòng)

顧維

摘 要：本文介紹一種利用計(jì)算機(jī)錄音軟件測(cè)量聲速的實(shí)驗(yàn)方法，并由此設(shè)計(jì)適用于初中物理學(xué)習(xí)的綜合探究活動(dòng)方案.學(xué)生在探究活動(dòng)中對(duì)聲音在不同介質(zhì)中傳播的快慢進(jìn)行定性分析和對(duì)空氣中的聲速進(jìn)行定量測(cè)量.

關(guān)鍵詞：聲速;綜合實(shí)踐活動(dòng);聲音的傳播

中圖分類號(hào)：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）16-0038-02

作者簡(jiǎn)介：顧維（1979-），女，江蘇南通人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究.

蘇科版初中物理教材在介紹聲音在空氣中的傳播速度時(shí)，從“聲音的傳播需要時(shí)間嗎？”這個(gè)問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思考在百米賽道終點(diǎn)處為何先看到“白煙”，一段時(shí)間后才聽到槍響，繼而引出聲音的傳播需要時(shí)間，但是教師在實(shí)際教學(xué)中對(duì)于“聲速為340m/s”這一知識(shí)往往是直接告訴學(xué)生，在平時(shí)練習(xí)中需要用到聲速進(jìn)行距離的計(jì)算時(shí)，學(xué)生也只是機(jī)械地記住這個(gè)數(shù)值.隨著各種電子設(shè)備的使用，傳統(tǒng)發(fā)令槍的使用越來越少，生活中這類能直觀反映聲音傳播需要時(shí)間的例子也不多.因此需要教師設(shè)計(jì)一組符合初中生認(rèn)知規(guī)律的、簡(jiǎn)單易行的實(shí)驗(yàn)，開展有關(guān)聲音傳播快慢的自主探究活動(dòng).

傳統(tǒng)的聲速測(cè)量主要有相位比較法、振幅極值法、時(shí)差法等.前兩種方法的原理涉及到難度較高的機(jī)械波的相關(guān)知識(shí)，很顯然不適合初中生使用.課本上提到的在百米終點(diǎn)處測(cè)量看到“白煙”和聽到槍響的時(shí)間差法需要在操場(chǎng)進(jìn)行，對(duì)計(jì)時(shí)器的精度要求比較高，同時(shí)存在人為反應(yīng)誤差，不適合作為學(xué)生自主探究的分組活動(dòng).筆者利用計(jì)算機(jī)錄音軟件同時(shí)采集兩個(gè)聲道信號(hào)的方法進(jìn)行聲速探究活動(dòng)的設(shè)計(jì)，可以很好地解決上述問題，并依次進(jìn)行“聲音的傳播需要時(shí)間”“不同介質(zhì)中的聲速”“測(cè)量空氣中的聲速”等探究活動(dòng).

1 聲音采集的原理

實(shí)驗(yàn)選用最常見的3.5mm接口動(dòng)圈式有線耳機(jī)，其兩個(gè)耳塞是兩路獨(dú)立的聲道電路.把耳機(jī)插入電腦錄音孔（MIC）內(nèi)，外界聲波引起兩個(gè)耳塞的振動(dòng)膜振動(dòng)，產(chǎn)生的電信號(hào)傳入聲卡被記錄.如筆記本電腦沒有單獨(dú)的錄音接口，則可以使用外置USB聲卡（如圖1所示）.

打開“Gold Wave”（或其他錄音軟件，如Cool Edit等）點(diǎn)擊錄音，可以看到兩個(gè)耳塞采集到的聲音信號(hào)被同時(shí)分別記錄到左右兩個(gè)聲道中（部分操作系統(tǒng)默認(rèn)單聲道錄制，可在系統(tǒng)注冊(cè)表和錄音屬性中修改），通過信號(hào)增益、時(shí)間軸放大，可以看出兩路信號(hào)的微小差異，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后得出聲音傳播的特性（如圖2所示）.

2 實(shí)驗(yàn)聲源的選擇

因?yàn)槎鷻C(jī)作為錄音元件錄制到的電頻較低，本實(shí)驗(yàn)采用的聲源需要響亮、短促、振動(dòng)單調(diào)，這樣得到的波形相對(duì)簡(jiǎn)單，便于尋找對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信息點(diǎn).經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，筆者選用兩個(gè)木塊敲擊，振動(dòng)的特性基本滿足上述要求，同時(shí)器材簡(jiǎn)單，便于學(xué)生操作.

3 探究活動(dòng)的設(shè)計(jì)

活動(dòng)一 觀察聲音的傳播需要時(shí)間

把兩股耳機(jī)線分開，使兩個(gè)耳塞間距拉長(zhǎng)，取一把木質(zhì)米尺，用膠帶把耳機(jī)貼在米尺上相距60-80cm的地方，耳塞面朝上放置，耳塞與木尺間可以墊上一小塊軟墊.

對(duì)比實(shí)驗(yàn)一：在兩個(gè)耳塞的中點(diǎn)位置或中垂線位置上敲響木塊，記錄波形（如圖3所示）.進(jìn)行分析比較：此時(shí)因?yàn)閮蓚€(gè)耳塞到聲源的距離相等，所以觀察放大后的兩個(gè)波形，發(fā)現(xiàn)幾乎同時(shí)開始振動(dòng)，并未出現(xiàn)明顯的時(shí)間差，振幅也基本相同，說明聲音同時(shí)傳到兩個(gè)耳塞（如圖4所示）.

對(duì)比實(shí)驗(yàn)二：在兩只耳機(jī)的外側(cè)延長(zhǎng)線上敲擊木塊（如圖3所示），再記錄并分析比較兩個(gè)聲道的波形，放大圖像，可以觀察到兩個(gè)聲道波形的振動(dòng)起點(diǎn)存在一定的時(shí)間差（如圖5所示）.通過兩次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，很容易得出這個(gè)時(shí)間差就是因?yàn)槁曇魝鞑ゾ嚯x不同引起的，也就是說聲音的傳播需要時(shí)間.距離聲源較近的耳塞接收到聲波的時(shí)間短，而且振動(dòng)幅度大;聲音傳播到較遠(yuǎn)耳塞所需的時(shí)間長(zhǎng)，且振幅小.通過本組探究活動(dòng)，學(xué)生可以直觀地感知聲音的傳播需要時(shí)間.

活動(dòng)二 聲音在固體中傳播的速度比在空氣中快

在上述活動(dòng)的基礎(chǔ)上，將耳塞面朝下，緊貼在木尺表面，距離保持和活動(dòng)一中相同，用膠帶固定住.實(shí)驗(yàn)時(shí)在耳塞延長(zhǎng)線上用一個(gè)木塊敲擊木尺的一端，此時(shí)木塊敲擊木尺發(fā)出的聲波通過木尺傳向兩個(gè)耳塞.學(xué)生對(duì)采集到的左右聲道波形與活動(dòng)一的圖像進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：對(duì)應(yīng)振動(dòng)的時(shí)間差明顯變小，探究活動(dòng)得出聲音在木頭中的傳播速度比空氣中快（干松木理論傳播速度為500m/s，木尺實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)約540m/s）.

拓展實(shí)驗(yàn)：聲音在鋼鐵中的傳播速度如何？只需要把木尺換成一根鋼棒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果幾乎看不到時(shí)間差，說明聲音在鋼鐵中的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在空氣和木尺中的傳播速度（鋼鐵中理論聲速為5400m/s）.

活動(dòng)三 測(cè)量聲音在空氣中的傳播速度

將兩個(gè)耳塞拉開，振動(dòng)膜中心間距70cm，在一側(cè)延長(zhǎng)線上用力多次敲擊木塊，同時(shí)打開錄音軟件錄制聲音.在軟件中點(diǎn)擊音量調(diào)節(jié)滑塊，放大波形的振幅，再將波形圖沿時(shí)間軸放大，選擇波形清晰的幾次敲擊.拖動(dòng)鼠標(biāo)精確選擇兩列波對(duì)應(yīng)的振動(dòng)位置，點(diǎn)擊軟件的“設(shè)數(shù)”按鈕即顯示起始時(shí)刻并計(jì)算時(shí)間差（如圖6所示）.只要根據(jù)v=s/t這個(gè)簡(jiǎn)單的公式，學(xué)生就可以求出聲音在空氣中的傳播速度.多次測(cè)量，求出當(dāng)前環(huán)境下聲音在空氣中的傳播速度的平均值，并與理論值進(jìn)行對(duì)比.筆者在間距0.7m得到的圖像和數(shù)據(jù)如圖6所示，測(cè)得聲速為346.5m/s.本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果接近于340m/s，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是在室溫接近20℃的環(huán)境下完成的，后面也可以進(jìn)一步改進(jìn)，研究聲速與溫度的關(guān)系、聲速和空氣濕度的關(guān)系.

4 反思

實(shí)驗(yàn)在誤差允許的范圍內(nèi)合理，實(shí)驗(yàn)誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：（1）發(fā)聲的位置，發(fā)聲的位置應(yīng)該在兩耳機(jī)位置的連線上，這樣才能保證兩耳機(jī)間的距離就是聲源的距離差，否則會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來較大的誤差;（2）每次敲擊發(fā)聲的品質(zhì)不一樣，實(shí)驗(yàn)過程中聲音加強(qiáng)位置是一個(gè)小區(qū)間，判斷加強(qiáng)點(diǎn)不精確;（3）室內(nèi)溫度存在微小變化.

5 總結(jié)

學(xué)生“實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷”和“知識(shí)傳授”獲得的體驗(yàn)是截然不同，使用耳機(jī)錄制聲音的方法原理簡(jiǎn)單、器材易得，不需要做任何改裝且成本低廉，而且該設(shè)計(jì)測(cè)量方法可靠，數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果比較理想.上述綜合探究活動(dòng)可以在教室里以2-4人的學(xué)習(xí)小組開展，也可以作為課后自主探究活動(dòng).學(xué)生通過活動(dòng)，能夠清晰地看到波形圖，了解不同物體的波形圖不同.通過對(duì)不同位置接收到的聲波進(jìn)行放大對(duì)比，直觀地讓學(xué)生感知聲音傳播的快慢，更好地理解知識(shí).還能在一定程度上增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，在和小伙伴們一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，自身的觀察、動(dòng)手、思維能力得到發(fā)展，體會(huì)到相互合作的樂趣，獲得成就感，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng).在初中物理教學(xué)中演示該實(shí)驗(yàn)，教學(xué)實(shí)踐表明效果較佳.

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（收稿日期：2021-04-26）