甘肅省天水市麥積區(qū)甘泉中心學校(741023) 燕俏生

聲波,一種機械振動產(chǎn)生的機械波,與人類生活息息相關。在聲波的學習中,有關聲音知識是小學科學、中學物理的重點學習內(nèi)容。教學中,對學生進行各種聲波演示實驗,教學效果更好。

要研究聲波,首先要有能產(chǎn)生各種聲波的信號發(fā)生器,現(xiàn)在中小學一般配備了教學信號源。這些信號源可以產(chǎn)生聲波,可是產(chǎn)生的聲波頻率只能是某些特定頻率,不能連續(xù)產(chǎn)生各種頻率的聲波,而且產(chǎn)生的聲波信號強度小,要通過放大器才能帶動音箱發(fā)出聲音。

研究聲波,還要有能測定聲波的頻率、強度和波形的儀器,現(xiàn)中小學實驗室只有教學示波器能完成測量實驗。可是示波儀顯示聲波較難調(diào)節(jié),對聲波的頻率與強度的測量只能進行定性分析,不能精確測量。

由此可見,中小學教學中聲波的實驗完成率很低,如何能夠方便清楚的演示聲音的特性,是聲波教學中的一個突出問題。

1 巧用電腦軟件解決器材不足的問題

現(xiàn)在有許多有關聲波的電腦軟件,這些電腦軟件結(jié)合多媒體設備可以代替信號源和示波器,能夠方便精確的研究聲波特性。

1.1 聲波信號發(fā)生器

現(xiàn)在網(wǎng)上有很多音頻信號發(fā)生器,筆者下載后進行對比,選出了一個操作簡便、效果較好的軟件——音頻信號發(fā)生器軟件(My Tone Test)。直接打開就可使用,軟件界面如圖1所示。

音頻信號發(fā)生器的使用:

(1)通過音量調(diào)節(jié)滑塊可把音量從小連續(xù)調(diào)節(jié)到最大。

(2)通過信號頻率調(diào)節(jié)滑塊可把頻率從20 Hz調(diào)節(jié)到20 000 Hz。

(3)通過聲道選擇按鈕可選擇左聲道、右聲道、反相、同相。

圖1 聲波信號發(fā)生器

(4)通過波形設置可選擇不同的波形。

(5)通過開始與停止按鈕打開和關閉聲波信號。

連接多媒體設備的兩個音箱,調(diào)節(jié)好音箱音量,打開音頻信號發(fā)生器,按要求調(diào)節(jié)音量、頻率、波形,點擊開始按鈕,即可發(fā)出我們要求的聲波。使用十分方便,不需要借助其他設備。

1.2 聲波的測量軟件

聲波的測量軟件采用管樂指法對應圖表自動校音器,如圖2所示。自動校音器可以測量聲波的頻率,觀察到聲波頻率的微波變化情況,還可測量聲波的強度,觀察聲波的波形。

圖2 聲波測量軟件

使用時利用多媒體電腦配備的話筒,就可接收到聲波信號。為了使用方便,可適當增加話筒導線的長度。

2 研究聲波的特性

2.1 聲音的干涉

(1)把兩個音箱放在一起,分別調(diào)節(jié)兩個音箱的聲音為同相和反相,讓學生判斷聲音強度的大小。同相時兩個音箱產(chǎn)生的聲波相互疊加,學生聽到的聲音很強,反相時兩個音箱產(chǎn)生的聲音相互抵消,學生聽到的聲音減弱。

(2)把兩個音箱的距離調(diào)節(jié)為1 m左右,然后把聲頻發(fā)生器的聲音頻率調(diào)到5 000 Hz左右。墻面對這個頻率的聲音吸收比較大,因此學生聽到的聲音主要是兩個音箱發(fā)出的聲音。然后讓學生移動身體,聽不同位置的聲音強度是否有變化。打開校音器,讓多媒體設備的話筒在教室不同位置,讓學生觀察話筒接收到的聲音強度的變化情況。

2.2 聲波的衍射

在桌面放置一個音箱,與其相距2 m左右固定好話筒,打開低頻信號發(fā)生器與校音器。

把聲波發(fā)生器的聲波的頻率調(diào)節(jié)到300 Hz,觀察校音器中聲音強度,然后在話筒前10 cm處放置一個厚約40 cm的泡沫板,如圖3所示,再觀察聲音的強度。把音波的頻率調(diào)節(jié)到3 000 Hz,做同樣的實驗。實驗數(shù)據(jù)見表1。

圖3 聲波的衍射實驗

表1 實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)說明障礙物的尺寸小于波長或者與波長差不多時衍射明顯,障礙物的尺寸遠大于波長時衍射不明顯。

2.3 聲音的多普勒效應

(1)把校音器打開,信號發(fā)生器打開到某一頻率。調(diào)節(jié)校音器的指針,恰好使校音器頻率指針到正中間位置,如圖4所示。

圖4 校音器

(2)把音箱放在桌面上不動,教師手拿話筒靠近或者遠離音箱,觀察校音器顯示的聲音的頻率變化情況。觀察方式有兩種,可以通過數(shù)據(jù)觀察,也可以通過指針觀察。如果指針偏向左邊,說明話筒接收到的聲音頻率變化;指針偏向右邊,說明校音器接收到的聲音頻率變大。

(3)再把話筒固定,教師拿著音箱離開和靠近話筒運動,讓學生觀察話筒接收到的信號頻率變化情況。

(4)教師拿著音箱做作圓周運動,讓學生觀察聲音的音調(diào)變化情況。

通過上例可知,當音箱與話筒之間距離增大時,話筒接收到聲音的頻率變小;當音箱與話筒之間距離減小時,話筒接收到聲音的頻率變大。

3 實驗結(jié)論

利用聲波軟件結(jié)合多媒體設備演示聲波特性有如下優(yōu)點。

3.1 所用器材方便簡單

聲波的產(chǎn)生與檢測完全可利用聲波軟件和多媒體設備,不需要借助其他器材,解決了中小學聲波教學中實驗器材缺乏的問題。

3.2 直觀性強

教學中打開多媒體設備,將低頻信號發(fā)生器與校音器軟件在多媒體屏幕上顯示出來,讓學生都能清楚觀察到演示效果。

3.3 演示全面

幾乎能演示聲波的全部特性,在教學中可以根據(jù)需要選擇某一方面進行演示。

3.4 存在的不足及未來改進的方向

在演示聲波的干涉實驗中,由于教室的反射波影響,所以干涉效果不是十分明顯,筆者用激光測距儀測量觀察點到兩個波源的距離差,發(fā)現(xiàn)距離差與振動的強弱之間關系不是很明顯。如果在教室安裝吸音效果特別好的吸音材料,消除反射聲波的影響,就可以定量的研究振動的強弱與觀察點到兩個波源之間的距離差關系。