李磊 陳洪娟 靳建嘉 袁連喜

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;虛實融合;聲學(xué)實驗

中圖分類號：O42

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、設(shè)計思想

聲學(xué)作為物理的一個分支，既是一門古老的學(xué)科，也是一門發(fā)展的學(xué)科。水聲學(xué)作為聲學(xué)的一個分支，并不是一門單純的理論學(xué)科，而是一門實驗學(xué)科。要想保證其發(fā)展并得到進(jìn)一步的完善，就必須以大量的實驗作支持。虛擬仿真實驗教學(xué)是依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象。在聲學(xué)實驗中采取虛擬仿真實驗手段，得到理想條件下的實驗結(jié)果，并與實物實驗結(jié)果進(jìn)行對比，探索虛實融合的聲學(xué)實驗教學(xué)模式，必將對水聲專業(yè)的實驗教學(xué)質(zhì)量大有裨益。

二、設(shè)計方案

1.實驗?zāi)康?/p>

通過對虛擬的理想自由場和實際室內(nèi)擴(kuò)散場兩種聲場空間分布特性的測量，引導(dǎo)學(xué)生從利用感官對聲學(xué)基本現(xiàn)象進(jìn)行定性認(rèn)識過渡到利用專業(yè)測試手段進(jìn)行定量分析，并由此培訓(xùn)學(xué)生掌握開展聲學(xué)實驗所必需的基本技能和基本理論，形成縝密思維和良好習(xí)慣，從而培養(yǎng)學(xué)生的實驗觀測能力和運用實驗手段學(xué)習(xí)聲學(xué)基本理論以及解決聲學(xué)實際問題的能力。

2.實驗原理

（1） 通過對虛擬聲場的觀察，掌握如下有關(guān)聲場和聲波的基本概念：聲場、質(zhì)點、行波、駐波、自由場、球面波。

（2） 測量虛擬聲場，掌握如下聲波傳播基本規(guī)律：①均勻球面波場中，同一波陣面上各點處聲壓振幅和相位相等;②球面波場中，聲壓與離聲源等效聲中心距離的一次方成反比;③平面活塞輻射器波場中，同一波陣面上各點聲壓振幅和相位相等。

（3）測量實際室內(nèi)擴(kuò)散聲場，與虛擬聲場測量結(jié)果對比分析，培訓(xùn)如下能力：① 聲學(xué)傳感器的使用;② 基本電子測量儀器的使用 ;③ 掌握簡單振動源產(chǎn)生的簡諧振動及其輻射的聲波的波形圖，建立簡諧波數(shù)學(xué)函數(shù)模型;④ 掌握復(fù)雜振動源產(chǎn)生的振動及其輻射的聲波的時域和頻域波形圖，建立復(fù)雜聲波由簡諧波線性疊加而成的數(shù)學(xué)函數(shù)模型;⑤ 了解實際擴(kuò)散聲場中聲壓分布的復(fù)雜性。

3.實驗步驟

（1）打開“聲波產(chǎn)生機(jī)理虛擬裝置”，觀察聲源與聲場，建立兩者之間的關(guān)系。

（2）點擊“球聲源”，學(xué)習(xí)質(zhì)點、行波、球面波等概念，對空氣中球面波聲場中的聲壓和質(zhì)點振速進(jìn)行測量。

（3）采用比對方法研究聲場，測量點平面活塞聲源輻射場中不同點的聲壓和質(zhì)點振速。

（4）實物連接基本聲學(xué)測量系統(tǒng)，并進(jìn)行簡單調(diào)試。

（5）敲擊音叉、鼓和編鐘，采集加速度計的振動信號和傳聲器的聲壓信號，測量其時域和頻域信號參數(shù)。

（6）激勵揚聲器或水下發(fā)射器，由多個傳聲器或水聽器接收，各接收器位置與虛擬實驗設(shè)置接近，測量擴(kuò)散場中聲壓分布特性。

4.實驗結(jié)果與結(jié)論

（1）給出虛擬實驗中通過觀察、觀測學(xué)到的基本概念和基本規(guī)律，并與教材相比對，寫出自己的認(rèn)識。

（2）給出實物實驗中通過測量得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，與虛擬實驗結(jié)果相比對，寫出自己的認(rèn)識。

（3）對于概念和規(guī)律要得出明確結(jié)論，并統(tǒng)一到教材的高度（包括正確性）。

（4）對于比對試驗結(jié)果，結(jié)論希望是開放式的，鼓勵“胡思亂想”。

通過虛實融合的實驗教學(xué)模式的實踐探索，明確虛與實不是簡單的二合一，而是交互融合，將實物與虛擬交叉螺旋式銜接、拼接，可以實現(xiàn)兩種實驗?zāi)Ｊ降淖顑?yōu)化。利用虛擬的優(yōu)勢，通過仿真技術(shù)建立理想模型下的測試環(huán)境，獲得與理論模型高度一致的測試結(jié)果，保證實驗測試與理論結(jié)果的科學(xué)性。開展實際復(fù)雜條件下的實物測試實驗，鍛煉實際操作技能，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題的能力，以及將實際問題抽絲剝繭建立科學(xué)的解決問題的思維模式。在這種反差極大的虛實結(jié)合的實驗中，讓學(xué)生認(rèn)識到理論知識的局限性，同時也讓學(xué)生感受到實際科學(xué)問題的難點和創(chuàng)新方向，這對提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，特別是創(chuàng)新能力意義非凡。

參考文獻(xiàn)：

[1]何祚鏞，趙玉芳.聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1981.

[2]李 ?平，毛昌杰，徐 ?進(jìn).開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)提高高校實驗教學(xué)信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013（11）：5-8.