馬 艷

(1.寧夏師范學(xué)院 物與電子信息工程學(xué)院,寧夏 固原 756000;2.寧夏師范學(xué)院 納米結(jié)構(gòu)及功能材料工程技術(shù)研究中心，寧夏 固原 756000)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)必修課，在高校物理專(zhuān)業(yè)及其它理工科專(zhuān)業(yè)中對(duì)于學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有重要的意義[1]，但目前高校所開(kāi)設(shè)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，基本分為三類(lèi): 基本儀器的操作、基礎(chǔ)類(lèi)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，其中,基本儀器的操作主要以學(xué)生掌握常用基本儀器的操作為主，基礎(chǔ)類(lèi)實(shí)驗(yàn)則以驗(yàn)證經(jīng)典理論和定律為主，而創(chuàng)新類(lèi)實(shí)驗(yàn)則主要在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的延伸，通過(guò)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)驗(yàn)證一些基礎(chǔ)理論，以實(shí)際生活應(yīng)用為目的創(chuàng)新設(shè)計(jì)型物理實(shí)驗(yàn)則很少，這使得大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與實(shí)際脫節(jié)，流于形式，學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣不高，阻礙了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，難以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方式和創(chuàng)造性[2-7].如果以物理理論為基礎(chǔ)，通過(guò)學(xué)生自主查閱相關(guān)資料在其基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)以解決具體生活中的問(wèn)題，將極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及對(duì)基本物理原理的理解應(yīng)用和自主創(chuàng)新能力.本文將以防治噪聲污染的實(shí)際應(yīng)用為例，結(jié)合大學(xué)物理基本規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，來(lái)解決實(shí)際生活中噪聲污染的問(wèn)題，為大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)提供參考.

噪聲污染已經(jīng)成為世界三大環(huán)境污染之一.目前，室內(nèi)控制噪聲污染的基本方法是在墻體中應(yīng)用吸聲裝飾材料[8-9]，這種裝飾材料具有吸音的優(yōu)點(diǎn)，但是市面上所用的吸聲裝飾材料不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且功能單一，不便于安裝、固定和拆卸，更不便于保護(hù)墻體，無(wú)法防止板體拆卸時(shí)對(duì)墻體造成的損傷，除此之外，不能在吸音的同時(shí)進(jìn)行室內(nèi)保溫防潮，且化學(xué)成分穩(wěn)定性差.因此對(duì)新型吸聲材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是噪聲控制的重要途徑[10-11]，而聲音的傳播和吸收又是大學(xué)物理聲學(xué)部分——波動(dòng)和聲的基礎(chǔ)內(nèi)容，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)非常少，只集中在簡(jiǎn)單的觀(guān)測(cè)振動(dòng)和發(fā)聲現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中，同學(xué)們對(duì)此興趣不大，而如何能將聲音的傳播和吸收與我們迫切想解決的吸聲和降噪問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)設(shè)計(jì)吸聲裝飾材料板來(lái)解決上述問(wèn)題，將使得大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)具有實(shí)際意義.基于以上原因，考慮傳統(tǒng)吸聲材料的缺陷，本文利用物理學(xué)基本原理設(shè)計(jì)一種新型吸聲裝飾材料板，來(lái)解決目前市場(chǎng)上吸聲裝飾材料的不足.

1 基本理論

根據(jù)大學(xué)物理中聲波的傳播和吸收可知，當(dāng)聲波從一種物質(zhì)進(jìn)入另一種物質(zhì)后，會(huì)發(fā)生反射和透射現(xiàn)象.由于每種物質(zhì)的聲學(xué)阻抗不同，不同的介質(zhì)中反射和折射的情況也不相同，而墻體對(duì)聲波的反射、折射和吸收實(shí)際上屬于聲波通過(guò)中間層的問(wèn)題，根據(jù)質(zhì)量作用定律

(1)

(1)式中TL為墻體的隔聲量，M為單位面積墻體的質(zhì)量，R1為墻體周?chē)橘|(zhì)的特性阻抗，ω為入射聲波的頻率.分析(1)式可以看到，墻體的隔聲量與墻體周?chē)慕橘|(zhì),單位面積墻體的質(zhì)量，入射波的頻率均有關(guān)，通過(guò)(1)式可以看到，當(dāng)墻體確定時(shí)，墻體的隔聲量就很難改變，如果通過(guò)增加墻體的質(zhì)量來(lái)增加隔聲量，成本很大.因此在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮在墻體上增加吸聲板來(lái)增加墻體的隔聲量，選擇在兩層材料中填充吸聲材料構(gòu)成吸聲板，這種吸聲板的構(gòu)造在理論上相當(dāng)于雙層墻隔聲.根據(jù)質(zhì)量作用定律，雙層墻的隔聲量為

(2)

(2)式中D為板的厚度，k為波數(shù).根據(jù)(2)式可知，吸聲板的隔聲量取決于入射波頻率、上下板之間距離、隔聲板質(zhì)量及隔聲板內(nèi)部的填充材料等.一定條件下，通過(guò)改變隔聲板隔聲量的影響因素，可以增加吸聲板的隔聲量，當(dāng)墻體上附加吸聲板之后，通過(guò)吸聲板來(lái)增加墻體的隔聲量，在此基礎(chǔ)上通過(guò)選擇不同的材料和不同的結(jié)構(gòu)可以起到室內(nèi)保溫防潮和減震的作用.

2 吸聲裝飾材料板的設(shè)計(jì)

基于以上原理，吸聲裝飾材料板創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目標(biāo)有以下幾點(diǎn):第一，提高板體吸收聲音的能力和效率;第二，在吸收聲音的基礎(chǔ)上，提高板體抗氧化腐蝕的能力;第三，在吸音板從墻體拆卸時(shí)，對(duì)墻體的損傷最小;第四，在板體吸收聲音的基礎(chǔ)上，能夠防潮、保溫;第五，要求整個(gè)墻體材料無(wú)毒無(wú)害，化學(xué)性能穩(wěn)定.

基于以上目標(biāo)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合大學(xué)物理中聲波的傳播、墻體隔聲、吸聲材料等相關(guān)知識(shí)，分組討論、設(shè)計(jì)圖紙.所需材料有板體、吸音孔、凸槽、限位塊、凹槽、限位槽、橡膠墊、減震彈簧、纖維柱等.

設(shè)計(jì)完成的新型吸聲裝飾材料板結(jié)構(gòu)如圖1所示，由板體、吸音孔、凸槽、限位塊、凹槽和限位槽等裝置組成.板體可通過(guò)凸槽和凹槽進(jìn)行排列安裝，再通過(guò)限位塊和限位槽進(jìn)行板體的固定，使其安裝拆卸更加便捷安全.板體的另一側(cè)安裝有凹槽，凹槽的上下兩端均開(kāi)設(shè)限位槽，板體的后部安裝有橡膠墊、橡膠墊和板體通過(guò)減震彈簧連接.

1-板體;2-吸音孔;3-凸槽;4-限位塊;5-凹槽;6-限位槽

板體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩層防水透氣膜中間夾雜礦渣棉和酚醛泡沫構(gòu)成.礦渣棉和酚醛泡沫屬于多孔吸聲材料，二者填充在防水透氣膜內(nèi)部，能夠起到吸聲降噪的作用.根據(jù)公式(2)可知，要提高板體的吸聲性能，需要增加板體的厚度，利用不同的吸聲材料進(jìn)行一定的組合，構(gòu)成復(fù)合吸聲材料，在一定的板體厚度上增加板體的吸聲性能.因此，本次設(shè)計(jì)中材料用礦渣棉和泡沫構(gòu)成的復(fù)合材料填充板體，設(shè)置的酚醛泡沫能夠便于吸音的同時(shí)，也便于室內(nèi)保溫防潮，同時(shí)也起到了防火無(wú)毒節(jié)能環(huán)保的作用，并且其化學(xué)成分穩(wěn)定性強(qiáng)，防腐抗老化.外層的防水膜能夠起到防水透氣的作用.除此之外，為了實(shí)現(xiàn)吸音和提高吸音效率，在板體的表面開(kāi)設(shè)有一系列尺寸較小且均勻分布的吸音孔;為了防止板體氧化腐蝕，提高其化學(xué)穩(wěn)定性，板體的表面涂有防腐涂料;通過(guò)減震彈簧和纖維柱對(duì)板體進(jìn)行支撐，使其便于保護(hù)墻體，防止板體拆卸時(shí)造成墻體的損傷.

1-防水透氣膜;2-礦渣棉;3-酚醛泡沫

通過(guò)上述設(shè)計(jì)可以看出，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中首先根據(jù)聲傳播和聲波吸收的基本理論進(jìn)行了板體的設(shè)計(jì)，為達(dá)到實(shí)際應(yīng)用中的保溫防潮、減震及安裝方便的目的，對(duì)板體外部進(jìn)行新的設(shè)計(jì).因此，此次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)達(dá)到了基本物理原理和實(shí)際生活需求的融合，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和創(chuàng)新性.

3 小結(jié)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)理工科學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,是將理論知識(shí)轉(zhuǎn)換為實(shí)際生產(chǎn)力的重要途徑.長(zhǎng)期以來(lái)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，實(shí)驗(yàn)過(guò)程流于形式，學(xué)生實(shí)驗(yàn)熱情不高，阻礙了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，難以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力及現(xiàn)代科學(xué)思維方式的形成.本文以大學(xué)物理基礎(chǔ)理論為出發(fā)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)墻體隔聲問(wèn)題設(shè)計(jì)新的吸聲材料板來(lái)解決隔聲降噪的實(shí)際問(wèn)題.學(xué)生通過(guò)查閱資料、實(shí)際考察、提出設(shè)計(jì)方案，在整個(gè)研究問(wèn)題的過(guò)程中積極參與和體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程.學(xué)會(huì)使用科學(xué)研究方法來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，打破物理實(shí)驗(yàn)的固有思維模式，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力.通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠提高學(xué)生對(duì)大學(xué)物理基本原理的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力并提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高學(xué)習(xí)興趣及對(duì)基本物理原理的理解應(yīng)用和自主創(chuàng)新能力.