洪 葉 高 雷

（蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

Phyphox（physical phone experiments）是由德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH Aachen University）第二物理研究所開(kāi)發(fā)的一款免費(fèi)的可支持Android及Ios系統(tǒng)的基于智能手機(jī)內(nèi)置傳感器的物理實(shí)驗(yàn)軟件，［1］可通過(guò)移動(dòng)端控制并以多種常用格式導(dǎo)出數(shù)據(jù)或計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制.本文基于智能手機(jī)軟件Phyphox的聲學(xué)部分（如圖1）進(jìn)行初中物理“聲音的特性”實(shí)驗(yàn)的研究，以期通過(guò)信息技術(shù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，提高實(shí)驗(yàn)效果.

圖1 Phyphox軟件聲學(xué)部分界面

1 探究響度的影響因素

1.1 探究響度與振幅的關(guān)系

蘇科版初中物理教科書(shū)中，通過(guò)鼓面上物體跳動(dòng)的高度顯示鼓面振幅的大小，但物體的跳動(dòng)時(shí)間極短不利于學(xué)生觀察分析瞬間某一狀態(tài)，并且只有響度相差較大時(shí)才能明顯觀察到物體跳動(dòng)高度的變化，而利用智能手機(jī)軟件則可以直觀顯示振幅的大小，并將其定性化.

Phyphox軟件的“聲音振幅”功能可測(cè)量某處聲音的聲壓級(jí)并用其表示該處的聲音振幅，在其工作頁(yè)面中，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示聲壓級(jí)，波形越突出表明振幅越大.打開(kāi)Phyphox軟件，用“聲音振幅”功能記錄人發(fā)出聲音“一”時(shí)的振幅情況（實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行校準(zhǔn)使聲壓級(jí)顯示為正值），逐漸提高說(shuō)話(huà)的音量，觀察振幅的變化情況（如圖2）.

圖2 振幅隨說(shuō)話(huà)音量增大的變化情況

從定性觀察過(guò)渡至定量探究，實(shí)驗(yàn)需3部智能手機(jī)，一部利用“音頻發(fā)生器”功能產(chǎn)生特定頻率的聲音，另兩部分別用“聲音振幅”及“音頻自相關(guān)”功能觀察聲壓級(jí)及振動(dòng)波形圖的變化情況.將聲源的頻率設(shè)置為440Hz，實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)手機(jī)音量，增大聲音響度，感受聲音響度變化的同時(shí)觀察其余兩部手機(jī)的數(shù)據(jù)變化情況（如圖3、圖4），并將觀察到的數(shù)據(jù)記錄至表1中，通過(guò)分析可知響度與振幅有關(guān)，振幅越大，響度越大.

圖3 聲壓級(jí)變化情況

圖4 振幅變化情況

表1 探究響度與振幅的關(guān)系

1.2 探究響度與傳播距離的關(guān)系

響度的大小由聲音接收處的波幅大小來(lái)體現(xiàn)，因此響度與傳播距離有關(guān).一部手機(jī)用“音頻發(fā)生器”功能發(fā)出頻率為440Hz的聲音，另一部手機(jī)用“音頻自相關(guān)”功能記錄振動(dòng)波形圖的變化情況，逐漸增大兩部手機(jī)之間的距離，觀察振幅的變化情況，并將數(shù)據(jù)記錄至表2中.分析數(shù)據(jù)可知傳播距離越大，振幅越小，響度越小.

表2 探究響度與傳播距離的關(guān)系

1.3 探究響度與分散程度的關(guān)系

用自制的紙筒喇叭探究響度與分散程度的關(guān)系.［2］一部手機(jī)用“音頻發(fā)生器”功能發(fā)出頻率為440Hz的聲音，另一部手機(jī)用“音頻自相關(guān)”功能記錄有紙筒喇叭和無(wú)紙筒喇叭時(shí)的振動(dòng)波形圖.如圖5、圖6所示，當(dāng)聲源的頻率、響度及傳播距離保持不變時(shí)，有紙筒喇叭時(shí)振動(dòng)波形圖振幅更大，說(shuō)明聲音的響度與分散程度有關(guān).

圖5 無(wú)紙筒喇叭

圖6 有紙筒喇叭

2 探究音調(diào)與頻率的關(guān)系

蘇科版初中物理教科書(shū)中，利用鋼質(zhì)刻度尺振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究音調(diào)與頻率的關(guān)系，但通過(guò)眼睛觀察刻度尺的振動(dòng)快慢和利用耳朵辨別聲音的高低依靠主觀感受，誤差較大.本實(shí)驗(yàn)中將尤克里里與智能手機(jī)軟件結(jié)合進(jìn)行探究，尤克里里是四弦撥弦樂(lè)器，撥動(dòng)琴弦可以發(fā)出聲音，且四根琴弦發(fā)聲的音調(diào)有明顯區(qū)別，智能手機(jī)軟件則可直接顯示振動(dòng)頻率情況.

如圖7所示為尤克里里示意圖，從左往右依次為四弦、三弦、二弦、一弦，琴弦的粗細(xì)情況依次是較細(xì)、粗、較粗、細(xì).將智能手機(jī)靠近琴弦，按照琴弦由細(xì)到粗的順序依次撥動(dòng)，用“歷史頻率”功能記錄頻率隨琴弦直徑增大的變化情況（如圖8），由圖像可知，隨著琴弦直徑的增大，頻率減小，音調(diào)變低.從定性觀察過(guò)渡至定量分析，“音頻自相關(guān)”功能可測(cè)量單個(gè)音調(diào)的頻率并顯示其波形圖，如圖9所示，記錄每根琴弦振動(dòng)發(fā)聲時(shí)的頻率及波形圖，不同琴弦發(fā)聲的音調(diào)與頻率情況如表3所示.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先對(duì)尤克里里進(jìn)行調(diào)音，確保每根琴弦發(fā)出其對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)音高.

表3 探究音調(diào)與頻率的關(guān)系

圖7 尤克里里

圖8 頻率隨琴弦直徑增大的變化情況

圖9 不同琴弦振動(dòng)發(fā)聲的頻率及波形圖

由以上數(shù)據(jù)分析可知，琴弦越細(xì)，振動(dòng)頻率越大，波形越密集，音調(diào)越高；琴弦越粗，振動(dòng)頻率越小，波形越稀疏，音調(diào)越低.

3 探究琴弦振動(dòng)頻率的影響因素

由上述實(shí)驗(yàn)可知，琴弦的粗細(xì)程度影響其振動(dòng)頻率，琴弦越細(xì)，振動(dòng)頻率越大，琴弦越粗，振動(dòng)頻率越小.那么琴弦的振動(dòng)頻率與琴弦的長(zhǎng)度、松緊程度是否也有關(guān)？

3.1 探究琴弦振動(dòng)頻率與琴弦長(zhǎng)度的關(guān)系

以尤克里里的一弦為研究對(duì)象，依次按住尤克里里的一品、二品、三品、四品位置改變琴弦長(zhǎng)度，撥動(dòng)琴弦，并用“音頻自相關(guān)”功能記錄其頻率及波形圖，如圖10所示為不同長(zhǎng)度的琴弦振動(dòng)發(fā)聲時(shí)的頻率及波形圖，具體的數(shù)據(jù)記錄在表4中.分析可知，弦長(zhǎng)越長(zhǎng)，振動(dòng)頻率越小，弦長(zhǎng)越短，振動(dòng)頻率越大.

圖10 不同弦長(zhǎng)振動(dòng)發(fā)聲的波形圖

表4 探究琴弦振動(dòng)頻率與琴弦長(zhǎng)度的關(guān)系

3.2 探究琴弦振動(dòng)頻率與琴弦松緊程度的關(guān)系

通過(guò)調(diào)節(jié)尤克里里的弦鈕可以改變琴弦的松緊程度.如圖10、圖11所示為“音頻自相關(guān)”功能記錄的尤克里里的一弦在較松和較緊兩種狀態(tài)下振動(dòng)發(fā)聲的頻率情況.當(dāng)琴弦較松時(shí)，振動(dòng)頻率較??；當(dāng)琴弦較緊時(shí)，振動(dòng)頻率較大.

圖11 琴弦較松

圖12 琴弦較緊

上述實(shí)驗(yàn)也可選擇裝有不同高度水的玻璃瓶進(jìn)行研究，在探究音調(diào)與頻率關(guān)系的同時(shí)探究水量對(duì)頻率的影響，還可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行水瓶琴的制作，在實(shí)踐活動(dòng)中深入理解音調(diào)與頻率的關(guān)系.

4 聲音的音色

不同的發(fā)聲體由于材料及結(jié)構(gòu)的不同，發(fā)出聲音的音色也不同，具體體現(xiàn)在波形的差異.用手機(jī)軟件可以模擬不同樂(lè)器的聲音，一部手機(jī)分別發(fā)出音量相同、音階相同（C4）的吉他與古典大鋼琴的聲音，另一部手機(jī)用Phyphox軟件的“音頻自相關(guān)”功能記錄兩次聲音的波形圖，如圖13、圖14所示，當(dāng)音調(diào)與響度相同時(shí)，吉他與古典大鋼琴的聲音波形圖并不相同.

圖13 吉他

圖14 古典大鋼琴

本文針對(duì)Phyphox軟件在“聲音的特性”實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的研究，利用智能手機(jī)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能有效解決使用常規(guī)手段在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的問(wèn)題，又能將定性實(shí)驗(yàn)定量化、定量實(shí)驗(yàn)精確化、抽象問(wèn)題可視化等，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解力.通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法、改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，對(duì)推進(jìn)教學(xué)改革、提高教學(xué)質(zhì)量具有積極意義.