1、中学声学实验教学的突破谈朗威 DISLab“天籁声学教学软件 ”的应用江苏省梅村高级中学 陶锡泉声音是人们日常生活中司空见惯的现象，声学之于广大中学生，更是促进科学与艺术融通的桥梁。强化声学实验教学，就是对课改理念的贯彻和深化。但由于声音可说是“来无影、去污踪”所以以往中学阶段的声学教学基本上没有有效手段，将声音的响度、音调及音色等物理量以形象方式展现给学生，从而大大影响教学效果。朗威 DISLab 声传感器、朗威“天籁”声学教学软件等数字化实验工具，为中学物理声学实验提供了有效工具。本文主要谈谈朗威“天籁” （以下简称“天籁” ）的使用。一、实现声现象的可视化中学物理教学中，经常提到“声波”
2、的概念，说明声音的本质是能量以机械波形式进行的传递。尽管有声音的反射、衍射等实验可以证明声波的存在，但传统实验中恰恰缺乏对声波进行记录、描述和分析的实验工具，实验过程中过多依赖学生的感官，因此学生往往因为难以“看到”声波而造成对声学物理规律的认知障碍。以前，笔者就曾使用示波器专门设计了声电流演示装置，显著提高了声学实验教学的可视化程度。但依托示波器的演示装置操作复杂，尤其不适合初中声学实验教学使用。在信息技术高度发达的今天，天籁以传感技术为基础，充分发挥了计算机作为高速采集、处理平台的作用，先后开发出了朗威 DISLab 声传感器（图一）和朗威天籁声学教学软件（图二） 。朗威DISLab 声传
3、感器将声信号转化为电信号并上传至数据采集器，由数据采集器以 115200波特率（约 10K）的高速传输至计算机，天籁教学软件即可实时描绘出声波的波形图线，同时支持声波波形的存储、回放，进一步方便了实验教学。朗威天籁声学教学软件直接运行于计算机平台之上，普通的话筒即可成为采集声波信号的传感器，教学过程中可省略数据采集器和专用声传感器，直接在软件窗口中观察、分析。该软件采用全图形化人机交互界面，具备“音频发生器、外部输入和调用声库”三种工作模式，双窗口、单窗口两种显示方式，其中单窗口显进提供基于 FFT（快速傅立叶变换）的频谱分析功能（图三） ，不仅能够直观显示声音的频率，还能够显示基音、泛音，为
4、声波的叠加、音色的形成等教学内容提供了有力支持。二、朗威天籁声学教学软件的使用朗威 DISLab 声传感器和朗威天籁声学教学软件引入声学实验教学后，不仅可以改变传统实验中仅凭感观感知、体会声信号的局面，还通过信息技术特有的优势大幅度提升声学实验的量化程度，有助于学生对于声学知识的理解和把握。下面就以使用朗威天籁声学教学软件进行声音三要素教学为例加以说明。1、振幅与响度的关系打开朗威天籁声学教学软件，选用双窗口显示，两窗口均选用音频发生器模式。点击“发声” ，拖动“频率调节”滚动条，将两窗口的发声频率均调至 550Hz。点击“发声” 、 “暂停” ，在两窗口之间切换，让学生感知声音，发现两个窗口
5、所发出的音调、响度均一致。拖动下方窗口右侧“幅度”滚动条至二分之一位置，可听到该窗口所发声音响度明显下降。点击“发声” 、 “暂停” ，在两窗口之间切换，发现两个窗口所发出的声音音调一致但响度有很大区别。原因在于振幅的差异（图四） 。进入单窗口显示，上下拖动窗口右侧的“幅度”滚动条，可听到声音由响到轻，再由轻到响的连续变化。结论：声音的响度是由振幅决定的。振幅越大，响度就越大。反之越小。让学生尝试并感受轻轻地拍手发出的声音肯定低于重重地拍手所发出的声音。所以，声音是能量的体现。振幅大，说明声音的能级比较高，听起来就响。声音的能级高，说明声源消耗或转化的能量多。能够让学生，尤其是初中生从振动和能
6、量转换的角度理解声音，对其建立物理学思维体系极有帮助。2、频率与音调的关系打开朗威天籁声学教学软件，选用双窗口显示，两窗口均选用用音频发生器模式。点击“发声” ，拖动“频率调节”滚动条，将上下两窗口的发声频率分别调至 1000Hz 和500Hz（图五） 。点击“发声” 、 “暂停” ，在两窗口之间切换，让学生感知声音，发现两个窗口所发出声音的音调存在明显差异上方窗口所发声音的音调高于下方窗口所发声音的音调。拖动下方窗口“频率调节”滚动要，将发声频率调至2000Hz。点击 “发声” 、 “暂停” ，在两窗口之间切换，发现下方窗口所发声音的音调高于上方窗口所发声音的音调。进入单窗口显示，左右拖动“
7、频率调节”滚动条，可听到音调由高到低，再由低到高的连续变化。结论：音调是由声音振动的频率决定的。频率越高，音调就越高。反之音调越低。引申：音调虽然是人们对声音的主观感受，但其背后却有客观的物理学意义。男孩和女孩的音调为什么有区别？频率不同的原因何在？发声器官声带的构造不同。所谓“变声期” ，就是童声向成人声音过渡的过程，其本质是声带的发育。3、音色的由来乐音令人舒畅而噪声令人烦恼。但对于乐音，人们也是有所取舍和倾向。因为，声音拥有另一个重要特性音色，又称音品。音色的本质是不同频率的声音的合成与叠加。很多乐器都有自己的共鸣箱（如吉他、小提琴、月琴、扬琴等） ，通过共鸣箱促进不同频率声音的产生，最
8、终与琴弦发出的声音合成为音色优美的乐音。道理很简单，但是授课却不容易。即便使用声传感器将声波可视化，也难以让学生理解不同频率声音的合成与叠加。有了朗威天籁声学教学软件就完全不同了。软件中内置的频谱分析功能（应用 FFT，即快速傅立叶转换算法）可以将任何一个声音实时分解为基音和泛音，而每一个泛音，都是一个叠加进来的声音，我们也可以将 FFT 找出的泛音作为声波合成的证据。打开朗威天籁声学教学软件，选择单窗口显示，使用音频发生器模式。将发声音频调至某一频率，倾听其声音效果。点击“频谱分析” ，打开频谱显示窗口，可见声音的谱线集中在某一频段。将光标移至最高的谱线上，发现显示出的声音频率与频率调节的结
9、果相符。因该声音谱线集中分布在一个频段，左右均无其他频段的谱线（泛音）存在，所以说由音频发生器发出的声音可以被称为单音（图六） 。将话筒接入计算机的声卡，单窗口显示，切换至“外部输入”模式。换用不同频率的音叉，重复上述实验，发现结果类似。将话筒移近电子琴，选用钢琴音效，按下中央“C”键，观察并记录钢琴声的波形和频谱图线（图七） 。钢琴声的波形图线非正弦曲线，说明是不同频率声音合成、叠加（声波的相消相长）的结果。那么，是哪些声音合成、叠加，最终成为我们听到的钢琴声音呢？由频谱图线可知，除了 250Hz 左右的基音之外，至少还有三个频率约为500Hz、1100Hz、1300Hz 的泛音存在。也就是
10、说，是上述声音合成了我们所听到的钢琴声，并且决定了琴声的音色。结论：我们听到的乐音是由多个不同频率的声音合成、叠加而来的。正是这些声音（泛音）的多少、频率的高低等因素决定了乐音的音色。引申：（1）取单音口琴和重音口琴各一支，以“提琴奏法”吹相同的一个音，体会哪一个更好听。 （2）取两只相同的玻璃杯，一只完好而另一只有裂纹。分别敲击并记录其声波波形和频谱图线，将记录结果与听到的声音效果相对应，分析其原因。 （3）人们对不同乐音、嗓音的评价是一个多种因素交互作用的复杂过程。除了音色，决定人们对声音表现出好恶取舍的还有文化背景、成长经历和心理状态等等。相对于人文评价标准巨大的差异性，音色作为声音的物理学特征无疑是单纯而客观。引入朗威天籁声学教学软件，在可视化的基础上实现了声音三要素实验教学的量化。尤其是该软件的频谱分析功能，更突破了传统声学实验的一大难关。
