数字化实验系统研发实现声现象可视化

中学物理教学中经常提到“声波”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。

声现象的可视化，是摆在研发中心面前的一道难题，但绝非不可破解。多年以前，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，我们以传感技术为基础，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DIS声传感器（图2—3—15）和DIS天籁声学教学软件（图2—9—1）。

图2—9—1　朗威®“天籁”声学教学软件

DIS声传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115 200波特率（10K）的高速传输至计算机。DIS实验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（图2—9—2）。

图2—9—2　DIS不同版本软件中的声波图像

使用DIS声传感器采集并描绘声波波形图线，优点是为学生提供了一个完整的数据采集、传输和处理系统，学生能够清晰地认识到信号的产生和转换过程。缺点是必须依托采集器，系统相对复杂。

而经过对计算机这一通用型工具的分析，我们认识到，有了声卡，声音信号可以被计算机直接采集和处理。因此，研发中心于2005年启动了基于“话筒—计算机声卡”的声学教学系统的开发。作为研发成果，DIS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。研发中心没有让DIS天籁声学教学软件停留在对“声传感器+数据采集器”体系的简单替代上，而是深入挖掘了计算机本身的强大功能，形成了对现有DIS声学软硬件功能的补充和超越。由图2—9—3可以看出，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，其中单窗口显示提供基于FFT（快速傅立叶变换）的频谱分析功能（图2—9—4）。该软件不仅能够直观显示声音的频率，还能够显示基音、泛音，为声波的叠加、音色的形成等教学内容提供了有力支持。(www.xing528.com)

物理世界是可以被认识的—声现象可视化的教学意义：

笔者在多篇论文中都强调了通过DIS的相关技术手段变不可见为可见，促进学生对物理规律认知的重要意义。鉴于声现象的特殊性，其可视化的实现对于学生来说更为重要。因为对于声学来说，其基本概念，如声波、振幅、响度、频率、共鸣、干涉等都是建立在声现象可视化的基础上的。学生理解这些内容至少要在大脑里建立相应的模型。但恰恰传统的实验手段难以提供将声现象进行实时可视化的有效方法。教师能做的，只是在黑板上画出声波让学生去理解和认识。根据笔者的教学经验，这个时候几乎每一个学生心里都在问为什么。天资好的学生物理建模能力强一些，也许能够跟得上，而大部分学生就只能靠死记硬背了。因此，迟迟实现不了声现象的可视化，是物理教学中的一个“黑洞”，对学生全面、深入地理解物理规律影响甚大。

图2—9—3　朗威®“天籁”声学教学软件主界面功能说明

图2—9—4　朗威®“天籁”声学教学软件单窗口显示，频谱分析窗口已打开（下）

借助计算机声卡的输出功能和外接扬声器，DIS天籁声学教学软件内置的音频发生器可以让学生方便地比较不同频率声波的音调，随意改变振幅以调节响度，在看到波形的同时辨析声音效果。双窗口提供的同频不同幅、同幅不同频的对比效果格外明显，学生对声现象的认识得以显著提高。而外部输入功能则大大扩展了学生进行探究实验的空间，各种声源均可纳入研究体系，学生可以自主进行广泛的比较研究，具有重要的教学意义。学生在研究过程中，可将有代表性的声音录制成DIS天籁声学教学软件识别的格式，不断丰富和扩展内置声库，并根据实验需要进行调用。

无论采用DIS声传感器还是DIS天籁声学教学软件，均可通过实时、直观地展示声波波形图线，较好地实现声学的可视化教学，扩展实验的范围，提高实验的质量。