数字化实验系统：促进声学实验教学量化

DIS声传感器和DIS天籁声学教学软件引入声学实验教学后，不仅改变了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了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DIS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DIS天籁声学教学软件，选用双窗口显示，两窗口均使用音频发生器模式。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，发现两个窗口所发出的音调、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2—9—5）。

图2—9—5　两声音音调相同但响度有异

双管齐下—研发中心给出的声现象可视化的解决方案：

DIS在声现象可视化的过程中，经历了两个阶段。第一个阶段是通过DIS声传感器配合数据采集系统及上位机软件，实现了对声波的采集和显示；第二个阶段是通过DIS“天籁”声学软件，直接借助计算机声卡，实现了对声现象的图形化分析。两者技术路线虽有不同，但都体现了将信息技术应用于教学实践的智慧，最终殊途同归且互为补充。这里面特别要提到的是后者—“天籁”声学软件的开发思路，即借助计算机声卡已具备的声信号采集、处理的强大功能，绕过DIS已经成型了的“传感器+数据采集器”的技术路线，在自我否定和超越中形成了更为简洁有效的解决方案。DIS“天籁”声学软件的成功极大地鼓舞了研发中心，为随后积极实施思维转化、利用一切有效技术手段为实验教学服务奠定了坚实基础。

进入单窗口显示，上下拖动窗口右侧的“幅度”滚动条，可听到声音由强到弱，再由弱到强的连续变化。

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。

引申：向学生介绍著名影片《海上钢琴师》里的一个经典镜头—钢琴师弹奏完了一曲高难度的爵士钢琴曲之后，用连续振动以致热得发烫的钢琴琴弦给自己点上了一支烟！与学生讨论其中的道理。

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，说明声音的能量比较大，听起来就响。声音的能量大，说明声源消耗或转化的能量多。这个实验能够让学生，尤其是初中生从振动和能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DIS天籁声学教学软件，选用双窗口显示，两窗口均使用音频发生器模式。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1 000Hz和500Hz[图2—9—6（a）]。

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。

图2—9—6　两声音振幅相同，但音调差异显著

善于捕捉需求才能最终满足需求—DIS“天籁”声学软件的开发缘起：

DIS“天籁”声学软件在声学实验教学方面确有独到之处，尤其是对于刚刚接触声学知识的初中生来说，该软件通过清晰明了的声波图形，很好地诠释了声音三要素—音调、响度和音色背后的物理意义，因此获得了广大一线教师的喜爱。该软件的开发，始自物理教学专家、人教社初中物理教材原主编杜敏老师的一个提议：能否用相对于使用DIS声传感器及通用软件进行手动调节的使用模式来说更简单的方法，侧重于声音三要素的教学要求，为初中声学教学排忧解难？杜老师说者有意，我们作为听者更有心。所以当我们潜心钻研近一年时间搞出了DIS“天籁”声学软件之后，杜老师立即给予了高度评价，并通过人教社的教师培训体系，使该软件很快在全国物理教学界得到了推广使用。这一段从需求到实现的佳话已经被远大教科收录到其产品年鉴之中。其实，这只是研发中心十六年来倾听用户需求、努力将用户需求变为现实的诸多实例之一。但正是这些努力的多年延续，最终成为研发中心的优良传统。

拖动下方窗口“频率调节”滚动条，将发声频率调至2 000Hz[图2—9—6（b）]。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“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：音调是由声源振动的频率决定的。频率越高，音调就越高。反之越低。

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。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。(www.xing528.com)

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的。因为，声音还有另一个重要特性—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，就是要通过共鸣箱促进不同频率声音的产生，最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。但有了DIS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（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DIS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果相符。因而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2—9—7）。

图2—9—7　由音频发生器发出的单音（1 000Hz）的波形及频谱图线特征

图2—9—8　“中央C”声波波形及频谱图线（电子琴模拟钢琴音效）

从感性到理性—DIS“天籁”声学软件基于“音色”的实验对物理教学的贡献：

教育，是通过知识的传授让学生建立理性思维方法的重要手段。由上述定义也可以看出，建立理性思维是教育的目标之一。而所谓的理性思维，就是建立在证据和逻辑推理基础上的思维方式，是人类通过观察、比较、分析、综合、抽象与概括等方法，把握客观事物本质和规律的能力活动。与理性思维相对的是感性思维，指的是建立在人类主观感受之上的判断与表达，属于思维的初级阶段。

音色，本来是一个基于感性思维的定义，其定义就是人类对于某一声音产生的感觉特征，因此带有很强的主观性、随意性。但通过DIS“天籁”声学软件进行的音色实验，学生可以认识到音色与振动、基音、泛音之间的关系，进而理解不同音色的形成机理。这个实验虽小，但却是促进学生的思维方式从感性思维向理性思维跨越的重要阶梯—万物有理的认识将会由此形成。做和不做这个实验，对学生的成长发展来说区别很大。其实在当今中国，我们在感叹国民科学素质低下的时候，着实应该反思一下：这些国民在受教育的过程中，到底有没有认真做过物理实验！

将话筒接入计算机的声卡，沿用单窗口显示，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2—9—8）。钢琴声的波形图线是非正弦曲线，说明这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、1 100Hz、1 300Hz的泛音存在。也就是说，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。

图2—9—9　电子琴模拟的四种乐器的声波波形及频谱图线

图2—9—10　使用朗威®天籁声学教学软件进行各种声音音色的比较研究

将电子琴的音效转为不同乐器，按下“中央C”键，记录各种音效的声波和频谱图线（图2—9—9）。组织学生针对多种乐音的声波和频谱图线加以比较（图2—9—10），可加深对音色成因的理解和认识。

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只，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。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的。

引入DIS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，更是突破了传统声学实验的一大难关。

成功与遗憾—DIS声学解决方案简评：

继DIS“天籁”声学软件开发完成之后，研发中心又通过整体的硬件升级（V7.0、V8.0），将旧版的DIS声传感器的功能进行了系统提升。具体表现为：声传感器的单通道传输频率由旧版的10k升级到20k，能够支持同时使用四个声传感器进行并行采集，且能够保证四个传感器采集到的声信号都能够得到实时显示和准确还原。到目前为止，这仍是国内数字化实验的顶级水平。

随后，研发中心又推出了DIS声级传感器，并扩展了利用该传感器监测环境噪声指数的应用。尽管取得了不少成绩，但平心而论，相比于力学、电学和热学实验，DIS在声学实验手段的丰富性方面，还是略显不足的。究其原因，还是源于教学需求本身不够强劲。在课标和教材层面，声学内容本身没有成为物理教育的重点，其相关实验没有得到足够的重视。研发中心虽不满足于上述成果，但也不能脱离教学需求做更多的扩展研究。这不能不说是一个遗憾。