“看到的”聲音
——聲音三特性演示實驗設計及優化

張海洋

(睢寧縣雙溝中學 江蘇 徐州 221212)

聲音是人類從外界獲取信息的一種重要方式；但人類更擅長用眼睛獲取外界信息.所以如何把聲音這種聽覺實驗與視覺實驗結合起來是這個演示實驗的一個亮點．

為了讓學生看到聲音的振幅(波形)和頻率的大小，可以借助實驗室中的“J2224-2型音頻信號發生器”(以下簡稱“音頻信號發生器”)和“J2459型示波器”(以下簡稱“示波器”)，音頻信號發生器可以測量出聲音的頻率，示波器可以顯示聲音的波形．這樣就能實現聽覺實驗與視覺實驗相結合．

1 實驗設計目的

(1) 讓學生既能聽到聲音，同時又能看到聲音的波形，也能測出聲音頻率.

(2) 演示聲音的音調與頻率的關系.

(3) 利用外測信號演示聲音的響度與振幅的關系.

2 實驗設計原理示意圖

圖1 顯示聲音實驗原理圖

3 實驗設計所用器材

聲源(音叉、大鼓、收錄機等)，聲音信號采集器(VCD機附帶的話筒)，音頻信號發生器和示波器．

4 實驗設計的制作與操作步驟

4.1 導線的制作

先制作圖1中Ⅰ號導線：把VCD機附帶的動圈式話筒的導線插頭改成φ3.5 mm的單孔插頭．Ⅱ號導線的制作：用一個φ3.5 mm的單孔插頭和兩個鱷魚夾做一條導線，導線選用金屬屏蔽線，屏蔽線的A端芯線接單孔插頭的芯線，A端的屏蔽線接單孔插頭的地線；B端的芯線和屏蔽線分別連接一個鱷魚夾．

4.2 導線的連接

把話筒插入“音頻信號發生器”后面板上的“外測頻輸入”孔內．Ⅱ號導線的A端即φ3.5 mm的插頭插入音頻信號發生器后面板上的“正弦功率輸出”孔內；B端連接芯線的鱷魚夾連接到示波器上的“Y軸”，另一個鱷魚夾連接示波器的地線．

4.3 J2459型示波器的調節

(1) 開機3～5 min，對示波器預熱．

(2)把衰減擋撥至1，X和Y增益擋撥至最小，掃描范圍擋最小．

(4)調節X增益，會看到亮斑從左往右快速閃動(掃描)，X增益旋鈕旋轉的角度越大閃動得越長，甚至會超出屏幕．若此時把掃描擋換成“×100～1 k擋”，則亮斑變成亮線從左往右快速閃動；然后再逐漸調節Y增益，則亮線會逐漸變粗，直至變成一條波形并從左往右快速閃動；接著調節頻率微調旋鈕，則閃動波形或亮線變為靜止，這樣示波器就調節完成，可以使用了．

4.4 聲音和波形及頻率的同步性演示

打開器材開關，從話筒輸入聲音信號就可以在示波器上看到該信號的波形．聲源不同，波形不同．若波形不穩定或雜亂可以調節頻率掃描范圍旋鈕和掃描微調旋鈕，直至波形穩定．

觀察波形的同時，可以從音頻信號發生器上讀出該輸入信號的頻率，耳朵能聽到聲音，即實現了聲音、波形和頻率三者的同步性．

4.5 對音調與頻率關系的演示

演示完同步性實驗后，拔掉話筒，利用音頻信號發生器自身產生的音頻信號結合示波器演示音調與頻率的關系.最好采用200 Hz～2 kHz的波段．

通過實驗可以看到頻率越大，波形越密，聲音聽起來越刺耳．

4.6 對響度與振幅關系的演示

對著話筒發出“啊”(a)的聲音，使聲音的響度逐漸變小，會看到示波器上的波形即振幅逐漸變小，但是頻率不變．

5 實驗設計優點

通過實際操作可以發現本實驗設計最大優點：實現了聲音、波形和頻率的同步展示．

6 實驗設計不足

6.1 背景雜波太多

外測信號時(演示4.4節和4.6節)示波器上出現太多的背景雜波.在增加Y軸增益時，示波器屏幕上本應該顯示一條亮而細的光線，卻變成一條約6 mm寬的雜亂波形，從音頻信號發生器上可以看出雜波的頻率在5 kHz-32 kHz范圍內．如果再把音頻信號發生器前面板上的“正弦波幅度”擋調得大一些，則示波器上的波形更雜亂，振幅甚至超出示波器屏幕的邊界．

6.2 頻率顯示滯后

音頻信號發生器對“外測信號”的頻率顯示稍有滯后，滯后時間約2 s以上．例如，筆者對著話筒說話，會看到示波器上的波形頻繁變化，音頻信號發生器顯示的頻率數字也是不斷地變化，導致學生無法確定波形和頻率是否同步對應，也無法讀出波形對應的頻率．

7 實驗設計改進

通過多次實驗探索，對不足進行如下改進.

7.1 背景雜波的處理

在輸入端即話筒連線上并聯一個2.5～3.5 μF(2個或3個10 μF電容串聯即可)的電解電容．這個電容起到“旁路電容”的作用．旁路電容把較高頻率的音頻背景雜波信號由電容接地，而輸入的低頻信號不通過電容，正常的輸入音頻信號發生器和示波器．

實驗時，就可以看到示波器上雜亂波形不見了，只有一條亮線；同時音頻信號發生器上顯示的頻率為1，而不是5 kHz～32 kHz范圍內的某個數字．

7.2 頻率顯示滯后的處理

可以對著話筒持續的發出“啊(a)音”約3 s以上，就可以看到穩定的波形和對應的頻率數字．

演示實驗是配合課堂教學講授或討論而進行的實驗，具有現象直觀、效果明顯的特點．通過上述的實驗設計可以達到讓學生聽覺神經與視覺神經同時活動，充分調動學生的大腦興奮區，提高學習效率，激發實驗探究的興趣．