多功能音響系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在多層次教學(xué)中的應(yīng)用研究

夏銀橋，汪小燕，陳 林

(華中科技大學(xué) 電子信息與通信學(xué)院,武漢 430074)

0 引 言

目前，高等教育實(shí)施以?xún)?yōu)秀人才培養(yǎng)為目標(biāo)的精英教育與以滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)多樣化需求為目標(biāo)的大眾化教育成為高等教育發(fā)展的主旋律[1-2]。隨著我校教學(xué)改革的不斷深入，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法不斷革新，堅(jiān)持以學(xué)生為中心，充分考慮每一個(gè)學(xué)生的個(gè)體差異，給所有學(xué)生以充分發(fā)揮的機(jī)會(huì)來(lái)達(dá)成學(xué)習(xí)成果[3-4]。如何提高學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)提高綜合實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可忽視的問(wèn)題[5]。

我校電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)示范中心積極為學(xué)生創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，在電子線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)立基礎(chǔ)驗(yàn)證性、綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在課程中引入多層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，提升學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力[6-7]。本文主要從音響系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 、教學(xué)設(shè)計(jì)與引導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)評(píng)估等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹音響系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在多層次教學(xué)中的應(yīng)用研究。

1 實(shí)驗(yàn)課程簡(jiǎn)介

我校的“電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試”課程是國(guó)家級(jí)精品課程，依托電工電子國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)示范中心，采用全開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要包括實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)時(shí)間場(chǎng)地以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)放。實(shí)驗(yàn)課程包括模擬和數(shù)字電路的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等多個(gè)層次，是面向我校電子信息大類(lèi)及其他相關(guān)學(xué)院的平臺(tái)基礎(chǔ)課程。課程涉及眾多相關(guān)院系，課程學(xué)時(shí)及內(nèi)容差異較大，學(xué)生的期望各不相同，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在安排時(shí)，保留必要的基礎(chǔ)類(lèi)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，結(jié)合不同專(zhuān)業(yè)、不同層次的學(xué)生，加強(qiáng)綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，充分激發(fā)學(xué)生探索與創(chuàng)新的興趣。開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以及多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對(duì)于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)能力都具有至關(guān)重要的作用[8-10]。

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)課程由“教師講，學(xué)生照教師詳盡的實(shí)驗(yàn)步驟做”的教學(xué)模式，學(xué)生做了許多實(shí)驗(yàn)，但離開(kāi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)步驟和電路原理參數(shù)圖，則難以按照實(shí)驗(yàn)需求自主完成實(shí)驗(yàn)。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中學(xué)生只是掌握了一些簡(jiǎn)單的操作方法，而對(duì)學(xué)生將理論原理知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐工程電路所具備的綜合能力還相差較遠(yuǎn)[11]。為了改變這種狀況，在課程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行較簡(jiǎn)單的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及基本原理

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)運(yùn)用數(shù)字和模擬電子技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)生活和工程實(shí)際問(wèn)題的綜合性實(shí)驗(yàn)，需要掌握電路仿真、信號(hào)幅度放大、信號(hào)頻率調(diào)理、功率放大等相關(guān)知識(shí)，需要靈活運(yùn)用系統(tǒng)整機(jī)布局、電路搭建、系統(tǒng)調(diào)試的工程實(shí)踐技能。學(xué)生根據(jù)所學(xué)的電路理論及電子線(xiàn)路技術(shù)基礎(chǔ)的知識(shí)，采用以集成運(yùn)算放大器和低頻功率放大器為主要器件，設(shè)計(jì)音樂(lè)放大系統(tǒng)，要求具有話(huà)筒前置放大、混合放大、音調(diào)控制、音量控制、功率放大等功能。

2.1 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由話(huà)音前置放大器、混合(混響)放大器、音調(diào)控制放大器、彩燈控制器、功率放大器組成，根據(jù)各級(jí)的功能及技術(shù)指標(biāo)要求合理分配電壓增益，分別計(jì)算各級(jí)電路參數(shù)，通常從功放級(jí)開(kāi)始向前級(jí)逐級(jí)計(jì)算。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，音響放大器的輸入為5 mV時(shí)，輸出功率0.5 W，總電壓增益AvΣ=Uo/Ui≥600倍(56 dB)，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[12]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與論證

話(huà)筒前置放大、混合放大、音調(diào)控制放大級(jí)采用集成運(yùn)算放大器，常用運(yùn)放有HA741、NE5532、LM324；常用的集成低頻功率放大器有LM380、LM386、LA4102。

圖1 多功能音響系統(tǒng)框圖

HA741與LM324的性能參數(shù)接近，NE5532是低噪聲運(yùn)放，且NE5532的單位增益帶寬(BW=10 MHz)、轉(zhuǎn)換速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于HA741和LM324。由于多級(jí)放大各級(jí)信號(hào)會(huì)互相產(chǎn)生干擾，合理布線(xiàn)是減小信號(hào)干擾比較好的方法，HA741是單運(yùn)放芯片，每一級(jí)各用一個(gè)HA741導(dǎo)致電路元件增多，電路面積增大，既不美觀(guān)也不經(jīng)濟(jì)。LM324是四運(yùn)放集成電路，NE5532是雙運(yùn)放芯片，芯片少結(jié)構(gòu)緊湊，占用電路面積小，不僅美觀(guān)而且經(jīng)濟(jì)。因此話(huà)筒前置放大、混合放大、音調(diào)控制放大級(jí)采用LM324或NE5532。

考慮駐極體話(huà)筒的輸出阻抗高，前置放大器采用同相放大器；混合放大采用反相比例加法器；音調(diào)控制級(jí)采用由運(yùn)放構(gòu)成的反饋型有源濾波器；音量彩燈采用多個(gè)電壓比較器，由音量的大小控制彩燈；音調(diào)彩燈可以采用低通、帶通、高通濾波器，來(lái)實(shí)現(xiàn)由音頻控制彩燈。功放LM380、LA4102是雙列直插14腳芯片，自帶散熱片，輸出功率較大，但體積較大；LM386只有8個(gè)引腳，外界元件很少，靜態(tài)功耗低，廣泛應(yīng)用于便攜式音響設(shè)備[13]。

2.3 音調(diào)控制

音調(diào)控制主要是控制調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性。常用的音調(diào)控制電路有3種：①衰減式RC音調(diào)控制電路，基調(diào)范圍較寬，但容易產(chǎn)生失真；②反饋型電路，其調(diào)節(jié)范圍小一些，但失真小；③混合式音調(diào)控制電路，其電路較復(fù)雜，多用于較高級(jí)音響。為了使電路簡(jiǎn)單、信號(hào)失真小，采用反饋型音調(diào)控制電路。

音調(diào)控制器只對(duì)低頻與高頻信號(hào)的增益進(jìn)行提升與衰減(±20 dB)，中頻信號(hào)增益保持0 dB不變。因此，音調(diào)控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構(gòu)成。將這兩種電路形式組合在一起就可以得到一個(gè)完整的反饋型音調(diào)控制電路，如圖2所示[14]。

2.4 卡拉OK混響設(shè)計(jì)

卡拉OK電子混響器是用電路模擬聲音的多次反射，產(chǎn)生混響效果，混響增加聲音的深度和廣度，使聲音聽(tīng)起來(lái)顯得更厚實(shí)有立體感，能讓音色更豐滿(mǎn)。三菱的M65831是數(shù)碼混響延遲芯片，混響延遲時(shí)間可由4位撥碼開(kāi)關(guān)手動(dòng)控制，延遲時(shí)間可從12.3～196.6 ms選擇。M65831是普及型的消費(fèi)產(chǎn)品，價(jià)格低，應(yīng)用簡(jiǎn)單，混響效果很好，推薦使用。性能指標(biāo)更高一些有三菱的M65830和雅馬哈的YSS216，數(shù)字延遲數(shù)碼回聲的效果要更好些，多用在專(zhuān)業(yè)級(jí)的卡拉OK機(jī)中做數(shù)字混響芯片。

圖2 反饋型音調(diào)控制電路

3 多層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生潛能

音響系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)將相關(guān)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行了融合，軟、硬件結(jié)合，為學(xué)生提供一個(gè)綜合工程實(shí)踐平臺(tái)，有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體把握能力，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用多門(mén)課程知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路搭建、電路測(cè)量和系統(tǒng)調(diào)試，提升其綜合運(yùn)用電路理論和電子線(xiàn)路技術(shù)等知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。在教學(xué)過(guò)程中將該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成基本要求、提高拓展和創(chuàng)新3個(gè)層次，對(duì)各個(gè)層次實(shí)驗(yàn)給出了相應(yīng)的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 音響系統(tǒng)的基本層次要求

該實(shí)驗(yàn)涉及本課程的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生在基本層次中要掌握集成運(yùn)算放大器芯片的參數(shù)指標(biāo)，加以靈活運(yùn)用，需要確定各級(jí)電路的放大倍數(shù)和電路元件的具體參數(shù)，以及前后級(jí)間的耦合與阻抗匹配，低頻功率放大器的抗干擾設(shè)計(jì)等。

實(shí)驗(yàn)的基本要求包括：①話(huà)筒前置放大，放大器的作用是不失真地放大聲音信號(hào)，實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換,混合放大;②將播放器輸出的音樂(lè)信號(hào)與話(huà)筒的聲音信號(hào)混合放大；③音頻功率放大(簡(jiǎn)稱(chēng)功放)，給音響系統(tǒng)的負(fù)載(揚(yáng)聲器)提供一定的輸出功率，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號(hào)的非線(xiàn)性失真盡可能地小，效率盡可能高。這一層次的成績(jī)根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成的具體情況得到該實(shí)驗(yàn)滿(mǎn)分為10分的基本分?jǐn)?shù)。

3.2 提高拓展層次要求

在完成實(shí)驗(yàn)的基本要求基礎(chǔ)上，在教師引導(dǎo)下，學(xué)生進(jìn)一步通過(guò)MOOC課程、網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)、教材等資料的學(xué)習(xí)，制定一個(gè)或多個(gè)音響系統(tǒng)功能的拓展方案，通過(guò)師生互動(dòng)確認(rèn)合理方案。

相對(duì)于音響系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基本要求，音響系統(tǒng)功能的提高拓展對(duì)相關(guān)學(xué)科知識(shí)要求的掌握有更多的要求，目前學(xué)生完成的拓展項(xiàng)目主要有5個(gè)。①按照音樂(lè)頻率高低來(lái)控制一組LED彩燈的顯示，提高音樂(lè)的視覺(jué)感受；②按照音樂(lè)音量的大小控制一組LED彩燈的顯示，提高音樂(lè)的視覺(jué)感受；③音調(diào)控制，控制、調(diào)節(jié)音響放大器的幅頻特性，音調(diào)控制器只對(duì)低音頻與高音頻的增益進(jìn)行提升與衰減，中音頻的增益保持0 dB不變；④卡拉OK混響，混響增加聲音的深度和廣度，使聲音聽(tīng)起來(lái)顯得更厚實(shí)有立體感、音色更豐滿(mǎn)；⑤雙通道立體聲音響系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，使音樂(lè)有較強(qiáng)的立體感。這一層次的成績(jī)根據(jù)學(xué)生拓展功能完成的數(shù)量和質(zhì)量，教師給予2～5分的實(shí)驗(yàn)拓展加分。

3.3 創(chuàng)新發(fā)揮層次要求

在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)層次階段，學(xué)生自主選擇電路實(shí)現(xiàn)方法，自主發(fā)揮創(chuàng)新，可以是具體電路實(shí)現(xiàn)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，也可以是實(shí)驗(yàn)功能和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該層次的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和基本科研素養(yǎng)，作為開(kāi)展實(shí)戰(zhàn)型的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)和科研創(chuàng)新訓(xùn)練基礎(chǔ)[15-16]。

在該層次的學(xué)生獨(dú)立完成查閱資料、擬定實(shí)驗(yàn)方案和步驟，在這個(gè)過(guò)程中教師負(fù)責(zé)輔助指導(dǎo)與審核。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中切實(shí)體會(huì)到學(xué)生的創(chuàng)新能力是沒(méi)有窮盡的，只有想不到?jīng)]有學(xué)生做不到的。學(xué)生們的電路具體實(shí)現(xiàn)方案的創(chuàng)新層出不窮，如音頻控制LED燈的實(shí)現(xiàn)方法就有很多，有采用低通、高通、帶通濾波方案，有采用多個(gè)低通(或者高通)濾波器的方案，也有采用頻率轉(zhuǎn)換為電壓的方案等。音樂(lè)彩燈圖形的創(chuàng)新也是多樣性的，有的學(xué)生采用三維立體3D輻射LED圖形顯示，還有采用高亮LED球體多維度顯示，更有同學(xué)實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)噴泉，從不同方式不同角度展示音樂(lè)的視覺(jué)效果。在創(chuàng)新發(fā)揮層次，學(xué)生有創(chuàng)新的項(xiàng)目教師即可給予3～5分的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新加分。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)由多個(gè)單元電路組成，是一個(gè)多層次的綜合性實(shí)踐項(xiàng)目，有基本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求，也有能力提升實(shí)驗(yàn)加分的系統(tǒng)拓展和創(chuàng)新要求，實(shí)驗(yàn)課時(shí)根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)設(shè)置為8～12學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生經(jīng)歷方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路仿真、電路搭建與測(cè)試、整機(jī)調(diào)試、干擾消除等過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)。

在預(yù)習(xí)階段，教師提前2周在課堂上布置并簡(jiǎn)單講解實(shí)驗(yàn)要求，重點(diǎn)介紹系統(tǒng)框圖、電壓增益的合理分配、前置放大器、功放電源濾波等電路的設(shè)計(jì)方法。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)教材、PPT課件和MOOC網(wǎng)站相關(guān)視頻的學(xué)習(xí)，結(jié)合自己的能力、興趣等特點(diǎn)選擇多層次的實(shí)驗(yàn)方案，并提前基本完成系統(tǒng)框圖和各單元電路的設(shè)計(jì)，對(duì)電路進(jìn)行軟件仿真分析驗(yàn)證。

在課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)階段，教師重點(diǎn)講解電路搭建的布局布線(xiàn)、測(cè)量調(diào)試的規(guī)則與方法，重點(diǎn)講解功放電路電源的濾波，以及功放對(duì)前級(jí)電路干擾的排除方法；教師隨時(shí)督促指導(dǎo)學(xué)生正確完成實(shí)驗(yàn)。在電路搭建中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電路進(jìn)行合理布局、布線(xiàn)。在測(cè)量調(diào)試中，引導(dǎo)學(xué)生將理論和實(shí)踐相結(jié)合，明確系統(tǒng)各性能參數(shù)的含義及正確測(cè)試方法；根據(jù)實(shí)際電路有效減小級(jí)間干擾，進(jìn)行整機(jī)聯(lián)調(diào)。

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收階段，采用定量和定性?xún)煞N驗(yàn)收方式，定量驗(yàn)收用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，測(cè)量整機(jī)性能指標(biāo)；定性驗(yàn)收采用話(huà)筒和線(xiàn)路輸入音樂(lè)，鑒賞系統(tǒng)的音質(zhì)以及視覺(jué)效果感受。組織實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?yōu)秀的學(xué)生以演講、答辯、評(píng)講的方式進(jìn)行交流，了解不同解決方案及其特點(diǎn)，進(jìn)一步拓展學(xué)生們的視野和知識(shí)面。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)音響系統(tǒng)3個(gè)層次的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，軟、硬件結(jié)合，打破了各課程界限，學(xué)生充分運(yùn)用了電路理論及電子線(xiàn)路技術(shù)基礎(chǔ)等學(xué)科的理論知識(shí)，以及本實(shí)驗(yàn)課程掌握的實(shí)驗(yàn)技能知識(shí)，并將其進(jìn)行了有機(jī)融合，同時(shí)讓學(xué)生獲得學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)有興趣有能力的學(xué)生能滿(mǎn)腔熱情積極主動(dòng)發(fā)揮他們的創(chuàng)新能力，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和整體調(diào)試能力。

該實(shí)驗(yàn)豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果、激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、拓展了學(xué)生知識(shí)面，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同學(xué)們對(duì)該實(shí)驗(yàn)充滿(mǎn)了熱情，是他們最喜歡、收獲最多、最難忘的實(shí)驗(yàn)。