利用智能手機顯示聲音的頻譜并探究聲壓級與距離的關系

鄧沛恩，程敏熙

(華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

《普通高中物理課程標準(2017版)》中列出了21個學生必做物理實驗，根據新課標的指引，學生必做實驗兼顧了各個板塊的內容，兼顧了必修課程以及選擇性必修課程. 但各個學校的實際情況不同，限于學校實驗室以及儀器的限制，不少實驗在各個學校中的普及仍需要一定時間.

本文以聲學實驗為例，應用智能手機設計了2個物理實驗：聲音的頻譜顯示以及驗證聲壓級隨距離衰減的規(guī)律. 其中，聲音的頻譜顯示可以作為課堂的演示實驗，其現象明顯、操作簡易、效果直觀，能夠激發(fā)學生的興趣與動機，培養(yǎng)學生的觀察能力[1]. 驗證聲強級隨距離衰減的規(guī)律可作為學生的課外實驗或者第二課堂中的實驗，可以培養(yǎng)學生的動手操作能力以及合作交流的能力.

1 Phyphox軟件中的聲學部分

Phyphox是一款基于移動電子設備的傳感器輸出軟件,目前在蘋果、安卓應用市場均已上架. Phyphox利用手機中搭配的傳感器，能夠精確地測量物理量. 在Phyphox初始界面中一共分為原始傳感器、聲音、力學、計時器以及工具5個大板塊. Phyphox在不同板塊中的測量均能將數據實時記錄并且以Excel或CSV的文檔格式輸出，同時，Phyphox還支持移動控制功能，實現了不同端的設備同時工作. 本文中介紹的2個實驗分別用到其中的”Audio Autocorrelation”、”Audio Amplitude”及”Generator”功能，顯示聲音的頻譜圖，測量聲音的響度，發(fā)出特定頻率的聲音.

2 聲音的頻譜顯示

聲音是由于物體振動產生的. 德國物理學家亥姆霍茲提出：響度、音調和音色是反映聲音特征的3個物理量[2]. 人們對于不同聲音具有不同的感知，是由于聲音的3要素的不同而造成的[3]. Phyphox中的音頻自相關功能能夠直接顯示聲音的頻譜圖，界面如圖1所示. 圖1中波峰的密集程度表示聲音的振動頻率，反映了音調的高低；波峰的高低表示聲音的振幅大小，反映了響度的大小；波形表示聲音的振動方式，反映了聲音的音色. 通過Phyphox中的音頻自相關功能得到聲音的頻譜圖，利用控制變量方法認知聲音的3要素. 另外，實驗通過智能手機檢測噪聲的頻譜圖，與樂器發(fā)出的聲音進行比對，得到各自頻譜圖的特點[4].

2.1 實驗步驟

1)在智能手機1中下載“庫樂隊”APP，在智能手機2中下載Phyphox.

2)為了便于觀察，將智能手機2的屏幕影像投屏到投影儀上. 打開手機中的Phyphox軟件，點開”Audio Autocorrelation”功能，點擊右上角的開始按鈕，進入實時檢測狀態(tài).

3)為了讓學生更加清晰地聽到聲音，將智能手機1連接音響，打開“庫樂隊”的吉他功能，首先撥動其中C4音階的琴弦，截屏記錄頻譜圖[如圖1(a)所示]；將聲音調小，撥動同一音階的琴弦，截屏記錄頻譜圖[如圖1(b)所示]；再撥動其中F4音階的琴弦，截屏記錄頻譜圖[如圖1(c)所示].

4)打開“庫樂隊”中的電子琴功能，彈奏其中C4音階的琴鍵，截屏記錄頻譜圖[如圖1(d)所示].

5)教師引導學生發(fā)出一些噪聲，截屏記錄頻譜圖[如圖1(e)所示].

(a)

2.2 實驗現象與分析

1)對比圖1(a)與圖1(b)，由于撥動的吉他琴弦音階相同，兩圖的波形與波峰數大致相同，但由于聲音的響度不同，導致圖1(a)中波峰高度對應的坐標數值比頻譜圖1(b)的大，說明頻譜圖1(a)波峰高度大于頻譜圖1(b).

2)對比圖1(b)與圖1(c)，由于響度相同，兩圖的波形與波峰高度大致相同，但由于聲音的頻率不同，導致圖1(b)中波峰數比圖1(c)的多.

3)對比圖1(b)與圖1(d)，由于音階與響度相同，兩圖的波峰數與波峰高度大致相同，但由于發(fā)出聲音的樂器不同，音色不同導致圖1(c)與圖1(d)的波形不同.

4)圖1(e)顯示，噪聲的頻譜圖與上述樂器的頻譜圖有本質的區(qū)別：噪聲的頻譜圖沒有重復性和規(guī)律性.

由此可以知道，通過控制變量，從頻譜圖中能夠清晰地辨別，不同響度、頻率以及音色對應的不同特點.

3 驗證聲壓級與距離的關系

3.1 實驗原理

在聲學中，聲壓定義為在有聲波傳播的空間中某點在某一瞬間的壓強p與沒有聲波時的壓強p0的差值[5]. 空氣中人聽到的最低聲壓約為2×10-5N/m2，稱之為標準聲壓p0ms. 若某處聲壓為pms，則定義聲壓級為

(1)

聲強與聲壓的關系為

Lp=Lw-10lg (4πr2),

(2)

對于特定的點聲源，其聲功率級Lw是一個定值.

聯立式(1)和式(2)得

(3)

3.2 實驗步驟

1)將手機1和2放在水平桌面上，將手機1的揚聲器與手機2的麥克風孔正對.

2)打開手機1的Phyphox軟件，打開Generator功能，頻率調至任意固定值，點擊右上角的開始按鈕，手機音量調至最大.

3)打開手機2的Phyphox軟件，打開”Audio Amplitude”功能，點擊右上角的開始按鈕，手機開始檢測聲音的聲壓級.

4)調整手機1和2的位置，使手機1的揚聲器與手機2的麥克風孔距離r1為5 cm，待界面讀數穩(wěn)定后，記錄聲壓級數值L1.

5)調整兩手機間的距離r2，每次增加5 cm，分別記錄聲壓級數值L2.

3.3 實驗記錄與處理

在與聲源距離r1為5 cm處測得聲壓級數值L1為-26.3 dB，表1為實驗中記錄的與聲源不同距離r2處的聲壓級數值L2.

表1 L2實驗記錄表

圖擬合圖線

從圖2可知：

(4)

與式(3)中的斜率k0=-20，r1為5 cm處測得的聲壓級數值L1=-26.3 dB對比，可知斜率的相對偏差為3.87%,截距的相對偏差為4.18%. 上述計算結果得到的誤差均在5%之內，驗證式(3)成立.

4 結束語

以上2個聲學實驗顯示，利用智能手機做物理實驗具有精確度較高、現象直觀、儀器簡單、操作簡便等特點[6]，將智能手機引入中學物理教學課堂能夠解決部分地區(qū)教學儀器不足的問題，提高中學物理課堂效率，使課堂教學符合學生的認知規(guī)律. 但是目前智能手機在物理教學中的應用還不廣泛，部分實驗結合智能手機需要重新設計并且存在局限性，需要一定的開發(fā)時間.