利用錄音軟件設計聲音傳播速度的創新探究活動

顧維

摘 要：本文介紹一種利用計算機錄音軟件測量聲速的實驗方法，并由此設計適用于初中物理學習的綜合探究活動方案.學生在探究活動中對聲音在不同介質中傳播的快慢進行定性分析和對空氣中的聲速進行定量測量.

關鍵詞：聲速;綜合實踐活動;聲音的傳播

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）16-0038-02

作者簡介：顧維（1979-），女，江蘇南通人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理實驗研究.

蘇科版初中物理教材在介紹聲音在空氣中的傳播速度時，從“聲音的傳播需要時間嗎？”這個問題出發，引導學生思考在百米賽道終點處為何先看到“白煙”，一段時間后才聽到槍響，繼而引出聲音的傳播需要時間，但是教師在實際教學中對于“聲速為340m/s”這一知識往往是直接告訴學生，在平時練習中需要用到聲速進行距離的計算時，學生也只是機械地記住這個數值.隨著各種電子設備的使用，傳統發令槍的使用越來越少，生活中這類能直觀反映聲音傳播需要時間的例子也不多.因此需要教師設計一組符合初中生認知規律的、簡單易行的實驗，開展有關聲音傳播快慢的自主探究活動.

傳統的聲速測量主要有相位比較法、振幅極值法、時差法等.前兩種方法的原理涉及到難度較高的機械波的相關知識，很顯然不適合初中生使用.課本上提到的在百米終點處測量看到“白煙”和聽到槍響的時間差法需要在操場進行，對計時器的精度要求比較高，同時存在人為反應誤差，不適合作為學生自主探究的分組活動.筆者利用計算機錄音軟件同時采集兩個聲道信號的方法進行聲速探究活動的設計，可以很好地解決上述問題，并依次進行“聲音的傳播需要時間”“不同介質中的聲速”“測量空氣中的聲速”等探究活動.

1 聲音采集的原理

實驗選用最常見的3.5mm接口動圈式有線耳機，其兩個耳塞是兩路獨立的聲道電路.把耳機插入電腦錄音孔（MIC）內，外界聲波引起兩個耳塞的振動膜振動，產生的電信號傳入聲卡被記錄.如筆記本電腦沒有單獨的錄音接口，則可以使用外置USB聲卡（如圖1所示）.

打開“Gold Wave”（或其他錄音軟件，如Cool Edit等）點擊錄音，可以看到兩個耳塞采集到的聲音信號被同時分別記錄到左右兩個聲道中（部分操作系統默認單聲道錄制，可在系統注冊表和錄音屬性中修改），通過信號增益、時間軸放大，可以看出兩路信號的微小差異，經過數據分析處理后得出聲音傳播的特性（如圖2所示）.

2 實驗聲源的選擇

因為耳機作為錄音元件錄制到的電頻較低，本實驗采用的聲源需要響亮、短促、振動單調，這樣得到的波形相對簡單，便于尋找對應的振動信息點.經過多次實驗，筆者選用兩個木塊敲擊，振動的特性基本滿足上述要求，同時器材簡單，便于學生操作.

3 探究活動的設計

活動一 觀察聲音的傳播需要時間

把兩股耳機線分開，使兩個耳塞間距拉長，取一把木質米尺，用膠帶把耳機貼在米尺上相距60-80cm的地方，耳塞面朝上放置，耳塞與木尺間可以墊上一小塊軟墊.

對比實驗一：在兩個耳塞的中點位置或中垂線位置上敲響木塊，記錄波形（如圖3所示）.進行分析比較：此時因為兩個耳塞到聲源的距離相等，所以觀察放大后的兩個波形，發現幾乎同時開始振動，并未出現明顯的時間差，振幅也基本相同，說明聲音同時傳到兩個耳塞（如圖4所示）.

對比實驗二：在兩只耳機的外側延長線上敲擊木塊（如圖3所示），再記錄并分析比較兩個聲道的波形，放大圖像，可以觀察到兩個聲道波形的振動起點存在一定的時間差（如圖5所示）.通過兩次對比實驗，很容易得出這個時間差就是因為聲音傳播距離不同引起的，也就是說聲音的傳播需要時間.距離聲源較近的耳塞接收到聲波的時間短，而且振動幅度大;聲音傳播到較遠耳塞所需的時間長，且振幅小.通過本組探究活動，學生可以直觀地感知聲音的傳播需要時間.

活動二 聲音在固體中傳播的速度比在空氣中快

在上述活動的基礎上，將耳塞面朝下，緊貼在木尺表面，距離保持和活動一中相同，用膠帶固定住.實驗時在耳塞延長線上用一個木塊敲擊木尺的一端，此時木塊敲擊木尺發出的聲波通過木尺傳向兩個耳塞.學生對采集到的左右聲道波形與活動一的圖像進行對比發現：對應振動的時間差明顯變小，探究活動得出聲音在木頭中的傳播速度比空氣中快（干松木理論傳播速度為500m/s，木尺實測數據約540m/s）.

拓展實驗：聲音在鋼鐵中的傳播速度如何？只需要把木尺換成一根鋼棒進行實驗，結果幾乎看不到時間差，說明聲音在鋼鐵中的傳播速度遠遠大于在空氣和木尺中的傳播速度（鋼鐵中理論聲速為5400m/s）.

活動三 測量聲音在空氣中的傳播速度

將兩個耳塞拉開，振動膜中心間距70cm，在一側延長線上用力多次敲擊木塊，同時打開錄音軟件錄制聲音.在軟件中點擊音量調節滑塊，放大波形的振幅，再將波形圖沿時間軸放大，選擇波形清晰的幾次敲擊.拖動鼠標精確選擇兩列波對應的振動位置，點擊軟件的“設數”按鈕即顯示起始時刻并計算時間差（如圖6所示）.只要根據v=s/t這個簡單的公式，學生就可以求出聲音在空氣中的傳播速度.多次測量，求出當前環境下聲音在空氣中的傳播速度的平均值，并與理論值進行對比.筆者在間距0.7m得到的圖像和數據如圖6所示，測得聲速為346.5m/s.本實驗的結果接近于340m/s，因為實驗是在室溫接近20℃的環境下完成的，后面也可以進一步改進，研究聲速與溫度的關系、聲速和空氣濕度的關系.

4 反思

實驗在誤差允許的范圍內合理，實驗誤差主要來源于以下幾個方面：（1）發聲的位置，發聲的位置應該在兩耳機位置的連線上，這樣才能保證兩耳機間的距離就是聲源的距離差，否則會給實驗帶來較大的誤差;（2）每次敲擊發聲的品質不一樣，實驗過程中聲音加強位置是一個小區間，判斷加強點不精確;（3）室內溫度存在微小變化.

5 總結

學生“實驗經歷”和“知識傳授”獲得的體驗是截然不同，使用耳機錄制聲音的方法原理簡單、器材易得，不需要做任何改裝且成本低廉，而且該設計測量方法可靠，數據計算結果比較理想.上述綜合探究活動可以在教室里以2-4人的學習小組開展，也可以作為課后自主探究活動.學生通過活動，能夠清晰地看到波形圖，了解不同物體的波形圖不同.通過對不同位置接收到的聲波進行放大對比，直觀地讓學生感知聲音傳播的快慢，更好地理解知識.還能在一定程度上增強學生對實驗的興趣，在和小伙伴們一起進行實驗的過程中，自身的觀察、動手、思維能力得到發展，體會到相互合作的樂趣，獲得成就感，有助于激發學生學習興趣，提升學生的科學核心素養.在初中物理教學中演示該實驗，教學實踐表明效果較佳.

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（收稿日期：2021-04-26）