基于智能手機軟件Phyphox在中學(xué)物理實驗應(yīng)用的研究
——以“聲音的特性”為例

洪 葉 高 雷

（蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

Phyphox（physical phone experiments）是由德國亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH Aachen University）第二物理研究所開發(fā)的一款免費的可支持Android及Ios系統(tǒng)的基于智能手機內(nèi)置傳感器的物理實驗軟件，［1］可通過移動端控制并以多種常用格式導(dǎo)出數(shù)據(jù)或計算機遠(yuǎn)程控制.本文基于智能手機軟件Phyphox的聲學(xué)部分（如圖1）進行初中物理“聲音的特性”實驗的研究，以期通過信息技術(shù)改進實驗方法，提高實驗效果.

圖1 Phyphox軟件聲學(xué)部分界面

1 探究響度的影響因素

1.1 探究響度與振幅的關(guān)系

蘇科版初中物理教科書中，通過鼓面上物體跳動的高度顯示鼓面振幅的大小，但物體的跳動時間極短不利于學(xué)生觀察分析瞬間某一狀態(tài)，并且只有響度相差較大時才能明顯觀察到物體跳動高度的變化，而利用智能手機軟件則可以直觀顯示振幅的大小，并將其定性化.

Phyphox軟件的“聲音振幅”功能可測量某處聲音的聲壓級并用其表示該處的聲音振幅，在其工作頁面中，橫軸表示時間，縱軸表示聲壓級，波形越突出表明振幅越大.打開Phyphox軟件，用“聲音振幅”功能記錄人發(fā)出聲音“一”時的振幅情況（實驗前需進行校準(zhǔn)使聲壓級顯示為正值），逐漸提高說話的音量，觀察振幅的變化情況（如圖2）.

圖2 振幅隨說話音量增大的變化情況

從定性觀察過渡至定量探究，實驗需3部智能手機，一部利用“音頻發(fā)生器”功能產(chǎn)生特定頻率的聲音，另兩部分別用“聲音振幅”及“音頻自相關(guān)”功能觀察聲壓級及振動波形圖的變化情況.將聲源的頻率設(shè)置為440Hz，實驗中調(diào)節(jié)手機音量，增大聲音響度，感受聲音響度變化的同時觀察其余兩部手機的數(shù)據(jù)變化情況（如圖3、圖4），并將觀察到的數(shù)據(jù)記錄至表1中，通過分析可知響度與振幅有關(guān)，振幅越大，響度越大.

圖3 聲壓級變化情況

圖4 振幅變化情況

表1 探究響度與振幅的關(guān)系

1.2 探究響度與傳播距離的關(guān)系

響度的大小由聲音接收處的波幅大小來體現(xiàn)，因此響度與傳播距離有關(guān).一部手機用“音頻發(fā)生器”功能發(fā)出頻率為440Hz的聲音，另一部手機用“音頻自相關(guān)”功能記錄振動波形圖的變化情況，逐漸增大兩部手機之間的距離，觀察振幅的變化情況，并將數(shù)據(jù)記錄至表2中.分析數(shù)據(jù)可知傳播距離越大，振幅越小，響度越小.

表2 探究響度與傳播距離的關(guān)系

1.3 探究響度與分散程度的關(guān)系

用自制的紙筒喇叭探究響度與分散程度的關(guān)系.［2］一部手機用“音頻發(fā)生器”功能發(fā)出頻率為440Hz的聲音，另一部手機用“音頻自相關(guān)”功能記錄有紙筒喇叭和無紙筒喇叭時的振動波形圖.如圖5、圖6所示，當(dāng)聲源的頻率、響度及傳播距離保持不變時，有紙筒喇叭時振動波形圖振幅更大，說明聲音的響度與分散程度有關(guān).

圖5 無紙筒喇叭

圖6 有紙筒喇叭

2 探究音調(diào)與頻率的關(guān)系

蘇科版初中物理教科書中，利用鋼質(zhì)刻度尺振動的實驗來探究音調(diào)與頻率的關(guān)系，但通過眼睛觀察刻度尺的振動快慢和利用耳朵辨別聲音的高低依靠主觀感受，誤差較大.本實驗中將尤克里里與智能手機軟件結(jié)合進行探究，尤克里里是四弦撥弦樂器，撥動琴弦可以發(fā)出聲音，且四根琴弦發(fā)聲的音調(diào)有明顯區(qū)別，智能手機軟件則可直接顯示振動頻率情況.

如圖7所示為尤克里里示意圖，從左往右依次為四弦、三弦、二弦、一弦，琴弦的粗細(xì)情況依次是較細(xì)、粗、較粗、細(xì).將智能手機靠近琴弦，按照琴弦由細(xì)到粗的順序依次撥動，用“歷史頻率”功能記錄頻率隨琴弦直徑增大的變化情況（如圖8），由圖像可知，隨著琴弦直徑的增大，頻率減小，音調(diào)變低.從定性觀察過渡至定量分析，“音頻自相關(guān)”功能可測量單個音調(diào)的頻率并顯示其波形圖，如圖9所示，記錄每根琴弦振動發(fā)聲時的頻率及波形圖，不同琴弦發(fā)聲的音調(diào)與頻率情況如表3所示.實驗前應(yīng)先對尤克里里進行調(diào)音，確保每根琴弦發(fā)出其對應(yīng)的基準(zhǔn)音高.

表3 探究音調(diào)與頻率的關(guān)系

圖7 尤克里里

圖8 頻率隨琴弦直徑增大的變化情況

圖9 不同琴弦振動發(fā)聲的頻率及波形圖

由以上數(shù)據(jù)分析可知，琴弦越細(xì)，振動頻率越大，波形越密集，音調(diào)越高；琴弦越粗，振動頻率越小，波形越稀疏，音調(diào)越低.

3 探究琴弦振動頻率的影響因素

由上述實驗可知，琴弦的粗細(xì)程度影響其振動頻率，琴弦越細(xì)，振動頻率越大，琴弦越粗，振動頻率越小.那么琴弦的振動頻率與琴弦的長度、松緊程度是否也有關(guān)？

3.1 探究琴弦振動頻率與琴弦長度的關(guān)系

以尤克里里的一弦為研究對象，依次按住尤克里里的一品、二品、三品、四品位置改變琴弦長度，撥動琴弦，并用“音頻自相關(guān)”功能記錄其頻率及波形圖，如圖10所示為不同長度的琴弦振動發(fā)聲時的頻率及波形圖，具體的數(shù)據(jù)記錄在表4中.分析可知，弦長越長，振動頻率越小，弦長越短，振動頻率越大.

圖10 不同弦長振動發(fā)聲的波形圖

表4 探究琴弦振動頻率與琴弦長度的關(guān)系

3.2 探究琴弦振動頻率與琴弦松緊程度的關(guān)系

通過調(diào)節(jié)尤克里里的弦鈕可以改變琴弦的松緊程度.如圖10、圖11所示為“音頻自相關(guān)”功能記錄的尤克里里的一弦在較松和較緊兩種狀態(tài)下振動發(fā)聲的頻率情況.當(dāng)琴弦較松時，振動頻率較小；當(dāng)琴弦較緊時，振動頻率較大.

圖11 琴弦較松

圖12 琴弦較緊

上述實驗也可選擇裝有不同高度水的玻璃瓶進行研究，在探究音調(diào)與頻率關(guān)系的同時探究水量對頻率的影響，還可以指導(dǎo)學(xué)生進行水瓶琴的制作，在實踐活動中深入理解音調(diào)與頻率的關(guān)系.

4 聲音的音色

不同的發(fā)聲體由于材料及結(jié)構(gòu)的不同，發(fā)出聲音的音色也不同，具體體現(xiàn)在波形的差異.用手機軟件可以模擬不同樂器的聲音，一部手機分別發(fā)出音量相同、音階相同（C4）的吉他與古典大鋼琴的聲音，另一部手機用Phyphox軟件的“音頻自相關(guān)”功能記錄兩次聲音的波形圖，如圖13、圖14所示，當(dāng)音調(diào)與響度相同時，吉他與古典大鋼琴的聲音波形圖并不相同.

圖13 吉他

圖14 古典大鋼琴

本文針對Phyphox軟件在“聲音的特性”實驗應(yīng)用的研究，利用智能手機輔助物理實驗教學(xué)，不僅能有效解決使用常規(guī)手段在實驗教學(xué)中遇到的問題，又能將定性實驗定量化、定量實驗精確化、抽象問題可視化等，進一步提升實驗教學(xué)效果和學(xué)生對實驗原理的理解力.通過現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)化實驗方法、改進物理實驗教學(xué)方式，對推進教學(xué)改革、提高教學(xué)質(zhì)量具有積極意義.