動圈式揚聲器演示儀的設計、制作、改進與拓展

甘力丹 陳雨晴 謝倩如 滕閣 潘星志 牟曉宇 羅海軍

摘 ? 要：基于動圈式揚聲器的工作原理，分析了線圈版、平面版和紙盆版動圈式揚聲器的原理、設計改進和拓展應用。這些揚聲器取材方便、設計巧妙，其實驗演示現象生動有趣，可以有效展示電磁聲的相互作用。教師可以將其開發成科普項目、演示實驗、拓展課程、STEAM課程和項目化學習等內容。這與新課標強調“從生活走向物理，從物理走向社會”，強調教學要注重科學探究、倡導教學方式多樣化等理念高度契合。

關鍵詞：揚聲器；跨學科教學；課程標準；核心素養

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2023）7-0053-3

揚聲器是電磁作用的應用典范，是中學物理和科學課程重要的教學內容。《義務教育物理課程標準（2022年版）》明確提出：通過實驗，了解通電導線在磁場中會受到力的作用，了解動圈式揚聲器的結構和原理［１］。但是，當前已有教材對揚聲器的分析以描述介紹為主，缺乏設計制作和探究實踐要素。當前，部分研究者［２－８］介紹了一些揚聲器的制作方法，也有將其制作與創新實驗［９］、ＳＴＥＭ教學［１０］相結合，取得了較好的效果。不過師生在制作、模仿這些揚聲器時，經常會遇到制作難度大、音量小、破音大、噪聲強等問題，難以真正展現自制揚聲器演示儀的獨特魅力。

本研究利用漆包線、釹磁鐵、功放等常見器材，設計了多種類型的動圈式揚聲器演示儀。這些演示儀取材方便、設計巧妙、演示現象明顯、趣味性強。而且教師基于該系列演示儀的設計、制作和改進過程，可以有效開展基于項目和真實問題解決的學科與跨學科實踐的教學，這對培養學生的核心素養、促進師生創新實踐能力的發展等具有多重積極意義。

１ ? ?讓檔案袋唱歌——平面版動圈式揚聲器的設計制作和改進拓展

制作過程： 取一張尺寸約２０ ｃｍ × ３０ ｃｍ的紙片（Ａ４打印紙、檔案袋、硬紙殼均可），在紙面上均勻貼上雙面膠，再將直徑為０．３0 mm ～ ０．５０ ｍｍ的漆包線從紙板中心開始一圈一圈地貼在雙面膠上，繞３０圈左右，然后再貼上一層透明膠帶以固定線圈，最后將漆包線兩端的絕緣漆刮干凈作為引出端。

使用方法：將一塊直徑為３０ mm～５０ ｍｍ的釹磁鐵放置此線圈正中下方位置，音源輸出端（最好是功放）接上漆包線引出端。開啟功放播放音樂，則此紙片發出悅耳的音樂。平面版動圈式揚聲器的裝置和使用方法如圖１所示。

原理分析：此自制揚聲器演示儀最精妙的地方在于紙片能精準發出和原音頻一致的聲音。當接通音頻信號后，揚聲器線圈有音頻電流通過，磁鐵對線圈將產生力的作用，此力將帶動與其相粘的平面振動而發聲。

此自制揚聲器演示儀能精準還原發音的奧妙在于：假設線圈中輸入的音頻信號波形是Ｉ＝Ａ0ｃｏｓ（ωｔ＋Φ），單位長度的線圈在磁場中所受的安培力是Ｆ＝ＢＬＡ0ｃｏｓ（ωｔ＋Φ），則聲音振蕩信號波形是Ｖ＝Ｃｃｏｓ（ωｔ＋Φ）。可見，在音頻信號、電流信號、安培力、揚聲器振動膜振蕩信號的一系列轉換過程中，頻率和相位均不發生變化，這樣聲音最終被精準還原。

優點分析：該揚聲器可視化強、成本低、音質清晰，無破音、雜音。線圈形狀可多樣化，振動膜來源廣泛，非常有利于師生在課堂內外開展相關的活動。同時，此線圈制作需要極強的耐心，是培養學生探究實踐和工匠精神的極佳活動載體。

改進拓展：由于平面版動圈式揚聲器的線圈長度較長，分布發散，存在電阻大、音量較小和制作耗時、費力且難度較大等不足。基于此，改進方法之一是使用直徑略大的漆包線，并將圓形線圈中央部分盡量密集粘貼，形成中間密外部疏的布局，如圖２Ａ所示。筆者在此基礎上還嘗試了不同風格的環繞方式，其結構分別如圖２Ｂ—圖２Ｅ所示，實驗效果均相當震撼。此外，可以將線圈隱藏于諸如檔案袋、紙盒等物品內，從而使其成為一件有效的科學魔法教具。

２ ? ?讓桌子唱歌——線圈版動圈式揚聲器的設計與制作

制作過程：用直徑約為０．３ ｍｍ的漆包線繞圓形釹磁鐵３０匝左右，然后用末端將這些線圈環繞扎緊固定，再刮掉線圈兩引出端的絕緣漆。使用時，用熱熔膠或鋁膠帶等將線圈固定木質桌子面板中間，強磁鐵放到線圈上，音源（功放）連接線圈兩端，開啟音樂播放，則整個桌面將播放響亮的歌聲。線圈結構和使用方法如圖３所示。

優點分析：此線圈版動圈式揚聲器由于所有通電導線均處于磁鐵最強磁場分布區域中，又緊密粘貼在中空的木桌上，具有音量大、音質好、制作便捷等優點。實驗現象讓人嘆為觀止，簡直比魔術還神奇，筆者多次在科普活動中利用此器材進行互動，反響非常好。

拓展應用：此類揚聲器使用靈活，不僅可以固定在桌面上，也可以固定在木質酒桶盒、厚紙板、黑板、玻璃、石塊、樹葉等諸多振動膜上，實現“萬物皆可歌”的實驗境界，具有很好的拓展功能和科普功能。圖４是不同振動膜（墻壁、酒桶、紙筒）的線圈版動圈式揚聲器的實物圖，這些揚聲器播放時均具有音質佳、音量大等優點。

３ ? ?讓紙喇叭唱歌——紙盆式動圈式揚聲器的設計與制作

制作過程：首先用卡紙裁剪出一個底面直徑為４１ ｍｍ（即比磁鐵直徑略大一點）、高５０ ｍｍ左右的圓柱體紙筒，用直徑為０．３ ｍｍ的漆包線在紙筒頂端密集繞制單層３０匝左右（注意線圈之間不要重疊），并用膠水將漆包線與紙筒粘貼牢固，將漆包線兩端絕緣漆刮掉作為引出端。再用卡紙剪出內徑為４０ ｍｍ、外徑為１５０ ｍｍ的錐形紙盆，將紙盆與圓柱體卡紙用熱熔膠相連。使用時，將釹磁鐵放入紙筒內部，引出端接上音頻信號，開啟功放，調節紙筒與磁鐵的高度，則此揚聲器將播放出音量極大、音質極佳的音樂。此紙盆版動圈式揚聲器的結構、操作實物圖和示意圖如圖５所示。

優點分析：此改進版的揚聲器最接近于目前實際使用的揚聲器的結構和造型，具有音量大、低高音音質俱佳等優點，當音量較大時，紙盆還可以隨音樂節奏產生同頻振動，可以明顯看到紙盆的振動情況。

制作關鍵：揚聲器底部紙筒與強磁鐵的間隙不易過緊，也不易過松，過緊導致摩擦力較大、音質不佳且音量小，過松則受力較小，同樣導致音量過小。

拓展分析：相比于前面的演示儀，此紙盆版動圈式揚聲器設計結構簡略巧妙，具有媲美于工業生產的揚聲器的音質音效，是一種融趣味性、科學性、創造性于一體的探究實踐教具。此揚聲器演示儀最大程度還原了其工業外形，能更加真實地說明揚聲器工藝如何精益求精，可以有效提升學生學習物理的激情，增強物理與生活、技術的聯系。此外，教師可以將其開發成如ＳＴＥＡＭ課程、項目化學習、校本課程等多種形式的教學資源。對培養學生的科學思維、科學探究、科學態度和責任等核心素養具有積極的作用。

４ ? ?讓紙杯擴音——揚聲器巧變話筒

揚聲器的工作原理簡單，卻具有豐富的拓展應用，將揚聲器逆用，就能得到一個簡易的話筒。如圖６所示，將線圈版揚聲器或紙盆版揚聲器的線圈靠近強磁鐵，線圈引出端接入功放話筒輸入端，音響再接入功放輸出，大聲對線圈說話，此時可以從音響中聽到我們的說話聲音。其奧秘在于對線圈喊話時，聲音振動帶動線圈振動，產生感應的音頻電流，功放和音響將音頻電流放大再還原為聲音。

5 結 ?語

本研究利用漆包線、釹磁鐵、紙片、功放等器材，設計和改進了平面版、線圈版和紙盆版的揚聲器演示儀；分析了這些自制揚聲器演示儀的原理、制作和改進方法。這些揚聲器演示儀具有演示效果明顯、器材選購方便、趣味性、拓展性強等優點。在制作過程中，可以很好地激發學生的學習興趣，拓展學生的科學思維，培養學生動手實踐、解決問題的能力。因此，基于此系列揚聲器演示儀的設計過程和制作理念，可以開展諸如ＳＴＥAＭ、項目化學習、校本課程、跨學科教學等豐富多彩的教學活動，在教學教研、科普科創和提升學生核心素養等方面具有重要意義和價值。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．義務教育物理課程標準（２０２２年版）［S］．北京：北京師范大學出版社，２０２２．

［２］陳士海，唐建華．自制教具展開初中物理生活化教學——以設計揚聲器、話筒為例［Ｊ］．中學物理，２０２１，３９（１８）：３５－３７．

［３］孟祥嵩，李佳澤．簡易紙杯揚聲器的制作［Ｊ］．理科考試研究，２０１８，２５（２１）：４５－４６．

［４］龍冬梅，韓沁君，帥曉紅．一組自制“動圈式揚聲器”演示儀［Ｊ］．中學物理，２０１８，３６（１２）：２５－２６．

［５］陳建保．一次性紙杯揚聲器的制作［Ｊ］．實驗教學與儀器，２０１３，３０（５）：５３－５４．

［６］黃衛良．“動圈式揚聲器原理”教具制作［Ｊ］．物理實驗，２０１０，３０（１０）：２１－２３．

［７］王兆軍．揚聲器和動圈式話筒演示器［Ｊ］．物理教師，２０１０，３１（１）：４１．

［８］張申科．自制揚聲器——探究聲音的奧妙［Ｊ］．農村青少年科學探究，２０１４（９）：２１．

［９］魏萌，吳釩，徐嘉凱，等．基于核心素養培育學生的高水平質疑創新能力——以“自制揚聲器”自主創新實驗為例［Ｊ］．實驗教學與儀器，２０２２，３９（２）：５－８．

［１０］何忠燕．ＳＴＥＭ教育理念下動圈式揚聲器原理教學及制作［Ｊ］．物理通報，２０１９（６）：５２－５５．

（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）