跨學科實踐中探索物理實驗的改良與創新*
——以蘇科版八年級聲現象綜合實踐活動為例

羅宇航

(蘇州市吳中區胥口中學 江蘇 蘇州 215164)

1 問題的提出

《義務教育物理課程標準(2022年版)》增設了“跨學科實踐”課程內容,提出通過創設綜合性、實踐性和開放性的跨學科問題情境,促進學生提出問題能力、收集和處理信息能力、綜合解決實際問題能力以及團隊合作能力的提升,注重對學生創新精神、社會責任感等的培養[1].

“比較材料的隔聲性能”是蘇科版八年級物理上冊第一章聲現象章末設置的綜合實踐活動,隔聲材料的應用涉及聲學知識,與生活緊密聯系,是適合開展跨學科實踐教學的課題之一.目前教材中實驗器材如圖1所示.

圖1 教材實驗器材

實驗是這樣進行的:將報紙、泡沫塑料、鋁箔、塑料袋等材料分別包裹機械鬧鐘放入鞋盒內,蓋上盒蓋,學生從聲源處逐漸遠離,直到剛好聽不到鬧鐘指針走動的“嚓嚓”聲,記錄此時人與聲源的距離,這個距離反映材料的隔聲性能.有文獻對實驗提出一些改進,如用手機安裝APP來測量傳出聲音的響度,用小音箱代替鬧鐘作為聲源.筆者進行了實踐,實驗仍然存在以下問題.

(1)用人耳剛好聽不見聲音時離聲源的距離來反映隔聲性能,盡管方法簡易,距離能夠定量測量和記錄但“聽見”和“聽不見”指針走動聲音的界限模糊,存在很強的主觀性.

(2)如果用音箱或者手機作為聲源,當它們發出低頻率時,明顯能觀察到鞋盒表面在低頻聲波作用下的共振發聲,聲音通過鞋盒阻隔后響度反而會增大.

(3)常見單層材料厚度差異很大,一般棉布厚度2 mm以上,報紙厚度1 mm,而鋁箔、塑料袋厚度僅為15 μm,材料包裹住聲源并塞滿鞋盒時,增加了聲音傳播的復雜程度,不同材料塞入鞋盒的緊實程度和縫隙大小很難一致,沒有材料厚度相同的.

2 隔聲性能的理論分析

2.1 隔聲與吸聲的區別

聲音遇到隔聲材料后能量會被反射、吸收、透射.如圖2所示,聲源在隔音面左側的室內,觀察者A、B被隔音面分隔在兩個區域內,當聲音傳播到隔音分界面上時,它的一部分聲能被反射回原來空間,一部分被隔音面吸收,還有一部分聲能會透射到另一側去.吸聲是為了將入射的聲能吸收或者透射掉,減少反射聲能,從而減弱左側室內的聲音響度,是相對于觀察者A而言的,反射聲能越少,吸聲效果越好.隔聲是指利用材料將聲能反射或者吸收掉,減少透射聲能,將聲音阻隔,從而減弱隔音面右側空間聲音響度,是相對于觀察者B而言的,透射聲能越少,隔聲效果越好.

圖2 聲能的傳播原理

2.2 聲音強弱的計量

要比較隔聲性能,必須計量透射聲音的強弱,教材實驗計量方法本質還是建立在人耳對聲音強弱主觀判斷基礎上的.手機安裝分貝儀等軟件后能夠直接測出聲音響度,適合用于學生課外探究實踐,物理學中,用聲強級來客觀描述聲音的強弱,但手機測量的響度并非聲強級.人對聲音主觀上產生“響度的感覺”與客觀因素聲強有關,聲強表示通過垂直于聲音傳播方向的單位面積上的平均聲能量流大小,用符號I表示,如1 000 Hz頻率的聲音,人剛好能聽到時它的聲強稱為參考聲強Iref,人對響度的感覺并不與聲強成正比,而是與聲強的對數近似成正比,因此引入了聲強級概念,聲強級用符號STL表示,定義為

(1)

單位為分貝(dB),聲壓級定義與聲強級類似,與聲強級數值上近于相等.

對于不同頻率的聲音,即使聲強相同,人感覺到的響度也不同,把某聲音與另一個標準聲音(通常為1 000 Hz純音)相比較,調節標準音聲壓級直到聽起來同樣響,此時標準聲音聲壓級定義該聲音響度級,不同頻率聲音響度級與頻率關系曲線通常稱為等響曲線,如圖3所示[2].

圖3 聲音等響曲線

為了模擬人耳感覺特性,無論是專業的分貝儀還是手機,把接收到的聲壓信號轉換成電信號后,音頻芯片都會根據等響曲線設置一定計權網絡對電信號進行修正,再轉化為數字信號顯示出響度,此時的計權響度不再是一個客觀的物理量.由于采用的計權標準、基準響度不同,不同聲音測量儀器在沒有專業校準的情況下測出的響度值一般是不同的.因此,手機安裝分貝儀顯示的響度只是反映聲音相對強弱,不同款式手機測出的計權響度不具比較性,同一手機測出不同頻率聲音計權響度也不能完全反映它們聲強級大小關系.

2.3 隔聲量的理論計算

材料的隔聲性能通過隔聲量來描述,為入射聲強級減去透射聲強級,用符號TL表示,假設入射和透射聲強分別為Ii、It,代入式(1)得

(2)

常見的隔聲材料通常是以面的形式鋪展在一定空間,用于隔絕通過空氣傳來的噪聲,如果把隔聲材料看成無勁度、無阻尼的柔順質量且忽略其邊界條件,則在聲波垂直入射時,隔聲量的計算式為

(3)

(4)

ρ0取1.29 kg/m3,c取344 m/s代入式(4)得

TL=20lgf+20lgm-43

(5)

由式(5)可以看出,板材單位面積質量或者聲音頻率每增加一倍,隔聲量可以增加6 dB.在建筑聲學中稱為質量作用定律.但是在教材實驗中用到的有些隔聲材料面密度很小,比如報紙、塑料袋,它們單層的理論隔聲量應該用式(3)來進行計算.

通過上述分析可知,如果材料厚度相同,教材實驗的變量是材料的種類,本質上是材料的密度屬性影響了隔聲性能.但平時學生實測隔聲量與面密度的相關性并不大,筆者認為有兩個主要原因:一是鞋盒內包裹填充隔聲材料的厚度沒有定量測量,實驗并沒有控制材料厚度相同;二是鞋盒面板不僅有隔聲作用,也可能共振發聲,面狀材料塞入鞋盒構成的大量孔隙具有吸聲的作用,增加了聲波傳播過程的復雜程度.

3 實驗的改進與拓展

3.1 實驗改進思路

實驗的改進首先是要更好地控制材料的厚度相同,用單層的面料來隔聲,厚度能夠準確測定,多種厚度相同的單層面料在生活中不易同時找到,可以在課前網購補充所缺種類.筆者將隔聲材料制作成一個矩形盒罩住音箱,但是在操作時仍然存在缺陷:如果用單面開放的矩形盒罩住音箱,底部的空隙會明顯減弱隔音量,如果把音箱全封閉在矩形盒內,操作會非常繁瑣,柔軟的面料也不便于制作矩形盒.如果聲源放入一個隔聲性能較好的廣口厚壁玻璃瓶內,將單層隔聲材料覆蓋在瓶口,用手機在瓶外固定距離處測出聲音響度,實驗操作就大為簡便.

其次是盡可能避免其他因素對隔聲的干擾,為了減小材料與瓶口接觸的空隙,把兩塊相同正方形板中間開一個與廣口瓶大小相同的孔,下面的板粘在瓶口,實驗時把隔聲材料夾在兩板中間,用手機或者小音箱作為聲源發出中高頻聲波,避免材料低頻共振,瓶內再放入適量棉花用以抑制聲音在瓶內的混響,器材示意圖如圖4所示.

圖4 改進器材示意圖

3.2 實驗裝置的制作

3.2.1 材料和工具

藍牙小音箱,智能手機兩部,游標卡尺,厚壁廣口玻璃罐(口徑100 mm),木板或鋁板(150 mm×150 mm,4 mm厚)2塊,鐵架臺,棉花團,中號長尾夾,熱熔膠槍,細鋸條等.將兩部手機分別安裝好phyphox、“分貝儀”軟件,安裝phyphox的手機設置開啟的藍牙功能與藍牙音箱配對好,把隔聲材料裁切成150 mm×150 mm的方塊.

3.2.2 制作方法

以板中央為圓心畫一個100 mm直徑的圓,圓內開一個直徑足夠鋸條穿入的孔,鋸條沿著圓弧切割,去除中央的圓形部分,做成兩片空心板.用熱熔膠把其中一片板同心粘在玻璃杯口,連接處用膠水密封.瓶底墊上棉花團后放入音箱,安裝分貝儀的手機放置在瓶口正上方20 cm處,器材實物如圖5所示.

圖5 改進器材實物圖

3.3 實驗探究過程

3.3.1 實驗目的

在“比較材料的隔聲性能”學生實驗的基礎上,進一步論證實際隔聲量與面密度的關系.

3.3.2 實驗步驟

(1)把安裝分貝儀的手機放置在廣口瓶的瓶口正前方20 cm處,安裝phyphox的手機輸出固定響度為2 000 Hz的正弦波信號,使音箱播放聲音,用手機軟件測出聲音響度.

(2)把隔聲材料平整放置在兩板之間,用長尾夾沿著兩片木板四周把它們夾緊,用手機軟件測出聲音響度,把實驗數據填入表格.

(3)用其余隔聲材料依次替換,重復步驟(2).

本文為了進一步論證理論分析結果,對材料的面密度數據進行了測量,并添加在學生實驗表格中,實驗數據如表1所示.

表1 比較材料的隔聲性能實驗數據

3.3.3 實驗數據分析

從表1數據可以看出,泡沫塑料面密度極小,幾乎不能隔聲.棉布、聚酯纖維板是良好的吸聲材料,但多孔的性質導致其密度很小,而且透氣,所以隔聲性能非常差,對于單層板材,吸聲材料往往不是良好的隔聲材料.除去上述3種材料,材料隔音性能是隨著材料的面密度增大而增大的,把材料的面密度值代入式(2)計算出理論隔聲量,實測隔聲量都比理論隔聲量小5 dB左右, 將表中面密度m的對數和實測隔聲量數據呈現在坐標圖中,如圖6所示,可以分析發現實測隔聲量與面密度的對數具有較好的線性關系,線性擬合相關系數為0.995,與板材隔聲的“質量定律”理論一致.

圖6 實測隔聲量與面密度關系

4 實驗拓展

材料的隔聲性能受到多種因素的共同影響,以隔聲為主題可以開展多樣化的探究.如在學生了解了噪聲的危害后提出問題:“如何提高房間的隔聲性能?”學生會從多個角度提出解決方案,比如增加墻壁和窗戶玻璃的厚度、改變墻壁的材質、減小門窗的空隙大小等等.那么這些方案是否可行?如何用實驗來證明?讓學生自主地發現探究的目標和意義,從而激發學生的探究興趣和創新精神.

4.1 探究材料厚度對隔聲性能影響

聲音頻率2 000 Hz,紙板厚度分別為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm.測出隔聲量,實驗數據如表2所示.

表2 探究材料厚度對隔聲性能影響

結論：材料越厚隔聲性能越好.

4.2 探究聲音頻率對隔聲性能影響

紙板厚度為0.5 mm,聲音頻率分別為200 Hz、400 Hz、600 Hz、800 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz、2 000 Hz、2 500 Hz、3 000 Hz.調整隔聲前聲源響度,使各頻率聲音的初始響度大致相同,再測出隔聲量,實驗數據如表3所示.

表3 探究聲音頻率對隔聲性能影響

結論：聲音頻率對隔聲性能的影響沒有明顯規律.

4.3 探究材料空隙大小對隔聲性能影響

聲音頻率分為1 000 Hz,紙板厚度為1 mm,紙板中央開正方形孔,邊長分別為1 mm、2.5 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、30 mm、40 mm.測出隔聲量,實驗數據如表4所示.

表4 探究材料空隙大小對隔聲性能影響

結論：同等條件下,孔越大隔聲性能越差,孔邊長在5 mm以下時,孔對隔聲量影響較小.

4.4 實驗反思

表2數據反映出的定性規律與理論相符,表3數據并沒有體現出理想條件下頻率越高隔聲量越大的規律,聲音頻率為200 Hz時紙板產生了明顯共振,筆者在隔音教室多次重復實驗的情況都相同,通過進一步查閱資料,發現隔聲性能還受到聲源頻率、阻尼共振、邊界條件等多種因素的影響,隔聲特性曲線依據頻率從低到高依次分為剛度控制區、阻尼控制區、質量控制區和吻合效應區,如圖7所示[4].

圖7 隔聲特性曲線分區

只有頻率處于質量控制區時,隔聲量才會隨著頻率提高而增大.對于多層板材隔聲,聲能傳播還受到隔聲空腔內空氣共振的影響,因此會在層間填充如聚合物泡沫、吸音棉等來提高聲能的消耗和削弱吻合效應[5],因此在隔聲建材中也常能見到吸聲材料.

5 結束語

通過對實驗的改進和拓展,不僅提高了實驗的科學性,拓寬了實驗內容的素材來源,也使課題可以轉化為更具可操作性的跨學科實踐方案,材料的隔聲性能涉及部分知識超出課程標準要求,并不需要學生掌握,但讓學生在任務驅動下完成探究,運用探究的結論挑選合適的隔聲材料,可以使學生真正參與到工程實踐中去,增強社會決策意識,有利于提高學生探究和創新能力,促進學生核心素養的發展.