“看到的”聲音
——聲音三特性演示實驗設(shè)計及優(yōu)化

張海洋

(睢寧縣雙溝中學(xué) 江蘇 徐州 221212)

聲音是人類從外界獲取信息的一種重要方式；但人類更擅長用眼睛獲取外界信息.所以如何把聲音這種聽覺實驗與視覺實驗結(jié)合起來是這個演示實驗的一個亮點．

為了讓學(xué)生看到聲音的振幅(波形)和頻率的大小，可以借助實驗室中的“J2224-2型音頻信號發(fā)生器”(以下簡稱“音頻信號發(fā)生器”)和“J2459型示波器”(以下簡稱“示波器”)，音頻信號發(fā)生器可以測量出聲音的頻率，示波器可以顯示聲音的波形．這樣就能實現(xiàn)聽覺實驗與視覺實驗相結(jié)合．

1 實驗設(shè)計目的

(1) 讓學(xué)生既能聽到聲音，同時又能看到聲音的波形，也能測出聲音頻率.

(2) 演示聲音的音調(diào)與頻率的關(guān)系.

(3) 利用外測信號演示聲音的響度與振幅的關(guān)系.

2 實驗設(shè)計原理示意圖

圖1 顯示聲音實驗原理圖

3 實驗設(shè)計所用器材

聲源(音叉、大鼓、收錄機等)，聲音信號采集器(VCD機附帶的話筒)，音頻信號發(fā)生器和示波器．

4 實驗設(shè)計的制作與操作步驟

4.1 導(dǎo)線的制作

先制作圖1中Ⅰ號導(dǎo)線：把VCD機附帶的動圈式話筒的導(dǎo)線插頭改成φ3.5 mm的單孔插頭．Ⅱ號導(dǎo)線的制作：用一個φ3.5 mm的單孔插頭和兩個鱷魚夾做一條導(dǎo)線，導(dǎo)線選用金屬屏蔽線，屏蔽線的A端芯線接單孔插頭的芯線，A端的屏蔽線接單孔插頭的地線；B端的芯線和屏蔽線分別連接一個鱷魚夾．

4.2 導(dǎo)線的連接

把話筒插入“音頻信號發(fā)生器”后面板上的“外測頻輸入”孔內(nèi)．Ⅱ號導(dǎo)線的A端即φ3.5 mm的插頭插入音頻信號發(fā)生器后面板上的“正弦功率輸出”孔內(nèi)；B端連接芯線的鱷魚夾連接到示波器上的“Y軸”，另一個鱷魚夾連接示波器的地線．

4.3 J2459型示波器的調(diào)節(jié)

(1) 開機3～5 min，對示波器預(yù)熱．

(2)把衰減擋撥至1，X和Y增益擋撥至最小，掃描范圍擋最?。?/p>

(4)調(diào)節(jié)X增益，會看到亮斑從左往右快速閃動(掃描)，X增益旋鈕旋轉(zhuǎn)的角度越大閃動得越長，甚至會超出屏幕．若此時把掃描擋換成“×100～1 k擋”，則亮斑變成亮線從左往右快速閃動；然后再逐漸調(diào)節(jié)Y增益，則亮線會逐漸變粗，直至變成一條波形并從左往右快速閃動；接著調(diào)節(jié)頻率微調(diào)旋鈕，則閃動波形或亮線變?yōu)殪o止，這樣示波器就調(diào)節(jié)完成，可以使用了．

4.4 聲音和波形及頻率的同步性演示

打開器材開關(guān)，從話筒輸入聲音信號就可以在示波器上看到該信號的波形．聲源不同，波形不同．若波形不穩(wěn)定或雜亂可以調(diào)節(jié)頻率掃描范圍旋鈕和掃描微調(diào)旋鈕，直至波形穩(wěn)定．

觀察波形的同時，可以從音頻信號發(fā)生器上讀出該輸入信號的頻率，耳朵能聽到聲音，即實現(xiàn)了聲音、波形和頻率三者的同步性．

4.5 對音調(diào)與頻率關(guān)系的演示

演示完同步性實驗后，拔掉話筒，利用音頻信號發(fā)生器自身產(chǎn)生的音頻信號結(jié)合示波器演示音調(diào)與頻率的關(guān)系.最好采用200 Hz～2 kHz的波段．

通過實驗可以看到頻率越大，波形越密，聲音聽起來越刺耳．

4.6 對響度與振幅關(guān)系的演示

對著話筒發(fā)出“啊”(a)的聲音，使聲音的響度逐漸變小，會看到示波器上的波形即振幅逐漸變小，但是頻率不變．

5 實驗設(shè)計優(yōu)點

通過實際操作可以發(fā)現(xiàn)本實驗設(shè)計最大優(yōu)點：實現(xiàn)了聲音、波形和頻率的同步展示．

6 實驗設(shè)計不足

6.1 背景雜波太多

外測信號時(演示4.4節(jié)和4.6節(jié))示波器上出現(xiàn)太多的背景雜波.在增加Y軸增益時，示波器屏幕上本應(yīng)該顯示一條亮而細的光線，卻變成一條約6 mm寬的雜亂波形，從音頻信號發(fā)生器上可以看出雜波的頻率在5 kHz-32 kHz范圍內(nèi)．如果再把音頻信號發(fā)生器前面板上的“正弦波幅度”擋調(diào)得大一些，則示波器上的波形更雜亂，振幅甚至超出示波器屏幕的邊界．

6.2 頻率顯示滯后

音頻信號發(fā)生器對“外測信號”的頻率顯示稍有滯后，滯后時間約2 s以上．例如，筆者對著話筒說話，會看到示波器上的波形頻繁變化，音頻信號發(fā)生器顯示的頻率數(shù)字也是不斷地變化，導(dǎo)致學(xué)生無法確定波形和頻率是否同步對應(yīng)，也無法讀出波形對應(yīng)的頻率．

7 實驗設(shè)計改進

通過多次實驗探索，對不足進行如下改進.

7.1 背景雜波的處理

在輸入端即話筒連線上并聯(lián)一個2.5～3.5 μF(2個或3個10 μF電容串聯(lián)即可)的電解電容．這個電容起到“旁路電容”的作用．旁路電容把較高頻率的音頻背景雜波信號由電容接地，而輸入的低頻信號不通過電容，正常的輸入音頻信號發(fā)生器和示波器．

實驗時，就可以看到示波器上雜亂波形不見了，只有一條亮線；同時音頻信號發(fā)生器上顯示的頻率為1，而不是5 kHz～32 kHz范圍內(nèi)的某個數(shù)字．

7.2 頻率顯示滯后的處理

可以對著話筒持續(xù)的發(fā)出“啊(a)音”約3 s以上，就可以看到穩(wěn)定的波形和對應(yīng)的頻率數(shù)字．

演示實驗是配合課堂教學(xué)講授或討論而進行的實驗，具有現(xiàn)象直觀、效果明顯的特點．通過上述的實驗設(shè)計可以達到讓學(xué)生聽覺神經(jīng)與視覺神經(jīng)同時活動，充分調(diào)動學(xué)生的大腦興奮區(qū)，提高學(xué)習效率，激發(fā)實驗探究的興趣．