利用錄音軟件探究聲速測量

顧維

摘? ?要：傳統(tǒng)的聲速測量缺少實驗探究環(huán)節(jié)，文章利用計算機錄音軟件“GoldWave” 設(shè)計了聲速測量的創(chuàng)新探究活動。該軟件結(jié)合耳機采集兩個聲道的信號，形象地觀測到了聲音傳播需要時間、聲音在不同介質(zhì)中傳播速度的差異和在空氣中的傳播速度。此創(chuàng)新設(shè)計原理簡單、方法可靠、貼近生活且具有較高的精度，可幫助學(xué)生在探究過程中獲得更多的創(chuàng)新性體驗，從而提高思維品質(zhì)和實驗探究能力，也可以作為初中物理綜合實踐活動“聲現(xiàn)象”板塊的有益補充。

關(guān)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：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）7-0068-2

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(fā)，引導(dǎo)學(xué)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，教師在教學(xué)中往往直接告訴學(xué)生聲速為340 m/s，學(xué)生則是機械地記住這個數(shù)值，缺少實驗探究環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的聲速測量方法有相位比較法、振幅極值法、時差法等[1]。前兩種方法的原理涉及到較高的機械波相關(guān)知識，不適合初中生。教材提到的百米賽道案例屬于時差測量法，需要在室外的操場實施，對計時器的精度要求比較高，同時也存在人為誤差。針對此問題，筆者利用錄音軟件同時采集兩個聲道的信號進行聲速探究活動的設(shè)計，依次進行“聲音的傳播需要時間”“不同介質(zhì)中的聲速”和“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3.5 mm接口動圈式有線耳機，其兩個耳塞是相互獨立的聲道電路。把耳機插入電腦錄音孔（MIC）內(nèi)，外界聲波引起兩個耳塞的振動膜振動，產(chǎn)生的電信號被聲卡記錄（圖1）。

打開“GoldWave”（或其他錄音軟件），點擊錄音，可以看到兩個耳塞采集到的聲音信號輸出到左右兩個聲道中。通過信號增益、時間軸放大，可以觀測到兩路信號的微小差異，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理可得出聲音的傳播特性（圖2）。

2? ? 實驗聲源的選擇

鑒于耳機作為錄音元件錄制到的電平較低，為了便于尋找對應(yīng)的振動信息點，實驗所需聲源要響亮、短促、振動單調(diào)、波形簡單。筆者選用兩個木塊敲擊，其振動特性基本滿足上述要求。

3? ? 探究活動的設(shè)計

活動1：觀察聲音的傳播需要時間

取一把木質(zhì)米尺，用膠帶把耳機貼在米尺上相距60～80 cm的地方，耳塞面朝上放置，耳塞與木尺之間墊上一小塊軟墊。

對比實驗1：在兩個耳塞的中點位置敲響木塊，記錄波形（圖3）。因為兩個耳塞到聲源的距離相等，所以兩個波形放大后，并未出現(xiàn)明顯的振動時間差，振幅也基本相同，說明聲音是同時傳到兩個耳塞的（圖4）。

對比實驗2：在兩個耳塞的外側(cè)延長線上敲擊木塊（圖3），再次記錄并比較兩個聲道的波形，可以觀察到兩個聲道的波形的振動起點存在一定的時間差（圖5），表明聲音的傳播需要時間。距離聲源較近的耳塞接收到聲波所需時間短、振幅大;較遠的耳塞所需時間長、振幅小。

活動2：聲音在固體中的傳播速度比在空氣中快

將耳塞面朝下，緊貼在木尺表面，并用膠帶固定住，距離和活動1的保持一致。用一個木塊敲擊木尺的一端，產(chǎn)出的聲波通過木尺傳向兩個耳塞。學(xué)生對采集到的左、右聲道波形與活動1的波形進行對比后發(fā)現(xiàn)：上述振動的時間差明顯變小，得出聲音在木頭中的傳播速度比在空氣中快（理論傳播速度為500 m/s，實測數(shù)據(jù)約為540 m/s）。

拓展實驗：聲音在鋼鐵中的傳播速度如何呢？只需要把木尺換成一根鋼棒進行實驗，結(jié)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它在空氣和木尺中的傳播速度。

活動3：測量聲音在空氣中的傳播速度

將兩個耳塞振動膜的中心間距固定在70 cm，在一側(cè)延長線上用力多次敲擊木塊，同時錄音軟件采集聲音。放大波形的振幅，再讓波形圖在時間軸上放大，選擇波形清晰的幾次敲擊。拖動鼠標精確選擇兩列波對應(yīng)的振動位置，點擊“設(shè)數(shù)”按鈕即顯示起始時刻并計算時間差（圖6）。利用v=s/t求出聲音在空氣中的傳播速度。多次測量，求出測量平均值，并與理論值對比。得到的圖像和數(shù)據(jù)如圖6所示，測得聲速為346.5 m/s，十分接近340 m/s。該實驗是在接近20 ℃的環(huán)境中完成的，后期也可以進一步研究聲速與空氣溫度和濕度的關(guān)系。

4? ? 反? 思

實驗誤差的主要來源：（1）聲源位置布局不精準，其并非精確在兩耳塞的連線上;（2）實驗過程中聲音加強位置判斷不準確;（3）室內(nèi)溫度和濕度存在微小變化。

5? ? 總? 結(jié)

學(xué)生“實驗經(jīng)歷”和“知識傳授”獲得的體驗截然不同，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、精度可靠。上述綜合探究活動可以在教室里以2～4人的學(xué)習(xí)小組的形式開展，也可以作為課后自主探究活動。學(xué)生通過該探究活動，不僅形象地看到了波形圖，還了解了不同物體的波形圖具有不同的特征，直觀地感知了聲音傳播的快慢。在小組實驗過程中，學(xué)生的觀察、動手、思維能力得到發(fā)展，也體會到了相互合作的樂趣和成就感。在初中物理教學(xué)中演示該實驗，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]楊述武，趙立竹，沈國土. 普通物理實驗（力學(xué)、熱學(xué)部分）[M].北京：高等教育出版社，2007：30-33，61-63，139-142.（欄目編輯? ? 邱曉燕）