用虛擬示波器和音叉改進音調和頻率關系實驗

劉鳳珍 吳先球

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東廣州 510006)

1 引言

人教版八年級物理第1章第3節“聲音的特性”一節中,在探究音調和頻率關系的演示實驗中,將一把鋼尺緊按在桌面上,一端伸出桌面,撥動鋼尺,聽它振動發出的聲音.改變鋼尺伸出桌面的長度,再次撥動,比較兩次鋼尺振動的快慢和音調的關系.[1]這個演示實驗的器材是學生的身邊之物,易引起學生的操作興趣,激發學生積極參與和探究的興趣,但在實驗中發現,鋼尺發聲比較小,且音調的選擇范圍比較小,音調差異不明顯.因此,對實驗進行了改進.

2 實驗方法

實驗器材:用頻率不同的兩個音叉(440 Hz和 256 Hz)、麥克風、電腦和聲卡虛擬示波器[2](作者:嚴宇亮,可在網絡上免費下載,附有使用說明).

實驗音叉振動發出的聲音比較大,班上所有學生都可以聽到,且音叉頻率差異比較大,音調差異也比較大,易于學生區分不同音調.用麥克風和計算機聲卡采集聲音信號,通過虛擬示波器觀察音叉振動發出聲音的波形,觀察音叉振動的頻率和振幅.

實驗過程:實驗裝置連接示意圖如圖1(a),實物圖如圖1(b)所示.

圖1

(1)按圖連接好實驗裝置;

(2)在音量控制面板的錄音屬性中選擇“麥克風”一項和合適的音量;

(3)打開聲卡虛擬示波器,在面板上選擇合適的參數(增益、衰減、基準線和時基);

(4)敲打音叉即可在示波器上觀察到音叉振動發出聲音的波形.

(5)點擊虛擬示波器面板上的暫停后可以保存數據圖像.

3 實驗結果

為了便于比較實驗結果,坐標分度設好后不再更改.橫軸為時間,分度是每格 1 270 μ s,有 10格;縱軸為幅度,分度是每格0.1 V.

敲打頻率為 440 Hz的音叉,觀察得到如圖2(a)、(b)所示的波形.敲打頻率為256 Hz的音叉,觀察得到如圖2(c)、(d)所示的波形.

圖2

圖2(a)、(b)為敲擊頻率 440 Hz音叉得到的波形,(a)為聲音比較響亮時的波形,(b)為聲音比較弱時候的波形;圖2(c)、(d)為敲擊頻率256Hz音叉得到的波形,(c)為聲音比較響亮時的波形,(d)為聲音比較弱時候的波形.比較(a)、(c)可知:(a)聲音頻率大于(c)聲音頻率,結合聽到聲音的音調,可形象感知:當聲音頻率比較大的時候,音調比較高;當聲音頻率比較小的時候,音調比較低.比較(a)、(b)和比較(c)、(d)可以看到,當聲音幅度比較大的時候,聲音比較響,當聲音幅度比較小的時候,聲音比較弱.課堂上,還可以用麥克風采集其他不同的聲音信號,加深學生對聲音特性的理解.

4 結論

為了讓學生形象地理解音調和頻率,本文改進了人教版教材中所用音調和頻率關系演示的實驗方法,用音叉振動發出聲音信號,通過聲卡采集聲音信號,虛擬示波器顯示信號波形,演示音調和頻率的關系.

本文提出的實驗方法有以下特點:

(1)實驗器材取材容易.采用計算機自帶的聲卡作為數據采集器,采用免費的虛擬示波器軟件.

(2)實驗演示效果明顯.音叉聲音響亮,班上學生都可以聽到,而且音叉頻率差異比較大,聲音音調差異也比較大,易于學生區分不同的音調.虛擬示波器顯示的波形可以通過大屏幕投影給大家看,學生觀察音叉聲音的波形,結合聽到聲音的音調,可形象感知音調和頻率的關系,還可看到聲音響度和幅度的關系.

1 課程教材研究所,物理課程教材研究開發中心.義務教育課程標準實驗書物理八年級上冊.北京:人民教育出版社,2006.

2 嚴宇亮.把電腦變成示波器——介紹一款基于聲卡虛擬儀器軟件.電子制作,2002(9).

3 王珍寧,吳先球,胡穎舒,等.基于聲卡的數據采集器及其在物理教學中的應用.中小學信息技術教育,2006(10).

4 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(實驗).北京:人民教育出版社,2003.