虛實融合的聲學實驗教學模式創新研究

李磊 陳洪娟 靳建嘉 袁連喜

關鍵詞：虛擬仿真;虛實融合;聲學實驗

中圖分類號：O42

文獻標識碼：A

一、設計思想

聲學作為物理的一個分支，既是一門古老的學科，也是一門發展的學科。水聲學作為聲學的一個分支，并不是一門單純的理論學科，而是一門實驗學科。要想保證其發展并得到進一步的完善，就必須以大量的實驗作支持。虛擬仿真實驗教學是依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象。在聲學實驗中采取虛擬仿真實驗手段，得到理想條件下的實驗結果，并與實物實驗結果進行對比，探索虛實融合的聲學實驗教學模式，必將對水聲專業的實驗教學質量大有裨益。

二、設計方案

1.實驗目的

通過對虛擬的理想自由場和實際室內擴散場兩種聲場空間分布特性的測量，引導學生從利用感官對聲學基本現象進行定性認識過渡到利用專業測試手段進行定量分析，并由此培訓學生掌握開展聲學實驗所必需的基本技能和基本理論，形成縝密思維和良好習慣，從而培養學生的實驗觀測能力和運用實驗手段學習聲學基本理論以及解決聲學實際問題的能力。

2.實驗原理

（1） 通過對虛擬聲場的觀察，掌握如下有關聲場和聲波的基本概念：聲場、質點、行波、駐波、自由場、球面波。

（2） 測量虛擬聲場，掌握如下聲波傳播基本規律：①均勻球面波場中，同一波陣面上各點處聲壓振幅和相位相等;②球面波場中，聲壓與離聲源等效聲中心距離的一次方成反比;③平面活塞輻射器波場中，同一波陣面上各點聲壓振幅和相位相等。

（3）測量實際室內擴散聲場，與虛擬聲場測量結果對比分析，培訓如下能力：① 聲學傳感器的使用;② 基本電子測量儀器的使用 ;③ 掌握簡單振動源產生的簡諧振動及其輻射的聲波的波形圖，建立簡諧波數學函數模型;④ 掌握復雜振動源產生的振動及其輻射的聲波的時域和頻域波形圖，建立復雜聲波由簡諧波線性疊加而成的數學函數模型;⑤ 了解實際擴散聲場中聲壓分布的復雜性。

3.實驗步驟

（1）打開“聲波產生機理虛擬裝置”，觀察聲源與聲場，建立兩者之間的關系。

（2）點擊“球聲源”，學習質點、行波、球面波等概念，對空氣中球面波聲場中的聲壓和質點振速進行測量。

（3）采用比對方法研究聲場，測量點平面活塞聲源輻射場中不同點的聲壓和質點振速。

（4）實物連接基本聲學測量系統，并進行簡單調試。

（5）敲擊音叉、鼓和編鐘，采集加速度計的振動信號和傳聲器的聲壓信號，測量其時域和頻域信號參數。

（6）激勵揚聲器或水下發射器，由多個傳聲器或水聽器接收，各接收器位置與虛擬實驗設置接近，測量擴散場中聲壓分布特性。

4.實驗結果與結論

（1）給出虛擬實驗中通過觀察、觀測學到的基本概念和基本規律，并與教材相比對，寫出自己的認識。

（2）給出實物實驗中通過測量得到的數據處理結果，與虛擬實驗結果相比對，寫出自己的認識。

（3）對于概念和規律要得出明確結論，并統一到教材的高度（包括正確性）。

（4）對于比對試驗結果，結論希望是開放式的，鼓勵“胡思亂想”。

通過虛實融合的實驗教學模式的實踐探索，明確虛與實不是簡單的二合一，而是交互融合，將實物與虛擬交叉螺旋式銜接、拼接，可以實現兩種實驗模式的最優化。利用虛擬的優勢，通過仿真技術建立理想模型下的測試環境，獲得與理論模型高度一致的測試結果，保證實驗測試與理論結果的科學性。開展實際復雜條件下的實物測試實驗，鍛煉實際操作技能，培養發現問題的能力，以及將實際問題抽絲剝繭建立科學的解決問題的思維模式。在這種反差極大的虛實結合的實驗中，讓學生認識到理論知識的局限性，同時也讓學生感受到實際科學問題的難點和創新方向，這對提高學生的創新意識，特別是創新能力意義非凡。

參考文獻：

[1]何祚鏞，趙玉芳.聲學理論基礎[M]. 北京：國防工業出版社，1981.

[2]李 ?平，毛昌杰，徐 ?進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013（11）：5-8.