多功能音響系統實驗在多層次教學中的應用研究

夏銀橋，汪小燕，陳 林

(華中科技大學 電子信息與通信學院,武漢 430074)

0 引 言

目前，高等教育實施以優秀人才培養為目標的精英教育與以滿足社會經濟多樣化需求為目標的大眾化教育成為高等教育發展的主旋律[1-2]。隨著我校教學改革的不斷深入，實驗教學內容和方法不斷革新，堅持以學生為中心，充分考慮每一個學生的個體差異，給所有學生以充分發揮的機會來達成學習成果[3-4]。如何提高學生運用多學科知識提高綜合實踐能力、創新能力，成為實驗教學中不可忽視的問題[5]。

我校電工電子國家級實驗示范中心積極為學生創造實驗條件，在電子線路實驗課程中設立基礎驗證性、綜合性、設計性、創新性實驗內容，在課程中引入多層次實驗內容，引導學生進行創新性實驗和實踐，提升學生創新精神和創新能力[6-7]。本文主要從音響系統的實驗內容 、教學設計與引導、實驗評估等方面進行詳細介紹音響系統實驗在多層次教學中的應用研究。

1 實驗課程簡介

我校的“電子線路設計·實驗·測試”課程是國家級精品課程，依托電工電子國家級實驗示范中心，采用全開放式實驗教學，主要包括實驗器材、實驗時間場地以及實驗內容的開放。實驗課程包括模擬和數字電路的基礎性實驗、設計性綜合實驗、創新性實驗等多個層次，是面向我校電子信息大類及其他相關學院的平臺基礎課程。課程涉及眾多相關院系，課程學時及內容差異較大，學生的期望各不相同，實驗教學內容在安排時，保留必要的基礎類驗證性實驗，結合不同專業、不同層次的學生，加強綜合性、設計性和創新性實驗，充分激發學生探索與創新的興趣。開放式實驗平臺，以及多層次實驗教學模式，對于調動學生的學習積極性和主動性，培養學生實踐創新能力和創業能力都具有至關重要的作用[8-10]。

傳統的基礎驗證性實驗教學中，實驗課程由“教師講，學生照教師詳盡的實驗步驟做”的教學模式，學生做了許多實驗，但離開實驗指導步驟和電路原理參數圖，則難以按照實驗需求自主完成實驗。在驗證性實驗中學生只是掌握了一些簡單的操作方法，而對學生將理論原理知識應用于實踐工程電路所具備的綜合能力還相差較遠[11]。為了改變這種狀況，在課程中對學生進行較簡單的綜合設計實驗是實現多層次實驗教學的基礎。

2 系統設計方案及基本原理

本實驗是一個運用數字和模擬電子技術解決現實生活和工程實際問題的綜合性實驗，需要掌握電路仿真、信號幅度放大、信號頻率調理、功率放大等相關知識，需要靈活運用系統整機布局、電路搭建、系統調試的工程實踐技能。學生根據所學的電路理論及電子線路技術基礎的知識，采用以集成運算放大器和低頻功率放大器為主要器件，設計音樂放大系統，要求具有話筒前置放大、混合放大、音調控制、音量控制、功率放大等功能。

2.1 系統框圖設計

系統由話音前置放大器、混合(混響)放大器、音調控制放大器、彩燈控制器、功率放大器組成，根據各級的功能及技術指標要求合理分配電壓增益，分別計算各級電路參數，通常從功放級開始向前級逐級計算。根據技術指標要求，音響放大器的輸入為5 mV時，輸出功率0.5 W，總電壓增益AvΣ=Uo/Ui≥600倍(56 dB)，系統原理框圖如圖1所示[12]。

2.2 系統設計與論證

話筒前置放大、混合放大、音調控制放大級采用集成運算放大器，常用運放有HA741、NE5532、LM324；常用的集成低頻功率放大器有LM380、LM386、LA4102。

圖1 多功能音響系統框圖

HA741與LM324的性能參數接近，NE5532是低噪聲運放，且NE5532的單位增益帶寬(BW=10 MHz)、轉換速率遠遠大于HA741和LM324。由于多級放大各級信號會互相產生干擾，合理布線是減小信號干擾比較好的方法，HA741是單運放芯片，每一級各用一個HA741導致電路元件增多，電路面積增大，既不美觀也不經濟。LM324是四運放集成電路，NE5532是雙運放芯片，芯片少結構緊湊，占用電路面積小，不僅美觀而且經濟。因此話筒前置放大、混合放大、音調控制放大級采用LM324或NE5532。

考慮駐極體話筒的輸出阻抗高，前置放大器采用同相放大器；混合放大采用反相比例加法器；音調控制級采用由運放構成的反饋型有源濾波器；音量彩燈采用多個電壓比較器，由音量的大小控制彩燈；音調彩燈可以采用低通、帶通、高通濾波器，來實現由音頻控制彩燈。功放LM380、LA4102是雙列直插14腳芯片，自帶散熱片，輸出功率較大，但體積較大；LM386只有8個引腳，外界元件很少，靜態功耗低，廣泛應用于便攜式音響設備[13]。

2.3 音調控制

音調控制主要是控制調節音響放大器的幅頻特性。常用的音調控制電路有3種：①衰減式RC音調控制電路，基調范圍較寬，但容易產生失真；②反饋型電路，其調節范圍小一些，但失真小；③混合式音調控制電路，其電路較復雜，多用于較高級音響。為了使電路簡單、信號失真小，采用反饋型音調控制電路。

音調控制器只對低頻與高頻信號的增益進行提升與衰減(±20 dB)，中頻信號增益保持0 dB不變。因此，音調控制器的電路可由低通濾波器與高通濾波器構成。將這兩種電路形式組合在一起就可以得到一個完整的反饋型音調控制電路，如圖2所示[14]。

2.4 卡拉OK混響設計

卡拉OK電子混響器是用電路模擬聲音的多次反射，產生混響效果，混響增加聲音的深度和廣度，使聲音聽起來顯得更厚實有立體感，能讓音色更豐滿。三菱的M65831是數碼混響延遲芯片，混響延遲時間可由4位撥碼開關手動控制，延遲時間可從12.3～196.6 ms選擇。M65831是普及型的消費產品，價格低，應用簡單，混響效果很好，推薦使用。性能指標更高一些有三菱的M65830和雅馬哈的YSS216，數字延遲數碼回聲的效果要更好些，多用在專業級的卡拉OK機中做數字混響芯片。

圖2 反饋型音調控制電路

3 多層次實驗內容，激發學生潛能

音響系統實驗將相關學科知識進行了融合，軟、硬件結合，為學生提供一個綜合工程實踐平臺，有利于培養學生對系統設計的整體把握能力，引導學生運用多門課程知識進行系統設計、電路搭建、電路測量和系統調試，提升其綜合運用電路理論和電子線路技術等知識解決實際工程問題的能力。在教學過程中將該實驗設計成基本要求、提高拓展和創新3個層次，對各個層次實驗給出了相應的成績評價標準。

3.1 音響系統的基本層次要求

該實驗涉及本課程的多個知識點，學生在基本層次中要掌握集成運算放大器芯片的參數指標，加以靈活運用，需要確定各級電路的放大倍數和電路元件的具體參數，以及前后級間的耦合與阻抗匹配，低頻功率放大器的抗干擾設計等。

實驗的基本要求包括：①話筒前置放大，放大器的作用是不失真地放大聲音信號，實現阻抗轉換,混合放大;②將播放器輸出的音樂信號與話筒的聲音信號混合放大；③音頻功率放大(簡稱功放)，給音響系統的負載(揚聲器)提供一定的輸出功率，當負載一定時，希望輸出的功率盡可能大，輸出信號的非線性失真盡可能地小，效率盡可能高。這一層次的成績根據學生實驗完成的具體情況得到該實驗滿分為10分的基本分數。

3.2 提高拓展層次要求

在完成實驗的基本要求基礎上，在教師引導下，學生進一步通過MOOC課程、網絡文獻、教材等資料的學習，制定一個或多個音響系統功能的拓展方案，通過師生互動確認合理方案。

相對于音響系統實驗的基本要求，音響系統功能的提高拓展對相關學科知識要求的掌握有更多的要求，目前學生完成的拓展項目主要有5個。①按照音樂頻率高低來控制一組LED彩燈的顯示，提高音樂的視覺感受；②按照音樂音量的大小控制一組LED彩燈的顯示，提高音樂的視覺感受；③音調控制，控制、調節音響放大器的幅頻特性，音調控制器只對低音頻與高音頻的增益進行提升與衰減，中音頻的增益保持0 dB不變；④卡拉OK混響，混響增加聲音的深度和廣度，使聲音聽起來顯得更厚實有立體感、音色更豐滿；⑤雙通道立體聲音響系統的實現，使音樂有較強的立體感。這一層次的成績根據學生拓展功能完成的數量和質量，教師給予2～5分的實驗拓展加分。

3.3 創新發揮層次要求

在創新性實驗層次階段，學生自主選擇電路實現方法，自主發揮創新，可以是具體電路實現方案的創新設計，也可以是實驗功能和實驗平臺的創新設計。該層次的實驗進一步培養學生的創新意識、實踐能力和基本科研素養，作為開展實戰型的開放實驗和科研創新訓練基礎[15-16]。

在該層次的學生獨立完成查閱資料、擬定實驗方案和步驟，在這個過程中教師負責輔助指導與審核。在實驗教學中切實體會到學生的創新能力是沒有窮盡的，只有想不到沒有學生做不到的。學生們的電路具體實現方案的創新層出不窮，如音頻控制LED燈的實現方法就有很多，有采用低通、高通、帶通濾波方案，有采用多個低通(或者高通)濾波器的方案，也有采用頻率轉換為電壓的方案等。音樂彩燈圖形的創新也是多樣性的，有的學生采用三維立體3D輻射LED圖形顯示，還有采用高亮LED球體多維度顯示，更有同學實現了音樂噴泉，從不同方式不同角度展示音樂的視覺效果。在創新發揮層次，學生有創新的項目教師即可給予3～5分的實驗創新加分。

4 實驗教學設計

本實驗由多個單元電路組成，是一個多層次的綜合性實踐項目，有基本系統實驗要求，也有能力提升實驗加分的系統拓展和創新要求，實驗課時根據不同專業設置為8～12學時。實驗需要學生經歷方案論證、系統設計、電路仿真、電路搭建與測試、整機調試、干擾消除等過程，在實驗教學中，應在以下幾個方面加強對學生的引導。

在預習階段，教師提前2周在課堂上布置并簡單講解實驗要求，重點介紹系統框圖、電壓增益的合理分配、前置放大器、功放電源濾波等電路的設計方法。學生通過實驗教材、PPT課件和MOOC網站相關視頻的學習，結合自己的能力、興趣等特點選擇多層次的實驗方案，并提前基本完成系統框圖和各單元電路的設計，對電路進行軟件仿真分析驗證。

在課堂教學及實驗階段，教師重點講解電路搭建的布局布線、測量調試的規則與方法，重點講解功放電路電源的濾波，以及功放對前級電路干擾的排除方法；教師隨時督促指導學生正確完成實驗。在電路搭建中，引導學生對電路進行合理布局、布線。在測量調試中，引導學生將理論和實踐相結合，明確系統各性能參數的含義及正確測試方法；根據實際電路有效減小級間干擾，進行整機聯調。

在實驗驗收階段，采用定量和定性兩種驗收方式，定量驗收用信號發生器產生信號，測量整機性能指標；定性驗收采用話筒和線路輸入音樂，鑒賞系統的音質以及視覺效果感受。組織實驗項目優秀的學生以演講、答辯、評講的方式進行交流，了解不同解決方案及其特點，進一步拓展學生們的視野和知識面。

5 結 語

通過音響系統3個層次的綜合實驗教學，軟、硬件結合，打破了各課程界限，學生充分運用了電路理論及電子線路技術基礎等學科的理論知識，以及本實驗課程掌握的實驗技能知識，并將其進行了有機融合，同時讓學生獲得學習的主動權，有效地激發了學生的學習興趣，促進有興趣有能力的學生能滿腔熱情積極主動發揮他們的創新能力，促進了學生對復雜系統創新設計能力和整體調試能力。

該實驗豐富了實驗教學內容、提高了實驗教學效果、激發了學生學習興趣、拓展了學生知識面，為培養學生創新意識和實踐能力打下了堅實的基礎。同學們對該實驗充滿了熱情，是他們最喜歡、收獲最多、最難忘的實驗。