將實驗視頻引入“聲學基礎”的教學方法與實踐

車小花　王佳樂　陶聲越　遲瑞強　門百永

[摘 要] 隨著本科教育的改革，如何培養學生對專業基礎課的學習興趣和增強相關的專業實踐能力，成為“聲學基礎”課程教學實踐的內容。以偶極子換能器指向性測量實驗為例，介紹“聲學基礎”課程設計的多個實驗，并將這些實驗錄制成視頻引入課堂教學，旨在豐富教學內容，保證課時壓縮背景下的教學效果。該方法有助于加深學生對所學理論知識的理解和記憶，培養學生的學習興趣，提升學生對所學專業知識的實踐能力，同時也能夠促使高校教師形成更加完善的教學體系。

[關鍵詞] 聲學基礎;教學實踐;實驗視頻

[作者簡介] 車小花（1976—），女，山東海陽人，博士，中國石油大學（北京）地球物理學院教授，主要從事地球物理測井研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）16-0133-04 [收稿日期] 2021-07-20

引言

隨著大學本科教育的不斷改革，教學理念已經由以教師為中心、以教材為中心、以課堂為中心逐漸向教師主導、以學生為中心、采用多樣化學習手段轉變[1]。在這種教育理念下，大學本科教育更注重培養學生的自主學習能力、實踐能力以及分析解決問題的能力，相較傳統的以教師“教”為中心的教學模式更加強調以學生為本體。然而，要想將這一教學理念落到實處，必須考慮如何提升學生的學習興趣，激發學生學習的自主性和創新性，使學生在教師的引導下，完成教學內容的學習。在這一背景下，隨著高等院校教育的不斷改革、培養計劃的不斷優化，本科專業基礎課的學時在很大程度上被壓縮[2，3]，這就要求任課教師在有限的教學時間內既傳授本專業必須掌握的基礎知識，在保證教學質量的前提下，又培養學生的學習興趣，提升學生對所學專業知識的實踐能力，對傳統的本科生教學模式提出很大的挑戰。專業基礎課是學生學習專業知識的入門課程，既具有基礎課理論復雜、晦澀難懂的特點，又具有專業課實踐性的特點。同時，專業基礎課程的教學對于培養學生在所學專業方向上的研究能力和學習興趣方面至關重要。

將本科生的實驗教學引入專業基礎課的教學，有利于加深學生對理論知識的認識，提高學生的學習興趣，培養學生解決工程應用問題的能力[4]。但是在課程教學過程中直接增加實驗內容，勢必會在課程學時壓縮的情況下進一步減少理論講授的學時，同時部分實驗對操作者的專業性要求較高，存在一定的風險。針對上述問題，將實驗視頻引入專業基礎課的教學過程，無疑是一種行之有效的解決方案。

一、課程介紹

“聲學基礎”是中國石油大學（北京）勘查技術與工程（測井）專業的專業基礎課。通過本課程的學習，學生能了解和掌握聲學中最基本的概念、方法以及重要結論，為后續聲波測井等課程的學習和從事應用地球物理工作打下聲學理論基礎。同時，“聲學基礎”作為一門專業基礎課具有理論性較強的特點，為了加深學生在工程應用中的綜合能力，需要通過實驗教學將理論與實踐結合起來。聲源的輻射特性是“聲學基礎”課程的重要組成部分。分析聲源的工作方式及輻射特性，有助于增強學生對聲波測井技術理論知識的理解，提升學生在實際工程應用中分析解決問題的能力。

聲源的指向性是其性能評價最主要的指標之一，直接影響聲波測井的測量效果，從而影響地層信息提取的準確性和反演的可靠性。因此，在聲波測井儀器組裝之前，必須對聲源的指向性進行實驗室測量。然而，指向性測量時存在實驗裝置復雜、測量裝置數量有限、測量時間較長等問題，因而讓本科生直接動手完成實驗有一定的困難。

二、指向性測量實驗原理及實驗裝置

（一）聲源的指向特性

聲源的指向性描述的是聲源在自由場內輻射聲波時，在遠場同一距離不同方向上輻射聲壓的分布情況，用指向性曲線來表示。指向性函數定義為：

（1）

其中，代表不同的方位角度，為聲壓幅值。

利用聲波測井技術測量地層波速時，常用偶極子聲源在充液井孔中激勵起彎曲波，在低頻條件下測量任意地層的橫波波速。此外，利用正交偶極子聲波測井技術也可以評價地層的各向異性[5]。偶極子聲源在聲波測井儀器中得到廣泛應用，其應用也是聲波測井技術的一個重大技術突破。理論上，理想的偶極子聲源是由頻率相同、振動幅度相同、相位相反、相距很近且遠小于波長的兩個點聲源組成的振動系統，其指向性函數為。

實驗在滿足遠場條件下，一般可采用兩種方法進行指向性測量：（1）固定聲源，高精度定位系統控制水聽器繞聲源旋轉一周測量;（2）固定水聽器，高精度定位系統控制聲源在固定位置上自轉測量。提取不同方位角度上記錄波形的峰值，即可計算出聲源的指向性曲線。

（二）實驗裝置介紹

偶極子聲源指向性測量在中國石油大學（北京）聲波測井實驗室里進行，實驗裝置主要包括激勵信號控制系統、信號采集系統和高精度定位控制系統三部分，如圖1所示。

激勵信號控制系統包括直流高壓電源、激勵源以及聲源，產生激勵信號并控制聲源向空間中輻射聲場。直流高壓電源為激勵源供電，為了和現場應用情況接近，對偶極子換能器施加的是激勵源產生的1500V的高壓脈沖，將高壓脈沖直接加載到發射換能器上，激勵聲源開始工作。

信號采集系統包含水聽器、多通道低噪聲程控放大器、多通道同步高速高精度數據采集系統、計算機，實現接收波形的測量和記錄。當多通道同步高速高精度數據采集系統接收到來自計算機的采集命令和來自激勵源的同步信號時，開始采集水聽器的接收信號。水聽器接收到的模擬信號經過多通道低噪聲程控放大器放大后，進入多通道同步高速高精度數據采集系統轉換為數字信號進行存儲。

高精度定位控制系統根據計算機的控制信號，可以使水聽器和聲源在三維空間上移動及自轉。

三、偶極子換能器指向性測量實驗

錄制實驗教學視頻前，先將可以在聲波測井儀器中應用的三疊片偶極子換能器安裝在機械骨架上，組成偶極子聲源，套上橡膠皮套并注硅油對其進行保護處理，以模擬測井時偶極子聲源的實際工作狀態。實驗時，應當注意對聲源的保護，扎緊橡膠皮囊以保證偶極子換能器在指向性測量時的密封性，避免橡膠皮囊進水。

實驗時，按照圖1所示的實驗裝置示意圖連線并開啟實驗設備。根據水池的尺寸以及夾持著水聽器和聲源的兩個工作頭的初始位置，設計兩個工作頭測量時的空間坐標，要求在指向性測量時既滿足遠場條件，又能保持水聽器與聲源中心對齊。在計算機的控制軟件中輸入設定的坐標，高精度定位系統依次移動夾持著水聽器和聲源的兩個工作頭從初始原點的位置到指定的位置。

測量時，在計算機的控制軟件中導入坐標文件，定位控制系統即可控制聲源按照坐標文件中的軌跡，在周向360°上以2°為跨度旋轉，每次旋轉都會控制激勵信號控制系統和信號采集系統激發與采集聲波信號。

圓周方向上測量到的時域波形如圖2所示，可以看出在0°和143°附近波形的相位正好相反且振幅最小，這正是反映了偶極子聲源一側膨脹時另一側收縮的工作特點。通過計算機內置的處理程序計算波形幅度，得到歸一化指向性曲線，如圖3所示，可以看出實際測井儀器中使用的偶極子聲源指向性曲線與理想狀態下的倒八字形曲線有一些差異。實驗測量的指向性曲線與理論的指向性曲線有差異，這是因為實驗測量使用的偶極聲源由兩片三疊片換能器組成，而理想情況的指向性理論計算是使用相距很近的兩個點聲源疊加得到的，但無論是實測還是理想的指向性曲線都能反映出偶極聲源指向性曲線具有的特征。

學生通過對實驗室偶極子聲源指向性測量過程視頻的學習，掌握了實驗室測量偶極子指向性的基本流程和方法，也能從測量波形中形象地理解偶極子聲源的工作方式，加深對理論知識的記憶。同時，通過觀察實際測量的指向性曲線，也能將理論計算和實際應用聯系起來，分析實際工程應用時所使用的偶極子換能器的結構對指向性曲線的影響，增強對換能器指向性方面專業知識的感性認識。通過實驗過程的學習、實驗結果的觀察和反思，在提高學生實踐能力的同時，也啟發了學生的思考;利用實驗教學視頻的教學方式，可將換能器指向性這種抽象的概念進行具化，使之更直觀、更容易被學生掌握，激發學生的學習興趣，為后續專業課的學習奠定堅實的基礎。

結語

在“聲學基礎”課程教學過程中，通過展示偶極子換能器的指向性測量視頻，學生能夠在較短時間內掌握聲源指向性的實驗測量方法，加深對指向性概念的理解，培養學生的學習興趣。將實驗視頻引進本科生的專業基礎課教學中，主要有以下幾點優勢。

1.解決專業基礎課中基本概念抽象、晦澀難懂的問題，加深學生對基本概念的理解，為后續的專業課學習打下更加牢固的基礎。

2.了解所學知識在實際工作中的應用情況，認識到理論知識與實際應用的共同點與差別。

3.在有限的教學學時條件下，增加學生對實驗過程的了解，培養學生的實踐能力，為以后的研究生學習及工作打好基礎。

4.在對實驗結果的深入探討中，培養學生對科學研究的興趣，激發學生自主學習的能力，讓學生從被動學習知識轉變成對知識的主動探索。

5.拓寬學生知識學習的途徑，提高知識學習的廣度。

鑒于實驗視頻教學的諸多好處，筆者及所在團隊根據課程所學知識還錄制了巖石的縱、橫波聲速測量實驗教學視頻，并將其引入課程教學。后期還將開展換能器的導納性能測量等系列實驗，進而形成一套適合“聲學基礎”課程的更加豐富、完善、高效的實驗教學視頻和教學方法。

參考文獻

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[3]趙可萍，王煒，孫紅.電類學科專業基礎課程教學與實驗教學改革的探索[J].實驗室科學，2006（5）：31-32.

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[5]喬文孝，鞠曉東，車小花，等.聲波測井技術研究進展[J].測井技術，2011，35（1）：14-19.

Abstract： With the reform of undergraduate education， how to cultivate students' interest in learning professional basic courses and enhance the related professional practice ability has become one of the contents of the teaching method practice of the Fundamentals of Acoustics course. In this paper， the measurement experiment for the directivity of dipole acoustic transmitter is taken as an example to introduce several experiments designed for the course of Fundamentals of Acoustics. These experiments are recorded into video and introduced into teaching practice so as to enrich the teaching content and ensure the teaching effect under the background of class hour compression. This method is helpful to deepen students' understanding of theoretical knowledge， cultivate students' interest in learning， improve students' practical ability of professional knowledge， as well as to promote teachers to form a better teaching system.

Key words： Fundamentals of Acoustics; teaching practice; experiment video