跨學(xué)科實(shí)踐中探索物理實(shí)驗(yàn)的改良與創(chuàng)新*
——以蘇科版八年級聲現(xiàn)象綜合實(shí)踐活動為例

羅宇航

(蘇州市吳中區(qū)胥口中學(xué) 江蘇 蘇州 215164)

1 問題的提出

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》增設(shè)了“跨學(xué)科實(shí)踐”課程內(nèi)容,提出通過創(chuàng)設(shè)綜合性、實(shí)踐性和開放性的跨學(xué)科問題情境,促進(jìn)學(xué)生提出問題能力、收集和處理信息能力、綜合解決實(shí)際問題能力以及團(tuán)隊(duì)合作能力的提升,注重對學(xué)生創(chuàng)新精神、社會責(zé)任感等的培養(yǎng)[1].

“比較材料的隔聲性能”是蘇科版八年級物理上冊第一章聲現(xiàn)象章末設(shè)置的綜合實(shí)踐活動,隔聲材料的應(yīng)用涉及聲學(xué)知識,與生活緊密聯(lián)系,是適合開展跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)的課題之一.目前教材中實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示.

圖1 教材實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的:將報紙、泡沫塑料、鋁箔、塑料袋等材料分別包裹機(jī)械鬧鐘放入鞋盒內(nèi),蓋上盒蓋,學(xué)生從聲源處逐漸遠(yuǎn)離,直到剛好聽不到鬧鐘指針走動的“嚓嚓”聲,記錄此時人與聲源的距離,這個距離反映材料的隔聲性能.有文獻(xiàn)對實(shí)驗(yàn)提出一些改進(jìn),如用手機(jī)安裝APP來測量傳出聲音的響度,用小音箱代替鬧鐘作為聲源.筆者進(jìn)行了實(shí)踐,實(shí)驗(yàn)仍然存在以下問題.

(1)用人耳剛好聽不見聲音時離聲源的距離來反映隔聲性能,盡管方法簡易,距離能夠定量測量和記錄但“聽見”和“聽不見”指針走動聲音的界限模糊,存在很強(qiáng)的主觀性.

(2)如果用音箱或者手機(jī)作為聲源,當(dāng)它們發(fā)出低頻率時,明顯能觀察到鞋盒表面在低頻聲波作用下的共振發(fā)聲,聲音通過鞋盒阻隔后響度反而會增大.

(3)常見單層材料厚度差異很大,一般棉布厚度2 mm以上,報紙厚度1 mm,而鋁箔、塑料袋厚度僅為15 μm,材料包裹住聲源并塞滿鞋盒時,增加了聲音傳播的復(fù)雜程度,不同材料塞入鞋盒的緊實(shí)程度和縫隙大小很難一致,沒有材料厚度相同的.

2 隔聲性能的理論分析

2.1 隔聲與吸聲的區(qū)別

聲音遇到隔聲材料后能量會被反射、吸收、透射.如圖2所示,聲源在隔音面左側(cè)的室內(nèi),觀察者A、B被隔音面分隔在兩個區(qū)域內(nèi),當(dāng)聲音傳播到隔音分界面上時,它的一部分聲能被反射回原來空間,一部分被隔音面吸收,還有一部分聲能會透射到另一側(cè)去.吸聲是為了將入射的聲能吸收或者透射掉,減少反射聲能,從而減弱左側(cè)室內(nèi)的聲音響度,是相對于觀察者A而言的,反射聲能越少,吸聲效果越好.隔聲是指利用材料將聲能反射或者吸收掉,減少透射聲能,將聲音阻隔,從而減弱隔音面右側(cè)空間聲音響度,是相對于觀察者B而言的,透射聲能越少,隔聲效果越好.

圖2 聲能的傳播原理

2.2 聲音強(qiáng)弱的計量

要比較隔聲性能,必須計量透射聲音的強(qiáng)弱,教材實(shí)驗(yàn)計量方法本質(zhì)還是建立在人耳對聲音強(qiáng)弱主觀判斷基礎(chǔ)上的.手機(jī)安裝分貝儀等軟件后能夠直接測出聲音響度,適合用于學(xué)生課外探究實(shí)踐,物理學(xué)中,用聲強(qiáng)級來客觀描述聲音的強(qiáng)弱,但手機(jī)測量的響度并非聲強(qiáng)級.人對聲音主觀上產(chǎn)生“響度的感覺”與客觀因素聲強(qiáng)有關(guān),聲強(qiáng)表示通過垂直于聲音傳播方向的單位面積上的平均聲能量流大小,用符號I表示,如1 000 Hz頻率的聲音,人剛好能聽到時它的聲強(qiáng)稱為參考聲強(qiáng)Iref,人對響度的感覺并不與聲強(qiáng)成正比,而是與聲強(qiáng)的對數(shù)近似成正比,因此引入了聲強(qiáng)級概念,聲強(qiáng)級用符號STL表示,定義為

(1)

單位為分貝(dB),聲壓級定義與聲強(qiáng)級類似,與聲強(qiáng)級數(shù)值上近于相等.

對于不同頻率的聲音,即使聲強(qiáng)相同,人感覺到的響度也不同,把某聲音與另一個標(biāo)準(zhǔn)聲音(通常為1 000 Hz純音)相比較,調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)音聲壓級直到聽起來同樣響,此時標(biāo)準(zhǔn)聲音聲壓級定義該聲音響度級,不同頻率聲音響度級與頻率關(guān)系曲線通常稱為等響曲線,如圖3所示[2].

圖3 聲音等響曲線

為了模擬人耳感覺特性,無論是專業(yè)的分貝儀還是手機(jī),把接收到的聲壓信號轉(zhuǎn)換成電信號后,音頻芯片都會根據(jù)等響曲線設(shè)置一定計權(quán)網(wǎng)絡(luò)對電信號進(jìn)行修正,再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號顯示出響度,此時的計權(quán)響度不再是一個客觀的物理量.由于采用的計權(quán)標(biāo)準(zhǔn)、基準(zhǔn)響度不同,不同聲音測量儀器在沒有專業(yè)校準(zhǔn)的情況下測出的響度值一般是不同的.因此,手機(jī)安裝分貝儀顯示的響度只是反映聲音相對強(qiáng)弱,不同款式手機(jī)測出的計權(quán)響度不具比較性,同一手機(jī)測出不同頻率聲音計權(quán)響度也不能完全反映它們聲強(qiáng)級大小關(guān)系.

2.3 隔聲量的理論計算

材料的隔聲性能通過隔聲量來描述,為入射聲強(qiáng)級減去透射聲強(qiáng)級,用符號TL表示,假設(shè)入射和透射聲強(qiáng)分別為Ii、It,代入式(1)得

(2)

常見的隔聲材料通常是以面的形式鋪展在一定空間,用于隔絕通過空氣傳來的噪聲,如果把隔聲材料看成無勁度、無阻尼的柔順質(zhì)量且忽略其邊界條件,則在聲波垂直入射時,隔聲量的計算式為

(3)

(4)

ρ0取1.29 kg/m3,c取344 m/s代入式(4)得

TL=20lgf+20lgm-43

(5)

由式(5)可以看出,板材單位面積質(zhì)量或者聲音頻率每增加一倍,隔聲量可以增加6 dB.在建筑聲學(xué)中稱為質(zhì)量作用定律.但是在教材實(shí)驗(yàn)中用到的有些隔聲材料面密度很小,比如報紙、塑料袋,它們單層的理論隔聲量應(yīng)該用式(3)來進(jìn)行計算.

通過上述分析可知,如果材料厚度相同,教材實(shí)驗(yàn)的變量是材料的種類,本質(zhì)上是材料的密度屬性影響了隔聲性能.但平時學(xué)生實(shí)測隔聲量與面密度的相關(guān)性并不大,筆者認(rèn)為有兩個主要原因:一是鞋盒內(nèi)包裹填充隔聲材料的厚度沒有定量測量,實(shí)驗(yàn)并沒有控制材料厚度相同;二是鞋盒面板不僅有隔聲作用,也可能共振發(fā)聲,面狀材料塞入鞋盒構(gòu)成的大量孔隙具有吸聲的作用,增加了聲波傳播過程的復(fù)雜程度.

3 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與拓展

3.1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)首先是要更好地控制材料的厚度相同,用單層的面料來隔聲,厚度能夠準(zhǔn)確測定,多種厚度相同的單層面料在生活中不易同時找到,可以在課前網(wǎng)購補(bǔ)充所缺種類.筆者將隔聲材料制作成一個矩形盒罩住音箱,但是在操作時仍然存在缺陷:如果用單面開放的矩形盒罩住音箱,底部的空隙會明顯減弱隔音量,如果把音箱全封閉在矩形盒內(nèi),操作會非常繁瑣,柔軟的面料也不便于制作矩形盒.如果聲源放入一個隔聲性能較好的廣口厚壁玻璃瓶內(nèi),將單層隔聲材料覆蓋在瓶口,用手機(jī)在瓶外固定距離處測出聲音響度,實(shí)驗(yàn)操作就大為簡便.

其次是盡可能避免其他因素對隔聲的干擾,為了減小材料與瓶口接觸的空隙,把兩塊相同正方形板中間開一個與廣口瓶大小相同的孔,下面的板粘在瓶口,實(shí)驗(yàn)時把隔聲材料夾在兩板中間,用手機(jī)或者小音箱作為聲源發(fā)出中高頻聲波,避免材料低頻共振,瓶內(nèi)再放入適量棉花用以抑制聲音在瓶內(nèi)的混響,器材示意圖如圖4所示.

圖4 改進(jìn)器材示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

3.2.1 材料和工具

藍(lán)牙小音箱,智能手機(jī)兩部,游標(biāo)卡尺,厚壁廣口玻璃罐(口徑100 mm),木板或鋁板(150 mm×150 mm,4 mm厚)2塊,鐵架臺,棉花團(tuán),中號長尾夾,熱熔膠槍,細(xì)鋸條等.將兩部手機(jī)分別安裝好phyphox、“分貝儀”軟件,安裝phyphox的手機(jī)設(shè)置開啟的藍(lán)牙功能與藍(lán)牙音箱配對好,把隔聲材料裁切成150 mm×150 mm的方塊.

3.2.2 制作方法

以板中央為圓心畫一個100 mm直徑的圓,圓內(nèi)開一個直徑足夠鋸條穿入的孔,鋸條沿著圓弧切割,去除中央的圓形部分,做成兩片空心板.用熱熔膠把其中一片板同心粘在玻璃杯口,連接處用膠水密封.瓶底墊上棉花團(tuán)后放入音箱,安裝分貝儀的手機(jī)放置在瓶口正上方20 cm處,器材實(shí)物如圖5所示.

圖5 改進(jìn)器材實(shí)物圖

3.3 實(shí)驗(yàn)探究過程

3.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

在“比較材料的隔聲性能”學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步論證實(shí)際隔聲量與面密度的關(guān)系.

3.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)把安裝分貝儀的手機(jī)放置在廣口瓶的瓶口正前方20 cm處,安裝phyphox的手機(jī)輸出固定響度為2 000 Hz的正弦波信號,使音箱播放聲音,用手機(jī)軟件測出聲音響度.

(2)把隔聲材料平整放置在兩板之間,用長尾夾沿著兩片木板四周把它們夾緊,用手機(jī)軟件測出聲音響度,把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表格.

(3)用其余隔聲材料依次替換,重復(fù)步驟(2).

本文為了進(jìn)一步論證理論分析結(jié)果,對材料的面密度數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量,并添加在學(xué)生實(shí)驗(yàn)表格中,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 比較材料的隔聲性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從表1數(shù)據(jù)可以看出,泡沫塑料面密度極小,幾乎不能隔聲.棉布、聚酯纖維板是良好的吸聲材料,但多孔的性質(zhì)導(dǎo)致其密度很小,而且透氣,所以隔聲性能非常差,對于單層板材,吸聲材料往往不是良好的隔聲材料.除去上述3種材料,材料隔音性能是隨著材料的面密度增大而增大的,把材料的面密度值代入式(2)計算出理論隔聲量,實(shí)測隔聲量都比理論隔聲量小5 dB左右, 將表中面密度m的對數(shù)和實(shí)測隔聲量數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在坐標(biāo)圖中,如圖6所示,可以分析發(fā)現(xiàn)實(shí)測隔聲量與面密度的對數(shù)具有較好的線性關(guān)系,線性擬合相關(guān)系數(shù)為0.995,與板材隔聲的“質(zhì)量定律”理論一致.

圖6 實(shí)測隔聲量與面密度關(guān)系

4 實(shí)驗(yàn)拓展

材料的隔聲性能受到多種因素的共同影響,以隔聲為主題可以開展多樣化的探究.如在學(xué)生了解了噪聲的危害后提出問題:“如何提高房間的隔聲性能?”學(xué)生會從多個角度提出解決方案,比如增加墻壁和窗戶玻璃的厚度、改變墻壁的材質(zhì)、減小門窗的空隙大小等等.那么這些方案是否可行?如何用實(shí)驗(yàn)來證明?讓學(xué)生自主地發(fā)現(xiàn)探究的目標(biāo)和意義,從而激發(fā)學(xué)生的探究興趣和創(chuàng)新精神.

4.1 探究材料厚度對隔聲性能影響

聲音頻率2 000 Hz,紙板厚度分別為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm.測出隔聲量,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 探究材料厚度對隔聲性能影響

結(jié)論：材料越厚隔聲性能越好.

4.2 探究聲音頻率對隔聲性能影響

紙板厚度為0.5 mm,聲音頻率分別為200 Hz、400 Hz、600 Hz、800 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz、2 000 Hz、2 500 Hz、3 000 Hz.調(diào)整隔聲前聲源響度,使各頻率聲音的初始響度大致相同,再測出隔聲量,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 探究聲音頻率對隔聲性能影響

結(jié)論：聲音頻率對隔聲性能的影響沒有明顯規(guī)律.

4.3 探究材料空隙大小對隔聲性能影響

聲音頻率分為1 000 Hz,紙板厚度為1 mm,紙板中央開正方形孔,邊長分別為1 mm、2.5 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、30 mm、40 mm.測出隔聲量,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 探究材料空隙大小對隔聲性能影響

結(jié)論：同等條件下,孔越大隔聲性能越差,孔邊長在5 mm以下時,孔對隔聲量影響較小.

4.4 實(shí)驗(yàn)反思

表2數(shù)據(jù)反映出的定性規(guī)律與理論相符,表3數(shù)據(jù)并沒有體現(xiàn)出理想條件下頻率越高隔聲量越大的規(guī)律,聲音頻率為200 Hz時紙板產(chǎn)生了明顯共振,筆者在隔音教室多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的情況都相同,通過進(jìn)一步查閱資料,發(fā)現(xiàn)隔聲性能還受到聲源頻率、阻尼共振、邊界條件等多種因素的影響,隔聲特性曲線依據(jù)頻率從低到高依次分為剛度控制區(qū)、阻尼控制區(qū)、質(zhì)量控制區(qū)和吻合效應(yīng)區(qū),如圖7所示[4].

圖7 隔聲特性曲線分區(qū)

只有頻率處于質(zhì)量控制區(qū)時,隔聲量才會隨著頻率提高而增大.對于多層板材隔聲,聲能傳播還受到隔聲空腔內(nèi)空氣共振的影響,因此會在層間填充如聚合物泡沫、吸音棉等來提高聲能的消耗和削弱吻合效應(yīng)[5],因此在隔聲建材中也常能見到吸聲材料.

5 結(jié)束語

通過對實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和拓展,不僅提高了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性,拓寬了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的素材來源,也使課題可以轉(zhuǎn)化為更具可操作性的跨學(xué)科實(shí)踐方案,材料的隔聲性能涉及部分知識超出課程標(biāo)準(zhǔn)要求,并不需要學(xué)生掌握,但讓學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動下完成探究,運(yùn)用探究的結(jié)論挑選合適的隔聲材料,可以使學(xué)生真正參與到工程實(shí)踐中去,增強(qiáng)社會決策意識,有利于提高學(xué)生探究和創(chuàng)新能力,促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展.