利用录音软件探究声速测量

顾维

摘   要：传统的声速测量缺少实验探究环节，文章利用计算机录音软件“GoldWave” 设计了声速测量的创新探究活动。该软件结合耳机采集两个声道的信号，形象地观测到了声音传播需要时间、声音在不同介质中传播速度的差异和在空气中的传播速度。此创新设计原理简单、方法可靠、贴近生活且具有较高的精度，可帮助学生在探究过程中获得更多的创新性体验，从而提高思维品质和实验探究能力，也可以作为初中物理综合实践活动“声现象”板块的有益补充。

关键词：声速;综合实践活动;声音的传播

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）7-0068-2

苏科版初中物理教材在介绍声音在空气中的传播速度时，从“声音的传播需要时间吗？”这个问题出发，引导学生思考“在百米赛道终点处为何先看到‘白烟，一段时间后才听到枪响”，继而引出声音的传播需要时间。但是，教师在教学中往往直接告诉学生声速为340 m/s，学生则是机械地记住这个数值，缺少实验探究环节。传统的声速测量方法有相位比较法、振幅极值法、时差法等[1]。前两种方法的原理涉及到较高的机械波相关知识，不适合初中生。教材提到的百米赛道案例属于时差测量法，需要在室外的操场实施，对计时器的精度要求比较高，同时也存在人为误差。针对此问题，笔者利用录音软件同时采集两个声道的信号进行声速探究活动的设计，依次进行“声音的传播需要时间”“不同介质中的声速”和“测量空气中的声速”等探究活动。

1    声音采集的原理

实验选用最常见的3.5 mm接口动圈式有线耳机，其两个耳塞是相互独立的声道电路。把耳机插入电脑录音孔（MIC）内，外界声波引起两个耳塞的振动膜振动，产生的电信号被声卡记录（图1）。

打开“GoldWave”（或其他录音软件），点击录音，可以看到两个耳塞采集到的声音信号输出到左右两个声道中。通过信号增益、时间轴放大，可以观测到两路信号的微小差异，经过数据分析处理可得出声音的传播特性（图2）。

2    实验声源的选择

鉴于耳机作为录音元件录制到的电平较低，为了便于寻找对应的振动信息点，实验所需声源要响亮、短促、振动单调、波形简单。笔者选用两个木块敲击，其振动特性基本满足上述要求。

3    探究活动的设计

活动1：观察声音的传播需要时间

取一把木质米尺，用胶带把耳机贴在米尺上相距60～80 cm的地方，耳塞面朝上放置，耳塞与木尺之间垫上一小块软垫。

对比实验1：在两个耳塞的中点位置敲响木块，记录波形（图3）。因为两个耳塞到声源的距离相等，所以两个波形放大后，并未出现明显的振动时间差，振幅也基本相同，说明声音是同时传到两个耳塞的（图4）。

对比实验2：在兩个耳塞的外侧延长线上敲击木块（图3），再次记录并比较两个声道的波形，可以观察到两个声道的波形的振动起点存在一定的时间差（图5），表明声音的传播需要时间。距离声源较近的耳塞接收到声波所需时间短、振幅大;较远的耳塞所需时间长、振幅小。

活动2：声音在固体中的传播速度比在空气中快

将耳塞面朝下，紧贴在木尺表面，并用胶带固定住，距离和活动1的保持一致。用一个木块敲击木尺的一端，产出的声波通过木尺传向两个耳塞。学生对采集到的左、右声道波形与活动1的波形进行对比后发现：上述振动的时间差明显变小，得出声音在木头中的传播速度比在空气中快（理论传播速度为500 m/s，实测数据约为540 m/s）。

拓展实验：声音在钢铁中的传播速度如何呢？只需要把木尺换成一根钢棒进行实验，结果几乎看不到时间差，说明声音在钢铁中的传播速度远远大于它在空气和木尺中的传播速度。

活动3：测量声音在空气中的传播速度

将两个耳塞振动膜的中心间距固定在70 cm，在一侧延长线上用力多次敲击木块，同时录音软件采集声音。放大波形的振幅，再让波形图在时间轴上放大，选择波形清晰的几次敲击。拖动鼠标精确选择两列波对应的振动位置，点击“设数”按钮即显示起始时刻并计算时间差（图6）。利用v=s/t求出声音在空气中的传播速度。多次测量，求出测量平均值，并与理论值对比。得到的图像和数据如图6所示，测得声速为346.5 m/s，十分接近340 m/s。该实验是在接近20 ℃的环境中完成的，后期也可以进一步研究声速与空气温度和湿度的关系。

4    反  思

实验误差的主要来源：（1）声源位置布局不精准，其并非精确在两耳塞的连线上;（2）实验过程中声音加强位置判断不准确;（3）室内温度和湿度存在微小变化。

5    总  结

学生“实验经历”和“知识传授”获得的体验截然不同，使用耳机录制声音的方法原理简单、器材易得，不需要做任何改装，且成本低廉、精度可靠。上述综合探究活动可以在教室里以2～4人的学习小组的形式开展，也可以作为课后自主探究活动。学生通过该探究活动，不仅形象地看到了波形图，还了解了不同物体的波形图具有不同的特征，直观地感知了声音传播的快慢。在小组实验过程中，学生的观察、动手、思维能力得到发展，也体会到了相互合作的乐趣和成就感。在初中物理教学中演示该实验，有助于激发学生的学习兴趣，提升学生的科学素养。

参考文献：

[1]杨述武，赵立竹，沈国土. 普通物理实验（力学、热学部分）[M].北京：高等教育出版社，2007：30-33，61-63，139-142.（栏目编辑    邱晓燕）