利用录音软件设计声音传播速度的创新探究活动

顾维

摘 要：本文介绍一种利用计算机录音软件测量声速的实验方法，并由此设计适用于初中物理学习的综合探究活动方案.学生在探究活动中对声音在不同介质中传播的快慢进行定性分析和对空气中的声速进行定量测量.

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：B     文章编号：1008-4134（2021）16-0038-02

作者简介：顾维（1979-），女，江苏南通人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理实验研究.

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，但是教师在实际教学中对于“声速为340m/s”这一知识往往是直接告诉学生，在平时练习中需要用到声速进行距离的计算时，学生也只是机械地记住这个数值.随着各种电子设备的使用，传统发令枪的使用越来越少，生活中这类能直观反映声音传播需要时间的例子也不多.因此需要教师设计一组符合初中生认知规律的、简单易行的实验，开展有关声音传播快慢的自主探究活动.

传统的声速测量主要有相位比较法、振幅极值法、时差法等.前两种方法的原理涉及到难度较高的机械波的相关知识，很显然不适合初中生使用.课本上提到的在百米终点处测量看到“白烟”和听到枪响的时间差法需要在操场进行，对计时器的精度要求比较高，同时存在人为反应误差，不适合作为学生自主探究的分组活动.笔者利用计算机录音软件同时采集两个声道信号的方法进行声速探究活动的设计，可以很好地解决上述问题，并依次进行“声音的传播需要时间”“不同介质中的声速”“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3.5mm接口动圈式有线耳机，其两个耳塞是两路独立的声道电路.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，产生的电信号传入声卡被记录.如笔记本电脑没有单独的录音接口，则可以使用外置USB声卡（如图1所示）.

打开“Gold Wave”（或其他录音软件，如Cool Edit等）点击录音，可以看到两个耳塞采集到的声音信号被同时分别记录到左右两个声道中（部分操作系统默认单声道录制，可在系统注册表和录音属性中修改），通过信号增益、时间轴放大，可以看出两路信号的微小差异，经过数据分析处理后得出声音传播的特性（如图2所示）.

2 实验声源的选择

因为耳机作为录音元件录制到的电频较低，本实验采用的声源需要响亮、短促、振动单调，这样得到的波形相对简单，便于寻找对应的振动信息点.经过多次实验，笔者选用两个木块敲击，振动的特性基本满足上述要求，同时器材简单，便于学生操作.

3 探究活动的设计

活动一 观察声音的传播需要时间

把两股耳机线分开，使两个耳塞间距拉长，取一把木质米尺，用胶带把耳机贴在米尺上相距60-80cm的地方，耳塞面朝上放置，耳塞与木尺间可以垫上一小块软垫.

对比实验一：在两个耳塞的中点位置或中垂线位置上敲响木块，记录波形（如图3所示）.进行分析比较：此时因为两个耳塞到声源的距离相等，所以观察放大后的两个波形，发现几乎同时开始振动，并未出现明显的时间差，振幅也基本相同，说明声音同时传到两个耳塞（如图4所示）.

对比实验二：在两只耳机的外侧延长线上敲击木块（如图3所示），再记录并分析比较两个声道的波形，放大图像，可以观察到两个声道波形的振动起点存在一定的时间差（如图5所示）.通过两次对比实验，很容易得出这个时间差就是因为声音传播距离不同引起的，也就是说声音的传播需要时间.距离声源较近的耳塞接收到声波的时间短，而且振动幅度大;声音传播到较远耳塞所需的时间长，且振幅小.通过本组探究活动，学生可以直观地感知声音的传播需要时间.

活动二 声音在固体中传播的速度比在空气中快

在上述活动的基础上，将耳塞面朝下，紧贴在木尺表面，距离保持和活动一中相同，用胶带固定住.实验时在耳塞延长线上用一个木块敲击木尺的一端，此时木块敲击木尺发出的声波通過木尺传向两个耳塞.学生对采集到的左右声道波形与活动一的图像进行对比发现：对应振动的时间差明显变小，探究活动得出声音在木头中的传播速度比空气中快（干松木理论传播速度为500m/s，木尺实测数据约540m/s）.

拓展实验：声音在钢铁中的传播速度如何？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在空气和木尺中的传播速度（钢铁中理论声速为5400m/s）.

活动三 测量声音在空气中的传播速度

将两个耳塞拉开，振动膜中心间距70cm，在一侧延长线上用力多次敲击木块，同时打开录音软件录制声音.在软件中点击音量调节滑块，放大波形的振幅，再将波形图沿时间轴放大，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，点击软件的“设数”按钮即显示起始时刻并计算时间差（如图6所示）.只要根据v=s/t这个简单的公式，学生就可以求出声音在空气中的传播速度.多次测量，求出当前环境下声音在空气中的传播速度的平均值，并与理论值进行对比.笔者在间距0.7m得到的图像和数据如图6所示，测得声速为346.5m/s.本实验的结果接近于340m/s，因为实验是在室温接近20℃的环境下完成的，后面也可以进一步改进，研究声速与温度的关系、声速和空气湿度的关系.

4 反思

实验在误差允许的范围内合理，实验误差主要来源于以下几个方面：（1）发声的位置，发声的位置应该在两耳机位置的连线上，这样才能保证两耳机间的距离就是声源的距离差，否则会给实验带来较大的误差;（2）每次敲击发声的品质不一样，实验过程中声音加强位置是一个小区间，判断加强点不精确;（3）室内温度存在微小变化.

5 总结

学生“实验经历”和“知识传授”获得的体验是截然不同，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，而且该设计测量方法可靠，数据计算结果比较理想.上述综合探究活动可以在教室里以2-4人的学习小组开展，也可以作为课后自主探究活动.学生通过活动，能够清晰地看到波形图，了解不同物体的波形图不同.通过对不同位置接收到的声波进行放大对比，直观地让学生感知声音传播的快慢，更好地理解知识.还能在一定程度上增强学生对实验的兴趣，在和小伙伴们一起进行实验的过程中，自身的观察、动手、思维能力得到发展，体会到相互合作的乐趣，获得成就感，有助于激发学生学习兴趣，提升学生的科学核心素养.在初中物理教学中演示该实验，教学实践表明效果较佳.

参考文献：

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（收稿日期：2021-04-26）