大学物理创新实验的设计研究——以吸声装饰材料板的设计为例

马 艳

(1.宁夏师范学院 物与电子信息工程学院,宁夏 固原 756000;2.宁夏师范学院 纳米结构及功能材料工程技术研究中心，宁夏 固原 756000)

大学物理实验是对学生进行实验技能训练的专业基础必修课，在高校物理专业及其它理工科专业中对于学生动手能力和创新思维的培养具有重要的意义[1]，但目前高校所开设的大学物理实验课程中，基本分为三类: 基本仪器的操作、基础类实验和创新型实验，其中,基本仪器的操作主要以学生掌握常用基本仪器的操作为主，基础类实验则以验证经典理论和定律为主，而创新类实验则主要在基础实验的基础上进行一定的延伸，通过学生自主设计实验方案来验证一些基础理论，以实际生活应用为目的创新设计型物理实验则很少，这使得大学物理创新实验与实际脱节，流于形式，学生对大学物理实验的兴趣不高，阻碍了学生的学习主动性和积极性，难以培养学生的科学思维方式和创造性[2-7].如果以物理理论为基础，通过学生自主查阅相关资料在其基础上进行创新设计以解决具体生活中的问题，将极大地激发学生的学习兴趣及对基本物理原理的理解应用和自主创新能力.本文将以防治噪声污染的实际应用为例，结合大学物理基本规律，引导学生进行创新物理实验设计，来解决实际生活中噪声污染的问题，为大学物理创新实验的设计提供参考.

噪声污染已经成为世界三大环境污染之一.目前，室内控制噪声污染的基本方法是在墙体中应用吸声装饰材料[8-9]，这种装饰材料具有吸音的优点，但是市面上所用的吸声装饰材料不仅结构复杂，而且功能单一，不便于安装、固定和拆卸，更不便于保护墙体，无法防止板体拆卸时对墙体造成的损伤，除此之外，不能在吸音的同时进行室内保温防潮，且化学成分稳定性差.因此对新型吸声材料的开发应用是噪声控制的重要途径[10-11]，而声音的传播和吸收又是大学物理声学部分——波动和声的基础内容，在大学物理实验设计中，与之相关的实验非常少，只集中在简单的观测振动和发声现象的实验中，同学们对此兴趣不大，而如何能将声音的传播和吸收与我们迫切想解决的吸声和降噪问题联系起来，通过设计吸声装饰材料板来解决上述问题，将使得大学物理创新实验具有实际意义.基于以上原因，考虑传统吸声材料的缺陷，本文利用物理学基本原理设计一种新型吸声装饰材料板，来解决目前市场上吸声装饰材料的不足.

1 基本理论

根据大学物理中声波的传播和吸收可知，当声波从一种物质进入另一种物质后，会发生反射和透射现象.由于每种物质的声学阻抗不同，不同的介质中反射和折射的情况也不相同，而墙体对声波的反射、折射和吸收实际上属于声波通过中间层的问题，根据质量作用定律

(1)

(1)式中TL为墙体的隔声量，M为单位面积墙体的质量，R1为墙体周围介质的特性阻抗，ω为入射声波的频率.分析(1)式可以看到，墙体的隔声量与墙体周围的介质,单位面积墙体的质量，入射波的频率均有关，通过(1)式可以看到，当墙体确定时，墙体的隔声量就很难改变，如果通过增加墙体的质量来增加隔声量，成本很大.因此在实际应用中，可以考虑在墙体上增加吸声板来增加墙体的隔声量，选择在两层材料中填充吸声材料构成吸声板，这种吸声板的构造在理论上相当于双层墙隔声.根据质量作用定律，双层墙的隔声量为

(2)

(2)式中D为板的厚度，k为波数.根据(2)式可知，吸声板的隔声量取决于入射波频率、上下板之间距离、隔声板质量及隔声板内部的填充材料等.一定条件下，通过改变隔声板隔声量的影响因素，可以增加吸声板的隔声量，当墙体上附加吸声板之后，通过吸声板来增加墙体的隔声量，在此基础上通过选择不同的材料和不同的结构可以起到室内保温防潮和减震的作用.

2 吸声装饰材料板的设计

基于以上原理，吸声装饰材料板创新设计的目标有以下几点:第一，提高板体吸收声音的能力和效率;第二，在吸收声音的基础上，提高板体抗氧化腐蚀的能力;第三，在吸音板从墙体拆卸时，对墙体的损伤最小;第四，在板体吸收声音的基础上，能够防潮、保温;第五，要求整个墙体材料无毒无害，化学性能稳定.

基于以上目标，在整个设计过程中，通过查阅相关文献，结合大学物理中声波的传播、墙体隔声、吸声材料等相关知识，分组讨论、设计图纸.所需材料有板体、吸音孔、凸槽、限位块、凹槽、限位槽、橡胶垫、减震弹簧、纤维柱等.

设计完成的新型吸声装饰材料板结构如图1所示，由板体、吸音孔、凸槽、限位块、凹槽和限位槽等装置组成.板体可通过凸槽和凹槽进行排列安装，再通过限位块和限位槽进行板体的固定，使其安装拆卸更加便捷安全.板体的另一侧安装有凹槽，凹槽的上下两端均开设限位槽，板体的后部安装有橡胶垫、橡胶垫和板体通过减震弹簧连接.

1-板体;2-吸音孔;3-凸槽;4-限位块;5-凹槽;6-限位槽

板体结构如图2所示，由两层防水透气膜中间夹杂矿渣棉和酚醛泡沫构成.矿渣棉和酚醛泡沫属于多孔吸声材料，二者填充在防水透气膜内部，能够起到吸声降噪的作用.根据公式(2)可知，要提高板体的吸声性能，需要增加板体的厚度，利用不同的吸声材料进行一定的组合，构成复合吸声材料，在一定的板体厚度上增加板体的吸声性能.因此，本次设计中材料用矿渣棉和泡沫构成的复合材料填充板体，设置的酚醛泡沫能够便于吸音的同时，也便于室内保温防潮，同时也起到了防火无毒节能环保的作用，并且其化学成分稳定性强，防腐抗老化.外层的防水膜能够起到防水透气的作用.除此之外，为了实现吸音和提高吸音效率，在板体的表面开设有一系列尺寸较小且均匀分布的吸音孔;为了防止板体氧化腐蚀，提高其化学稳定性，板体的表面涂有防腐涂料;通过减震弹簧和纤维柱对板体进行支撑，使其便于保护墙体，防止板体拆卸时造成墙体的损伤.

1-防水透气膜;2-矿渣棉;3-酚醛泡沫

通过上述设计可以看出，在整个设计过程中首先根据声传播和声波吸收的基本理论进行了板体的设计，为达到实际应用中的保温防潮、减震及安装方便的目的，对板体外部进行新的设计.因此，此次创新实验设计达到了基本物理原理和实际生活需求的融合，具有较强的实用性和创新性.

3 小结

大学物理实验是培养理工科学生分析问题、解决问题的能力,是将理论知识转换为实际生产力的重要途径.长期以来，大学物理实验教学中创新实验内容陈旧，实验过程流于形式，学生实验热情不高，阻碍了学生学习的积极性、主动性和创造性，难以实现培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力及现代科学思维方式的形成.本文以大学物理基础理论为出发点，引导学生针对墙体隔声问题设计新的吸声材料板来解决隔声降噪的实际问题.学生通过查阅资料、实际考察、提出设计方案，在整个研究问题的过程中积极参与和体验科学探究过程.学会使用科学研究方法来解决实际问题，养成科学思维习惯，打破物理实验的固有思维模式，增强创新意识和实践能力.通过以上实验设计，能够提高学生对大学物理基本原理的应用，激发学生的创造力并提高学生解决实际问题的能力，提高学习兴趣及对基本物理原理的理解应用和自主创新能力.