基于智能手机软件Phyphox在中学物理实验应用的研究——以“声音的特性”为例

洪 叶 高 雷

（苏州大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006）

Phyphox（physical phone experiments）是由德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）第二物理研究所开发的一款免费的可支持Android及Ios系统的基于智能手机内置传感器的物理实验软件，［1］可通过移动端控制并以多种常用格式导出数据或计算机远程控制.本文基于智能手机软件Phyphox的声学部分（如图1）进行初中物理“声音的特性”实验的研究，以期通过信息技术改进实验方法，提高实验效果.

图1 Phyphox软件声学部分界面

1 探究响度的影响因素

1.1 探究响度与振幅的关系

苏科版初中物理教科书中，通过鼓面上物体跳动的高度显示鼓面振幅的大小，但物体的跳动时间极短不利于学生观察分析瞬间某一状态，并且只有响度相差较大时才能明显观察到物体跳动高度的变化，而利用智能手机软件则可以直观显示振幅的大小，并将其定性化.

Phyphox软件的“声音振幅”功能可测量某处声音的声压级并用其表示该处的声音振幅，在其工作页面中，横轴表示时间，纵轴表示声压级，波形越突出表明振幅越大.打开Phyphox软件，用“声音振幅”功能记录人发出声音“一”时的振幅情况（实验前需进行校准使声压级显示为正值），逐渐提高说话的音量，观察振幅的变化情况（如图2）.

图2 振幅随说话音量增大的变化情况

从定性观察过渡至定量探究，实验需3部智能手机，一部利用“音频发生器”功能产生特定频率的声音，另两部分别用“声音振幅”及“音频自相关”功能观察声压级及振动波形图的变化情况.将声源的频率设置为440Hz，实验中调节手机音量，增大声音响度，感受声音响度变化的同时观察其余两部手机的数据变化情况（如图3、图4），并将观察到的数据记录至表1中，通过分析可知响度与振幅有关，振幅越大，响度越大.

图3 声压级变化情况

图4 振幅变化情况

表1 探究响度与振幅的关系

1.2 探究响度与传播距离的关系

响度的大小由声音接收处的波幅大小来体现，因此响度与传播距离有关.一部手机用“音频发生器”功能发出频率为440Hz的声音，另一部手机用“音频自相关”功能记录振动波形图的变化情况，逐渐增大两部手机之间的距离，观察振幅的变化情况，并将数据记录至表2中.分析数据可知传播距离越大，振幅越小，响度越小.

表2 探究响度与传播距离的关系

1.3 探究响度与分散程度的关系

用自制的纸筒喇叭探究响度与分散程度的关系.［2］一部手机用“音频发生器”功能发出频率为440Hz的声音，另一部手机用“音频自相关”功能记录有纸筒喇叭和无纸筒喇叭时的振动波形图.如图5、图6所示，当声源的频率、响度及传播距离保持不变时，有纸筒喇叭时振动波形图振幅更大，说明声音的响度与分散程度有关.

图5 无纸筒喇叭

图6 有纸筒喇叭

2 探究音调与频率的关系

苏科版初中物理教科书中，利用钢质刻度尺振动的实验来探究音调与频率的关系，但通过眼睛观察刻度尺的振动快慢和利用耳朵辨别声音的高低依靠主观感受，误差较大.本实验中将尤克里里与智能手机软件结合进行探究，尤克里里是四弦拨弦乐器，拨动琴弦可以发出声音，且四根琴弦发声的音调有明显区别，智能手机软件则可直接显示振动频率情况.

如图7所示为尤克里里示意图，从左往右依次为四弦、三弦、二弦、一弦，琴弦的粗细情况依次是较细、粗、较粗、细.将智能手机靠近琴弦，按照琴弦由细到粗的顺序依次拨动，用“历史频率”功能记录频率随琴弦直径增大的变化情况（如图8），由图像可知，随着琴弦直径的增大，频率减小，音调变低.从定性观察过渡至定量分析，“音频自相关”功能可测量单个音调的频率并显示其波形图，如图9所示，记录每根琴弦振动发声时的频率及波形图，不同琴弦发声的音调与频率情况如表3所示.实验前应先对尤克里里进行调音，确保每根琴弦发出其对应的基准音高.

表3 探究音调与频率的关系

图7 尤克里里

图8 频率随琴弦直径增大的变化情况

图9 不同琴弦振动发声的频率及波形图

由以上数据分析可知，琴弦越细，振动频率越大，波形越密集，音调越高；琴弦越粗，振动频率越小，波形越稀疏，音调越低.

3 探究琴弦振动频率的影响因素

由上述实验可知，琴弦的粗细程度影响其振动频率，琴弦越细，振动频率越大，琴弦越粗，振动频率越小.那么琴弦的振动频率与琴弦的长度、松紧程度是否也有关？

3.1 探究琴弦振动频率与琴弦长度的关系

以尤克里里的一弦为研究对象，依次按住尤克里里的一品、二品、三品、四品位置改变琴弦长度，拨动琴弦，并用“音频自相关”功能记录其频率及波形图，如图10所示为不同长度的琴弦振动发声时的频率及波形图，具体的数据记录在表4中.分析可知，弦长越长，振动频率越小，弦长越短，振动频率越大.

图10 不同弦长振动发声的波形图

表4 探究琴弦振动频率与琴弦长度的关系

3.2 探究琴弦振动频率与琴弦松紧程度的关系

通过调节尤克里里的弦钮可以改变琴弦的松紧程度.如图10、图11所示为“音频自相关”功能记录的尤克里里的一弦在较松和较紧两种状态下振动发声的频率情况.当琴弦较松时，振动频率较小；当琴弦较紧时，振动频率较大.

图11 琴弦较松

图12 琴弦较紧

上述实验也可选择装有不同高度水的玻璃瓶进行研究，在探究音调与频率关系的同时探究水量对频率的影响，还可以指导学生进行水瓶琴的制作，在实践活动中深入理解音调与频率的关系.

4 声音的音色

不同的发声体由于材料及结构的不同，发出声音的音色也不同，具体体现在波形的差异.用手机软件可以模拟不同乐器的声音，一部手机分别发出音量相同、音阶相同（C4）的吉他与古典大钢琴的声音，另一部手机用Phyphox软件的“音频自相关”功能记录两次声音的波形图，如图13、图14所示，当音调与响度相同时，吉他与古典大钢琴的声音波形图并不相同.

图13 吉他

图14 古典大钢琴

本文针对Phyphox软件在“声音的特性”实验应用的研究，利用智能手机辅助物理实验教学，不仅能有效解决使用常规手段在实验教学中遇到的问题，又能将定性实验定量化、定量实验精确化、抽象问题可视化等，进一步提升实验教学效果和学生对实验原理的理解力.通过现代信息技术优化实验方法、改进物理实验教学方式，对推进教学改革、提高教学质量具有积极意义.