动圈式扬声器演示仪的设计、制作、改进与拓展

甘力丹 陈雨晴 谢倩如 滕阁 潘星志 牟晓宇 罗海军

摘   要：基于动圈式扬声器的工作原理，分析了线圈版、平面版和纸盆版动圈式扬声器的原理、设计改进和拓展应用。这些扬声器取材方便、设计巧妙，其实验演示现象生动有趣，可以有效展示电磁声的相互作用。教师可以将其开发成科普项目、演示实验、拓展课程、STEAM课程和项目化学习等内容。这与新课标强调“从生活走向物理，从物理走向社会”，强调教学要注重科学探究、倡导教学方式多样化等理念高度契合。

关键词：扬声器；跨学科教学；课程标准；核心素养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2023）7-0053-3

扬声器是电磁作用的应用典范，是中学物理和科学课程重要的教学内容。《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确提出：通过实验，了解通电导线在磁场中会受到力的作用，了解动圈式扬声器的结构和原理［１］。但是，当前已有教材对扬声器的分析以描述介绍为主，缺乏设计制作和探究实践要素。当前，部分研究者［２－８］介绍了一些扬声器的制作方法，也有将其制作与创新实验［９］、ＳＴＥＭ教学［１０］相结合，取得了较好的效果。不过师生在制作、模仿这些扬声器时，经常会遇到制作难度大、音量小、破音大、噪声强等问题，难以真正展现自制扬声器演示仪的独特魅力。

本研究利用漆包线、钕磁铁、功放等常见器材，设计了多种类型的动圈式扬声器演示仪。这些演示仪取材方便、设计巧妙、演示现象明显、趣味性强。而且教师基于该系列演示仪的设计、制作和改进过程，可以有效开展基于项目和真实问题解决的学科与跨学科实践的教学，这对培养学生的核心素养、促进师生创新实践能力的发展等具有多重积极意义。

１    让档案袋唱歌——平面版动圈式扬声器的设计制作和改进拓展

制作过程： 取一张尺寸约２０ ｃｍ × ３０ ｃｍ的纸片（Ａ４打印纸、档案袋、硬纸壳均可），在纸面上均匀贴上双面胶，再将直径为０．３0 mm ～ ０．５０ ｍｍ的漆包线从纸板中心开始一圈一圈地贴在双面胶上，绕３０圈左右，然后再贴上一层透明胶带以固定线圈，最后将漆包线两端的绝缘漆刮干净作为引出端。

使用方法：将一塊直径为３０ mm～５０ ｍｍ的钕磁铁放置此线圈正中下方位置，音源输出端（最好是功放）接上漆包线引出端。开启功放播放音乐，则此纸片发出悦耳的音乐。平面版动圈式扬声器的装置和使用方法如图１所示。

原理分析：此自制扬声器演示仪最精妙的地方在于纸片能精准发出和原音频一致的声音。当接通音频信号后，扬声器线圈有音频电流通过，磁铁对线圈将产生力的作用，此力将带动与其相粘的平面振动而发声。

此自制扬声器演示仪能精准还原发音的奥妙在于：假设线圈中输入的音频信号波形是Ｉ＝Ａ0ｃｏｓ（ωｔ＋Φ），单位长度的线圈在磁场中所受的安培力是Ｆ＝ＢＬＡ0ｃｏｓ（ωｔ＋Φ），则声音振荡信号波形是Ｖ＝Ｃｃｏｓ（ωｔ＋Φ）。可见，在音频信号、电流信号、安培力、扬声器振动膜振荡信号的一系列转换过程中，频率和相位均不发生变化，这样声音最终被精准还原。

优点分析：该扬声器可视化强、成本低、音质清晰，无破音、杂音。线圈形状可多样化，振动膜来源广泛，非常有利于师生在课堂内外开展相关的活动。同时，此线圈制作需要极强的耐心，是培养学生探究实践和工匠精神的极佳活动载体。

改进拓展：由于平面版动圈式扬声器的线圈长度较长，分布发散，存在电阻大、音量较小和制作耗时、费力且难度较大等不足。基于此，改进方法之一是使用直径略大的漆包线，并将圆形线圈中央部分尽量密集粘贴，形成中间密外部疏的布局，如图２Ａ所示。笔者在此基础上还尝试了不同风格的环绕方式，其结构分别如图２Ｂ—图２Ｅ所示，实验效果均相当震撼。此外，可以将线圈隐藏于诸如档案袋、纸盒等物品内，从而使其成为一件有效的科学魔法教具。

２    让桌子唱歌——线圈版动圈式扬声器的设计与制作

制作过程：用直径约为０．３ ｍｍ的漆包线绕圆形钕磁铁３０匝左右，然后用末端将这些线圈环绕扎紧固定，再刮掉线圈两引出端的绝缘漆。使用时，用热熔胶或铝胶带等将线圈固定木质桌子面板中间，强磁铁放到线圈上，音源（功放）连接线圈两端，开启音乐播放，则整个桌面将播放响亮的歌声。线圈结构和使用方法如图３所示。

优点分析：此线圈版动圈式扬声器由于所有通电导线均处于磁铁最强磁场分布区域中，又紧密粘贴在中空的木桌上，具有音量大、音质好、制作便捷等优点。实验现象让人叹为观止，简直比魔术还神奇，笔者多次在科普活动中利用此器材进行互动，反响非常好。

拓展应用：此类扬声器使用灵活，不仅可以固定在桌面上，也可以固定在木质酒桶盒、厚纸板、黑板、玻璃、石块、树叶等诸多振动膜上，实现“万物皆可歌”的实验境界，具有很好的拓展功能和科普功能。图４是不同振动膜（墙壁、酒桶、纸筒）的线圈版动圈式扬声器的实物图，这些扬声器播放时均具有音质佳、音量大等优点。

３    让纸喇叭唱歌——纸盆式动圈式扬声器的设计与制作

制作过程：首先用卡纸裁剪出一个底面直径为４１ ｍｍ（即比磁铁直径略大一点）、高５０ ｍｍ左右的圆柱体纸筒，用直径为０．３ ｍｍ的漆包线在纸筒顶端密集绕制单层３０匝左右（注意线圈之间不要重叠），并用胶水将漆包线与纸筒粘贴牢固，将漆包线两端绝缘漆刮掉作为引出端。再用卡纸剪出内径为４０ ｍｍ、外径为１５０ ｍｍ的锥形纸盆，将纸盆与圆柱体卡纸用热熔胶相连。使用时，将钕磁铁放入纸筒内部，引出端接上音频信号，开启功放，调节纸筒与磁铁的高度，则此扬声器将播放出音量极大、音质极佳的音乐。此纸盆版动圈式扬声器的结构、操作实物图和示意图如图５所示。

优点分析：此改进版的扬声器最接近于目前实际使用的扬声器的结构和造型，具有音量大、低高音音质俱佳等优点，当音量较大时，纸盆还可以随音乐节奏产生同频振动，可以明显看到纸盆的振动情况。

制作关键：扬声器底部纸筒与强磁铁的间隙不易过紧，也不易过松，过紧导致摩擦力较大、音质不佳且音量小，过松则受力较小，同样导致音量过小。

拓展分析：相比于前面的演示仪，此纸盆版动圈式扬声器设计结构简略巧妙，具有媲美于工业生产的扬声器的音质音效，是一种融趣味性、科学性、创造性于一体的探究实践教具。此扬声器演示仪最大程度还原了其工业外形，能更加真实地说明扬声器工艺如何精益求精，可以有效提升学生学习物理的激情，增强物理与生活、技术的联系。此外，教师可以将其开发成如ＳＴＥＡＭ课程、项目化学习、校本课程等多种形式的教学资源。对培养学生的科学思维、科学探究、科学态度和责任等核心素养具有积极的作用。

４    让纸杯扩音——扬声器巧变话筒

扬声器的工作原理简单，却具有丰富的拓展应用，将扬声器逆用，就能得到一个简易的话筒。如图６所示，将线圈版扬声器或纸盆版扬声器的线圈靠近强磁铁，线圈引出端接入功放话筒输入端，音响再接入功放输出，大声对线圈说话，此时可以从音响中听到我们的说话声音。其奥秘在于对线圈喊话时，声音振动带动线圈振动，产生感应的音频电流，功放和音响将音频电流放大再还原为声音。

5 结  语

本研究利用漆包線、钕磁铁、纸片、功放等器材，设计和改进了平面版、线圈版和纸盆版的扬声器演示仪；分析了这些自制扬声器演示仪的原理、制作和改进方法。这些扬声器演示仪具有演示效果明显、器材选购方便、趣味性、拓展性强等优点。在制作过程中，可以很好地激发学生的学习兴趣，拓展学生的科学思维，培养学生动手实践、解决问题的能力。因此，基于此系列扬声器演示仪的设计过程和制作理念，可以开展诸如ＳＴＥAＭ、项目化学习、校本课程、跨学科教学等丰富多彩的教学活动，在教学教研、科普科创和提升学生核心素养等方面具有重要意义和价值。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．义务教育物理课程标准（２０２２年版）［S］．北京：北京师范大学出版社，２０２２．

［２］陈士海，唐建华．自制教具展开初中物理生活化教学——以设计扬声器、话筒为例［Ｊ］．中学物理，２０２１，３９（１８）：３５－３７．

［３］孟祥嵩，李佳泽．简易纸杯扬声器的制作［Ｊ］．理科考试研究，２０１８，２５（２１）：４５－４６．

［４］龙冬梅，韩沁君，帅晓红．一组自制“动圈式扬声器”演示仪［Ｊ］．中学物理，２０１８，３６（１２）：２５－２６．

［５］陈建保．一次性纸杯扬声器的制作［Ｊ］．实验教学与仪器，２０１３，３０（５）：５３－５４．

［６］黄卫良．“动圈式扬声器原理”教具制作［Ｊ］．物理实验，２０１０，３０（１０）：２１－２３．

［７］王兆军．扬声器和动圈式话筒演示器［Ｊ］．物理教师，２０１０，３１（１）：４１．

［８］张申科．自制扬声器——探究声音的奥妙［Ｊ］．农村青少年科学探究，２０１４（９）：２１．

［９］魏萌，吴钒，徐嘉凯，等．基于核心素养培育学生的高水平质疑创新能力——以“自制扬声器”自主创新实验为例［Ｊ］．实验教学与仪器，２０２２，３９（２）：５－８．

［１０］何忠燕．ＳＴＥＭ教育理念下动圈式扬声器原理教学及制作［Ｊ］．物理通报，２０１９（６）：５２－５５．

（栏目编辑    刘   荣）