跨学科实践中探索物理实验的改良与创新*——以苏科版八年级声现象综合实践活动为例

罗宇航

(苏州市吴中区胥口中学 江苏 苏州 215164)

1 问题的提出

《义务教育物理课程标准(2022年版)》增设了“跨学科实践”课程内容,提出通过创设综合性、实践性和开放性的跨学科问题情境,促进学生提出问题能力、收集和处理信息能力、综合解决实际问题能力以及团队合作能力的提升,注重对学生创新精神、社会责任感等的培养[1].

“比较材料的隔声性能”是苏科版八年级物理上册第一章声现象章末设置的综合实践活动,隔声材料的应用涉及声学知识,与生活紧密联系,是适合开展跨学科实践教学的课题之一.目前教材中实验器材如图1所示.

图1 教材实验器材

实验是这样进行的:将报纸、泡沫塑料、铝箔、塑料袋等材料分别包裹机械闹钟放入鞋盒内,盖上盒盖,学生从声源处逐渐远离,直到刚好听不到闹钟指针走动的“嚓嚓”声,记录此时人与声源的距离,这个距离反映材料的隔声性能.有文献对实验提出一些改进,如用手机安装APP来测量传出声音的响度,用小音箱代替闹钟作为声源.笔者进行了实践,实验仍然存在以下问题.

(1)用人耳刚好听不见声音时离声源的距离来反映隔声性能,尽管方法简易,距离能够定量测量和记录但“听见”和“听不见”指针走动声音的界限模糊,存在很强的主观性.

(2)如果用音箱或者手机作为声源,当它们发出低频率时,明显能观察到鞋盒表面在低频声波作用下的共振发声,声音通过鞋盒阻隔后响度反而会增大.

(3)常见单层材料厚度差异很大,一般棉布厚度2 mm以上,报纸厚度1 mm,而铝箔、塑料袋厚度仅为15 μm,材料包裹住声源并塞满鞋盒时,增加了声音传播的复杂程度,不同材料塞入鞋盒的紧实程度和缝隙大小很难一致,没有材料厚度相同的.

2 隔声性能的理论分析

2.1 隔声与吸声的区别

声音遇到隔声材料后能量会被反射、吸收、透射.如图2所示,声源在隔音面左侧的室内,观察者A、B被隔音面分隔在两个区域内,当声音传播到隔音分界面上时,它的一部分声能被反射回原来空间,一部分被隔音面吸收,还有一部分声能会透射到另一侧去.吸声是为了将入射的声能吸收或者透射掉,减少反射声能,从而减弱左侧室内的声音响度,是相对于观察者A而言的,反射声能越少,吸声效果越好.隔声是指利用材料将声能反射或者吸收掉,减少透射声能,将声音阻隔,从而减弱隔音面右侧空间声音响度,是相对于观察者B而言的,透射声能越少,隔声效果越好.

图2 声能的传播原理

2.2 声音强弱的计量

要比较隔声性能,必须计量透射声音的强弱,教材实验计量方法本质还是建立在人耳对声音强弱主观判断基础上的.手机安装分贝仪等软件后能够直接测出声音响度,适合用于学生课外探究实践,物理学中,用声强级来客观描述声音的强弱,但手机测量的响度并非声强级.人对声音主观上产生“响度的感觉”与客观因素声强有关,声强表示通过垂直于声音传播方向的单位面积上的平均声能量流大小,用符号I表示,如1 000 Hz频率的声音,人刚好能听到时它的声强称为参考声强Iref,人对响度的感觉并不与声强成正比,而是与声强的对数近似成正比,因此引入了声强级概念,声强级用符号STL表示,定义为

(1)

单位为分贝(dB),声压级定义与声强级类似,与声强级数值上近于相等.

对于不同频率的声音,即使声强相同,人感觉到的响度也不同,把某声音与另一个标准声音(通常为1 000 Hz纯音)相比较,调节标准音声压级直到听起来同样响,此时标准声音声压级定义该声音响度级,不同频率声音响度级与频率关系曲线通常称为等响曲线,如图3所示[2].

图3 声音等响曲线

为了模拟人耳感觉特性,无论是专业的分贝仪还是手机,把接收到的声压信号转换成电信号后,音频芯片都会根据等响曲线设置一定计权网络对电信号进行修正,再转化为数字信号显示出响度,此时的计权响度不再是一个客观的物理量.由于采用的计权标准、基准响度不同,不同声音测量仪器在没有专业校准的情况下测出的响度值一般是不同的.因此,手机安装分贝仪显示的响度只是反映声音相对强弱,不同款式手机测出的计权响度不具比较性,同一手机测出不同频率声音计权响度也不能完全反映它们声强级大小关系.

2.3 隔声量的理论计算

材料的隔声性能通过隔声量来描述,为入射声强级减去透射声强级,用符号TL表示,假设入射和透射声强分别为Ii、It,代入式(1)得

(2)

常见的隔声材料通常是以面的形式铺展在一定空间,用于隔绝通过空气传来的噪声,如果把隔声材料看成无劲度、无阻尼的柔顺质量且忽略其边界条件,则在声波垂直入射时,隔声量的计算式为

(3)

(4)

ρ0取1.29 kg/m3,c取344 m/s代入式(4)得

TL=20lgf+20lgm-43

(5)

由式(5)可以看出,板材单位面积质量或者声音频率每增加一倍,隔声量可以增加6 dB.在建筑声学中称为质量作用定律.但是在教材实验中用到的有些隔声材料面密度很小,比如报纸、塑料袋,它们单层的理论隔声量应该用式(3)来进行计算.

通过上述分析可知,如果材料厚度相同,教材实验的变量是材料的种类,本质上是材料的密度属性影响了隔声性能.但平时学生实测隔声量与面密度的相关性并不大,笔者认为有两个主要原因:一是鞋盒内包裹填充隔声材料的厚度没有定量测量,实验并没有控制材料厚度相同;二是鞋盒面板不仅有隔声作用,也可能共振发声,面状材料塞入鞋盒构成的大量孔隙具有吸声的作用,增加了声波传播过程的复杂程度.

3 实验的改进与拓展

3.1 实验改进思路

实验的改进首先是要更好地控制材料的厚度相同,用单层的面料来隔声,厚度能够准确测定,多种厚度相同的单层面料在生活中不易同时找到,可以在课前网购补充所缺种类.笔者将隔声材料制作成一个矩形盒罩住音箱,但是在操作时仍然存在缺陷:如果用单面开放的矩形盒罩住音箱,底部的空隙会明显减弱隔音量,如果把音箱全封闭在矩形盒内,操作会非常繁琐,柔软的面料也不便于制作矩形盒.如果声源放入一个隔声性能较好的广口厚壁玻璃瓶内,将单层隔声材料覆盖在瓶口,用手机在瓶外固定距离处测出声音响度,实验操作就大为简便.

其次是尽可能避免其他因素对隔声的干扰,为了减小材料与瓶口接触的空隙,把两块相同正方形板中间开一个与广口瓶大小相同的孔,下面的板粘在瓶口,实验时把隔声材料夹在两板中间,用手机或者小音箱作为声源发出中高频声波,避免材料低频共振,瓶内再放入适量棉花用以抑制声音在瓶内的混响,器材示意图如图4所示.

图4 改进器材示意图

3.2 实验装置的制作

3.2.1 材料和工具

蓝牙小音箱,智能手机两部,游标卡尺,厚壁广口玻璃罐(口径100 mm),木板或铝板(150 mm×150 mm,4 mm厚)2块,铁架台,棉花团,中号长尾夹,热熔胶枪,细锯条等.将两部手机分别安装好phyphox、“分贝仪”软件,安装phyphox的手机设置开启的蓝牙功能与蓝牙音箱配对好,把隔声材料裁切成150 mm×150 mm的方块.

3.2.2 制作方法

以板中央为圆心画一个100 mm直径的圆,圆内开一个直径足够锯条穿入的孔,锯条沿着圆弧切割,去除中央的圆形部分,做成两片空心板.用热熔胶把其中一片板同心粘在玻璃杯口,连接处用胶水密封.瓶底垫上棉花团后放入音箱,安装分贝仪的手机放置在瓶口正上方20 cm处,器材实物如图5所示.

图5 改进器材实物图

3.3 实验探究过程

3.3.1 实验目的

在“比较材料的隔声性能”学生实验的基础上,进一步论证实际隔声量与面密度的关系.

3.3.2 实验步骤

(1)把安装分贝仪的手机放置在广口瓶的瓶口正前方20 cm处,安装phyphox的手机输出固定响度为2 000 Hz的正弦波信号,使音箱播放声音,用手机软件测出声音响度.

(2)把隔声材料平整放置在两板之间,用长尾夹沿着两片木板四周把它们夹紧,用手机软件测出声音响度,把实验数据填入表格.

(3)用其余隔声材料依次替换,重复步骤(2).

本文为了进一步论证理论分析结果,对材料的面密度数据进行了测量,并添加在学生实验表格中,实验数据如表1所示.

表1 比较材料的隔声性能实验数据

3.3.3 实验数据分析

从表1数据可以看出,泡沫塑料面密度极小,几乎不能隔声.棉布、聚酯纤维板是良好的吸声材料,但多孔的性质导致其密度很小,而且透气,所以隔声性能非常差,对于单层板材,吸声材料往往不是良好的隔声材料.除去上述3种材料,材料隔音性能是随着材料的面密度增大而增大的,把材料的面密度值代入式(2)计算出理论隔声量,实测隔声量都比理论隔声量小5 dB左右, 将表中面密度m的对数和实测隔声量数据呈现在坐标图中,如图6所示,可以分析发现实测隔声量与面密度的对数具有较好的线性关系,线性拟合相关系数为0.995,与板材隔声的“质量定律”理论一致.

图6 实测隔声量与面密度关系

4 实验拓展

材料的隔声性能受到多种因素的共同影响,以隔声为主题可以开展多样化的探究.如在学生了解了噪声的危害后提出问题:“如何提高房间的隔声性能?”学生会从多个角度提出解决方案,比如增加墙壁和窗户玻璃的厚度、改变墙壁的材质、减小门窗的空隙大小等等.那么这些方案是否可行?如何用实验来证明?让学生自主地发现探究的目标和意义,从而激发学生的探究兴趣和创新精神.

4.1 探究材料厚度对隔声性能影响

声音频率2 000 Hz,纸板厚度分别为0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、1.0 mm、2.0 mm.测出隔声量,实验数据如表2所示.

表2 探究材料厚度对隔声性能影响

结论：材料越厚隔声性能越好.

4.2 探究声音频率对隔声性能影响

纸板厚度为0.5 mm,声音频率分别为200 Hz、400 Hz、600 Hz、800 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz、2 000 Hz、2 500 Hz、3 000 Hz.调整隔声前声源响度,使各频率声音的初始响度大致相同,再测出隔声量,实验数据如表3所示.

表3 探究声音频率对隔声性能影响

结论：声音频率对隔声性能的影响没有明显规律.

4.3 探究材料空隙大小对隔声性能影响

声音频率分为1 000 Hz,纸板厚度为1 mm,纸板中央开正方形孔,边长分别为1 mm、2.5 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、30 mm、40 mm.测出隔声量,实验数据如表4所示.

表4 探究材料空隙大小对隔声性能影响

结论：同等条件下,孔越大隔声性能越差,孔边长在5 mm以下时,孔对隔声量影响较小.

4.4 实验反思

表2数据反映出的定性规律与理论相符,表3数据并没有体现出理想条件下频率越高隔声量越大的规律,声音频率为200 Hz时纸板产生了明显共振,笔者在隔音教室多次重复实验的情况都相同,通过进一步查阅资料,发现隔声性能还受到声源频率、阻尼共振、边界条件等多种因素的影响,隔声特性曲线依据频率从低到高依次分为刚度控制区、阻尼控制区、质量控制区和吻合效应区,如图7所示[4].

图7 隔声特性曲线分区

只有频率处于质量控制区时,隔声量才会随着频率提高而增大.对于多层板材隔声,声能传播还受到隔声空腔内空气共振的影响,因此会在层间填充如聚合物泡沫、吸音棉等来提高声能的消耗和削弱吻合效应[5],因此在隔声建材中也常能见到吸声材料.

5 结束语

通过对实验的改进和拓展,不仅提高了实验的科学性,拓宽了实验内容的素材来源,也使课题可以转化为更具可操作性的跨学科实践方案,材料的隔声性能涉及部分知识超出课程标准要求,并不需要学生掌握,但让学生在任务驱动下完成探究,运用探究的结论挑选合适的隔声材料,可以使学生真正参与到工程实践中去,增强社会决策意识,有利于提高学生探究和创新能力,促进学生核心素养的发展.