利用智能手机显示声音的频谱并探究声压级与距离的关系

邓沛恩，程敏熙

(华南师范大学 物理与电信工程学院，广东 广州 510006)

《普通高中物理课程标准(2017版)》中列出了21个学生必做物理实验，根据新课标的指引，学生必做实验兼顾了各个板块的内容，兼顾了必修课程以及选择性必修课程. 但各个学校的实际情况不同，限于学校实验室以及仪器的限制，不少实验在各个学校中的普及仍需要一定时间.

本文以声学实验为例，应用智能手机设计了2个物理实验：声音的频谱显示以及验证声压级随距离衰减的规律. 其中，声音的频谱显示可以作为课堂的演示实验，其现象明显、操作简易、效果直观，能够激发学生的兴趣与动机，培养学生的观察能力[1]. 验证声强级随距离衰减的规律可作为学生的课外实验或者第二课堂中的实验，可以培养学生的动手操作能力以及合作交流的能力.

1 Phyphox软件中的声学部分

Phyphox是一款基于移动电子设备的传感器输出软件,目前在苹果、安卓应用市场均已上架. Phyphox利用手机中搭配的传感器，能够精确地测量物理量. 在Phyphox初始界面中一共分为原始传感器、声音、力学、计时器以及工具5个大板块. Phyphox在不同板块中的测量均能将数据实时记录并且以Excel或CSV的文档格式输出，同时，Phyphox还支持移动控制功能，实现了不同端的设备同时工作. 本文中介绍的2个实验分别用到其中的”Audio Autocorrelation”、”Audio Amplitude”及”Generator”功能，显示声音的频谱图，测量声音的响度，发出特定频率的声音.

2 声音的频谱显示

声音是由于物体振动产生的. 德国物理学家亥姆霍兹提出：响度、音调和音色是反映声音特征的3个物理量[2]. 人们对于不同声音具有不同的感知，是由于声音的3要素的不同而造成的[3]. Phyphox中的音频自相关功能能够直接显示声音的频谱图，界面如图1所示. 图1中波峰的密集程度表示声音的振动频率，反映了音调的高低；波峰的高低表示声音的振幅大小，反映了响度的大小；波形表示声音的振动方式，反映了声音的音色. 通过Phyphox中的音频自相关功能得到声音的频谱图，利用控制变量方法认知声音的3要素. 另外，实验通过智能手机检测噪声的频谱图，与乐器发出的声音进行比对，得到各自频谱图的特点[4].

2.1 实验步骤

1)在智能手机1中下载“库乐队”APP，在智能手机2中下载Phyphox.

2)为了便于观察，将智能手机2的屏幕影像投屏到投影仪上. 打开手机中的Phyphox软件，点开”Audio Autocorrelation”功能，点击右上角的开始按钮，进入实时检测状态.

3)为了让学生更加清晰地听到声音，将智能手机1连接音响，打开“库乐队”的吉他功能，首先拨动其中C4音阶的琴弦，截屏记录频谱图[如图1(a)所示]；将声音调小，拨动同一音阶的琴弦，截屏记录频谱图[如图1(b)所示]；再拨动其中F4音阶的琴弦，截屏记录频谱图[如图1(c)所示].

4)打开“库乐队”中的电子琴功能，弹奏其中C4音阶的琴键，截屏记录频谱图[如图1(d)所示].

5)教师引导学生发出一些噪声，截屏记录频谱图[如图1(e)所示].

(a)

2.2 实验现象与分析

1)对比图1(a)与图1(b)，由于拨动的吉他琴弦音阶相同，两图的波形与波峰数大致相同，但由于声音的响度不同，导致图1(a)中波峰高度对应的坐标数值比频谱图1(b)的大，说明频谱图1(a)波峰高度大于频谱图1(b).

2)对比图1(b)与图1(c)，由于响度相同，两图的波形与波峰高度大致相同，但由于声音的频率不同，导致图1(b)中波峰数比图1(c)的多.

3)对比图1(b)与图1(d)，由于音阶与响度相同，两图的波峰数与波峰高度大致相同，但由于发出声音的乐器不同，音色不同导致图1(c)与图1(d)的波形不同.

4)图1(e)显示，噪声的频谱图与上述乐器的频谱图有本质的区别：噪声的频谱图没有重复性和规律性.

由此可以知道，通过控制变量，从频谱图中能够清晰地辨别，不同响度、频率以及音色对应的不同特点.

3 验证声压级与距离的关系

3.1 实验原理

在声学中，声压定义为在有声波传播的空间中某点在某一瞬间的压强p与没有声波时的压强p0的差值[5]. 空气中人听到的最低声压约为2×10-5N/m2，称之为标准声压p0ms. 若某处声压为pms，则定义声压级为

(1)

声强与声压的关系为

Lp=Lw-10lg (4πr2),

(2)

对于特定的点声源，其声功率级Lw是一个定值.

联立式(1)和式(2)得

(3)

3.2 实验步骤

1)将手机1和2放在水平桌面上，将手机1的扬声器与手机2的麦克风孔正对.

2)打开手机1的Phyphox软件，打开Generator功能，频率调至任意固定值，点击右上角的开始按钮，手机音量调至最大.

3)打开手机2的Phyphox软件，打开”Audio Amplitude”功能，点击右上角的开始按钮，手机开始检测声音的声压级.

4)调整手机1和2的位置，使手机1的扬声器与手机2的麦克风孔距离r1为5 cm，待界面读数稳定后，记录声压级数值L1.

5)调整两手机间的距离r2，每次增加5 cm，分别记录声压级数值L2.

3.3 实验记录与处理

在与声源距离r1为5 cm处测得声压级数值L1为-26.3 dB，表1为实验中记录的与声源不同距离r2处的声压级数值L2.

表1 L2实验记录表

图拟合图线

从图2可知：

(4)

与式(3)中的斜率k0=-20，r1为5 cm处测得的声压级数值L1=-26.3 dB对比，可知斜率的相对偏差为3.87%,截距的相对偏差为4.18%. 上述计算结果得到的误差均在5%之内，验证式(3)成立.

4 结束语

以上2个声学实验显示，利用智能手机做物理实验具有精确度较高、现象直观、仪器简单、操作简便等特点[6]，将智能手机引入中学物理教学课堂能够解决部分地区教学仪器不足的问题，提高中学物理课堂效率，使课堂教学符合学生的认知规律. 但是目前智能手机在物理教学中的应用还不广泛，部分实验结合智能手机需要重新设计并且存在局限性，需要一定的开发时间.