实用声波可视化综合实验平台

梁春火

选题背景

小学《科学》教材目前有多种版本并存，比如教科版、苏教版、大象版等。即使同一个省份，各地市选用的教材也可能不同，但对应的教学器材配备是按照《福建省完全小学教育技术装备标准》统一配备，很多科学课程找不到对应的器材开展实验。近些年，部分出版社也与教材同步匹配了一些教具、学具，但这些教具、学具均偏小，展演效果有限。因此，一些科学教师会根据科学课的具体内容和环节有针对性地设计制作一些教具、学具，用于辅助教学，达到优化教学效果的目的。

在小学科学课程中，声音方面的科学知识是很重要的内容之一，贯穿了低中高年级。比如教科版和苏教版《科学》4 年级上册第3 单元，都是探究声音科学的内容。学校配备的教具、实验器材中，主要以音叉盒、小鼓、声音实验盒等为主，配套的教学器材有限，很多科学教师感到教学过程较为吃力、课堂效果不好、探究过程不生动、学生学习兴趣不高。为解决这一问题，遂研究制作了“实用声波可视化综合实验平台”。

基本思路

声波可视化综合实验平台，利用电动扬声器发出声音时纸盆的振动，引发连在一起的平面圆盘振动，平面圆盘可用于开展多项声波相关实验，形成一套关于声音、声波的综合实验平台，直观形象地展演声音的“形态”。学生通过观看、体验、亲历本器材的展演，很容易建立起声音本质与物体振动的关系，在不同声波的作用下，圆盘上的众多小晶体会呈现出不同的运动形态规律性，有助于激发学生进行深层次探究的兴趣。

该平台可以开展的声音、声波实验包括：克拉尼图形实验；声音是由物体振动产生的，液体振动波演示；声音是由物体振动产生的，固体小颗粒振动波演示；气体在声波作用下振动波演示；声音能通过固体、液体、气体传播的实验；驻波实验；演示音调高低、音量大小；声波干涉实验；共振实验，让远处的物体跟着发声；共振实验，用声音震碎玻璃杯；声带发声对应振动实验，乐器发声对应振动演示等。其中，专业的电气化克拉尼实验平台，价格比较昂贵，不太适合县级以下的学校添置。本装置能以非常低的成本开展丰富多彩的克拉尼实验，呈现出非常精彩的效果。另外，专业的克拉尼实验台基本为方形，本平台创新性地使用圆平台，有效解决了方平台的一些缺陷。

制作材料

本装置的主要部分是一个动圈式扬声器，属于废旧物利用，是从淘汰的K 厢音箱拆下来的一个15寸扬声器，功能正常、性能完好（图1）。

圆盘平台采用酒店端菜用的防滑托盘，直径32 ～ 35 cm，使用油性硅胶胶水（其他胶水效果不好）将圆盘与扬声器纸盆黏结在一起。需要注意的是，黏结时不能把胶水弄到扬声器纸盆固定折环上，以免降低扬声器的灵敏度、影响声波展演效果。

驱动扬声器选用30 W 数字小功放， 自带U 盘播放和蓝牙5.0接收功能。如条件具备， 尽可能选用功率大一点的，如果能达到50 ～ 100 W 的输出功率，演示效果会更好。

制作调试

声波可视化综合实验平台的制作安装难度不高。首先，将钢化塑料（第1 版，图2）或者亚克力（迭代第2 版）圆盘黏结到扬声器纸盆上，再将扬声器固定到底板上。然后，固定好功放位置，并连接好喇叭线。其中，结构胶的选择很重要，应能承受各种频率大幅度的振动而不会脱落，第一次制作时选用的是免钉胶与热熔胶相辅助的方案，结果不够理想，经过多次实验，最后发现硅胶胶水的黏结效果比较理想。

改进优化

经过试用，开展各种实验，其声波与振动可视化效果均达到了设计要求。但是，钢化塑料圆盘重量较大，导致平台对频率的响应性能变差，第2 版改用加强型复合亚克力薄板（图3），较好地解决了声波频率响应问题。第2 版在使用过程中发现，圆盘上的小晶体或液体，在声波作用下容易溅射到外面，因此在亚克力圆盘上增加了一个围挡圆圈（图4），较好地解决了溅射问题。

在开展克拉尼图形实验时，细颗粒物质的选择很重要。经过筛选，发现优质细沙和精制细盐均可满足要求，有一种叫“金玉明砂”的香炉沙，用于这个实验效果非常好。

通过给该装置安装七彩LED 射灯，彩色灯光投射到圆盘平台上，视觉效果得到了显著提升，科技色与科幻感得以彰显（图5）。

使用方法

首先， 在手机上下载安装Impulse 声波频率信号发生器，然后，将手机与声波可视化综合实验平台的功放蓝牙建立连接。实验平台可以开展多种实验，不同的实验会用到不同的辅助材料，但信号源皆由手机App 产生（图6）。

克拉尼图形实验的部分实验图片如图7 所示。

固体小颗粒振动波演示如图8、图9 所示。

液体振动波演示如图10、图11所示。

用声音振碎玻璃杯的共振实验（图12）有两种模式，一种是通过手机App 发出与玻璃杯共振频率的声音，将圆盘台上的玻璃杯震碎；另一种是把手机当作蓝牙无线话筒，通过口腔发出特定频率的声音，训练得当也可能把玻璃杯震碎。可先安装Oscope 或者“手机物理工坊”软件测量玻璃杯的谐振频率，然后通过Impulse 软件产生相应频率的信号。根据测试， 不同大小、材质、形状的玻璃杯谐振频率不同，常见的一般为200 ～ 900 Hz、比如504 Hz、712 Hz、756 Hz、888 Hz。

让远处的物体跟着发声的共振实验是在远处放置音叉和共鸣箱，本装置发出与音叉相同频率的声波，音叉在远处也会发出声音。

特点与创新点

一套装置能开展10 余种关于声音的实验，且操作简单、实验效果明显，将声音的性质以可视化形态展演出来，有效激发了学生的兴趣和探究热情。同时，通过观测声波可视化的规律性，可以引导学生进行更深层次的科学探究活动，起到抛砖引玉的作用。

教学应用与推广

本套实验装置在研发创制的全过程都有学生参与其中，有的帮忙准备材料，有的协助进行制作，有的参与测试，有的基于自己的视角发表看法和建议……学生也是本项目的优质合作伙伴。

“声波可视化综合实验平台”已在学校2021—2022 学年4 年级7个班的科学课上使用，学生反映良好，也获得专（兼）职科学教师的好评。

同时，声波可视化综合实验平台成为了一些科学教师上观摩课、公开课的得力助手。经过好几位同校和兄弟学校的科学教师试用，发现本套教具不但可以在科学课对应教材使用，还可以用于其他低、中、高年级的科学游戏和科普活动，也有幼儿园借本套仪器开展交流活动。

优化设想

小功放功率过小，推动喇叭有点吃力，影响了整体效果。下一步将选用功率大、效率高的数字功放板，电源也将由线性工频变压器的15 V、30 W，提升到开关电源输出24 V、120 W 以上。

承载平台目前为圆盘形，能否设计为可拆卸的，以便更换不同形状、大小的平台，比如正方形、长方形、圆形，还可以选择有边沿或无边沿的。这样一来，在做克拉尼图形实验时，将更接近原版实验。

开展声波共振震碎玻璃杯实验时，具有一定危险性，要防止玻璃碎片飞溅伤人，学生需在安全距离外观看。因此，是否可以在本装置上增加安全围挡透明圈，有待进一步探究改进。

目前使用的是220 V 转12 V 的电源适配器供电，曾使用12 V、5 V双输出充电宝供电，但因为功放工作电流太大，导致工作不够稳定，使用时间短暂。后续可进一步探索使用小型三元锂电、磷酸铁锂电池组供电，以提高便捷性和安全性。

参考文献

[1] 方奕忠，王钢，沈韩，等. 环形薄板二维驻波的研究[J]. 力学学报，2015，47（4）：664-671.