运用示波器仿真软件Oscilloscope2_51实现声音的可视化教学

运用示波器仿真软件Oscilloscope2_51实现声音的可视化教学 运用示波器仿真软Os件cill oscop.e 521 实现声音的可视化教学 叶鹏松 张月兰 ( )215021 苏州工业园区星海学校 , 江苏 苏州 可从 ht tp :/ / polly. p hys. msu. su/ , zeld/ oscill . ht ml 免1 提出问题 从观察物体的振动 , 到聆听物体振动发出的声音 费下载安装 . 安装完成后 , 将麦克风或平常所用耳麦与 来展开声音的探究 , 是声音教学的一种常见形式 , 这一 装有该软件的电脑的声卡相连 , 即可实现对声音信号 的图像采集与分析 . 实验装置如图 1 所示 . 教学形式不仅可以帮助学生快速建立声音与物体振动 之间的密切联系 , 而且还能够借助物体的振动揭示出 声音的一些基本特征 . 但是这一教学形式也存在一定的局限性 , 因为完 全依赖眼睛对物体振动的直接观察 , 或是耳朵对声音 的直接辨听 , 常常很难发现其中的差异 . 譬如 , 人们根 本无法通过眼睛的观察看出大音叉和小音叉振动得孰 快孰慢 ; 也很难直接用耳朵分辨出乐器音准出现的微 图 1 小偏差 ; 此外 , 这一教学形式根本无法揭示音色与振动 ( ) 2软件界面及常用按钮简介 之间的关系 . 这些问题都影响到教学中对声音的进一 如图 2 所示 . 步探究 . 如何才能突破这种教学形式的局限 , 化解探究中 出现的这些问题呢 ? 最有效的方法是实施“声音的可 视化”教学. 简单地说就是通过对声音信号的图像采集 和波形分析 , 找出声音基本特征的教学形式 , 其特点是 将声音转化为图像 , 实现可视化特征 , 使之更为直观 , 更有利于学生对声音的多角度探究. 通常声音信号的采集与分析可由示波器来完成 ,但是由于一般初级中学并不配置这种教学仪器 , 它的 操作和数据处理较为繁琐 , 特别是视窗狭小 , 在实际教 图 2 学中往往难以起到预期效果 , 所以长期以来“声音的可 ?开始按钮 ———软件开始运行视化”教学未能真正走进课堂 . ?采集按钮 ———实现对当前图像的捕捉 2 问题的解决 ? Y 增益调节 ———调节 Y 轴波形的幅度 2002 年 12 月 , 在新西兰奥克兰物理教师年会上 , ?时间基准调节 ———当波形过密或过疏时 , 调节 笔者有幸接 触 到 一 款 名 为 Oscilloscope2 . 51 的 示 波 器 它可获得理想的波形 仿真软件 . 通过教 学 实 践 , 笔 者 发 现 这 一 软 件 不 仅 小 ( ) ?延时调节 粗调———快速查看显示区外的前后 巧 , 易于安装 , 而且界面简洁 , 操作方便 , 抗干扰能力 波形 强 ,更为突出的是它在图像捕捉 , 数据采集/ 分析的自 ( ) ?延时调节 细调———慢速查看显示区外的前后 动化程度和专业性方面 , 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现明显优于一般的示波器 波形 和其他的示波器仿真软件 . 将它与日常的多媒体教学 ?时间区 ———显示鼠标所指位置波形的对应时间( ) 相结合 建议使用投影仪, 即可在课堂里轻松实现“声 ?状态区 ———呈现该软件的工作状态音的可视化教学”. ( ) 3实验操作简介( ) 1安装与调试 ?首先根据装置图 1 连接好话筒和电脑 , 然后启 Windows 版本的示波器仿真软件 Oscilloscope2 . 51 Vol . 26 No . 12 第 26 卷第 12 期 物 理 教 师 ( )2005 2005 年 P H YS T EAC H ICSER 动此软件 , 按开始按钮即可开始工作.的振动次数为大音叉的两倍 , 小音叉振动得更快 ; 结合 ?声音信号采集时 , 麦克风应对准声源 , 按采集按 波数和界面下方时间区内显示的数据 T = 11 . 72 ms , 钮 捕捉并记录波形 . 我们还可以方便地计算出大小音叉的振动频率分别为 ?通过调节界面中的“Y1”可获得满意的波幅 ,调 256 . 0 Hz 和 512 . 0 Hz. 这与音叉叉股上的标称值完全 节“T”及“delay”上的对应滑块 , 可控制水平方向波形 吻合 . 通过这一过程得出“振动快 , 音调高 ; 振动慢 , 音 ( 的疏密 , 并截取满意的波形和振动次数 注意 :第一次 调低”的结论 , 可使学生获得更为直观的认识和深刻的 调好后 , 第二次一 般 不 需 再 次 调 节 , 这 样 便 于 科 学 对 体验 . ( ) ) 比. 3探究声音音色与波形的关系 ( ) () () ?在波形界面上移动鼠标 , 可在软件界面下方的 图 5 a、b、c分别为采集到的钢琴 、笛子和二 时间区内 , 显示各点对应的时间值 T , 便于时间测量 . 胡的中央 C 的波形 . (按 钮 进 行任意两点间的时间间隔还可用界面上 ) 测量 ?用组合键 Ct rl + Prt Scrn 将截取的波形和数据 复制到 Word 文本中加以保存 . 也可点击 Edit 菜单中 Cop y data 直接 将 数 据 输 入 Excel 工 作 表 进 行 图 表 分 析 . () ( ) a钢琴声波波形 b笛子声波波形 ?实验结束 , 退出程序即可 . 通过对比不同种乐器声波波形 , 2 实例分析 可以直观地引导 学 生 发 现 不 同 ( ) 1探究声音响度与振幅的关系 运用示波器仿真 乐器间音色不同 的 原 因 在 于 它 软件 Oscilloscope2 . 51 , 将采集的 们声波的波形各不相同 . 当然如 声音信号转化为可视化的图形信号 , 可以让学生通过 对可视化图像直观 、动态的观察 , 得出声音响度与振幅 果需要 , 还可以按界 面 上按 ( ) 及距离声源远近的关系 如图 3. 钮 , 再 对 这 些 波 形 进 行 频 谱 分 () c二胡声波波形 析 , 从而找出音色不同的更深层 图 5次的原因 . ( ) 4探究拓展 借助 Oscilloscope2 . 51 还 可 以 轻 松 实 现 对 某 些 乐 ( ) 器的音准校验 . 图 6 a为学生采集学校的三角钢琴中 央 C 的波形图 , 结合图示参数可得该钢琴中央 C 的对 ( ) () ( ) a响度小时采集的音叉声波 b响度大时采集的音叉声波 应振动频率 f = 3/ 11 . 54 ms?260 . 0 Hz ;而标准值为 图 3 264 Hz , 表明该钢琴音准正常 . ( ) 2探究声音音调与振动频率的关系 人眼虽然无 法直接分辨出大小音叉振动得孰快孰 慢 , 但通过示波器仿真软件 Oscilloscope2 . 51 捕捉的波 形图 , 由图 4 可以清晰地看出 , 在相等的时间内小音叉 () ( ) a钢琴中央 C 波形图 b噪音的波形图 图 6 ( ( ) ) 将采集到的噪音波形图 图 6 b与上述各乐器 或音叉声波波形进行对比 , 不难发现乐音与噪音之间 平面简谐波波方程为 : 地震波中纵波和横波的速度 ( ) y = A cos k v t - x . 为何不一样 ? 令 y 对时间 t 求两次偏导数 , 得2 5y 2 2 ( ) = A k v cos k v t - x . 2 5 t胡明霞 ( )再将 y 对坐标 x 求二阶偏导数 如皋市江安中学 , 江苏 如皋 2265342 5y 2 ( ) = A kcos k v t - x . 25 x 教材中说 :对机械波来说 , 波速是由介质决定的 . 以上二式代入平面横波波动方程式 教材中又说 :地震波是机械波 ! 地震波中既有横波又 2 2 5y N 5y ( 有纵波 . 当地震波中的横波和 纵 波 在 同 一 种 介 质 地 = ? . 2 2 ρ 5 t 5 x ) 球中传播时 , 为什么速度不一样呢 ? 事实上纵波的速 ρ其中 N 为介质的剪切模量 ,表示介质密度 , 得平面 度大于横波的速度 . 简谐横波波速地震发生时 , 由震源向四周传播的弹性波 , 称为地 N 震波 , 地震波分为纵波 、横波 、面波等 . 纵波传播速度约 .v= 横 ρ 5,6 km/ s. 在震中区 ,人们对纵波的感觉是上下颠动 .上式也可推广适用于一般因剪切弹性引起的横波 . 横波的传播速度约为 3,5 km/ s. 在震中区 ,人们对横 同理可以求得纵波波速波的感觉是有后左右晃动 . 因横波速度比纵波速度小 , Y v= .纵 故横波跟在纵波后面 . 纵波和横波统称为体波 . 当地震 ρ 体波到达岩层界面或地表时 ,会产生沿着界面或地表 ρ式中 Y 是介质的杨氏模量 ,表示介质密度 . 传播的幅度很大的波 ,称为面波 . 面波的传播速度为 3 可见 , 由于固体介质的剪切模量小于介质的杨氏 ,4 km/ s ,因面波速度比横波速度小 ,故面波跟在横波 模量 , 导致了横波 、纵波的波速不同 . 后面 . 参考文献 : 那么到底是什么原因导致横波和纵波的波速不同 1 漆安慎 , 杜婵英. 力学基础. 北京 :高等教育出版社 , 1984 2 牛滨华等 . 各向同性固体连续介质与地震波传播. 北京 :石 呢 ? 油工业出版社 , 2000 一般来说 , 波速与介质的性质和状态 、温度有关 . ( ) 收稿日期 :2005 - 09 - 07 ( ) 求 出 . 经 历 时 间 由 t =55 页4 结束语 上接第 θ 限于 篇 幅 , 本 文 没 有 对 示 波 器 仿 真 软 件 Oscillo2 m得出 . 由对称性 , 射出 B q scope2 . 51 的一些其他功能和相关调节一一叙述 , 有兴 线的反向延 长 线 必 过 磁 趣的读者可打开程序界面上的 Help 菜单获得帮助 . 场圆的圆心 .将示波 器 仿 真 软 件 Oscilloscope2 . 51 应 用 于 声 音 我 们 可 以 认 识 到 : 教学 ,可以有效突破传统教学的一些局限 ,轻松实现对 带电粒子在 有 界 磁 场 中 声音的可视化探究 ,使物理课的声音教学更加丰富 、直 运动的“几何分析”是 突 观 、生动 . 利用这一教学手段进行探究实验 ,有利于促 破 物 体 运 动 图 景 的 关 进学生在科学探究中跨学科间知识的渗透与融合 . 键 “, 几 何 分 析 ”也 是 正 8 示波器 仿 真 软 件 Oscilloscope2 . 51 是 我 校 在 双 语 图 确地运用数 学 知 识 的 前 教学中首先被引入的 , 它在声音可视化教学中的成功 提 . 应用 , 使我们相信通过双语教学这一窗口 , 放眼国外优 ( )收稿日期 :2005 - 06 - 27 质教学资源 , 并有效地加以整合利用 , 有利于推动各学 科教学的国际融合和新课标实践 . ( ) 收稿日期 :2005 - 04 - 13