虚实融合的声学实验教学模式创新研究

2018-03-27李磊陈洪娟靳建嘉袁连喜

求知导刊 2017年36期

关键词：虚拟仿真

李磊陈洪娟靳建嘉袁连喜

关键词：虚拟仿真;虚实融合;声学实验

中图分类号：O42

文献标识码：A

一、设计思想

声学作为物理的一个分支，既是一门古老的学科，也是一门发展的学科。水声学作为声学的一个分支，并不是一门单纯的理论学科，而是一门实验学科。要想保证其发展并得到进一步的完善，就必须以大量的实验作支持。虚拟仿真实验教学是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。在声学实验中采取虚拟仿真实验手段，得到理想条件下的实验结果，并与实物实验结果进行对比，探索虚实融合的声学实验教学模式，必将对水声专业的实验教学质量大有裨益。

二、设计方案

1.实验目的

通过对虚拟的理想自由场和实际室内扩散场两种声场空间分布特性的测量，引导学生从利用感官对声学基本现象进行定性认识过渡到利用专业测试手段进行定量分析，并由此培训学生掌握开展声学实验所必需的基本技能和基本理论，形成缜密思维和良好习惯，从而培養学生的实验观测能力和运用实验手段学习声学基本理论以及解决声学实际问题的能力。

2.实验原理

（1）通过对虚拟声场的观察，掌握如下有关声场和声波的基本概念：声场、质点、行波、驻波、自由场、球面波。

（2）测量虚拟声场，掌握如下声波传播基本规律：①均匀球面波场中，同一波阵面上各点处声压振幅和相位相等;②球面波场中，声压与离声源等效声中心距离的一次方成反比;③平面活塞辐射器波场中，同一波阵面上各点声压振幅和相位相等。

（3）测量实际室内扩散声场，与虚拟声场测量结果对比分析，培训如下能力：① 声学传感器的使用;② 基本电子测量仪器的使用 ;③ 掌握简单振动源产生的简谐振动及其辐射的声波的波形图，建立简谐波数学函数模型;④ 掌握复杂振动源产生的振动及其辐射的声波的时域和频域波形图，建立复杂声波由简谐波线性叠加而成的数学函数模型;⑤ 了解实际扩散声场中声压分布的复杂性。

3.实验步骤

（1）打开“声波产生机理虚拟装置”，观察声源与声场，建立两者之间的关系。

（2）点击“球声源”，学习质点、行波、球面波等概念，对空气中球面波声场中的声压和质点振速进行测量。

（3）采用比对方法研究声场，测量点平面活塞声源辐射场中不同点的声压和质点振速。

（4）实物连接基本声学测量系统，并进行简单调试。

（5）敲击音叉、鼓和编钟，采集加速度计的振动信号和传声器的声压信号，测量其时域和频域信号参数。

（6）激励扬声器或水下发射器，由多个传声器或水听器接收，各接收器位置与虚拟实验设置接近，测量扩散场中声压分布特性。

4.实验结果与结论

（1）给出虚拟实验中通过观察、观测学到的基本概念和基本规律，并与教材相比对，写出自己的认识。

（2）给出实物实验中通过测量得到的数据处理结果，与虚拟实验结果相比对，写出自己的认识。

（3）对于概念和规律要得出明确结论，并统一到教材的高度（包括正确性）。

（4）对于比对试验结果，结论希望是开放式的，鼓励“胡思乱想”。

通过虚实融合的实验教学模式的实践探索，明确虚与实不是简单的二合一，而是交互融合，将实物与虚拟交叉螺旋式衔接、拼接，可以实现两种实验模式的最优化。利用虚拟的优势，通过仿真技术建立理想模型下的测试环境，获得与理论模型高度一致的测试结果，保证实验测试与理论结果的科学性。开展实际复杂条件下的实物测试实验，锻炼实际操作技能，培养发现问题的能力，以及将实际问题抽丝剥茧建立科学的解决问题的思维模式。在这种反差极大的虚实结合的实验中，让学生认识到理论知识的局限性，同时也让学生感受到实际科学问题的难点和创新方向，这对提高学生的创新意识，特别是创新能力意义非凡。