一种音调、振幅及音色可视化演示装置及其演示方法

本发明涉及一种音调、振幅及音色可视化演示装置及其演示方法。

背景技术：

1、在当前的声音教学中，传统教学方式往往无法直观地展示声音的特性，尤其是在音调、响度和音色等方面的演示上缺乏有效的工具，学生难以通过感官直观理解声音的物理特性。在声音的可视化演示领域，目前常见的教学方法主要依赖于传统的物理实验仪器，如示波器和声波传感器。这些仪器通过将声音信号转换为可视波形图，帮助学生理解声音的特性。然而，这种方法通常需要较为专业的设备，并且对操作人员的技术要求较高，限制了其在普通教学环境中的广泛应用。

2、以现有技术为基础开展声音可视化演示存在以下一些瓶颈问题：

3、a)演示效果单——现有的声音演示工具多是单一功能，通常只能展示声音的某一方面特性，如频率或振幅，难以综合演示声音的多种特性(音调、响度、音色等)，导致学生对声音的整体认识较为片面。

4、b)设备操作复杂——目前的声音演示设备往往需要专业人员操作，设备操作复杂，尤其是在需要结合多个设备(如示波器、音叉等)进行演示时，不利于教师在课堂上灵活使用。

5、c)设备便携性差——现有的声音可视化演示设备往往体积较大、重量较重，难以携带和在不同场景下使用，不适合野外教学或多教室演示需求。

6、d)交互性不足——当前的声音演示设备通常仅限于教师操作，学生难以直接参与实验操作或实时观察演示结果，降低了教学的互动性和学生的参与感。

技术实现思路

1、针对上述所述，本发明提供一种音调、振幅及音色可视化演示装置及其演示方法，以解决上述背景技术中存在的问题。

2、根据本发明的一方面提供一种音调、振幅及音色可视化演示装置，包括盒体和盖体，所述盖体活动连接在盒体上，所述盒体内设计有三个独立的实验区域，分别为第一、第二、第三实验区域；第一实验区域内安装有橡胶锤、频率为256hz的第一金属音叉、木管长笛，第一金属音叉悬挂在所述第一实验区域的内顶部，木管长笛与橡胶锤固定在第一实验区域内；第二实验区域内安装有频率为512hz的第二金属音叉、用于装乒乓球与细绳的工具盒，第二金属音叉悬挂在所述第二实验区域的内顶部，工具盒固定在第二实验区域内；在第二实验区域进行响度与振幅的可视化演示，将第二金属音叉与悬挂着的静止乒乓球接触，通过用不同力度敲击第二金属音叉，通过乒乓球被弹起的高度反映第二金属音叉的振动幅度，展示响度与振幅的关系；同时，可充电显示器的phyphox软件记录和显示不同力度敲击的声音波形图，用声音的声音波形图再次验证响度与振幅的关系；第三实验区域内安装有自带phyphox软件的可充电显示器、振动演示组件，可充电显示器用于展示声音的声音波形图，所述振动演示组件包括塑料袋、镜片、喇叭、激光笔，塑料袋设置在第三实验区域的内壁上，镜片粘贴在塑料袋上，所述激光笔照射向镜片的方向设置，喇叭设置在塑料袋内。

3、优选的，所述第一实验区域内设置有若干用于固定第一金属音叉、木管长笛、橡胶锤的第一木制卡槽。

4、优选的，所述第二实验区域内设置有用于固定第二金属音叉的第二木制卡槽。

5、优选的，所述盒体和所述盖体上安装有相互配合使用的卡扣，以用于开闭，所述盒体的一端安装有把手。

6、根据上述可视化演示装置提供一种音调、振幅及音色可视化演示方法，在第三实验区域进行振动与声音的可视化演示，用激光笔照射在贴有镜片的塑料袋上，镜片上的反射光在第三实验区域内壁上形成一个光点，用塑料袋中的喇叭播放音乐时观察内壁上的光点变化，直观展示声音是由振动产生的。

7、优选的，在第一实验区域与第二实验区域进行音调与频率的可视化演示，用橡胶锤分别敲击第一金属音叉、第二金属音叉，使用可充电显示器的phyphox软件记录和显示两次敲击的声音波形图，将两次不同频率的声音波形图进行对比，展示音调与频率的关系。

8、优选的，在第二实验区域进行响度与振幅的可视化演示，将第二金属音叉与悬挂着的静止乒乓球接触，通过用不同力度敲击第二金属音叉，通过乒乓球被弹起的高度反映第二金属音叉的振动幅度，展示响度与振幅的关系；同时，可充电显示器的phyphox软件记录和显示不同力度敲击的声音波形图，用声音的声音波形图再次验证响度与振幅的关系。

9、优选的，在第一实验区域进行音色与发声体特性的可视化演示，通过敲击第一金属音叉和吹奏木管长笛，使用充电显示器的phyphox软件展示第一金属音叉和吹奏木管长笛发出同一音调(c调1，即do)的声音波形图，通过对比第一金属音叉和吹奏木管长笛所产生的声音波形图形状差异，展示音色与发声体特性的关系。

10、本发明的有益效果在于：

11、1.多维度声音特性演示与理解：该装置能够分别演示音调、响度与音色的不同特性。通过物理实验与“phyphox”软件结合展示声音的波形图，学生可以直观地看到不同频率、振幅和音色的声音波形变化，进一步加深对声音特性(如音调与频率的关系、响度与振幅的关系、音色与发声体材料和结构的关系)的理解与记忆。

12、2.声音可视化与直观教学效果提升：通过自制的声音可视化演示装置，能够直观地展示声音的产生与传播过程，使学生不仅能够听见声音，还能通过视觉感知声音。这打破了传统“声音只能听见”的刻板认知，帮助学生更好地理解声音与振动之间的关系，并活跃课堂氛围。

13、3.教学资源便捷化与广泛应用：该装置集成了多种声音演示教具，使用方便，携带便捷，适用于各种教学场景，安装“phyphox”软件的显示器替代了传统的示波器，使每个学生都能参与到实验中，实现教学资源的便捷化和全员化，有助于普及科学知识，提升教学质量。

14、4.学生自主探究能力培养：通过实验演示，学生不仅能观察到声音现象，还能通过操作实验器材、自主记录和分析数据来探究声音的特性，这种实践性强的教学方式，能够有效培养学生的动手能力和科学探究精神，促进学生在学习中的积极参与和主动思考。

15、5.集成化与模块化设计：装置内的所有教具和演示工具都被巧妙地集成在一个盒体内，各区域的教具通过专门设计的木制卡槽进行固定，保证了运输和使用过程中的稳定性和便携性。

16、6.便于携带和操作：盒体设计了可活动连接的盖体，并配有把手，方便用户在演示和运输过程中携带，此外，装置的卡扣设计确保了盒体的密封性和安全性，使得整个装置能够像一个行李箱一样轻松携带，实现单人操作的便捷性。

17、该装置不仅在技术上创新地融合了声音的多维度演示功能，还在教学应用中实现了声音现象的可视化和学生自主探究能力的培养，填补了传统教学在声音演示方面的不足。

技术特征：

1.一种音调、振幅及音色可视化演示装置，其特征在于：包括盒体和盖体，所述盖体活动连接在盒体上，所述盒体内设计有三个独立的实验区域，分别为第一、第二、第三实验区域；

2.根据权利要求1所述的一种音调、振幅及音色可视化演示装置，其特征在于：所述第一实验区域内设置有若干用于固定第一金属音叉、木管长笛、橡胶锤的第一木制卡槽。

3.根据权利要求2所述的一种音调、振幅及音色可视化演示装置，其特征在于：所述第二实验区域内设置有用于固定第二金属音叉的第二木制卡槽。

4.根据权利要求1所述的一种音调、振幅及音色可视化演示装置，其特征在于：所述盒体和所述盖体上安装有相互配合使用的卡扣，以用于开闭，所述盒体的一端安装有把手。

5.根据权利要求3所述的一种音调、振幅及音色可视化演示装置的演示方法，其特征在于：在第三实验区域进行振动与声音的可视化演示，用激光笔照射在贴有镜片的塑料袋上，镜片上的反射光在第三实验区域内壁上形成一个光点，用塑料袋中的喇叭播放音乐时观察内壁上的光点变化，直观展示声音是由振动产生的。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在第一实验区域与第二实验区域进行音调与频率的可视化演示，用橡胶锤分别敲击第一金属音叉、第二金属音叉，使用可充电显示器的phyphox软件记录和显示两次敲击的声音波形图，将两次不同频率的声音波形图进行对比，展示音调与频率的关系。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在第二实验区域进行响度与振幅的可视化演示，将第二金属音叉与悬挂着的静止乒乓球接触，通过用不同力度敲击第二金属音叉，通过乒乓球被弹起的高度反映第二金属音叉的振动幅度，展示响度与振幅的关系；同时，可充电显示器的phyphox软件记录和显示不同力度敲击的声音波形图，用声音的声音波形图再次验证响度与振幅的关系。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在第一实验区域进行音色与发声体特性的可视化演示，通过敲击第一金属音叉和吹奏木管长笛，使用充电显示器的phyphox软件展示第一金属音叉和吹奏木管长笛发出同一音调(c调1，即do)的声音波形图，通过对比第一金属音叉和吹奏木管长笛所产生的声音波形图形状差异，展示音色与发声体特性的关系。

技术总结一种音调、振幅及音色可视化演示装置，包括盒体和盖体，盒体内设计有三个独立的实验区域，分别为第一、第二、第三实验区域；第一实验区域内安装有橡胶锤、第一金属音叉、木管长笛；第二实验区域内安装有第二金属音叉、工具盒，在第二实验区域进行响度与振幅的可视化演示；第三实验区域内安装有自带phyphox软件的可充电显示器、振动演示组件，可充电显示器用于展示声音的声音波形图。通过物理实验与“phyphox”软件结合展示声音的波形图，学生可以直观地看到不同频率、振幅和音色的声音波形变化，进一步加深对声音特性的理解与记忆，该装置不仅在技术上创新地融合了声音的多维度演示功能，还在教学应用中实现了声音现象的可视化和学生自主探究能力的培养。技术研发人员：张祖满,李莎,冯媛媛,陈曦,郭家欣,张慧,杨茜,骆燊,沈永祺受保护的技术使用者：湖北第二师范学院技术研发日：技术公布日：2025/1/6