将实验视频引入《声学基础》的教学方法实践

——以偶极子换能器指向性测量实验为例

车小花，王佳乐，陶声越，迟瑞强，门百永 

（中国石油大学（北京）  地球物理学院，北京  102249）

[摘  要]随着本科教育的改革，如何培养学生对专业基础课的学习兴趣和增强相关的专业实践能力成为《声学基础》课程教学方法实践的内容之一。本文以偶极子换能器指向性测量实验为例，介绍了《声学基础》课程设计了多个实验，并将这些实验录制成视频引入到课堂教学中，旨在丰富教学内容、保证课时压缩背景下教学效果。该方法有助于加深学生对所学理论知识的理解和记忆，培养学生的学习兴趣，提升学生对所学专业知识的实践能力，同时也能够促使高校教师形成一个更加完善的教学体系。

关键词：声学基础；教学实践；实验视频；指向性

[作者简介]：车小花（1976-），女 ，山东海阳人，博士,中国石油大学（北京）地球物理学院，中国石油大学（北京）  地球物理学院教授，长期从事地球物理测井的教学和科研工作。

[中图分类号]：G642.0    [文献标志码]：A 

引言

随着大学本科教育不断地改革，教学理念已经由以教师为中心、以教材为中心、以课堂为中心逐渐向教师主导、以学生为中心、采用多样化学习手段进行转变^[1]。在这种教育理念下，大学本科教育更注重培养学生的自主学习能力、实践能力以及分析解决问题的能力，相比较传统的以教师“教”为中心的教学模式更加强调以学生为本体。然而，要想将这一教学理念落到实处，必须考虑如何提升学生的学习兴趣，激发学生学习的自主性和创新性，使学生在教师的引导下，完成教学内容的学习。在这一背景下，随着高等院校教育的不断改革，培养计划的不断优化，本科专业基础课的学时被很大程度上压缩^[2,3]，这就要求任课教师在有限的教学时间内既要传授本专业必须掌握基础知识，保证教学质量的前提下，又要培养学生的学习兴趣，提升学生对所学专业知识的实践能力，对传统的本科生教学模式提出了很大的挑战。专业基础课作为本科专业课程的先修课，是学生学习专业知识的入门课程，既具有基础课理论复杂、晦涩难懂的特点，又具有专业课实践性的特点。同时，专业基础课程的教学对于培养学生在所学专业方向上的研究能力和学习兴趣方面至关重要。

将本科生的实验教学引入专业基础课的教学中，有利于加深学生对理论知识的认识，提高学生的学习兴趣，培养学生解决工程应用问题的能力^[4]。但是，在课程教学过程中直接增加实验内容，势必会在课程学时压缩的情况下进一步减少理论讲授的学时，同时部分实验对操作者的专业性要求较高，存在一定的风险。针对上述问题，将实验视频引入到专业基础课的教学过程之中，无疑是一种行之有效的解决方案。

一、课程介绍

《声学基础》是中国石油大学（北京）勘查技术与工程（测井）专业的专业基础课。通过本课程的学习使学生了解和掌握声学中最基本的概念、方法以及重要结论，为后续声波测井等课程的学习和从事应用地球物理工作打下声学理论基础。同时，《声学基础》作为一门专业基础课具有理论性较强的特点，为了加深学生在工程应用中的综合能力，需要通过实验教学将理论与实践结合起来。声源的辐射特性是声学基础课程的重要组成部分。分析声源的工作方式及辐射特性，有助于增强学生对声波测井技术理论知识的理解，提升学生在实际工程应用时分析解决问题的能力。

声源的指向性是其性能评价的最主要指标之一，其好坏程度直接影响到声波测井的测量效果，从而影响到地层信息提取的准确性和反演的可靠性。因此，在声波测井仪器组装之前，必须对声源的指向性进行实验室测量。然而，指向性测量时存在实验装置复杂、测量装置数量有限、测量时间较长等问题，因而让本科生直接动手完成实验有一定的困难。

二、指向性测量实验原理及实验装置

2.1、声源的指向特性

声源的指向性描述的是声源在自由场内辐射声波时，在远场同一距离不同方向上辐射声压的分布情况，用指向性曲线来表示。指向性函数定义为：

                            （1）

其中代表不同的方位角度，为声压幅值。

在利用声波测井技术测量地层波速时，常用偶极子声源在充液井孔中激励起弯曲波，在低频条件下测量任意地层的横波波速。此外，利用正交偶极子声波测井技术也可以评价地层的各向异性^[5]。偶极子声源在声波测井仪器中广泛应用，其应用也是声波测井技术的一个重大技术突破。理论上，理想的偶极子声源是由频率相同、振动幅度相同、相位相反、相距很近且远小于波长的两个点声源组成的振动系统，其指向性函数。

实验在满足远场条件下，一般可采用两种方法进行指向性测量：1）固定声源，高精度定位系统控制水听器绕声源旋转一周进行测量；2）固定水听器，高精度定位系统控制声源在固定位置上自转进行测量。提取不同方位角度上记录波形的峰峰值即可计算出声源的指向性曲线。

2.2、实验装置介绍

偶极子声源指向性测量在中国石油大学（北京）声波测井实验室进行，实验装置主要包括激励信号控制系统、信号采集系统和高精度定位控制系统这三部分，如图1所示。

激励信号控制系统包括直流高压电源、激励源以及声源，产生激励信号并控制声源向空间中辐射声场。直流高压电源为激励源供电，为了和现场应用情况接近，对偶极子换能器施加的是激励源产生的1500V的高压脉冲，将高压脉冲直接加载到发射换能器上，激励声源开始工作。

信号采集系统包含水听器、多通道低噪声程控放大器、多通道同步高速高精度数据采集系统、计算机，实现接收波形的测量和记录。当多通道同步高速高精度数据采集系统接收到来自计算机的采集命令和来自激励源的同步信号时，开始采集水听器的接收信号。水听器接收到的模拟信号经过多通道低噪声程控放大器放大后，进入多通道同步高速高精度数据采集系统转换为数字信号进行存储。

高精度定位控制系统根据计算机的控制信号，可以分别使水听器和声源在三维空间上移动及自转。

图1  实验装置连接示意图

三、偶极子换能器指向性测量实验

在录制实验教学视频前，先将可以在声波测井仪器中应用的三叠片偶极子换能器安装在机械骨架上，组成偶极子声源，并套上橡胶皮套并注硅油对其进行保护处理，以模拟测井时偶极子声源的实际工作状态。实验时，应当注意对声源的保护，扎紧橡胶皮囊以保证偶极子换能器在指向性测量时的密封性，避免橡胶皮囊进水。

实验时，按照图1所示的实验装置示意图进行连线实验设备并开启设备。根据水池的尺寸以及夹持着水听器和声源的两个工作头的初始位置，设计两个工作头测量时的空间坐标，要求在指向性测量时既满足远场条件又能保持水听器与声源的中心能够对齐的条件。在计算机上的控制软件中输入设定的坐标，高精度定位系统依次移动夹持着水听器和声源的两个工作头从初始原点的位置到指定的位置。

测量时，在计算机的控制软件中导入坐标文件后，定位控制系统即可控制声源按照坐标文件中的轨迹，在周向360°上，以2°为跨度进行旋转，每次旋转都会控制激励信号控制系统和信号采集系统激发和采集声波信号。

圆周方向上测量到的时域波形如图2所示，可以看出在0°和143°附近波形的相位正好相反且振幅最小，这正是反映了偶极子声源一侧膨胀时，另一侧收缩的工作特点。通过计算机内置的处理程序，计算波形幅度，得到归一化指向性曲线，如图3所示，可以看出实际测井仪器中使用的偶极子声源指向性曲线与理想状态下的倒八字型曲线有一些差异。实验测量的指向性曲线与理论的指向性曲线有差异，这是因为实验测量使用的偶极声源由两片三叠片换能器组成，而理想情况的指向性理论计算是使用相距很近的两个点声源叠加得到的，但无论是实测还是理想的指向性曲线都能反映出偶极声源指向性曲线所具有的特征。

图2  水听器周向181道的接收波形

图3  偶极子声源的指向性曲线

学生通过对实验室偶极子声源指向性测量过程视频的学习，掌握了实验室测量偶极子指向性的基本流程和方法，也能从测量波形中形象的理解偶极子声源的工作方式，加深理论知识的记忆。同时，通过观察实际测量的指向性曲线也能将理论计算和实际应用联系起来，分析实际工程应用时所使用的偶极子换能器的结构对指向性曲线的影响，增强了对换能器指向性方面专业知识的感性认识。通过实验过程的学习、实验结果的观察和反思，在提高学生实践能力的同时，也启发了学生的思考；利用实验教学视频的教学方式将换能器指向性这种抽象的概念进行了具化，使之更直观、更容易被学生掌握，激发了学生的学习兴趣，为后续专业课的学习奠定了坚实的基础。

四、总结与反思

在《声学基础》课程教学过程中，通过展示偶极子换能器的指向性测量视频，能够使学生在较短时间内掌握声源指向性的实验测量方法，加深对指向性概念的理解，培养学生的学习兴趣。将实验视频引进本科生的专业基础课教学中，主要有以下几点优势：

1） 解决专业基础课中基本概念抽象、晦涩难懂的问题，加深学生对基本概念的理解，为后续的专业课学习打下更加牢固的基础。

2） 了解所学的知识在实际工作中的应用情况，认识到理论知识与实际应用的共同点和差别。

3） 在有限的教学学时条件下，增加学生对实验过程的了解，培养学生的实践能力，为以后的研究生学习及工作打好基础。

4） 在对实验结果的深入探讨中，培养学生对科学研究的兴趣，激发学生自主学习的能力，让学生从被动学习知识转变成对知识的主动探索。

5） 拓宽学生学习知识的途径，提高知识学习的广度。

鉴于实验视频教学的诸多好处，笔者及所在的团队根据课程所学知识还开展并录制了岩石的纵、横波声速测量实验教学视频，并将其引入到了课程教学之中。后期还将开展换能器的导纳性能测量等系列实验进而形成一套适合《声学基础》课程的更加丰富、完善、高效的实验教学视频和教学方法。

[参考文献]

[1] 尚水利. 大学教学的理念与方法[J]. 现代教育科学，2020(04)：102-105+111.

[2] 谢辉，石红才. 学时压缩背景下矿物岩石学课程教学改革与实践[J]. 大学教育，2020(06): 63-65.

[3] 赵可萍，王炜，孙红. 电类学科专业基础课程教学与实验教学改革的探索[J]. 实验室科学，2006，000(005):31-32.

[4] 苏远大，谭宝海，李刚，庄春喜，陈雪莲，唐晓明. 旨于高质量人才培养的实验井建设与实践教学[J]. 实验室研究与探索，2017. 36(01): 217-220.

[5] 乔文孝，鞠晓东，车小花，卢俊强. 声波测井技术研究进展[J]. 测井技术，2011，35(01):14-19.

Teaching method practice of introducing experimental video into the course of “Fundamentals of Acoustics”

- The measurement experiment for the directivity of a dipole transmitter taken as an example

Che Xiao-hua, Wang Jia-le, Tao Sheng-yue, Chi Rui-qiang, Men Bai-yong

(College of Geophysics, China University of Petroleum (Beijing ), Beijing 102249, China)

Abstract: With the reform of undergraduate education, how to cultivate students' interest in basic courses for Exploration technology and Engineering (Well logging) and enhance relevant professional practice ability has become one of the contents of the teaching method practice of the course "Fundamentals of Acoustics". In this paper, the measurement experiment for the directivity of a dipole acoustic transmitter is taken as an example to introduce several experiments designed for the course of "Fundamentals of Acoustics". These experiments are recorded into video and introduced into teaching practice so that it enriches the teaching content and ensures the teaching effect under the background of class hour compression. This method is helpful to deepen students' understanding of theoretical knowledge, to cultivate students' interest in learning, and then to improve students' practical ability of professional knowledge as well as to promote teachers to form a complete teaching system.

Key words: Fundamentals of acoustics; teaching method practice; experimental measurement video; directivity