多功能音响系统实验在多层次教学中的应用研究

夏银桥，汪小燕，陈 林

(华中科技大学 电子信息与通信学院,武汉 430074)

0 引 言

目前，高等教育实施以优秀人才培养为目标的精英教育与以满足社会经济多样化需求为目标的大众化教育成为高等教育发展的主旋律[1-2]。随着我校教学改革的不断深入，实验教学内容和方法不断革新，坚持以学生为中心，充分考虑每一个学生的个体差异，给所有学生以充分发挥的机会来达成学习成果[3-4]。如何提高学生运用多学科知识提高综合实践能力、创新能力，成为实验教学中不可忽视的问题[5]。

我校电工电子国家级实验示范中心积极为学生创造实验条件，在电子线路实验课程中设立基础验证性、综合性、设计性、创新性实验内容，在课程中引入多层次实验内容，引导学生进行创新性实验和实践，提升学生创新精神和创新能力[6-7]。本文主要从音响系统的实验内容 、教学设计与引导、实验评估等方面进行详细介绍音响系统实验在多层次教学中的应用研究。

1 实验课程简介

我校的“电子线路设计·实验·测试”课程是国家级精品课程，依托电工电子国家级实验示范中心，采用全开放式实验教学，主要包括实验器材、实验时间场地以及实验内容的开放。实验课程包括模拟和数字电路的基础性实验、设计性综合实验、创新性实验等多个层次，是面向我校电子信息大类及其他相关学院的平台基础课程。课程涉及众多相关院系，课程学时及内容差异较大，学生的期望各不相同，实验教学内容在安排时，保留必要的基础类验证性实验，结合不同专业、不同层次的学生，加强综合性、设计性和创新性实验，充分激发学生探索与创新的兴趣。开放式实验平台，以及多层次实验教学模式，对于调动学生的学习积极性和主动性，培养学生实践创新能力和创业能力都具有至关重要的作用[8-10]。

传统的基础验证性实验教学中，实验课程由“教师讲，学生照教师详尽的实验步骤做”的教学模式，学生做了许多实验，但离开实验指导步骤和电路原理参数图，则难以按照实验需求自主完成实验。在验证性实验中学生只是掌握了一些简单的操作方法，而对学生将理论原理知识应用于实践工程电路所具备的综合能力还相差较远[11]。为了改变这种状况，在课程中对学生进行较简单的综合设计实验是实现多层次实验教学的基础。

2 系统设计方案及基本原理

本实验是一个运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的综合性实验，需要掌握电路仿真、信号幅度放大、信号频率调理、功率放大等相关知识，需要灵活运用系统整机布局、电路搭建、系统调试的工程实践技能。学生根据所学的电路理论及电子线路技术基础的知识，采用以集成运算放大器和低频功率放大器为主要器件，设计音乐放大系统，要求具有话筒前置放大、混合放大、音调控制、音量控制、功率放大等功能。

2.1 系统框图设计

系统由话音前置放大器、混合(混响)放大器、音调控制放大器、彩灯控制器、功率放大器组成，根据各级的功能及技术指标要求合理分配电压增益，分别计算各级电路参数，通常从功放级开始向前级逐级计算。根据技术指标要求，音响放大器的输入为5 mV时，输出功率0.5 W，总电压增益AvΣ=Uo/Ui≥600倍(56 dB)，系统原理框图如图1所示[12]。

2.2 系统设计与论证

话筒前置放大、混合放大、音调控制放大级采用集成运算放大器，常用运放有HA741、NE5532、LM324；常用的集成低频功率放大器有LM380、LM386、LA4102。

图1 多功能音响系统框图

HA741与LM324的性能参数接近，NE5532是低噪声运放，且NE5532的单位增益带宽(BW=10 MHz)、转换速率远远大于HA741和LM324。由于多级放大各级信号会互相产生干扰，合理布线是减小信号干扰比较好的方法，HA741是单运放芯片，每一级各用一个HA741导致电路元件增多，电路面积增大，既不美观也不经济。LM324是四运放集成电路，NE5532是双运放芯片，芯片少结构紧凑，占用电路面积小，不仅美观而且经济。因此话筒前置放大、混合放大、音调控制放大级采用LM324或NE5532。

考虑驻极体话筒的输出阻抗高，前置放大器采用同相放大器；混合放大采用反相比例加法器；音调控制级采用由运放构成的反馈型有源滤波器；音量彩灯采用多个电压比较器，由音量的大小控制彩灯；音调彩灯可以采用低通、带通、高通滤波器，来实现由音频控制彩灯。功放LM380、LA4102是双列直插14脚芯片，自带散热片，输出功率较大，但体积较大；LM386只有8个引脚，外界元件很少，静态功耗低，广泛应用于便携式音响设备[13]。

2.3 音调控制

音调控制主要是控制调节音响放大器的幅频特性。常用的音调控制电路有3种：①衰减式RC音调控制电路，基调范围较宽，但容易产生失真；②反馈型电路，其调节范围小一些，但失真小；③混合式音调控制电路，其电路较复杂，多用于较高级音响。为了使电路简单、信号失真小，采用反馈型音调控制电路。

音调控制器只对低频与高频信号的增益进行提升与衰减(±20 dB)，中频信号增益保持0 dB不变。因此，音调控制器的电路可由低通滤波器与高通滤波器构成。将这两种电路形式组合在一起就可以得到一个完整的反馈型音调控制电路，如图2所示[14]。

2.4 卡拉OK混响设计

卡拉OK电子混响器是用电路模拟声音的多次反射，产生混响效果，混响增加声音的深度和广度，使声音听起来显得更厚实有立体感，能让音色更丰满。三菱的M65831是数码混响延迟芯片，混响延迟时间可由4位拨码开关手动控制，延迟时间可从12.3～196.6 ms选择。M65831是普及型的消费产品，价格低，应用简单，混响效果很好，推荐使用。性能指标更高一些有三菱的M65830和雅马哈的YSS216，数字延迟数码回声的效果要更好些，多用在专业级的卡拉OK机中做数字混响芯片。

图2 反馈型音调控制电路

3 多层次实验内容，激发学生潜能

音响系统实验将相关学科知识进行了融合，软、硬件结合，为学生提供一个综合工程实践平台，有利于培养学生对系统设计的整体把握能力，引导学生运用多门课程知识进行系统设计、电路搭建、电路测量和系统调试，提升其综合运用电路理论和电子线路技术等知识解决实际工程问题的能力。在教学过程中将该实验设计成基本要求、提高拓展和创新3个层次，对各个层次实验给出了相应的成绩评价标准。

3.1 音响系统的基本层次要求

该实验涉及本课程的多个知识点，学生在基本层次中要掌握集成运算放大器芯片的参数指标，加以灵活运用，需要确定各级电路的放大倍数和电路元件的具体参数，以及前后级间的耦合与阻抗匹配，低频功率放大器的抗干扰设计等。

实验的基本要求包括：①话筒前置放大，放大器的作用是不失真地放大声音信号，实现阻抗转换,混合放大;②将播放器输出的音乐信号与话筒的声音信号混合放大；③音频功率放大(简称功放)，给音响系统的负载(扬声器)提供一定的输出功率，当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。这一层次的成绩根据学生实验完成的具体情况得到该实验满分为10分的基本分数。

3.2 提高拓展层次要求

在完成实验的基本要求基础上，在教师引导下，学生进一步通过MOOC课程、网络文献、教材等资料的学习，制定一个或多个音响系统功能的拓展方案，通过师生互动确认合理方案。

相对于音响系统实验的基本要求，音响系统功能的提高拓展对相关学科知识要求的掌握有更多的要求，目前学生完成的拓展项目主要有5个。①按照音乐频率高低来控制一组LED彩灯的显示，提高音乐的视觉感受；②按照音乐音量的大小控制一组LED彩灯的显示，提高音乐的视觉感受；③音调控制，控制、调节音响放大器的幅频特性，音调控制器只对低音频与高音频的增益进行提升与衰减，中音频的增益保持0 dB不变；④卡拉OK混响，混响增加声音的深度和广度，使声音听起来显得更厚实有立体感、音色更丰满；⑤双通道立体声音响系统的实现，使音乐有较强的立体感。这一层次的成绩根据学生拓展功能完成的数量和质量，教师给予2～5分的实验拓展加分。

3.3 创新发挥层次要求

在创新性实验层次阶段，学生自主选择电路实现方法，自主发挥创新，可以是具体电路实现方案的创新设计，也可以是实验功能和实验平台的创新设计。该层次的实验进一步培养学生的创新意识、实践能力和基本科研素养，作为开展实战型的开放实验和科研创新训练基础[15-16]。

在该层次的学生独立完成查阅资料、拟定实验方案和步骤，在这个过程中教师负责辅助指导与审核。在实验教学中切实体会到学生的创新能力是没有穷尽的，只有想不到没有学生做不到的。学生们的电路具体实现方案的创新层出不穷，如音频控制LED灯的实现方法就有很多，有采用低通、高通、带通滤波方案，有采用多个低通(或者高通)滤波器的方案，也有采用频率转换为电压的方案等。音乐彩灯图形的创新也是多样性的，有的学生采用三维立体3D辐射LED图形显示，还有采用高亮LED球体多维度显示，更有同学实现了音乐喷泉，从不同方式不同角度展示音乐的视觉效果。在创新发挥层次，学生有创新的项目教师即可给予3～5分的实验创新加分。

4 实验教学设计

本实验由多个单元电路组成，是一个多层次的综合性实践项目，有基本系统实验要求，也有能力提升实验加分的系统拓展和创新要求，实验课时根据不同专业设置为8～12学时。实验需要学生经历方案论证、系统设计、电路仿真、电路搭建与测试、整机调试、干扰消除等过程，在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导。

在预习阶段，教师提前2周在课堂上布置并简单讲解实验要求，重点介绍系统框图、电压增益的合理分配、前置放大器、功放电源滤波等电路的设计方法。学生通过实验教材、PPT课件和MOOC网站相关视频的学习，结合自己的能力、兴趣等特点选择多层次的实验方案，并提前基本完成系统框图和各单元电路的设计，对电路进行软件仿真分析验证。

在课堂教学及实验阶段，教师重点讲解电路搭建的布局布线、测量调试的规则与方法，重点讲解功放电路电源的滤波，以及功放对前级电路干扰的排除方法；教师随时督促指导学生正确完成实验。在电路搭建中，引导学生对电路进行合理布局、布线。在测量调试中，引导学生将理论和实践相结合，明确系统各性能参数的含义及正确测试方法；根据实际电路有效减小级间干扰，进行整机联调。

在实验验收阶段，采用定量和定性两种验收方式，定量验收用信号发生器产生信号，测量整机性能指标；定性验收采用话筒和线路输入音乐，鉴赏系统的音质以及视觉效果感受。组织实验项目优秀的学生以演讲、答辩、评讲的方式进行交流，了解不同解决方案及其特点，进一步拓展学生们的视野和知识面。

5 结 语

通过音响系统3个层次的综合实验教学，软、硬件结合，打破了各课程界限，学生充分运用了电路理论及电子线路技术基础等学科的理论知识，以及本实验课程掌握的实验技能知识，并将其进行了有机融合，同时让学生获得学习的主动权，有效地激发了学生的学习兴趣，促进有兴趣有能力的学生能满腔热情积极主动发挥他们的创新能力，促进了学生对复杂系统创新设计能力和整体调试能力。

该实验丰富了实验教学内容、提高了实验教学效果、激发了学生学习兴趣、拓展了学生知识面，为培养学生创新意识和实践能力打下了坚实的基础。同学们对该实验充满了热情，是他们最喜欢、收获最多、最难忘的实验。