基于Arduino的聲速測量裝置

Arduino簡介

Arduino控制板是一款開源的硬件電路制作平臺(tái)。一塊Arduino UNO板只有一張信用卡般大小，也沒有顯示器，而且價(jià)格低廉，Arduino就如同一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)[1]。

Arduino板雖小，其功能卻不容小覷。Arduino板上包含了微控制器和相關(guān)電路。微控制器在我們的生活中幾乎無處不在，它讓我們周圍的設(shè)備更加智能，小區(qū)的門禁系統(tǒng)以及家里的冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等設(shè)備的自動(dòng)化控制都用到了微控制器。

如今，越來越多的人用Arduino制作機(jī)器人、創(chuàng)作交互藝術(shù)、控制3D打印機(jī)[2]。不僅如此，我們還可以借助Arduino設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置用于科學(xué)探究[3]。

Arduino應(yīng)用——自制聲音測量裝置

測量聲音在空氣中傳播速度的方法有很多，在實(shí)驗(yàn)室中常用的有駐波法、相位法等，但這些方法對(duì)實(shí)驗(yàn)操作者的理論要求和實(shí)驗(yàn)操作要求均較高，借助Arduino與聲音傳感器，我們可以輕松自制實(shí)驗(yàn)裝置測量聲音在空氣中的傳播速度。

1.實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所需材料為Arduino UNO 1個(gè)、IO擴(kuò)展板1個(gè)、模擬聲音傳感器2個(gè)和觸摸傳感器1個(gè)。需要特別說明的是，所使用的聲音傳感器模塊是能夠檢測模擬量的聲音傳感器模塊。

2.實(shí)驗(yàn)方案

將兩個(gè)聲音傳感器模塊通過IO擴(kuò)展板分別連接到Arduino UNO的模擬輸入引腳A1腳與A2腳上。為便于區(qū)分，我們將連接在A1腳的聲音傳感器稱之為聲音傳感器1；將連接在A2腳的聲音傳感器稱之為聲音傳感器2；將觸摸傳感器模塊連接在數(shù)字輸入引腳3號(hào)腳上，用于對(duì)程序進(jìn)行控制。之所以選擇觸摸傳感器而不是按鍵，是為了避免操作按鍵時(shí)發(fā)出的聲音對(duì)測量產(chǎn)生干擾。裝置如圖1所示。

聲音傳感器1與聲音傳感器2相距為d，且同向放置在一條直線上。聲音傳感器1離聲源較近，聲音傳感器2離聲源較遠(yuǎn)。在聲音傳感器1的正前方制造聲音。當(dāng)發(fā)出的聲音被聲音傳感器1接收到時(shí)，Arduino記錄下此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間t1；當(dāng)聲音被聲音傳感器2接收到時(shí)，Arduino記錄下此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間t2；那么聲音從聲音傳感器1處傳播到聲音傳感器2處所用的時(shí)間t=t2-t1，由v= 即可計(jì)算出聲音在空氣中的傳播速度。

聲音傳感器1與聲音傳感器2之間的距離d由實(shí)際測量所得。我們可以通過串口將d的測量值發(fā)送給Arduino，在Mixly編程軟件中編寫函數(shù)模塊get_distance，如圖2所示。

我們實(shí)驗(yàn)的環(huán)境中難免存在一些環(huán)境噪音，為了避免環(huán)境噪音對(duì)測量的影響，我們需要確定Arduino接收到多大的音量值才算檢測到被測聲音而不是環(huán)境噪音。因此，我們需要采集環(huán)境中的噪聲音量最大值，多次測量，分別獲得聲音傳感器1與聲音傳感器2采集到的環(huán)境噪聲音量最大值max1和max2。若實(shí)驗(yàn)時(shí)聲音傳感器1與聲音傳感器2分別采集到的音量值大于max1和max2，則表示被測聲音已到達(dá)相應(yīng)的聲音傳感器所處的位置。編寫背景噪聲音量測試函數(shù)volume_test，如圖3所示。

變量聲明中，變量state用來儲(chǔ)存檢測狀態(tài)，值為0表示“聲音檢測中”，值為1表示“檢測結(jié)束”。

編寫主程序如圖4所示。程序?qū)?shí)現(xiàn)：Arduino啟動(dòng)時(shí)，操作者可向Arduino發(fā)送兩聲音傳感器間的距離數(shù)據(jù)，單位為“米”；接下來，裝置會(huì)檢測環(huán)境噪聲最大音量值；環(huán)境噪聲檢測結(jié)束后，操作者在聲音傳感器1的正前方制造聲音，Arduino根據(jù)測量到的數(shù)據(jù)計(jì)算出聲速并在串口監(jiān)視器中打印出來。測量完成之后，輕觸觸摸傳感器，系統(tǒng)再次進(jìn)入測量狀態(tài)。若需更改聲音傳感器間的距離值，重啟Arduino即可再次上傳距離d的值。

3.測量聲音速度

當(dāng)Arduino啟動(dòng)時(shí)，串口監(jiān)視器中顯示“Please input the distance：”。如實(shí)際測得兩聲音傳感器之間的距離為0.90米，將距離數(shù)據(jù)0.90通過串口監(jiān)視器發(fā)送給Arduino。

串口監(jiān)視器中顯示“Testing......”時(shí)，表示正在進(jìn)行環(huán)境噪聲最大值的檢測。當(dāng)串口監(jiān)視器中顯示“Measuring......”時(shí)，聲速測量開始，在聲音傳感器1的正前方通過拍手制造一短促的聲音，串口監(jiān)視器中隨即打印出聲音在聲音傳感器1與聲音傳感器2之間傳播的時(shí)間t與計(jì)算所得的聲速數(shù)據(jù)，然后顯示“Done！”表示測量完成。如圖5所示，本次測得的聲音在空氣中的傳播速度是349.38m/s。

4.總結(jié)討論

該實(shí)驗(yàn)應(yīng)在安靜的環(huán)境條件下進(jìn)行，以減小環(huán)境噪聲的干擾。由于聲音在空氣中的傳播速度受氣溫、濕度、氣壓影響較大，故測得的數(shù)據(jù)是特定環(huán)境條件下的聲速數(shù)據(jù)，那么環(huán)境條件的記錄是很重要的，下一步的改進(jìn)中還可以為裝置添加監(jiān)測環(huán)境條件的相關(guān)傳感器。由于聲音在傳播過程中音量會(huì)發(fā)聲衰減，實(shí)際上被測聲音到達(dá)不同聲音傳感器處時(shí)對(duì)程序的觸發(fā)能力是不同的。為了減小因此而造成的系統(tǒng)誤差，一是制造的被測聲音要盡可能地短促響亮；二是在保證傳感器能接收到較遠(yuǎn)的聲音前提下，兩個(gè)聲音傳感器之間的距離應(yīng)適當(dāng)遠(yuǎn)一些，當(dāng)然還可以考慮從程序算法上進(jìn)行優(yōu)化。

該裝置簡化了聲速測量的過程，為聲速的測量在方法上提供了更多的可能，同時(shí)也體現(xiàn)了Arduino與聲音傳感器在科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]Massimo Banzi， Michael Shiloh. 程晨譯. 愛上Arduino[M]. 北京： 人民郵電出版社，2016.

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[2]John Boxall. 翁愷譯. 動(dòng)手玩轉(zhuǎn)Arduino[M]. 北京： 人民郵電出版社，2014.

[3]賈皓云. 用Arduino研究自由落體運(yùn)動(dòng)[J]. 無線電，2017（11）