基于32單片機聲音在異形傳播的基礎探究

付文杰 祁晉東 李京

摘要：在我們的日常生活中聲音在頻率方面應用比較廣泛，而在介質材料中的應用少之又少。我們猜想：聲音在同種介質，不同的形狀下的音速傳播是否會受到影響。因此，我們展開了此探究。

關鍵詞：音速規律;異型傳播;32單片機;等精度測量

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0220-02

0 引言

超聲波測速，超聲波碎石，超聲波清洗在我們的日常生活中都有所應用，對于介質材料，我們應用特別少，只是知道，傳播速度隨著介質的密度增大而提高。現在探究：聲音在同一介質不同形狀中的速度傳播規律。同一介質材料表現為：銅棒;不同形狀表現在：將銅棒折成：直線狀、sin狀、方波狀、螺線圈狀。在本研究中，采用戰艦32單片機應用定時器中斷3進行實驗計時。利用兩個距離為50cm的固體拾音器采集聲音聲速的傳播，最后通過戰艦32單片機控制LCD顯示屏，將聲速顯示出來。這樣可以方便、清晰地觀察和統計聲音在同一介質不同形狀下音速傳播的基礎探究實驗數據。

1 聲速的數據采集與處理

我們知道，聲音在固體中的傳播速度是非常快的。我們采用的介質材料是長度為50cm的銅棒，而銅棒在百度中查到的速度為：3800m/s。所以每次實驗至少需要100us的時間，所以對于單片機時間的精度有著十分苛刻的要求，而戰艦32單片機的定時器3中斷的最小時間精度可以達到1us，也就是本研究數據的1%，對于本實驗數據的準確性還是比較可信的。而銅棒又有著良好的延展性，方便改變其形狀。固體拾音傳感器（LM386處理芯片）對于聲音的敏感程度在同等傳感器中是比較敏感的。在本探究中，我們采用了直線，sin形，方波形，螺線圈形的形狀進行實驗。利用戰艦32單片機的LCD顯示屏顯示測得的聲速數據。最后利用Excel表格和電子測量技術中的等精度測量中對測得數據的處理方法對數據進行處理，最終得到實驗結果。

2 系統模型

2.1 單片機硬件設計

Cpu處理芯片是采用戰艦32單片機32位處理芯片。拾音傳感器是將固體拾音器焊接到LM386聲音傳感器模塊上。拾音傳感器1給單片機提供打開計時器中斷信號[1];拾音傳感器2給單片機提供關閉計時器中斷信號;LCD顯示是將最終實驗結果用單片機控制進行顯示出來，方便統計與觀察;按鍵是復位鍵;采用USB給單片機進行供電，安全又方便。單片機硬件框圖如圖1所示。

2.2 單片機軟件執行框圖

在初始化中，初始化IO端口為：浮空輸入;LCD顯示器、計時器中斷為：1us溢出中斷、按鍵為：上拉輸入。然后檢測PA8端口是否有低電平輸入（也就是拾音傳感器1是否接收到了信號），如果沒有，則等待，否則打開計時器3中斷，開始計時，直到PA4端口接收到低電平輸入（也就是拾音器傳感器2接收到了信號）才退出，然后關閉計時器3中斷，最后通過LCD顯示出來。（在固體拾音器中如果有聲音信號就會輸出低電平，沒有聲音信號就會輸出高電平。）拾音器傳感器1接PA8端口，拾音傳感器2接PA4端口。

以50cm的銅棒為介質，每次實驗都會變化其介質的形狀，其中的一個接PA8端口的固體拾音傳感器夾在介質的一端，另一個接PA4端口的固體拾音傳感器夾介質的另一端。在距離PA8固體傳感器5cm處敲擊一下，當第一個傳感器接收到聲音信號后，打開計時器中斷3，開始計時;當第二個傳感器接收到聲音信號后，關閉計時器3中斷，結束計時，將全局變量時間t通過LCD顯示器顯示出來。（當計時器發生中斷溢出，發生中斷后，中斷程序就是將全局變量t進行自加命令。最后計時器3中斷關閉后，將全局變量t通過LCD顯示器顯示出來。）單片機軟件框圖如圖2所示。

3 實驗結果與分析

通過以上實驗裝置，每組同種介質同種形狀進行等精度測量500次，獲得等精度測量數據500組。按照如下步驟進行處理：首先求出算術平均值，然后計算殘差Ui，最后計算標準偏差的估計值σ，根據|Ui|>3σ的原則，檢查并剔除粗大誤差[2]。最后計算其算術平均值。

4 結論

通過本實驗的探究，可以觀察到，剔除一些系統誤差數值和粗大誤差數值，最后求出算術平均值，可以明顯的觀察到，音速在同一介質銅棒中不同形狀中傳播時，對其傳播速度影響很大，在平均速率中有著明顯的區別，其中直線最快，sin和螺線圈的速度差別較小，但是與直線相比，差距懸殊，方波狀的傳播速度最小。

利用本實驗裝置和方法，測量數據方法時等精度測量，因為：用的是同一種算法（同一個計時器中斷進行計時的，計算時間的單位都是統一的），同一個單片機，同一種型號的固體拾音器和聲音傳感器，同一介質材料，同一著力點和同一器具敲擊。雖然敲擊是手動敲的，但是只能影響其響度，而不影響其頻率（頻率是由敲擊物體與被敲擊物體材料決定的），而頻率會影響聲速的傳播，所以不會影響其音速傳播。所以就是等精度測量。進而就可以用等精度測量數據處理的方法處理本實驗數據。雖然本研究實驗的時間精度是1us，精確度不是特別的高，再加上聲音檢測模塊（LM386）的靈敏度不是特別高，只是有參考價值而已，但是通過本研究，可以看到本探究實驗中探究的直線傳播速度的數據與百度搜索的數據還是有一定的差距。本探究的所有數據可以說明同種介質對于形狀的改變對音速的傳播還是有一定的影響。至于為什么會有如此大的影響，還需要進一步的研究和采用更精密的實驗儀器和更優的方法去做測量探究。本次探究實驗只是探究聲音在同一介質不同形狀下的聲速是否有異同的基礎實驗。

參考文獻

[1] 齊明志，周莉.基于STM32單片機驅動的實時顯示研究[J].電子世界，2020（8）：13-14.

[2] 姜廣修.測量數據的處理與結果的表示[C]//江蘇省計量測試學術論文集（2014）.南京：江蘇省計量測試學會，2014：210-213.