Arduino聲音波形演示實驗

辛亞輝 張建斌

一、提出設(shè)想

人教版八年級物理“認(rèn)識聲音的波形”是一個教學(xué)難點，教師通常使用示波器和教學(xué)電腦自帶的“錄音機”應(yīng)用程序演示聲音的波形，如圖1所示。

示波器的缺點是顯示窗口太小，實驗教學(xué)可視性差——展示波形時，只有靠近設(shè)備的學(xué)生才能看清楚，其他學(xué)生只能聽教師講解。“錄音機”應(yīng)用程序操作簡單，顯示聲音波形可視性強，適合課堂演示。如果教師利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段設(shè)計展示聲音波形的實驗，將極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在學(xué)生的心里埋下創(chuàng)新的種子。

Arduino是一款便捷靈活的開源電子設(shè)計平臺，有多種針對Arduino硬件的編程軟件，其中Mind+軟件功能強大，非常適合設(shè)計初中物理實驗。

二、設(shè)計實驗

（一）聲波形成的原理

物體振動時帶動它周圍的空氣質(zhì)點振動，由于空氣具有可壓縮性，在質(zhì)點的相互作用下，振動物體四周的空氣交替地壓縮與膨脹，并且逐漸向外傳播，從而形成聲波。

聲波傳播的方式不是物質(zhì)的移動，而是能量的傳播。也就是說，聲波傳播時，質(zhì)點不隨聲波向前擴散，僅在其原來的平衡位置附近振動，通過質(zhì)點之間的相互作用影響鄰近的質(zhì)點，使之振動。由此，振動得以向四周傳播，形成波動。

波有兩種類型，即縱波和橫波。質(zhì)點的振動方向平行于傳播方向的波，稱為縱波，如圖2所示。質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波，稱為橫波。聲波在空氣和液體中的傳播形式是縱波，在固體中的傳播形式既有縱波又有橫波。

（二）設(shè)計思路

用Arduino聲音傳感器檢測聲音，用Mind+軟件的實時模式繪制波形圖像。使用Mind+軟件時，首先建立一個角色，并將角色隱藏，只用該角色的畫筆功能；隨后按下按鍵，軟件開始繪制波形，再按一次按鍵，停止繪制波形。聲音在空氣中按照正弦規(guī)律傳播，即A（t）=A0sin（ωt+θ）。初中階段的學(xué)生剛接觸物理，實驗難度不宜過大，本實驗只展示最基本的波形，方程簡化為A（t）=A0sin（t）。

（三）實驗材料

本實驗的實驗材料包括Arduino UNO主控板、IO擴展板、模擬聲音傳感器、數(shù)字大按鈕模塊、USB2.0數(shù)據(jù)線和3pin數(shù)字傳感器連接線。

（四）安裝過程

如圖3所示，將IO擴展板插入Arduino UNO主控板，數(shù)字大按鈕模塊與IO擴展板數(shù)字I/O引腳D2連接，模擬聲音傳感器與IO擴展板模擬I/O引腳A0連接。

（五）程序代碼

采用Mind+軟件的實時模式編程，程序代碼如下：

Arduino設(shè)備存在的一個不足是單線程，即在程序執(zhí)行時，所走的程序路徑按照連續(xù)順序排下來，前面的必須處理好，后面的才會執(zhí)行。Mind+軟件的實時模式很好地解決了單線程的問題，它調(diào)用電腦的線程，可以同時滿足多種需求。

在程序圖中，綠旗點擊代碼的作用是檢測Arduino按鍵是否按下。當(dāng)變量i=0、按鍵按下時，賦值為1；當(dāng)變量i=1、按鍵按下時，賦值為0。主程序的作用是：當(dāng)變量i=1時，隨機選擇畫筆的顏色，繪制聲音波形。聲音波形方程是A（x）=A0sin（x），A0為聲音傳感器測出的值除以3.3。如果不除以3.3，直接把聲音傳感器測出的值代入運算，那么繪制的圖像會占滿整個Mind+舞臺。當(dāng)畫筆到達(dá)舞臺邊緣時，需返回重新繪制。

（六）實驗操作步驟

1.打開教學(xué)電腦中的Mind+軟件，選擇“實時模式”。

2.點擊“項目”菜單，選擇“新建項目”，新建一個空白項目。

3.點擊擴展模塊，選擇Arduino UNO主控板，返回編程界面。

4.在腳本區(qū)拖拽積木塊，編寫程序。

5.用USB數(shù)據(jù)線連接Arduino UNO主控板和電腦，點擊“連接設(shè)備”菜單，選擇Arduino UNO主控板端口號，直到連接成功為止。

6.點擊舞臺上方全屏，打開全屏界面，點擊綠旗，按下電腦空格鍵及Arduino按鍵，舞臺開始繪制聲波圖像，再次按下按鍵，停止繪制，如圖5所示。

三、實驗效果與評價

（一）實驗效果

Arduino聲音波形演示實驗設(shè)計巧妙，操作簡單。本實驗可以作為人教版物理教材“示波器顯示聲音波形實驗”的有效補充，彌補使用示波器演示實驗時可視性差的不足。

在本實驗中，聲音傳感器采集聲音數(shù)據(jù)非常靈敏，Mind+軟件可伴隨著聲音的采集實時繪制圖像，且反應(yīng)迅速。如圖5所示，Mind+軟件繪制出的圖像與圖1、圖6相似，這說明Mind+軟件完全可以替代電腦應(yīng)用程序演示聲音波形。

（二）實驗評價

Arduino聲音波形演示實驗將先進(jìn)的Arduino設(shè)備和Mind+編程融入初中物理實驗教學(xué)，促進(jìn)了信息科學(xué)和物理學(xué)科的深度融合，體現(xiàn)了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。

（欄目編輯? 藍(lán)泳茵）