基于32单片机声音在异形传播的基础探究

付文杰 祁晋东 李京

摘要：在我們的日常生活中声音在频率方面应用比较广泛，而在介质材料中的应用少之又少。我们猜想：声音在同种介质，不同的形状下的音速传播是否会受到影响。因此，我们展开了此探究。

关键词：音速规律;异型传播;32单片机;等精度测量

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）07-0220-02

0 引言

超声波测速，超声波碎石，超声波清洗在我们的日常生活中都有所应用，对于介质材料，我们应用特别少，只是知道，传播速度随着介质的密度增大而提高。现在探究：声音在同一介质不同形状中的速度传播规律。同一介质材料表现为：铜棒;不同形状表现在：将铜棒折成：直线状、sin状、方波状、螺线圈状。在本研究中，采用战舰32单片机应用定时器中断3进行实验计时。利用两个距离为50cm的固体拾音器采集声音声速的传播，最后通过战舰32单片机控制LCD显示屏，将声速显示出来。这样可以方便、清晰地观察和统计声音在同一介质不同形状下音速传播的基础探究实验数据。

1 声速的数据采集与处理

我们知道，声音在固体中的传播速度是非常快的。我们采用的介质材料是长度为50cm的铜棒，而铜棒在百度中查到的速度为：3800m/s。所以每次实验至少需要100us的时间，所以对于单片机时间的精度有着十分苛刻的要求，而战舰32单片机的定时器3中断的最小时间精度可以达到1us，也就是本研究数据的1%，对于本实验数据的准确性还是比较可信的。而铜棒又有着良好的延展性，方便改变其形状。固体拾音传感器（LM386处理芯片）对于声音的敏感程度在同等传感器中是比较敏感的。在本探究中，我们采用了直线，sin形，方波形，螺线圈形的形状进行实验。利用战舰32单片机的LCD显示屏显示测得的声速数据。最后利用Excel表格和电子测量技术中的等精度测量中对测得数据的处理方法对数据进行处理，最终得到实验结果。

2 系统模型

2.1 单片机硬件设计

Cpu处理芯片是采用战舰32单片机32位处理芯片。拾音传感器是将固体拾音器焊接到LM386声音传感器模块上。拾音传感器1给单片机提供打开计时器中断信号[1];拾音传感器2给单片机提供关闭计时器中断信号;LCD显示是将最终实验结果用单片机控制进行显示出来，方便统计与观察;按键是复位键;采用USB给单片机进行供电，安全又方便。单片机硬件框图如图1所示。

2.2 单片机软件执行框图

在初始化中，初始化IO端口为：浮空输入;LCD显示器、计时器中断为：1us溢出中断、按键为：上拉输入。然后检测PA8端口是否有低电平输入（也就是拾音传感器1是否接收到了信号），如果没有，则等待，否则打开计时器3中断，开始计时，直到PA4端口接收到低电平输入（也就是拾音器传感器2接收到了信号）才退出，然后关闭计时器3中断，最后通过LCD显示出来。（在固体拾音器中如果有声音信号就会输出低电平，没有声音信号就会输出高电平。）拾音器传感器1接PA8端口，拾音传感器2接PA4端口。

以50cm的铜棒为介质，每次实验都会变化其介质的形状，其中的一个接PA8端口的固体拾音传感器夹在介质的一端，另一个接PA4端口的固体拾音传感器夹介质的另一端。在距离PA8固体传感器5cm处敲击一下，当第一个传感器接收到声音信号后，打开计时器中断3，开始计时;当第二个传感器接收到声音信号后，关闭计时器3中断，结束计时，将全局变量时间t通过LCD显示器显示出来。（当计时器发生中断溢出，发生中断后，中断程序就是将全局变量t进行自加命令。最后计时器3中断关闭后，将全局变量t通过LCD显示器显示出来。）单片机软件框图如图2所示。

3 实验结果与分析

通过以上实验装置，每组同种介质同种形状进行等精度测量500次，获得等精度测量数据500组。按照如下步骤进行处理：首先求出算术平均值，然后计算残差Ui，最后计算标准偏差的估计值σ，根据|Ui|>3σ的原则，检查并剔除粗大误差[2]。最后计算其算术平均值。

4 结论

通过本实验的探究，可以观察到，剔除一些系统误差数值和粗大误差数值，最后求出算术平均值，可以明显的观察到，音速在同一介质铜棒中不同形状中传播时，对其传播速度影响很大，在平均速率中有着明显的区别，其中直线最快，sin和螺线圈的速度差别较小，但是与直线相比，差距悬殊，方波状的传播速度最小。

利用本实验装置和方法，测量数据方法时等精度测量，因为：用的是同一种算法（同一个计时器中断进行计时的，计算时间的单位都是统一的），同一个单片机，同一种型号的固体拾音器和声音传感器，同一介质材料，同一着力点和同一器具敲击。虽然敲击是手动敲的，但是只能影响其响度，而不影响其频率（频率是由敲击物体与被敲击物体材料决定的），而频率会影响声速的传播，所以不会影响其音速传播。所以就是等精度测量。进而就可以用等精度测量数据处理的方法处理本实验数据。虽然本研究实验的时间精度是1us，精确度不是特别的高，再加上声音检测模块（LM386）的灵敏度不是特别高，只是有参考价值而已，但是通过本研究，可以看到本探究实验中探究的直线传播速度的数据与百度搜索的数据还是有一定的差距。本探究的所有数据可以说明同种介质对于形状的改变对音速的传播还是有一定的影响。至于为什么会有如此大的影响，还需要进一步的研究和采用更精密的实验仪器和更优的方法去做测量探究。本次探究实验只是探究声音在同一介质不同形状下的声速是否有异同的基础实验。

参考文献

[1] 齐明志，周莉.基于STM32单片机驱动的实时显示研究[J].电子世界，2020（8）：13-14.

[2] 姜广修.测量数据的处理与结果的表示[C]//江苏省计量测试学术论文集（2014）.南京：江苏省计量测试学会，2014：210-213.