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(yīng)用比較廣泛，而在介質(zhì)材料中的應(yīng)用少之又少。我們猜想：聲音在同種介質(zhì)，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(guān)鍵詞：音速規(guī)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(yīng)用，對于介質(zhì)材料，我們應(yīng)用特別少，只是知道，傳播速度隨著介質(zhì)的密度增大而提高?，F(xiàn)在探究：聲音在同一介質(zhì)不同形狀中的速度傳播規(guī)律。同一介質(zhì)材料表現(xiàn)為：銅棒;不同形狀表現(xiàn)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(zhàn)艦32單片機應(yīng)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(zhàn)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(tǒng)計聲音在同一介質(zhì)不同形狀下音速傳播的基礎(chǔ)探究實驗數(shù)據(jù)。

1 聲速的數(shù)據(jù)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(zhì)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(zhàn)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(shù)據(jù)的1%，對于本實驗數(shù)據(jù)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(zhàn)艦32單片機的LCD顯示屏顯示測得的聲速數(shù)據(jù)。最后利用Excel表格和電子測量技術(shù)中的等精度測量中對測得數(shù)據(jù)的處理方法對數(shù)據(jù)進行處理，最終得到實驗結(jié)果。

2 系統(tǒng)模型

2.1 單片機硬件設(shè)計

Cpu處理芯片是采用戰(zhàn)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(guān)閉計時器中斷信號;LCD顯示是將最終實驗結(jié)果用單片機控制進行顯示出來，方便統(tǒng)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(zhí)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(guān)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(zhì)，每次實驗都會變化其介質(zhì)的形狀，其中的一個接PA8端口的固體拾音傳感器夾在介質(zhì)的一端，另一個接PA4端口的固體拾音傳感器夾介質(zhì)的另一端。在距離PA8固體傳感器5cm處敲擊一下，當?shù)谝粋€傳感器接收到聲音信號后，打開計時器中斷3，開始計時;當?shù)诙€傳感器接收到聲音信號后，關(guān)閉計時器3中斷，結(jié)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(fā)生中斷溢出，發(fā)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(guān)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(jié)果與分析

通過以上實驗裝置，每組同種介質(zhì)同種形狀進行等精度測量500次，獲得等精度測量數(shù)據(jù)500組。按照如下步驟進行處理：首先求出算術(shù)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(jù)|Ui|>3σ的原則，檢查并剔除粗大誤差[2]。最后計算其算術(shù)平均值。

4 結(jié)論

通過本實驗的探究，可以觀察到，剔除一些系統(tǒng)誤差數(shù)值和粗大誤差數(shù)值，最后求出算術(shù)平均值，可以明顯的觀察到，音速在同一介質(zhì)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(qū)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(zhì)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(shù)據(jù)處理的方法處理本實驗數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)與百度搜索的數(shù)據(jù)還是有一定的差距。本探究的所有數(shù)據(jù)可以說明同種介質(zhì)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(yōu)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(zhì)不同形狀下的聲速是否有異同的基礎(chǔ)實驗。

參考文獻

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

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