Arduino声音波形演示实验

辛亚辉 张建斌

一、提出设想

人教版八年级物理“认识声音的波形”是一个教学难点，教师通常使用示波器和教学电脑自带的“录音机”应用程序演示声音的波形，如图1所示。

示波器的缺点是显示窗口太小，实验教学可视性差——展示波形时，只有靠近设备的学生才能看清楚，其他学生只能听教师讲解。“录音机”应用程序操作简单，显示声音波形可视性强，适合课堂演示。如果教师利用先进的信息技术手段设计展示聲音波形的实验，将极大地激发学生的学习兴趣，在学生的心里埋下创新的种子。

Arduino是一款便捷灵活的开源电子设计平台，有多种针对Arduino硬件的编程软件，其中Mind+软件功能强大，非常适合设计初中物理实验。

二、设计实验

（一）声波形成的原理

物体振动时带动它周围的空气质点振动，由于空气具有可压缩性，在质点的相互作用下，振动物体四周的空气交替地压缩与膨胀，并且逐渐向外传播，从而形成声波。

声波传播的方式不是物质的移动，而是能量的传播。也就是说，声波传播时，质点不随声波向前扩散，仅在其原来的平衡位置附近振动，通过质点之间的相互作用影响邻近的质点，使之振动。由此，振动得以向四周传播，形成波动。

波有两种类型，即纵波和横波。质点的振动方向平行于传播方向的波，称为纵波，如图2所示。质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。声波在空气和液体中的传播形式是纵波，在固体中的传播形式既有纵波又有横波。

（二）设计思路

用Arduino声音传感器检测声音，用Mind+软件的实时模式绘制波形图像。使用Mind+软件时，首先建立一个角色，并将角色隐藏，只用该角色的画笔功能；随后按下按键，软件开始绘制波形，再按一次按键，停止绘制波形。声音在空气中按照正弦规律传播，即A（t）=A0sin（ωt+θ）。初中阶段的学生刚接触物理，实验难度不宜过大，本实验只展示最基本的波形，方程简化为A（t）=A0sin（t）。

（三）实验材料

本实验的实验材料包括Arduino UNO主控板、IO扩展板、模拟声音传感器、数字大按钮模块、USB2.0数据线和3pin数字传感器连接线。

（四）安装过程

如图3所示，将IO扩展板插入Arduino UNO主控板，数字大按钮模块与IO扩展板数字I/O引脚D2连接，模拟声音传感器与IO扩展板模拟I/O引脚A0连接。

（五）程序代码

采用Mind+软件的实时模式编程，程序代码如下：

Arduino设备存在的一个不足是单线程，即在程序执行时，所走的程序路径按照连续顺序排下来，前面的必须处理好，后面的才会执行。Mind+软件的实时模式很好地解决了单线程的问题，它调用电脑的线程，可以同时满足多种需求。

在程序图中，绿旗点击代码的作用是检测Arduino按键是否按下。当变量i=0、按键按下时，赋值为1；当变量i=1、按键按下时，赋值为0。主程序的作用是：当变量i=1时，随机选择画笔的颜色，绘制声音波形。声音波形方程是A（x）=A0sin（x），A0为声音传感器测出的值除以3.3。如果不除以3.3，直接把声音传感器测出的值代入运算，那么绘制的图像会占满整个Mind+舞台。当画笔到达舞台边缘时，需返回重新绘制。

（六）实验操作步骤

1.打开教学电脑中的Mind+软件，选择“实时模式”。

2.点击“项目”菜单，选择“新建项目”，新建一个空白项目。

3.点击扩展模块，选择Arduino UNO主控板，返回编程界面。

4.在脚本区拖拽积木块，编写程序。

5.用USB数据线连接Arduino UNO主控板和电脑，点击“连接设备”菜单，选择Arduino UNO主控板端口号，直到连接成功为止。

6.点击舞台上方全屏，打开全屏界面，点击绿旗，按下电脑空格键及Arduino按键，舞台开始绘制声波图像，再次按下按键，停止绘制，如图5所示。

三、实验效果与评价

（一）实验效果

Arduino声音波形演示实验设计巧妙，操作简单。本实验可以作为人教版物理教材“示波器显示声音波形实验”的有效补充，弥补使用示波器演示实验时可视性差的不足。

在本实验中，声音传感器采集声音数据非常灵敏，Mind+软件可伴随着声音的采集实时绘制图像，且反应迅速。如图5所示，Mind+软件绘制出的图像与图1、图6相似，这说明Mind+软件完全可以替代电脑应用程序演示声音波形。

（二）实验评价

Arduino声音波形演示实验将先进的Arduino设备和Mind+编程融入初中物理实验教学，促进了信息科学和物理学科的深度融合，体现了物理学科的核心素养。

（栏目编辑  蓝泳茵）