创客技术助力科学实验 | 空气中的音速 DF创客社区

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有项目演示视频，可移步公众号观看，

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【项目起源】

图1 空气中的音速

提到声音的速度，相信大家脑中会立马闪现出“340”这个数字。但是，请不要忽略了气压和气温这两个前提条件。在不同的气压和气温下，音速在空气中会有变化，所以音速并不是一个固定值。如果知道了某个环境下的气压值和气温值，可以利用一些计算公式推算出该环境条件下的音速。比如在同为1个标准大气压（101.325kPa）的条件下，可以使用经验公式v=331.3+0.606t（v为音速，单位为m/s；t为温度，单位为℃）来推算出音速。

数字和公式都是现成的，是他人和书本提供的，我们能不能进行验证呢？

在小学科学和中学物理课程中，都安排有声音的章节内容，自然避免不了有关音速的知识。小学科学中，基本是给出“340米/秒”这一数据，没有实验安排。我也特意向本地的中学物理老师请教，他们也基本是给出数字，说要做音速测量实验很难实施。于是，我查阅了一些资料，知道中学物理课、高校物理课都有这个实验，从中明白了中学物理为什么很少去做这个实验的原因，也知道了高校在做这个实验时需要使用到专业设备、运用更深的知识。

那中小学生有没有办法来做音速测量实验呢，而且不需要利用专业的设备和高深知识？我想创客技术可能就是那道光！因为创客常用的传感器中就有声音传感器，各种主控板的计时精度可达到毫秒级，使用数字化技术可以保证实验操作的可行性和实验结果的可信度。

【背景知识】

图2 测量音速的两种实验方法

在进行音速测量实验时，常规实验方法主要有两种：（1）根据速度=距离÷时间这一关系式，测量出两个地点之间的距离，和声音从起点传到终点的时间，再代入公式计算。这种方法称为“时差法”。（2）根据声音速度=声波频率×波长这一关系式，通过示波器等专业设备测量出声波频率及波长，再代入公式计算。

图3 第一次测量水中音速实验

其中第一种方法，是比较常用的方法，在早期科学家研究音速时基本采用这种方法，比如世界上第一次测定声音在水中的传播速度是1872年在日内瓦湖上进行的（如图3），两只船相距14千米，一只船上的试验员在水里放一座钟，当中敲响的时候，船上的huoyao同时发光；在另一只船上，实验员向水里放一个听音器，他看到huoyao发光后10秒听到了水下的钟声，然后根据以上数据计算水中的音速。

图4 中学物理音速测量实验方案

目前，在中学物理中进行的音速测量实验也使用这个方法进行，图4为我查找到的一个实验方案。我们可以看出，这样的实验方法主要依赖人的感官和本能反应，实施起来有一定的难度，而且实验结果不稳定，误差会很大。所以，我想这也是有些中学老师不去组织学生进行实验的原因吧。第二种方法需要使用到示波器等专业设备，一般为高校所采用。本案例中采用的仍是第一种方法，所以面临着如果解决智能感知、精确计时等问题。
【实验方案设计】

图5 实验方案示意

1.采用4块具有无线通讯功能的开源主控板作为实验设备。其中设备1作为主控端，具有发出开始信号、接收其他设备发回的数据、处理数据并将结果显示在屏幕上的功能，放在A地点；设备2和设备4为计时端，放在被测路线的起点（B地点）和终点（D地点）；设备3为中继信号端，放在设备2和设备4的正中间（C地点），目的是保证复位指令能在同一时间被设备2和设备4收到。2.考虑到长度测量工具及发声器具等因素，确定实验中传播距离为40米。B地点为起点（0米处），D地点为终点（40米处），C地点在20米处，A地点设在B地点的前面2～5米处。
3.实验可由1人完成，也可由多人合作完成；当由多人合作完成时，可减少1块主控板，直接使用放在B地点的设备3作为主控端。在本案例演示中，采用4块主控板进行，操作人员站在A地点，手持设备1和发声器具（如：哨子、发令qiang等）。
4.具体流程：（1）操作人员按下设备1上的按钮发出开始检测信号给设备3，设备3收到后立即向设备2和设备4发出一个复位指令，设备2和设备4收到复位指令后立即进行重启，将计时器归0后开始计时。（2）操作人员随后发出较大的声响（如吹哨子），此时的时间可记为t0，但是不参与计算，不用记录；当声音传到设备2处时，设备2感知到后记录下当时的时间t1，并无线传送给设备1；当声音传到设备4处时，设备4感知到后记录下当时的时间t2，并无线传送给设备1；设备1将接收到的两个时间数据进行存储并通过计算公式v=40÷（t2-t1）算出音速，并显示在屏幕上。
5.以上流程中，除按下按钮和吹口哨外，其他的操作都是由程序控制的各个设备自动完成。需要根据各自完成的任务，对各个设备编写不同的程序。
6.在进行最终的音速测量实验前，还需要进行实验环境条件检测、计时触发条件测试等多个实验，所以实验需要分阶段进行。

【材料工具准备】
1.创客器材

图6 硬件材料

（1）掌控板*1 4块（2）IO扩展板 2块*2（3）BMP388气压温度传感器 1个（4）USB数据线 2根*3（5）3P连接线 1根（6）4P连接线 1根
说明：1.掌控板自带了声音传感器和显示屏，如采用其他主控板，可能需要外接；2.IO扩展板有1块就可以，这里使用了两块带扩展板的掌控板；3.使用了两个版本的掌控板，它们的USB接口不同，所以使用了两种USB线。

2.移动电源

图7 充电宝及充电线

（1）充电宝 2个*（2）充电线 2根

说明：使用了两块已含有锂电池及扩展板的掌控板，所以只需对另外两块掌控板进行供电。电源解决方案需要根据使用的主控板材料来确定。

3.其他工具

图8 卷尺和哨子

（1）50米卷尺 1个（2）哨子 1个

4.编程软件

图9 mPython软件工作界面

1.大部分程序使用掌控板官方软件mPython进行编程（见图9），使用的版本是V0.7.2。下载网址：https://www.labplus.cn/software

图10 Mind+软件工作界面

2.使用DFRobot开发的软件Mind+编写环境测试程序（见图10），使用的版本是V1.7.1 RC2.0（因为使用的BMP388气压温度传感器是DFRobot品牌的，Mind+自带了扩展库）。下载网址：http://mindplus.cc/download.html

【实验过程】
一、实验场地布置

图11 设备放置台

1.使用CAD软件建模，再使用激光切割机切割椴木板，组装成正方体盒子，用来放置实验设备（见图11），还可以制作3个距离小标牌方便通过拍照记录实验数据。

图12 布置场地

2.找一个较安静的地方，将卷尺拉出40米以上（尽量拉直），放置在地面上，然后将3个盒子分别放在0米、20米和40米处（见图12）。

二、实验环境检测
我们已经知道，音速的表述需要增加前提条件——气压和气温，所以，为了保证实验结果表述的严谨性，有必要先对实验环境的气压和温度条件进行检测。创客器材中，能实现这个功能的就是气压传感器了，还可以增加温湿度传感器，有条件的还可以加入风速传感器。

图13 BMP388气压温度传感器连线图

1.将温湿度传感器连接到扩展板的P15引脚，将BMP388气压传感器连接到扩展板的I2C引脚（见图13）。

图14 环境检测程序

2.使用Mind+软件编写程序，实现能检测当前环境的气压、温度和湿度数据并显示出来的任务，示例程序如图14所示；然后将程序上传到掌控板。

图15 实验环境检测

3.打开设备电源，检测当前环境的气压、温度和湿度值（见图15）。

三、确定计时触发条件实验
前述实验方案中的t1和t2两个时间是由计时设备自动记录的，那在什么样的条件下能触发计时指令运行呢？当然是哨子发出的声音传到该设备处，被设备自带的声音传感器捕获到，也就是检测到的声音值大于某一数值时就会触发计时指令运行。这个数值具体是多少？0米处和40米处的数值一样吗？这都需要进行实验得知结果。

图16 获取最大声音值程序

1.编写程序，实现能将设备运行时段内检测到的最大声音值记录下来，显示屏幕上，示例程序如图16所示。此程序使用软件mPython编写，后面的程序都是。

图17 触发条件实验

2.将同一程序上传到设备2和设备4，分别放置在0米处和40米处，打开设备电源，开始进行声音检测；吹哨子的人站在方案中预定的A地点（设备2之前2~5米处），吹响哨子，可多吹几次，然后回到0米处和40米处记下设备2和设备4屏幕上显示的数值（见图17，数据仅供参考，不同环境、气候条件下的实验结果存在差异），这两个数值即可作为确定计时触发条件依据，比如设备2可设置为大于2200时触发，设备4可设置为大于900时触发。

四、音速测量实验

图18 设备1（主控端）程序

1.编写设备1（主控端）运行的程序，并上传到设备1，示例程序和指令说明如图18所示。补充说明：因为后面设备3（中继信号端）会发送无线广播消息“s”给设备2和设备4，但是设备1也能收到这个消息，此为收到的第1条消息，而收到的时间数据应是第2条和第3条。

图19 设备3（中继信号端）程序

2.编写设备3（中继信号端）运行的程序，并上传到设备3，示例程序和指令说明如图19所示，其功能就是转发一次开始检测信号。

图20 设备2（计时端1）程序

3.编写设备2（计时端1）运行的程序，并上传到设备2，示例程序和指令说明如图20所示。

图21 设备4（计时端2）程序

4.编写设备4（计时端2）运行的程序，并上传到设备4，示例程序如图21所示，和设备2的程序基本相同，只是对触发条件（声音值）参数进行了相应修改。

图22 放置好设备

5. 将上传好程序的4块掌控板，分别根据实验方案放置到设定的地点（见图22），打开电源开关或者接上充电宝供电。

图23 实验操作步骤

6.操作人员站立在A地点，手持设备1和口哨。每进行一次实验，都需要先按下掌控板背面的复位按键，待设备重启后，再按下A按键（此时可观察最近的设备2屏幕上是否出现了重启画面），然后面向其他设备所在的方向，用力吹响哨子（见图23）。

图24 查看实验结果

7.查看设备1（主控端）屏幕显示结果，当收到两个数据时，说明各个设备运行正常；然后按下B按键，则运行计算指令并将结果显示出来。图24为某次实验的结果，声音传播40米花了0.132秒，得出速度为303米/秒。

图25 多次实验结果

8.为了得到较准确的实验结果，可以反复进行多次实验（重复步骤6和步骤7的操作），记录下所有的结果，当实验结果较接近时可停止实验。图25为其中的两次实验结果。（第一行因拍摄设备问题没有拍下，演示视频中可看到。）

五、整理实验数据

图26 实验记录单

制作一张实验记录单（可提前制作好），将整个实验过程中的数据进行记录、整理，作为音速测量实验的资料。我们可以选择在不同的气候条件下做若干次实验，再进行对比分析，以得出一些结论。

【总结与反思】
从上面展示的实验数据可以看出，与理论音速（按公式推算8.6℃下约为337米/秒）相差不大，考虑有风力的影响，应该说这个实验方案还是合理有效的。继续使用这个方法在同一地点去做不同气候条件下的实验，一定能够获得一些有价值的信息。我们可以去研究温度和音速的关系，可以去研究风力对音速的影响，还可以研究各种天气下音速的变化等等。
在实验过程中，也发现一些问题。比如，吹哨子发出的响度不够时，计时端2无法被触发，会造成实验失败，这个因素在制定方案时也考虑过，所以距离定在40米。如果采用跑步比赛使用的发令qiang来发声，也许会更好。还有各个设备间的无线通讯不太稳定，有时计时端2收不到中继信号端的复位指令，有时计时端2记录的时间数据无法传回主控端。后来我发现与掌控板的摆放方向有很大关系，由于掌控板的声音传感器在正面、无线通讯模块在背面，为了能保证掌控板能有效感知到哨子声，采用了正面朝向操作人员方向（也就是主控端、中继信号端的方向），这样无线通讯模块背对着需要通讯的主控端和中继信号端，信号自然会衰减严重。如果要改进的话，可以增加一个外接的声音传感器，然后让外接的声音传感器和掌控板背面都朝向操作人员。
虽然使用创客技术比光靠人的本能和简单的计时工具去完成实验要靠谱得多，但是要获得和理论上完全相同或者非常接近的结果还是很难的，毕竟程序的运行也需要时间，程序的运行速度也要受主控板的处理器性能所决定。所以，最后希望大家不要过于追求数据的完美，而应该享受这个实验过程。

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