CORSO BASE LEZIONE 5

CORSO BASE

INDICE

  1. Avvertenze
  2. Note sul Copyright
  3. IL SUONO
  4. CURIOSITA’: Che cos’è il suono?
  5. Progetto 16 – La vespa Teresa ed il buzzer attivo
  6. Il Buzzer Passivo
  7. Progetto 17 – Il buzzer passivo ed il Piano-Man
  8. Analisi dello sketch del Progetto 17 – Il buzzer passivo ed il Piano-Man
  9. CURIOSITA’: Il Microfono e l’Altoparlante o Cassa Acustica
  10. Progetto 18 – Cosa accade in quella casa? Usiamo il microfono

Avvertenze

Relativamente agli aspetti di sicurezza, poiché i progetti sono basati su alimentazione elettrica in bassissima tensione erogata dalla porta usb del pc o da batterie di supporto o alimentatori con al massimo 9V in uscita, non ci sono particolari rischi di natura elettrica. È comunque doveroso precisare che eventuali cortocircuiti causati in fase di esercitazione potrebbero produrre danni al pc, agli arredi ed in casi estremi anche a ustioni, per tale ragione ogni qual volta si assembla un circuito, o si fanno modifiche su di esso, occorrerà farlo in assenza di alimentazione e al termine dell’esercitazione occorrerà provvedere alla disalimentazione del circuito rimuovendo sia il cavo usb di collegamento al pc che eventuali batterie dai preposti vani o connettori di alimentazione esterna. Inoltre, sempre per ragioni di sicurezza, è fortemente consigliato eseguire i progetti su tappeti isolanti e resistenti al calore acquistabili in un qualsiasi negozio di elettronica o anche sui siti web specializzati.

Al termine delle esercitazioni è opportuno lavarsi le mani, in quanto i componenti elettronici potrebbero avere residui di lavorazione che potrebbero arrecare danno se ingeriti o se a contatto con occhi, bocca, pelle, etc. Sebbene i singoli progetti siano stati testati e sicuri, chi decide di seguire quanto riportato nel presente documento, si assume la piena responsabilità di quanto potrebbe accadere nell’esecuzione delle esercitazioni previste nello stesso. Per i ragazzi più giovani e/o alle prime esperienze nel campo dell’Elettronica, si consiglia di eseguire le esercitazioni con l’aiuto ed in presenza di un adulto.

Roberto Francavilla

IL SUONO

Questa Lezione la dedichiamo allo studio del Suono, o meglio alla generazione e propagazione delle onde sonore ed ai relativi sensori e moduli di Arduino che sfruttano tale fenomeno per gestire degli eventi.

CURIOSITA’: Che cos’è il suono?

Supponiamo di far cadere un sasso nell’acqua di uno stagno, vedrete che dal punto di caduta del sasso si espandono delle onde, queste onde si allontanano dal punto di caduta e si propagano in cerchi concentrici.

Se facciamo vibrare un corpo, tali vibrazioni del corpo sono trasferite a ciò che circonda il corpo stesso (ad esempio: aria, acqua, etc. ) e questo fenomeno avviene grazie all’azione di espansione/compressione delle molecole dell’aria o acqua in cui è immerso il corpo che sta vibrando. Si ha così la generazione del suono.

Il suono prodotto dalla vibrazione di un corpo si propaga tramite onde ed a tal proposito, per dare visibilità a tale fenomeno, abbiamo fatto l’esempio di un sasso fatto cadere nell’acqua di uno stagno.

Nell’immagine animata sopra viene invece mostrato il fenomeno di compressione/espansione con l’esempio di una lamina che vibra nell’aria; le frecce di colore celeste indicano l’aria aspirata nella zona di depressione creata dal movimento della lamina. Le frecce di colore azzurro indicano invece la sovrappressione creata dallo stesso movimento nella direzione opposta. La vibrazione, quindi, comprime ed espande l’aria che circonda il corpo, tale compressione ed espansione si trasmette all’aria circostante producendo così delle onde chiamate “onde sonore” (sonore: perché a determinate frequenze, per semplificare… ad una certa velocità di vibrazione, tali onde si riescono anche ad udire). Infatti, queste vibrazioni vengono poi captate dall’orecchio che al suo interno, grazie alla presenza del “timpano” e grazie alla presenza di “ossicini”, trasferiscono e trasformano le vibrazioni captate in impulsi elettrici che il nostro cervello traduce in una sensazione chiamato suono.

Per cui il suono è una sensazione che riceviamo e deriva da una vibrazione di un corpo. Se tale sensazione è piacevole, allora lo chiamiamo “suono”, altrimenti viene classificato come “rumore”.

Molto importante nella propagazione del suono è il mezzo in cui esso si propaga che ne determina anche la velocità.

Nell’acqua la velocità è di 1480 m/s. Cioè, in un secondo il l’onda sonora percorre circa 1,5 km.

Nell’aria, poiché le molecole sono più rarefatte (sono più distanti) la velocità di propagazione del suono è di circa 340 m/s, cioè in un secondo il suono percorre 340 m.

Nel ferro la velocità di propagazione è di 5130 m/s, cioè in un secondo il suono percorre circa 5 km. Questo perché i cristallini sono molto più vicini tra loro e quindi la trasmissione della vibrazione indotta dall’azione di compressione / espansione è più immediata.

E’ nel vuoto? Ovviamente nel vuoto, non essendoci compressione/espansione di molecole non si propaga alcun suono.

L’onda sonora nel suo cammino può incontrare un ostacolo, in genere un corpo più “denso”. Ad esempio, un’onda sonora che si sta propagando nell’aria, quando incontra una parete rocciosa, si riflette su essa e si genera un’ “onda riflessa”  ed una parte del suono viene riprodotto anche nella roccia.

Quando l’onda riflessa ritorna nella stessa direzione della sorgente, si ha il fenomeno che chiamiamo «eco».

La frequenza, che si misura in Hz (si pronuncia erz), ovvero la vicinanza tra le onde sonore prodotte (o meglio: il numero di onde sonore trasmesse in un secondo), classifica il suono in: suoni grave (quello che chiamiamo “bassi”) o suoni acuti (che chiamiamo “alti”).

Solo determinate frequenze di suono sono udibili dall’orecchio umano, quelli che hanno una frequenza compresa tra 20 Hz e 20.000 Hz (o anche scritto 20 kHz). Gli elefanti riesco a percepire suoni anche al di sotto dei 20 Hz, mentre i pipistrelli arrivano a percepire suoni anche di 120 kHz.

Dopo la parte teorica, che ci ha dato modo di conoscere meglio il suono, passiamo alla parte pratica con un bel progetto, molto divertente.

Progetto 16 – La vespa Teresa ed il buzzer attivo.

Per questo progetto ci occorre:

Prima di passare al montaggio del circuito è bene sapere che il buzzer attivo ha due PIN, di cui uno più lungo. Quello più lungo è il PIN positivo “+“ , quello più corto è il negativo “ – ”. Generalmente il Buzzer passivo ha anche un adesivo dove viene indicato il PIN positivo.

Il simbolo elettrico del buzzer attivo è:

Lo schema elettrico da realizzare è il seguente:

Lo schema di montaggio da realizzare è il seguente:

Nota: Il PIN positivo del buzzer attivo viene collegato al PIN digitale 8 di Arduino, mentre il PIN negativo al GND.

Una volta montato il circuito (e posizionato il disegno della Vespa sul buzzer per rendere più coreografico il progetto), lo sketch da scrivere e caricare su Arduino è:

Caricato lo sketch, il buzzer suonerà ad intermittenza, potete modificare il tempo di accensione/spegnimento del buzzer, andando a modificare il tempo indicato nel delay dello sketch.

Video-Progetto 16 – Il Buzzer Attivo

Il Buzzer Passivo

Il Buzzer è un dispositivo piezoelettrico. La piezoelettricità è la proprietà di alcuni materiali cristallini di polarizzarsi generando una differenza di potenziale quando sono soggetti a una deformazione meccanica e al tempo stesso di deformarsi in maniera elastica quando sono sottoposti ad una tensione elettrica.

La GIF sopra mostra come una Deformazione del materiale  piezoelettrico genera una Tensione

La GIF sopra mostra come una Tensione applicata al piezoelettrico genera una Deformazione

I Buzzer possono essere attivi se hanno al loro interno un oscillatore (un quarzo a frequenza prestabilita e fissa) che una volta alimentato con tensione elettrica sollecita il materiale piezoelettrico ad una determinata frequenza e quindi, questa vibrazione del materiale piezoelettrico (solitamente una membrana), produce il suono ad una frequenza fissa (questo è il cosiddetto Suono Monotono).

I Buzzer passivi, non avendo un oscillatore, per poter produrre un suono, hanno bisogno di una tensione di alimentazione variabile nel tempo. Quindi la tensione variabile con una determinata frequenza viene data dall’esterno. Per fare questo possiamo sfruttare le capacità del nostro Arduino di produrre una tensione variabile nel tempo grazie al PWM (Pulse Width Modulation), cioè una Tensione con larghezza di impulsi modulati. Ma a questo punto la domanda sorge spontanea, e se variassimo la frequenza? Si otterranno diversi suoni e a determinate frequenze, è possibile riprodurre anche le note musicali. Quindi, la conclusione è che con un Arduino ed un Buzzer passivo possiamo suonare delle melodie.

Il buzzer è utilizzato negli allarmi, nei countdown, per la conferma di input da tastiera, etc…

Il Buzzer passivo è quello mostrato in foto sotto:

Nella tabella c’è la corrispondenza tra le principali note e la frequenza.

Progetto 17 – Il buzzer passivo ed il Piano-Man.

Per questo progetto abbiamo bisogno di:

Prima di passare alla montaggio del circuito è bene sapere che il buzzer passivo ha una bassa resistenza, ecco perché si usa mettere in serie al buzzer passivo una resistenza di 220 Ohm, inoltre, poiché alimenteremo il buzzer con una “semionda quadra”, per avere un suono emesso più pulito, sarebbe utile accoppiare al buzzer un “filtro” (sostanzialmente un condensatore), ma questi aspetti, riguardanti l’elettronica applicata, li vedremo in un corso dedicato, per il momento, limitiamoci a inserire una resistenza ed  ai nostri fini didattici.

Il simbolo elettrico del buzzer passivo è:

Lo schema elettrico è il seguente :

Per il montaggio seguire lo schema sotto:

Dopo i collegamenti passiamo a scrivere lo sketch.

Collegare Arduino al PC tramite il cavo USB e lanciare l’applicativo dell’IDE di Arduino cliccando due volte sulla relativa icona.

Si apre una finestra vuota, oppure occorre aprirne una nuova vuota e scriviamo lo sketch sotto riportato:

Caricato lo sketch, il buzzer suonerà una melodia formata dalla scala di Note

Video-Progetto 17 – Il buzzer passivo ed il Piano-Man

Analisi dello sketch del Progetto 17 – Il buzzer passivo ed il Piano-Man.

Nello sketch è possibile osservare che per attivare il Buzzer passivo, l’istruzione da dare è “tone” con la seguente sintassi:

tone (num_pin, frequenza_nota, durata_nota);

Con questa istruzione viene generato un segnale PWM con frequenza specificata e con mantenimento della stessa frequenza pari al valore anch’esso indicato.

Mentre per l’attivazione del Buzzer attivo era sufficiente mettere in stato di alto il PIN del Buzzer con una semplice istruzione di

digitalWrite (buzzerPin, HIGH);

e per spegnerlo, ovviamente:

digitalWrite (buzzerPin, LOW);

Un’altra cosa che desidero far osservare è la definizione del vettore, cioè quella particolare variabile che noi abbiamo chiamato “melody”, che come potete osservare contiene più valori. I singoli valori sono posizionati in modo ordinato dalla posizione 0 alla posizione “n-1”. Possono essere richiamati scrivendo nello sketch il nome della variabile e all’interno delle parentesi quadre, la posizione del valore che desideriamo leggere:

melody [thisNote]

E’ possibile sperimentare nuove melodie e fare pratica con l’istruzione Tone, utilizzando gli esempi presenti nell’IDE. Per aprirli:

Potete anche provare questa melodia che ho trovato in internet (basta fare copia-incolla):

CURIOSITA’: Il Microfono e l’Altoparlante o Cassa Acustica

A questo punto, con le conoscenze acquisite sul Suono e sui materiali Piezoelettrici, siamo in grado di comprendere abbastanza bene il funzionamento del microfono.

Il microfono non è altro che un “Trasduttore” della pressione che le onde sonore esercitano su una membrana, in impulsi elettrici. Questa “trasduzione” (o più semplicemente, questa traduzione di una vibrazione in una sequenza di impulsi elettrici) avviene grazie all’ausilio di un materiale particolare detto piezoelettrico. Infatti il materiale piezoelettrico come abbiamo visto è in grado di produrre una tensione quando esso è sollecitato ad una compressione o espansione, cioè quando subisce una deformazione.

Nell’altoparlante si ha in sostanza il processo inverso al microfono, ovvero l’impulso elettrico, opportunamente amplificato, attiva un elettromagnete che attira a sé un magnete permanente fissato ad una membrana tesa. In questo modo il movimento del magnete genera le vibrazioni della membrana e quindi riproduce le onde sonore con la stessa frequenza inditta dal movimento dei magneti.

Quindi con l’uso di microfoni ed altoparlanti noi siamo in grado di dotare il nostro Robot di udito e della parola.

Progetto 18 – Cosa accade in quella casa? Usiamo il microfono.

Per questo progetto ci occorre:

Prima di passare al montaggio del circuito è bene conoscere meglio il Modulo sensore suono o microfono che utilizzeremo a fini didattici, infatti, in commercio ci sono diversi tipi di Moduli sensore suono, da quelli più sofisticati che hanno anche un circuito di amplificazione e microfoni molto sensibili, e quelli che hanno un puro scopo didattico, meno sensibili ma ugualmente funzionali. Il funzionamento è comunque sostanzialmente lo stesso.

Noi utilizzeremo i Moduli sensori che in commercio si trovano con la sigla KY-037 e con la sigla KY-038 che è il fratello maggiore (leggermente più sensibile), questi a loro volta possono avere 4 PIN perché rendono disponibile sia un segnale di uscita digitale che analogico, quelli con 3 PIN rendono disponibili solo il segnale digitale.

Inoltre possono avere uno o due LED, almeno un LED serve per verificare la corretta regolazione della sensibilità, mentre il secondo, appunto non sempre presente, indica l’alimentazione del Modulo. Infine, questi moduli hanno sempre un trimmer (cioè un piccolo potenziometro) che regolandolo mediante un cacciavite è possibile stabilire la sensibilità di soglia che il microfono deve avere per rendere disponibile il segnale digitale in uscita allo stato di LOW o HIGH al relativo PIN indicato con D0 o con OUT (nel caso di Modulo a 3 PIN).

A questo punto passiamo allo schema elettrico:

(Nota: utilizzare il PIN digitale del Modulo sensore suono D0 o anche indicato con OUT per il Modulo a 3 PIN). Lo schema di montaggio è invece:

Dopo i collegamenti passiamo a scrivere lo sketch.

Collegare Arduino al PC tramite il cavo USB e lanciare l’applicativo dell’IDE di Arduino cliccando due volte sulla relativa icona.

Attenzione: una volta caricato lo sketch su Arduino, il modulo sensore va tarato in funzione del rumore di fondo presente nel vostro ambiente. Per cui se il LED collegato al PIN 3 resta acceso, vuol dire che il rumore di fondo sta superando la soglia di taratura, girate la vite presente sul trimmer del modulo, utilizzando un cacciavite a testa piatta, sin tanto il LED non si spegne. Viceversa, nel caso il LED risultasse spento anche con forti rumori, regolate sin tanto non si accende. Posizionate la vite giusto al limite in modo tale che il LED sia spento e si accenda al minimo rumore leggermente più alto rispetto a quello presente nell’ambiente.

Video-Progetto 18 – Uso del sensore microfono con Arduino

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