Hệ thống hiển thị cường Độ sóng dừng của Âm thanh trong một Ống hình trụ

Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Sư phạm Vật lí với Đề tài “Hệ thống hiển thị cường độ sóng đừng của âm thanh trong một ống hình trụ là kết quả đúc kế từ kiến Chí Minh với sự hướng dẫn,

Giảng viên hướng dẫn: TS, Nguyễn Lâm Duy

'TP HCM, Tháng 4/2021

nhận của chủ tịch hội đồng — Xác nhận của giảng viên hướng dẫn

Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Sư phạm Vật lí với Đề tài “Hệ thống hiển thị

cường độ sóng đừng của âm thanh trong một ống hình trụ là kết quả đúc kế từ kiến Chí Minh với sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của quý thủy cô, bạn bè và người thôn Cua đây, em xin gi lời cảm ơn chân thành đến những người đã giúp đỡ em trong thời

gian học tập — thực hiện kháa luận vừa qua

Em xin trân trong gửi đến thầy Nguyễn Lâm Duy - người đã trực tiếp tận tình

“hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu cần thiết cho bài luận này lời cảm ơn chân thành:

và sâu sắc nhất

Em sin chân thành cảm em thầy Nguyễn Hoàng Long da tin tinh chi day, ding viên và chơ em những lãi khuyên để hoàn thành khóa luận tắt nghiệp Em xin chân thành

và luôn động viên giúp đờ em trong quá trình thực hiện khóa luận này

Em xin cim em các thầy cô giáo trong tổ Vật lí đại cương, khoa Vật lý, trường Đại học Suiphưm Thành phố HỒ Chí Minh đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt khóa luôn tốt nghiệp của mình

Cuối càng, em xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đã luôn bên cạnh, tng hộ,

đồng viên em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp nà:

Em xin chân thành cảm om

Thành phố Hỗ Chí Minh, ngày 30 tháng 4 năm 2020

Sinh viên

HOANG KIM LAM

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Phuong phip nghién cửu 3

4.1 Phương pháp nghiên cứu lí luận

4.2 Phuong phap thực nghiệm 3

.4.3 Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm 3 CHƯƠNG I CƠ SỞ LÍ THUYẾT - NỘI DUNG NGHIÊ 4

1.1 Sống đừng của âm thanh trong một ống hình trà 4

1.1.1 Sự tạo thành sóng âm và vận tốc truyền sóng âm trong không khí *

1.1.2 Cường độ của sống âm 6 1.1.3 Sống đồng của âm thanh trong một ống hình trụ 7

12 Điện từ 8

1.2.1 Vĩ điều khién Arduino Nano 8

1.2.2 Microphone eletret 10 1.2.3, Mole Led ma trận P0 lô

2.13 Hệ đơn giản hoàn chính

3.1.4 Kết quả đo đạc

2.2 Thiết kể, chế tạo hệ thống hiễn thị cường độ sóng dừng của âm thanh tong

lạ hình trụ theo thai gian thực

3.2 Chương trình giáo đục phổ thông 2018

CHUONG 4, KẾT LUẬN - HƯỚNG PHÁT TRIÊN

-4.1 Kết luận

4.2 Hướng phat ti

DANH MUC TRICH DAN

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Tình 1.a) Sóng đừng trong ống hở hai đầu b) Sóng dừng trong ống một đầu bịt kín 7 Hình 2 Board Arduino Nano

Hình 3 Mierophone electret

Hình 4 Sơ đồ chân Module Led ma trận P10

Hình 5 Module Led ma tran P10

Hình 6 a) Multiplexer - 16 channel) So d® chiin Multiplexer - 16 channel Hình 7 IC khuếch dai LM386

Hình 10 Hệ đơn giản hoàn chỉnh

Hình 11 Giá trị cường độ âm của sóng dừng trong ống khí tai tin s6 171.5 He

Hình 12 Giá trị cường độ âm của sóng dừng trong ống khí tại tần số 343 Hz

Hình 13 Giá tị cường độ âm của sóng đừng trong ống khí tại tần số 514.5 He Hình 14 Giá trị cường độ âm của sóng dừng trong ống khí tại tân số 686 Hi Hình 15 Mach I~ mgch 16 micro electret,

Hình 1ó Mạch 2 mạch khuếch đại

Hình 17 Mạch 3~ bộ xử lý trung tâm

Hình 18, Hệ thống Led hiển thị

Hình 19 Sơ đồ khối mạch điện tử của hệ thống

Hình 20 Các micro hiễn thị giá tị tương đối bằng nhau

Hình 21 Sơ đồ khối nguồn âm

Hình 22 Các t Bị trong ngưền âm

Hình 23 Ông PVC khoétrnh bỏ lạ micro

4

Hệ thống hiễ thị Led khi sử đựng ống dẫn sóng bị khoá

Ông dẫn sóng bằ lật liệu mica

1 Vận tốc truyễn âm trong một số môi trường

3 Thông số kỹ thuật của Anduino Nano 3.Mô tả chân Module LED ma tin P10

4 Bang mi chon kénh

5 Sơ đồ chân LM386

6 Chuyển đổi giá trị điện áp và giá trị số học

1 Téng quan, lý đo chọn đề tài

Chương trình giáo dục ph thông tổng thé năm 2015 (Ban hành kèm theo Thông

tw số 32/2018/TT-BGDĐT ngày 26 tháng 12 năm 2018 của Bộ trường Bộ Giáo dục và

"Đảo tạo) của Bộ Giáo dục và Đảo tạo để đảo tạo ra nguồn nhân lục tố, đáp ứng với

sầu đôi hỏi của thị trường lao động Chương trình giáo dục phổ thông tổng thể 201%

để, hoạt động luyện tập và hoạt động thực hành, được thực hiện với sự hd trợ của thiét

bị day học, đặc biệt là công cụ tin học và các hệ thắng tự động hoá của kỉ thuật số.” (Bên cạnh đổ, trong định hướng chung vỀ phương pháp giáo đục môn Vật, chương

tình Vật lí Phổ Thông mới đã nêu rõ nhiệm vụ: "đền cạnh hình thức dạy học chủ yến

là học ở lớp học hoặc ở phòng thực hành, tổ chức cho học sinh một số hoạf động trải theo quy mô lấp hoặc nhóm hạc sinh Chí trọng vốn đụng, khơi thức lợi thể của công

động học cho học sink,” (2) Thông qua việc ban hành các chỉ thị trên cho thầy thiết bị

dạy học, các thiết bị thí nghiệm có ai td quan trọng trong giáo đục các môn học nổi

chung và bộ môn Vật lí nồi riêng

'Ở môn Vật lí lớp 12 chương trình giáo dục phổ thông hiện hành (Ban hành theo

“Quyết định 16/2006/QĐ-BGDDT ngày 05/5/2006), học sinh được học về sóng dừng,

sóng âm ở chương lI "Sóng cơ vở sóng âm” (Sách giáo khoa Vật lí 12, cơ bản) Trong

thức sóng đừng, sóng âm ở chủ đề “Sóng ” của lớp 11 Ở phần sóng cơ, học sinh có thể

nhận biết được sóng đừng một cách trực quan qua trường hợp sóng dừng trên một sợi xen kể nhau khi đang dao động, à hiện tượng sóng đồng trên đây Khác với phần sóng

cdững trong cột khí có hình dạng như là sóng lình sim

Cho đến nay, ở Việt Nam các thí nghiệm thực hành về sóng âm và hiện tượng sóng dừng trong cột khí với số lượng rất í Có thể kể đến thí nghiệm “Xúc định bước sóng

và vận tắc truyền sống âm bằng phương pháp sng đừng " [3] là phổ biên nhất, được

day học chủ yếu ở bậc đại học Thí nghiệm này khảo sát hiện tượng sóng đừng trong cột

ra từ Ống không khí Do đó, bộ thí nghiệm này chưa giúp người học một cái nhìn trục cquan nhất về sóng dùng xuất hi trong ống Để thực hiện thí nghiệm này cũng đồi hoi phải có kiến thức và những kỹ năng nhất định nên không thực sự phổ biến đối với học sinh phổ thống

Kiến thức về sóng âm và sóng dùng là một kiến thức khá rừu trọng, cc thí nghiệm

vẫn chưa được khai thác tối ưu để đưa vào dạy học, gây trở ngại lớn đối với học sinh

phố thông khi tiếp cân những kiến thức này Căng với nhũng yêu cầu trong Chương thí nghiệm trong dạy học, cẵn có một bộ thí nghiệm để có th giúp học sinh hiễu và iếp thu kiến thức trục quan hơn v sóng âm và sóng dũng

'Với những lý do trên, chúng tôi lựa chọn thực hiện đề tài: Hệ thống hiễn thị cường

độ sóng đừng của âm thanh trong một Ẳng hình trụ

2 Mục đích nghiên cứu

“Thiết kế, chế tạo hệ thống hiển thị cường độ sóng đồng của âm thanh trong một

ng hình trụ và gợi ý cách thức sử dụng của hệ thống này rong dạy học, hoạt động ri nghiệm

3, Nhiệm vụ nghiên cứu

Nhiệm vụ 1: Nghiên cứu nội dung về sóng đồng trong ống Nghiên cứu lý thuyết về nguyên lí tạo ra sóng đồng trong ống khí, Đặc điểm về vị trí các nút bụng tong sóng đùng và đặc điểm cường độ âm tại các vị tí đồ, Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu về miero clscret và giao tiếp miero lsctet với vĩ điều khiển arduino:

~ Nghiên cứu về cách thức hoạt động của micro clcctret

~ Lập trình trên vi điều khiến arluino

= Gino tiép micro electret v6i vi digu khỉ

Nhiệm vụ 4: Thử nghiệm, đánh giá độ ổn định và chính xác của hệ thống

Ti tra, đánh giá mức độ ôn định, độ chính xác của hệ thông hiển thị sóng dừng trong một ống hình trụ hành thử nghiệm, ki

.4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Phương pháp nghiên cứu lí luận

- Nghiên cứu sách giáo khoa các kiến thức có liên quan đến phần “Sóng đừng ” và các tài liệu khoa học có liên quan

~ Nghiên cứu tài iệu về nh kiện điện tứ, âm hiểu về nguyên Ii, ch thức sử dụng

để lựa chọn những linh kiện điện ử phù hợp với nội dung đề tài

- Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình Arduino

.4.2 Phương pháp thực nghiệm

“Tiến hành chế tạo, thử nghiệm nhằm lựa chọn những thiết kế phù hợp nhất với hệ thống Đồng thời kiểm tra mức độ hoạt động ôn định của hệ thống hiển thị sóng dừng trong ống

4.3 Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm

Phân tích, tổng hợp kính nghiệm qua các lần thực hiện thiết kế và chế ạo nhằm phát

hiện những đặc điểm chưa phủ hợp nhằm

CƠ SỞ LÍ THUYẾT - NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1.1 Sóng đừng của âm thanh trong một ống hình trụ

1.1.1 Sự tạo thành sóng âm và vận tốc truyền sóng âm trong không khí [3]

“Trong vậtlíbọc, người ta thường gọi sông âm là các sóng đân bồi nồi chúng truyền

đi ong các chất khí, chấ lỏng và chắtrấn, hoặc tạo thành những sóng đừng trong những;

được trong đải tằn số 20 — 20 000 Hz, các sóng siêu âm có tằn số lớn hơn 20 000 Hz và

sắc sóng hạ âm o6 tin s6 nhỏ hơn 20 HỮ |4]

Giá sử có một dao động xảy ra tại một phần tử đang nằm tại vị trí cân bằng,

trong th

tong môi trường đăn hồi Do đặc tính đần ôi của môi trường, phần từ tích bên cạnh cũng bị lôi kéo dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu của nó, và dao động cứ thể được truyền lan trong không gian ạo thành sóng

Trong trường hợp sự tmyễn sóng chỉ xảy ra theo một chiều x, phương tỉnh tryễn sóng có dạng

ay d2)

Trong d6 U; va Us là hai hàm tuỳ ý, khả vi hai lần, có dạng tùy thuộc loại dao

động Nếu dao động kích thích là một dao động điều hoà thì chứng có dạng:

0,=0,ản(ar+ 5, U,=U,sinx~ a3)

Dé là hai sóng điều hoà truyền theo hai hướng ngược nhau Vận tốc truyền sóng

âm v được xác định theo công thức,

a4)

ong đó là mật độ, b là mô đun đàn hồi

4

biển thiên về áp suất khí hoặc mật độ khí giữa các điểm lân cận và được truyền lan

trong môi trường Trong quá trình truyề xóng âm, khí bị dãn nhanh đến mức có thể soi là đoạn nhiệt Các phép tính chỉ rà rằng vận tốc truyền sóng âm liên quan với chỉ

số đoạn nhiệt z=P bằng biểu thức:

as)

đốc R Ta hing s6 khi ly tong R=83./moLK, T Ha ahigt 49 tayét d6i, AF

là khối lượng của 1 mol không khí (M = 0,0288kg/mol)

Công thức (1.5) cho thấy vận tốc truyền âm trong không khí không phụ thuộc

ấp suất khí mà chỉ phụ thuộc nhiệt độ T Đẳng thời, nếu đo được vận tốc truyền âm trong không khí v, ta có thể tính được chỉ số đoạn nhiệt Cp/C của không khí

Bảng 1 Vận ắc tmuyễn âm trong một s mỗi rường [ST Môi trường Vận tốc (m/s) Chất Khí

Không khí(C) 331 Không khí (20°) M3

Hiđrô 1284

Chất lòng

Nước (0°) 1402 Nước (20%) 1482 Nước biển 1522 Chất rin

Nhôm 6420 Thép 594i Grant 6000

Cường độ I của sóng âm trên một bề mặt nhất định được xác định bằng tốc độ

trung bình mả năng lượng truyên qua bé mat 2 chia cho diện tích bé mat A vuông góc

với phương truyền của âm l6]

Âm thanh mạnh nhất mà tai người có thể chịu đựng được có cường độ lớn gắp 10'2

lần so với âm thanh yếu nhất có thể ghi nhận được Tuy nhiên, âm thanh có cường độ

mạnh nhất không to hơn âm thanh cỏ cường độ yêu nhất 10 lẫn |5] Do đỏ đ xác định surbign thi

đêxiben (kí hiệu: đB), và công thức xác định mức cường độ âm đo bằng đêxiben là [4];

hiệu: B), Thông thường, trong thực tiễn kĩ thuật,

Linke! a

.LL3, Sông đăng của âm thanh trong một ng hinh try [6]

Sóng dừng được hình thành trong một ống hình trụ là kết quả quá trình giao thoa

“của sóng âm lan truyền theo hai hướng ngược chiề

nhau trong ông Trong ống, những điểm không dao động luôn đứng yên tạo thành các nút, những điểm luôn dao động với biên độ cực đại ạo thành các bụng

“rong ống bở ba {trong ng innit ai }

Hea dni Ha en ein

dừng, tại hai đầu hở của ống đều là bụng dao động, hay nút áp suất |3] Nếu âm thanh

truyền qua ống có chiều dài L với vận tốc v (v là vận tốc truyền trong không khí của âm thank) thi tin số cộng hưởng được xác định:

“rong trường hợp cả hai đầu ống đều hỗ, khi só cộng hưởng sóng

CCác tằn số dao động rigng fy fy fowshinh thinh chuỗi các họa âm, có tần số là bội

nguyên của họa âm cơ bản fy

Nếu ống hình trụ một đầu bịtlứn một đầu để hở khi có sóng âm truy trong ông

sự phản xạ của sóng xảy ra ở cả hai đầu: đầu kín và đầu hở của ống Tại đầu ống kín,

L1 Vì điều khiển Arduino Nano

Arduino là một bo mạch vĩ điều khiển được giới thiệu chính thức vào năm 2005

hiết kế

do một nhóm giáo sử và sinh viên Ý

Andhino là một nÈn từng nguyên mẫu (mã nguồn mở) dựa trên nén phn mém và phần cứng dễ sử dụng Nó bao gồm một bo mạch có thể được lập tình và một phần

ngôn ngữ lập trình C, được sử dụng để viết và nạp từ mã máy tính sang bo mạch vật lý:

triển bởi Arduino.cc, có lợi thể lớn về kích thước so với phiên bản Arduino Ưno và

Arduino Mega, Arduino Nano có thể hoạt động độc lập và trơng tác hiệu quả với các thiết bị điện tử và ác phần mềm khác một cách để đàng [7] Ưu điểm có số lượng lớn

.các chân đọc xuất dữ

nên Arduino Nano được lựa chọn sir dung trong,

8

Mỗi chân Digial và Analog có thể thực hiện với nỉ chức năng khác nhau nhưng

chức năng chính vẫn là được mặc định cấu hình làm đầu vào (Inpu hoặc đầu ra

(Output) Khi gio tgp với cảm biỂn cée chin Digital / Analog déng vai tr chin Input,

'Và khi sử dụng để điều khiển động cơ, tạo xung, kích dẫn relay, thiết bị chuyển mạch

n Digital / Anologs déng

“Hình 2 Bourd Arduino Nano [8]

Baing 2 Thang số kỹ thuật của Arduino Nano [8]

Vi điều khiến ATmesa528P

Điện áp ngõ vào (7-12) Volts

Microphone electret là một loại micro dựa trên tụ điện tĩnh, sử đụng vật liệu electret

lâm điện mỗi có chức năng như môt micro thu âm thanh bình thường Vật liệu lcet viễn nên electrettạo ra điện trường tương đương nam châm vĩnh cửu [9]

`Với kích thước nhỏ gọn, ắt nhạy với âm thanh, hoạt động ôn định, giá thành rẻ

va dé sir dung nên ngày nay Microphone electret duge sir dung rit phd bin trong các mạch điện tử, đặc biệt à các thiết bị điện từ như điện thoại thông mình, máy tính

Module Led ma tận PI0 là một hệ thống các Led được bổ trí dưới dạng ma trận

32x16 Có nghĩa là có 32 đèn Led trong mỗi hàng và 16 đèn Led trong mỗi cột Do đó

số tổng cộng S12 đền Led trong mỗi Modtle

Voi sự đa dạng về mẫu mã, mau si

Với ý tưởng sử dụng nhiều micro electret đặt dọc theo chiều dai của ống dẫn sóng

đôi hổi phải có đủ số lượng chân để đọc

hiệu analog từ các micro truyền

Trong khi đó, Arduino Nano chỉ có 8 chân analog, số lượng chân tín hiệu cần lên đến gần 100,

Giải pháp cho vấn đề này ta sit dung multiplexer - 16 channel,

Hình 6 a) Multiplexer 16 channel b) Sa dé chan Multiplexer - 16 channel