Cálculo de la longitud de onda del sonido usando un Arduino

Configure el amplificador de entrada para que la forma de onda de audio se recorte en una onda cuadrada. Luego introduzca esto en un pin y use una de las bibliotecas de medición de frecuencia, como esta: http://interface.khm.de/index.php/lab/experiments/frequency-measurement-library/

Andrew Morton lo dijo, solo voy a decirlo y ampliarlo.

Dada una medición de un solo punto de presión de sonido instantánea de algún tipo de transductor, lo único que posiblemente puede derivar de eso es la frecuencia. La única forma de obtener la longitud de onda de forma independiente es duplicar su placer, duplicar su diversión: necesita saber la distancia exacta a la unidad emisora ​​o necesita otro receptor. Además, con solo dos receptores, aún necesita colocarlos en línea recta con el remitente, con bastante distancia entre ellos para que pueda obtener un retraso significativo en la frecuencia entre los dos. Con tres, puede establecer la direccionalidad, pero aún deben estar lo suficientemente separados para crear un retraso de tiempo notable para establecer la velocidad. A partir de una sola unidad de medida, también debe tener en cuenta cuánto tiempo se tarda en obtener las muestras. De varias unidades, necesita marcas de tiempo muy precisas.

Los cálculos de longitud de onda casi siempre dependen del uso de un valor conocido de velocidad de transmisión a través de un medio determinado. Los grandes experimentos para establecer la velocidad de vibración a través de materiales sólidos son realmente un dolor de cabeza para configurar, pero luego tenemos buenas tablas de valores conocidos para jugar en nuestros escritorios.

Principio

Te propongo usar 2 micrófonos en lugar de uno. La idea es adquirir la señal en 2 ubicaciones diferentes, al mismo tiempo (en comparación con el período de la señal), y multiplicarlas para extraer la longitud de onda.

Adquirirás 1 señal por ubicación. La segunda señal se retrasará una cierta cantidad de tiempo. Lo llamamos delta$\delta$. Digamos que en el micrófono número 1, tenemos una onda sinusoidal pura$mic1(t) = \sin(\omega t + \phi)$y en el micrófono número 2 tenemos$mic2(t) = \sin(\omega t + \phi - \delta)$

Delta solo depende de la longitud de onda porque fijamos la distancia entre los 2 micrófonos. Entonces, si obtenemos delta, obtendremos la velocidad.

Vea, por ejemplo, si la distancia entre 2 micrófonos es exactamente igual a la mitad de una longitud de onda, entonces tendría tales señales:

Nota: Considero que la amplitud es la misma entre los 2 micrófonos.

Ahora, considere usar esta fórmula

$\sin(a)\sin(b) = 1/2(\cos(a-b) - \cos(a+b))$

1. Haz esta multiplicación en el firmware.

$mic1(t)*mic2(t) = 1/2(\cos(\delta) - \cos(2(\omega t + \phi) - \delta))$

2. Por filtrado de paso bajo (o promedio)$mic1(t)*mic2(t)$obtendrías solo la parte constante, que es

   $1/2\cos(\delta)$

3. Luego, calcule delta

   $\delta = \arccos(2*low-pass(mic1(t)*mic2(t)))$

4. Finalmente, convierte a radianes a metros.

   $\lambda = \delta / 2\pi * d$

   Vea esta imagen, donde tomo un delta de 1 rad y un filtro de paso bajo de segundo orden Butterworth.

Requisitos

• Deben configurarse para estar en línea con la fuente de sonido.
• La distancia d entre ellos debe medirse con precisión, será su referencia en el dominio del espacio.
• La distancia d entre ellos debe ser inferior a 1/2 longitud de onda. FYI, para una señal de 1 kHz sería ~ 17 cm máx.

Realización

• Conecte la salida del micrófono a las entradas analógicas en la placa del arduino.
• Si puede permitírselo, agregue un filtro de paso de banda entre los micrófonos y los arduinos. La frecuencia de corte está alrededor de la frecuencia de la onda fuente.
• Use la función AnalogRead () de Arduino para mic1 y la siguiente instrucción llame a la de mic2. Debido a que la lectura toma 100 usec, es importante tenerlo en cuenta y usar una frecuencia que sea lo suficientemente lenta (como 100 Hz) para minimizar el impacto de esta latencia.

La velocidad también depende ligeramente de la frecuencia, por lo que, para aproximaciones, puede medir el tiempo de retorno del eco de un pulso para una distancia conocida o usar ondículas de varias frecuencias con una relación s/n más alta sintonizada en Rx para bloquear el ruido. Alternativamente, puede usar un micrófono en cada extremo con un altavoz acoplado a un extremo, pero aún necesita la distancia o alguna otra referencia, como la velocidad en el aire en una condición ambiental conocida.