【雕爷学编程】Arduino动手做（49）---有源蜂鸣器模块2
雕爷学编程,Arduino动手做,开源硬件,创客传感器,有源蜂鸣器模块
37款传感器与模块的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手试试多做实验，不管成功与否，都会记录下来——小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验四十九：有源蜂鸣器模块 低电平触发蜂鸣器 控制板发声传感器智能小车
知识点：声音与蜂鸣器
一、声音（sound）
1、声音是振动产生的声波，通过介质（气体、固体、液体）传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。声音的频率一般会以赫兹表示，记为Hz，指每秒钟周期性震动的次数。而分贝是用来表示声音强度的单位，记为dB。文言文中，“声”特指人声，而“音”特指其他声音；而在现代汉语中，“声”与“音”意思已混同为“声音”，并简称为“声”或“音”，而文言文中“声”在现代汉语中被称为“人声”。日语中则仍保留文言文中的区别。
2、声音是一种压力波，当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时，他们的振动会引起介质——空气分子有节奏的振动，使周围的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波，这就产生了声波，这种现象会一直延续到振动消失为止。声音作为波的一种，频率和振幅就成了描述波的重要属性，频率的大小与我们通常所说的音高对应，而振幅影响声音的大小。声音可以被分解为不同频率不同强度正弦波的叠加。这种变换（或分解）的过程，称为傅立叶变换(Fourier Transform)。
因此，一般的声音总是包含一定的频率范围。人耳可以听到的声音的频率范围在20到2万赫兹之间。高于这个范围的波动称为超声波，而低于这一范围的称为次声波。狗和蝙蝠等动物可以听得到高达16万赫兹的声音。鲸和大象则可以产生频率在15到35赫兹范围内的声音。声音的传播用量子力学解释便是原子的运动，形成了声波。但这与波粒子等名词没有联系。
3、声音特性
（1）响度（loudness），人主观上感觉声音的大小（俗称音量），由“振幅”（amplitude）和人离声源的距离决定，振幅越大响度越大，人和声源的距离越小，响度越大（单位为分贝dB）。
（2）音调（pitch），声音的高低（高音、低音），由“频率”（frequency）决定，频率越高音调越高（频率单位Hz（hertz），赫兹，人耳听觉范围20～20000Hz。20Hz以下称为次声波，20000Hz以上称为超声波）例如，低音端的声音或更高的声音，如细弦声。
（3）频率（frequency）是每秒经过一给定点的声波数量，它的测量单位为赫兹，是以海因里希·鲁道夫·赫兹的名字命名的。此人设置了一张桌子，演示频率是如何与每秒的周期相关的。1千赫或1000赫表示每秒经过一给定点的声波有1000个周期，1兆赫就是每秒钟有1,000,000个周期，等等。
（4）音色（Timbre），又称音品，波形决定了声音的音色。声音因物体材料的特性而不同，音色本身是一种抽象的东西，但波形是把这个抽象直观的表现。波形不同，音色则不同。不同的音色，通过波形，完全可以分辨的。
（5）乐音（tones）是有规则的让人愉悦的声音。音调，响度，音色是乐音的三个主要特征，人们就是根据他们来区分声音。
（6）噪音（noise），从物理学的角度看，由发声体作无规则振动时发出的声音；从环境保护角度看，凡是干扰人们正常工作、学习和休息的声音，以及对人们要听的声音起干扰作用的声音。
（7）毕达哥拉斯发现，当两个物体碰撞后振动产生声音时，若两者振动频率比为不可化简的复杂比，如：201：388，那么我们分辨出来会觉得这个声音刺耳；相反，若两者振动频率比为可化简的简单比，如：3：7，那么我们分辨出来会觉得很动听。
4、控制噪声
（1）声音的本质是波动。受作用得空气发生振动，当震动频率在20-20000Hz时，作用于人的耳鼓膜而产生的感觉称为声音。声源可以是固体、也可以是流体（液体和气体）的振动。声音的传媒介质有空气﹑水和固体，它们分别称为空气声、水声和固体声等。噪声监测主要讨论空气声。
（2）人类是生活在一个声音的环境中，通过声音进行交谈、表达思想感情以及开展各种活动。但有些声音也会给人类带来危害。例如，震耳欲聋的机器声，呼啸而过的飞机声等。这些为人们生活和工作所不需要的声音叫噪声，从物理现象判断，一切无规律的或随机的声信号叫噪声；噪声的判断还与人们的主观感觉和心理因素有关，即一切不希望存在的干扰声都叫噪声，例如，在某些时候，某些情绪条件下音乐也可能是噪声。
（3）环境噪声的来源有四种：一是交通噪声，包括汽车、火车和飞机等所产生的噪声；二是工厂噪声，如鼓风机、汽轮机，织布机和冲床等所产生的噪声；三是建筑施工噪声，像打桩机、挖土机和混凝土搅拌机等发出的声音；四是社会生活噪声，例如，喇叭，收录机等发出的过强声音。
蜂鸣器（buzzer）
1、蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压或者交流电压供电，属于电子元器件的一种，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。让Arduino发出声音最简单的方法就是利用蜂鸣器，由于在设计中内置了驱动电路，创建了“即插即用”简单解决方案。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等）表示。图为蜂鸣器的符号。
2、蜂鸣器分类
（1）按其驱动方式的原理分，可分为：有源蜂鸣器（内含驱动线路，也叫自激式蜂鸣器）和无源蜂鸣器（外部驱动，也叫他激式蜂鸣器）；
（2）按构造方式的不同，可分为：电磁式蜂鸣器和压电式蜂鸣器；
（3）按封装的不同，可分为：DIP BUZZER（插针蜂鸣器）和SMD BUZZER（贴片式蜂鸣器）；
（4）按电流的不同，可分为：直流蜂鸣器和交流蜂鸣器，其中，以直流最为常见压电式蜂鸣器，用的是压电材料，即当受到外力导致压电材料发生形变时压电材料会产生电荷。同样，当通电时压电材料会发生形变。
3、电磁式蜂鸣器（Electromagnetic buzzer）
（1）电磁式蜂鸣器是蜂鸣器的一种，区别于压电式蜂鸣器，电磁式蜂鸣器是利用电磁线圈对蜂鸣片的作用来发声的电子响讯器，用来给电子产品作发声器件。电磁式蜂鸣器一般由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
（2）电磁式蜂鸣器使用1.5V就可以发出85dB以上的音压了，唯消耗电流会大大的高于压电式蜂鸣器，而在相同的尺寸时，电磁式的蜂鸣器，响应频率可以做的比较低；电磁式蜂鸣器的音压一般最多到90dB，机械式蜂鸣器是电磁式蜂鸣器中的一个小类别。电磁式蜂鸣器具有体积小、重量轻、声压电平高、耗能少、寿命长以及使用方便等特点，可广泛应用于仪器仪表、报警器、微型通信器、玩具、家用电器及各种小型电子装置中。
（3）电磁蜂鸣器特性
A、比较窄的工作电压：1~16 V
B、更高的电流消耗：30~100 mA
C、较低的额定频率
D、体积更小
E、较低的声压级
（4）电磁蜂鸣器的工作原理：电磁蜂鸣器中的振动盘被磁场吸引到磁极。当一个振荡信号通过线圈时，它会产生一个波动的磁场，该磁场使磁盘以等于驱动信号的频率振动。
4、压电式蜂鸣器（Piezo Buzzer）
（1）压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
5、电磁式蜂鸣器和压电式蜂鸣器的区别
第一点是：它们的工作原理不一样，压电式蜂鸣器是以压电陶瓷的压电效应，来带动金属片的振动而发声的。而电磁式蜂鸣器，主要是利用电磁的原理，在有电的时候会使金属振动膜吸合，没电的时候振动膜会复位。
第二点是：所驱动的电压不一样，压电式蜂鸣器所需的电压比较高，这样才能发足够的声音，它的工作电压一般都在为9V以上。比如在数字万用表里就是用的压电式蜂鸣器，它的工作电压就是9V的。而电磁式蜂鸣器一般用1.5V就可以发出声音了，但在单片机电路中为了简化电路，一般都用标准5伏的电压。
第三点是：压电式蜂鸣器从外观看它就是一个很薄的薄片，这样它的体积比较小、虽然它所需的电压比较高，但是所流过的电流很小，因此很省电。又由于它的结构简单，造价比较低。另外它在频率特性和灵敏度高等方面都很优异。而电磁式在这方面没有电压式突出。
6、有源蜂鸣器和无源蜂鸣器
（1）有源蜂鸣器（Active buzzer）内建了一组固定的频率，只要接通电源，就会发出固定的音调。蜂鸣器的源，这里指的是震荡源。也就是说有源蜂鸣器内部带有多谐振荡器，可以产生 1.5kHZ-2.5kHZ 的电压信号，由此有源蜂鸣器才能发声。有源蜂鸣器、无源蜂鸣器的外型很像，一般有源蜂鸣器会在上面贴一个白色贴纸，另外，有源蜂鸣器底部也会有胶封，无源蜂鸣器的底部可以直接看到电路板。有源蜂鸣器往往比无源的贵一点，就是因为里面多个震荡电路。有源蜂鸣器的优点是，编程控制简单方便，适合大部分的简单使用场景。缺点是只能在固定频率上运行，从而降低了随着应用需求变化而实现备用频率的灵活性。有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为VDC、VDD等。因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从而实现磁场交变，带动铝片振动发音。但是在某些有源蜂鸣器在特定的交流信号下也可以工作，只是对交流信号的电压和频率要求很高，此种工作方式一般不采用。
（2）无源蜂鸣器（Passive Buzzer）在字义上说，即不带振荡源，在没有振荡电路情况下接上直流电，因输出电压没有变化，蜂鸣器片仍然保持沉默，所以我们需从外接振荡器。看似不方便，但亦有其优点。首先，零件数量少，售价较低是常识吧！其次，我们可脱离一般蜂鸣器只可发出单音的局限，自由控制输出声音频率，便可透过编程写出不同音阶和延续时间，合成一首旋律美妙的音乐。无源蜂鸣器没有内部驱动电路，有些公司和工厂称为讯响器，国标中称为声响器。无源蜂鸣器工作的理想信号方波。如果给予直流信号蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，钼片不能振动发音。
（3）蜂鸣器模块电原理图
（4）有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的区分
方法一：
从外观上看，两种蜂鸣器好像一样，但仔细看，两者的高度略有区别（只是一部分），有源蜂鸣器的高度为9mm，而无源蜂鸣器的高度为8mm。如将两种蜂鸣器的引脚都朝上放置时，可以看出有绿色电路板的一种是无源蜂鸣器，没有电路板而用黑胶封闭的一种是有源蜂鸣器。
方法二：
并一步判断有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，还可以用万用表电阻档Rxl档测试：用黑表笔接蜂鸣器 “+”引脚，红表笔在另一引脚上来回碰触，如果触发出咔、咔声的且电阻只有8Ω(或16Ω)的是无源蜂鸣器；如果能发出持续声音的，且电阻在几百欧以上的，是有源蜂鸣器。
方法三：
有源蜂鸣器直接接上额定电源就可连续发声；而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。
7、蜂鸣器主要规格
（1）频率响应，蜂鸣器在给定频率下产生声音的效率。
（2）声压级（单位dB Pa），声压级 SPL 是由声波引起的与大气压力的偏差，以分贝帕斯卡表示。它通常与输入电压成正比，当与蜂鸣器的距离增加一倍时衰减 6 dB。
（3）共振频率（单位F0 Hz），所有事物都有特定的振动频率。这个频率称为共振频率。对于蜂鸣器，谐振频率是它们发出最大声音的频率。
（4）阻抗（单位欧姆），电阻抗是施加电压与电流的比值。电阻抗随频率变化。
蜂鸣器模块的实验环境
一、蜂鸣器模块实验所需硬件清单
打火机X1
按键开关模块X1
震动传感器模块X1
火焰传感器模块X1
Arduino Uno开发板 X1
光敏电阻传感器模块X1
杜邦线 若干（备了9条）
HC-RS04超声波传感器模块X1
LED发光二极管（绿、蓝色）X2
有源蜂鸣器（低电平触发）模块X1
有源蜂鸣器（高电平触发）模块X1
无源蜂鸣器（低电平触发）模块X1
Proto Shield 原型扩展板（带mini面包板）X1
