Phát âm bằng buzzer
tần số quyết định độ cao của âm

Bài này dùng một con buzzer để trả lời một câu hỏi mà học sinh nào cũng từng thắc mắc: vì sao tiếng này cao, tiếng kia thấp? Và trả lời bằng cách cho các em tự tạo ra từng nốt một.

Sau bài này học sinh làm được

• Giải thích được độ cao của âm do tần số quyết định, không phải do độ to.
• Dùng chân PWM của ESP32 để phát ra một tần số cho trước.
• Đo lại tần số thật bằng điện thoại và so với tần số đặt.
• Nhận ra thang âm 12 nửa cung là một cấp số nhân, công bội 2^(1/12).
• Xác định được vùng tần số mà tai mình nghe được, và vùng buzzer kêu to nhất.

Tần số quyết định độ cao

Màng buzzer rung, nén rồi giãn lớp không khí trước mặt, chuỗi nén–giãn lan tới màng nhĩ. Số lần nén–giãn trong một giây là tần số, đơn vị héc. Rung 440 lần/giây ra nốt La; 880 lần vẫn là La nhưng cao hơn một quãng tám.

ESP32 tạo tần số bằng PWM

Chân GPIO chỉ có 0 V và 3,3 V, không tạo được sóng sin. Nhưng nó bật tắt rất nhanh và rất đều — với màng buzzer thế là đủ. Khai báo hai thứ:

• freq — số lần bật tắt mỗi giây, chính là tần số âm.
• duty_u16 — phần thời gian bật trong mỗi chu kì, từ 0 (im) đến 65535 (bật suốt). Với buzzer, 32768 tức một nửa cho âm to nhất.

Thang âm 12 nửa cung — chỗ Toán bước vào

Hai nốt cách một quãng tám thì tần số gấp đôi: La4 440 Hz, La5 880 Hz. Giữa chúng chia 12 nửa cung bằng nhau.

"Bằng nhau" không phải bằng về hiệu số. Tai người cảm nhận độ cao theo tỉ lệ, nên mỗi nửa cung phải nhân với cùng một số. Nhân 12 lần ra gấp đôi:

r¹² = 2   →   r = 2^(1/12) ≈ 1,059463

Thang âm là một cấp số nhân công bội 2^(1/12) — thứ học sinh lớp 11 vừa học, xuất hiện ở chỗ không ai ngờ.

f = 440 × 2^(n/12)

Ba bước lắp

1. Cắm buzzer lên breadboard, chú ý dấu + in trên thân.
2. Nối chân + qua điện trở 100 Ω sang GPIO25.
3. Nối chân còn lại xuống GND.

Toàn bộ mã trong bài có sẵn tại kho GitHub, thư mục cap-1/bai-05-buzzer/. Chép tệp vào bo mạch rồi đổi tên thành main.py là chạy.

# ------------------------------------------------------------
#  Bai 10 - Phat am bang buzzer: thang am 12 nua cung
#  Phan cung: buzzer thu dong noi GPIO25 qua dien tro 100 ohm
# ------------------------------------------------------------
from machine import Pin, PWM
import time

CHAN_BUZZER = 25
F_LA4 = 440.0          # not La quang tam 4, moc chuan quoc te

buzzer = PWM(Pin(CHAN_BUZZER))
buzzer.duty_u16(0)     # im lang khi khoi dong

TEN_NOT = ["Do", "Do#", "Re", "Re#", "Mi", "Fa",
           "Fa#", "Sol", "Sol#", "La", "La#", "Si"]

def tan_so_cua(nua_cung_so_voi_la):
    """Moi nua cung nhan them 2^(1/12) lan."""
    return F_LA4 * (2 ** (nua_cung_so_voi_la / 12))

def keu(f_hz, thoi_gian_ms=400):
    buzzer.freq(int(f_hz))
    buzzer.duty_u16(32768)     # 50% - to nhat
    time.sleep_ms(thoi_gian_ms)
    buzzer.duty_u16(0)         # tat han giua hai not
    time.sleep_ms(60)

# Do quang tam 4 nam duoi La 9 nua cung
for i in range(13):
    f = tan_so_cua(i - 9)
    ten = TEN_NOT[i % 12]
    print("{:5s}  {:7.2f} Hz".format(ten, f))
    keu(f)

buzzer.deinit()

Màn hình in ra bảng tần số của từng nốt trong lúc buzzer kêu:

Do      261.63 Hz
Do#     277.18 Hz
Re      293.66 Hz
Re#     311.13 Hz
Mi      329.63 Hz
Fa      349.23 Hz
Fa#     369.99 Hz
Sol     392.00 Hz
Sol#    415.30 Hz
La      440.00 Hz
La#     466.16 Hz
Si      493.88 Hz
Do      523.25 Hz

Chú ý dòng cuối bảng: nốt Đô ở cuối đúng bằng gấp đôi nốt Đô ở đầu — 523,25 so với 261,63. Đây là chỗ để dừng lại và hỏi cả lớp.

# Quet tan so tu 100 Hz den 5000 Hz de tim vung buzzer keu to nhat
from machine import Pin, PWM
import time

buzzer = PWM(Pin(25))
buzzer.duty_u16(32768)

f = 100
while f <= 5000:
    buzzer.freq(f)
    print(f, "Hz")
    time.sleep_ms(300)
    f = int(f * 1.15)      # tang 15% moi buoc - tai nghe deu hon la tang deu

buzzer.duty_u16(0)
buzzer.deinit()

Đo lại xem máy có nói thật không

Đây là bước biến một trò chơi thành một phép đo, và nó chỉ mất năm phút.

1. Cho học sinh cài một app đo tần số miễn phí trên điện thoại (Phyphox, Physics Toolbox, hay Spectroid đều được).
2. Chạy chương trình, dừng lại ở nốt La (440 Hz).
3. Hướng micro điện thoại vào buzzer, đọc đỉnh phổ.
4. Ghi lại: máy đặt bao nhiêu, điện thoại đo được bao nhiêu.

Kết quả thường lệch dưới 1%. Nếu lệch nhiều hơn thì gần như chắc chắn là phòng quá ồn hoặc app đang bắt một hài bậc cao chứ không phải tần số cơ bản.

Danh sách kiểm trước khi coi là xong

• Buzzer kêu rõ ràng khác nhau ở nốt Đô và nốt Đô cao.
• Điện thoại đo được 440 ± 5 Hz khi máy đặt 440 Hz.
• Đặt duty_u16(65535) thì buzzer im — học sinh giải thích được vì sao.
• Chương trình kết thúc bằng deinit() và buzzer không rít nữa.

Vật lí — đặc trưng vật lí và đặc trưng sinh lí của âm

Đây là bài lí tưởng để tách hai khái niệm mà sách giáo khoa đặt cạnh nhau nhưng học sinh vẫn lẫn. Cho các em thay đổi một đại lượng và giữ nguyên đại lượng kia:

Hai dòng bảng này thay được cả một trang lí thuyết.

Toán — cấp số nhân có thật ngoài đời

Cho học sinh lập bảng tần số 13 nốt, rồi tính tỉ số giữa hai nốt liên tiếp. Tỉ số ấy luôn bằng 1,0595 — chính là công bội. Sau đó hỏi ngược: nếu muốn chia quãng tám thành 24 phần đều nhau (nhạc Ả Rập có làm thế) thì công bội là bao nhiêu?

Công nghệ — điều khiển bằng vi điều khiển

Bài này là ví dụ nhỏ nhất và rõ nhất của mạch nội dung "Vi điều khiển": một chân ra, một tín hiệu số, một thiết bị chấp hành. Từ đây mở sang điều khiển đèn, quạt, động cơ đều cùng một nguyên lí.