صدا: بازر و تابع tone

صدا چیزی جز نوسان سریع فشار هوا نیست. اگر یک صفحهٔ نازک را در هر ثانیه صدها بار جلو و عقب ببری، هوای جلوی آن را می‌فشاری و رها می‌کنی و گوش این موج فشار را می‌شنود. بازر همین کار را می‌کند: یک قرص پیزوالکتریک که با ولتاژ کمی خم می‌شود و با قطع ولتاژ به جای خود برمی‌گردد. تعداد این رفت‌وبرگشت‌ها در هر ثانیه را بسامد می‌گوییم و یکایش هرتز است. بسامد بالاتر یعنی صدای زیرتر و بسامد پایین‌تر یعنی صدای بم‌تر؛ بلندی صدا موضوع دیگری است و به دامنهٔ نوسان بستگی دارد، نه به بسامد.

بازر فعال و بازر غیرفعال

دو گونه بازر در بازار هست و جابه‌جا گرفتنشان رایج‌ترین دردسر این درس است. بازر فعال یک نوسان‌ساز کوچک درون خودش دارد؛ کافی است پایه‌اش را با digitalWrite() بالا ببری تا با یک بسامد ثابت کارخانه‌ای، معمولاً حدود ۲ کیلوهرتز، شروع به صدا کند. با چنین بازری هرگز ملودی نمی‌سازی، چون بسامد در اختیار تو نیست. بازر غیرفعال نوسان‌ساز ندارد؛ اگر ولتاژ ثابت به آن بدهی فقط یک تِق می‌زند و ساکت می‌ماند، ولی هر موج مربعی که به آن بدهی را با همان بسامد پخش می‌کند. برای نُت و ملودی همین گونهٔ دوم را می‌خواهی، و کیت این درس هم همین را دارد.

دو تابع tone و noTone

tone(pin, frequency) روی پایه یک موج مربعی با چرخهٔ کار پنجاه درصد می‌سازد و تا وقتی خودت جلویش را نگیری ادامه می‌دهد. نکتهٔ کلیدی این است که اجرا را متوقف نمی‌کند: ساختن موج را به یک تایمر سخت‌افزاری می‌سپارد و بی‌درنگ برمی‌گردد، پس خط بعدی کد فوراً اجرا می‌شود. برای بستن صدا noTone(pin) را صدا می‌زنی. شکل سه‌آرگومانی tone(pin, frequency, duration) هم هست که پس از سپری‌شدن مدت، خودش صدا را قطع می‌کند؛ اما باز هم منتظر نمی‌ماند. اگر نُت بعدی را بی‌فاصله بفرستی، نُت فعلی نصفه‌کاره کنار می‌رود و در عمل فقط آخرین نُت را می‌شنوی. راه‌حل، گذاشتن یک delay() به اندازهٔ طول همان نُت است. در هر لحظه فقط یک پایه می‌تواند صدا بدهد؛ فراخوانی tone() روی پایهٔ دوم، صدای پایهٔ اول را می‌بندد.

روی برد Uno تابع tone() از تایمر شمارهٔ دو استفاده می‌کند، و این همان تایمری است که analogWrite() برای پایه‌های D3 و D11 به کار می‌برد. تا وقتی صدایی پخش می‌شود خروجی PWM این دو پایه به هم می‌ریزد و پس از noTone() به حالت عادی برمی‌گردد. اگر پروژه‌ات هم‌زمان صدا و کم‌ونور کردن دارد، ال‌ای‌دی را روی D5، D6، D9 یا D10 ببر که با تایمرهای دیگری کار می‌کنند.

یک نمونهٔ عددی

نُت «لا»ی مرجعِ کوک ارکستر بسامد ۴۴۰ هرتز دارد؛ یعنی صفحهٔ بازر باید در هر ثانیه ۴۴۰ رفت‌وبرگشت کامل انجام دهد. دورهٔ تناوب، یعنی مدت یک رفت‌وبرگشت، وارون بسامد است: یک تقسیم بر ۴۴۰ می‌شود ۰٫۰۰۲۲۷ ثانیه، و چون هر ثانیه هزار میلی‌ثانیه است، برابر ۲٫۲۷ میلی‌ثانیه. در موج مربعی با چرخهٔ کار پنجاه درصد، نیمی از این مدت پایه بالاست و نیم دیگر پایین؛ یعنی حدود ۱٫۱۴ میلی‌ثانیه بالا و همان‌قدر پایین. حالا یک اکتاو بالاتر برویم: اکتاو یعنی دو برابر شدن بسامد، نه افزودن عددی ثابت. پس یک اکتاو بالاتر از ۴۴۰ می‌شود ۸۸۰ هرتز با دورهٔ تناوب ۱٫۱۴ میلی‌ثانیه، و یک اکتاو پایین‌تر می‌شود ۲۲۰ هرتز با دورهٔ ۴٫۵۵ میلی‌ثانیه.

ملودی با آرایه

یک ملودی چیزی جز دو فهرست موازی نیست: فهرست بسامدها و فهرست مدت‌ها. آرایهٔ اول می‌گوید هر نُت چه بسامدی دارد و آرایهٔ دوم می‌گوید چند میلی‌ثانیه بماند؛ حلقه‌ای که با یک شمارنده روی هر دو حرکت می‌کند، آهنگ را پخش می‌کند. سود این کار فقط مرتبی کد نیست: برای عوض کردن آهنگ یک ردیف عدد را دست می‌زنی و به منطق برنامه کاری نداری. تعداد نُت‌ها را هم از sizeof کل آرایه تقسیم بر sizeof یک خانه به دست بیاور تا با افزودن نُت تازه، شمارش خودبه‌خود درست بماند.

بازر پیزو جریان بسیار کمی می‌کشد و می‌شود مستقیم به پایه بستش. اما بازر مغناطیسی و بلندگوی کوچک گاهی بیش از سقف مجاز پایه جریان می‌کشند؛ آنجا یک مقاومت سری صد اهمی یا یک ترانزیستور لازم می‌شود.

کجا به کار می‌آید

صدای هشدار ماشین لباسشویی، بوق تأیید صندوق فروشگاه و همان بوق آشنای رایانه هنگام روشن شدن، همگی یک بازر و چند فراخوانی tone() بیش نیستند. صدا ارزان‌ترین راه گرفتن توجه کاربر است، چون برخلاف چراغ لازم نیست کسی همان لحظه به دستگاه نگاه کند. در کیت این درس دکمه‌ای با مقاومت بالاکش داخلی گذاشته‌ایم تا ملودی فقط با خواست تو پخش شود؛ همان الگوی همیشگی دستگاه‌های واقعی: یک رویداد ورودی، یک پاسخ صوتی.