ฟิสิกส์สายอคูสติก: เครื่องแยกชนิดก๊าซด้วยความเร็วเสียง

เจ้า Ultrasonic Sensor เนี่ย ไม่ได้มีไว้แค่หลบกำแพงนะเว้ยน้อง โปรเจกต์ Speed of Sound in Gases นี่คือการทดลองฟิสิกส์ที่สุดยอดมาก หลักการคือเสียงมันวิ่งในก๊าซเบาๆ (Helium) ได้เร็วกว่า และวิ่งในก๊าซหนักๆ (Carbon Dioxide) ได้ช้ากว่าอากาศปกติที่เราหายใจกันอยู่นั่นเอง

กลับสูตรหาความจริง

ปกติเราใช้สูตร Distance = (Speed of Sound * Time) / 2 โดยเราสมมติว่าความเร็วเสียงมันคงที่อยู่ที่ 343 m/s ใช่ป่ะ? แต่คราวนี้ถ้าเราฟิกซ์ค่า Distance ให้คงที่แทนล่ะ?

1. สร้างห้องทดลอง: น้องต้องติดเจ้า HC-SR04 ไว้ที่ปลายท่อ PVC แข็งๆ ที่ยาวเป๊ะๆ 1.000 เมตร แล้วปิดปลายอีกด้านให้สนิทด้วยฝาปิด ห้ามรั่วนะน้อง!
2. ยิงสัญญาณ: ตัว Arduino จะสั่งยิงคลื่น Ping ออกไป แล้วจับเวลาแบบละเอียดยิบเป็น microseconds ว่ามันวิ่งไปชนฝาปิดแล้วสะท้อนกลับมาตอนไหน
3. คำนวณ: ตัว Arduino จะแก้สมการหาค่า Variable ที่ชื่อว่า Speed = Distance / Time ออกมาให้เรา
4. ระบุชนิดก๊าซ: ถ้า Arduino คำนวณความเร็วเสียงออกมาได้ประมาณ 343 m/s จอ LCD ก็จะโชว์ว่า "GAS IDENTIFIED: AIR" (นี่มันอากาศชัดๆ) แต่ถ้าคำนวณได้แถวๆ 965 m/s มันก็จะฟ้องเลยว่า "GAS IDENTIFIED: HELIUM" แปลว่าน้องแอบเอาก๊าซลูกโป่งเติมใส่ท่อมาใช่ไหมล่ะ!

อุปกรณ์สายเป๊ะ (ห้ามช็อตนะตัวนี้)

• Arduino Uno/Nano/Mega: ตัวประมวลผลสุดจี๊ด
• HC-SR04 Ultrasonic Sensor: พระเอกของงาน
• DHT22 Temperature Probe: ตัวนี้สำคัญมาก! เพราะความเร็วเสียงมันเปลี่ยนตามอุณหภูมิ ถ้าจะให้ค่าออกมาแม่นต้องเอาตัวนี้ไปชดเชยค่าด้วย ไม่งั้นเพี้ยนนะน้อง
• ท่อ PVC ยาว 1 เมตร และแหล่งจ่ายก๊าซ (อย่างเช่น ถัง SodaStream ไว้ลองก๊าซ CO2 ก็ได้)

โปรเจกต์นี้พิสูจน์ให้เห็นว่า ถ้าเราเขียนโปรแกรมแบบใช้กึ๋นหน่อย ไอ้ Sensor พื้นฐานพวกนี้ก็กลายเป็นเครื่องมือวิเคราะห์ระดับสูงได้เหมือนกัน จัดไปวัยรุ่น หล่อเท่เลยงานนี้!