クラドニ図形とは？

ハイレゾウォークマンの広告でも使われていたような。
出典: クラドニ図形 - Wikipedia
クラドニ図形は、ドイツの物理学者エルンスト・クラドニの名にちなんだ図形。

金属・プラスチック・ガラスなどのピンと張った平面にスピーカーなどで振動を与え音程を変えると、共鳴周波数において平面の強く振動する部分と、振動の節となり振動しない部分が生じる。
ここへ塩や砂などの粒を撒くと、振動によって弾き飛ばされた粒体が節へ集まることで、幾何学的な模様が観察される。

波長が短くなる（音が高くなる）ほど、現れる幾何学模様の構造も細かいものになる。

使用ハードウェア・電子部品

Arduino UNO x 2

ほとんどの種類のArduinoでなら、互換品も含め、動作するはず。
2台とも同じスケッチ（プログラム）を書き込む

ステンレス板

音の減衰率を調べると、鉄、ステンレス、アルミの順に低いことが判明したため、手元にあったステンレス板を使った。

ダイソー３００円ステレオスピーカ x 2

スピーカは、アンプがある方がいい。
外を覆う黒い箱を外し、ステンレス板がたるまないように裏側に貼り付けた。
スピーカの詳しい特性はこちらから
スピーカーへは、USBで電源を供給する必要があるため、モバイルバッテリー等あれば。
アンプ基板のはんだ付けが杜撰なので、付け直したあと、グルーガンでガッチガチに。

３．５ｍｍステレオミニジャックＤＩＰ化キット: 半導体秋月電子通商-電子部品・ネット通販

ジャンパワイヤ

ローパスフィルター用に330[Ω]抵抗と10[μF]コンデンサ

Mozziの弱点である、高周波ノイズを消すためにLPFを用意する。
遮断周波数はここから計算した。CRローパス・フィルタ計算ツール
そのほかでは、ノッチフィルタを使う方法も公式GitHubにて公開されている。

使用ライブラリ

Mozzi

オープンソースで配布されているArduinoの音響合成ライブラリ。
Mozziを使えば、正弦波だけでなく、矩形波や、和音合成、　ディレイなど多彩な出力が可能。
アイデア次第で、Arduinoでテルミンやシンセサイザーなどの電子楽器を作ることも可能。
詳しくはこちらから。 Mozzi.ws | Yoshihito NAKANISHI

ArduinoでMozziを使えるようにする

GitHub - sensorium/Mozzi: sound synthesis library for Arduino
Mozziライブラリ本体をダウンロード、解凍して、ArduinoにMozziライブラリを追加

Mozziは軽量化されたとはいえ、Arduino側で併用するセンサによっては、処理落ちするかも。

回路図・組立図

Fritzingで思うようなイヤホンジャックがなかったため、画像を拝借。

下記のローパスフィルタを回路に挿入して高周波ノイズをカット（できてるはず…）

プログラム

それぞれの関数の意味はこちらを参照するとわかりやすい ArduinoのオーディオライブラリMozziの基礎 - Qiita

Chladni.ino

#include <MozziGuts.h>
#include <Oscil.h> // oscillator template
#include <tables/sin2048_int8.h> // sine table for oscillator
// use | Oscil <table_size, update_rate> oscilName (wavetable), look in .h file of table #included above
Oscil <SIN2048_NUM_CELLS, AUDIO_RATE> aSin(SIN2048_DATA);
// use #define for CONTROL_RATE, not a constant

#define CONTROL_RATE 64 // powers of 2 please

void setup(){
  startMozzi(CONTROL_RATE); // set a control rate of 64 (powers of 2 please)
  aSin.setFreq(440); // ここの周波数を変化させることで、異なる図形をつくることができる
}

void updateControl(){
// put changing controls in here
}

int updateAudio(){
  return aSin.next(); // return an int signal centred around 0
}

void loop(){
  audioHook(); // required here
}

クラドニ図形

220[Hz]

440[Hz]/真ん中のラ

880[Hz]

1760[Hz]

意外とクッキリ出るんだな。スピーカの位置を工夫してみると面白くなるかも

今後の展望

テルミンの仕組みを応用して、cdsセルを応用した動的なクラドニ図形も作ってみたい。

追記

2018/10/12 LPFの回路を修正。

【自作】ArduinoとMozziでつくるクラドニ図形【簡単】