ดูคลื่นเสียงโดยใช้แสงสี (RGB LED): 10 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

โดย SteveMannEyeTap Humanistic Intelligence ติดตามเพิ่มเติมโดยผู้เขียน:

เกี่ยวกับ: ฉันเติบโตขึ้นมาในช่วงเวลาที่เทคโนโลยีมีความโปร่งใสและเข้าใจง่าย แต่ตอนนี้ สังคมกำลังพัฒนาไปสู่ความวิกลจริตและไม่เข้าใจ ดังนั้นฉันจึงต้องการทำให้เทคโนโลยีเป็นมนุษย์ ตอนอายุ 12 ฉันค… เพิ่มเติมเกี่ยวกับ SteveMann »

ที่นี่คุณสามารถเห็นคลื่นเสียงและสังเกตรูปแบบการรบกวนที่เกิดจากทรานสดิวเซอร์ตั้งแต่สองตัวขึ้นไป เนื่องจากระยะห่างระหว่างคลื่นเสียงต่างกัน (ซ้ายสุด รูปแบบการรบกวนด้วยไมโครโฟนสองตัวที่ 40,000 รอบต่อวินาที ด้านขวาบน ไมโครโฟนเดี่ยวที่ 3520 cps ด้านล่างขวา ไมโครโฟนเดี่ยวที่ 7040cps)

คลื่นเสียงขับ LED สี และสีคือเฟสของคลื่น และความสว่างคือแอมพลิจูด

พลอตเตอร์ X-Y ใช้เพื่อพลอตคลื่นเสียงและทำการทดลองเกี่ยวกับปรากฏการณ์เสมือนจริงที่เพิ่มขึ้น ("Real Reality"™) โดยใช้เครื่อง Sequential Wave Imprinting Machine (SWIM)

รับทราบ:

อันดับแรก ฉันต้องการรับทราบผู้คนมากมายที่ช่วยในโครงการนี้ ซึ่งเริ่มต้นจากงานอดิเรกในวัยเด็กของฉัน โดยการถ่ายภาพคลื่นวิทยุและคลื่นเสียง (https://wearcam.org/par) ขอขอบคุณนักเรียนทั้งในอดีตและปัจจุบัน รวมถึง Ryan, Max, Alex, Arkin, Sen, และ Jackson และคนอื่นๆ ใน MannLab รวมถึง Kyle และ Daniel ขอบคุณสเตฟานี (อายุ 12 ปี) เช่นกันสำหรับการสังเกตว่าเฟสของทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกเป็นแบบสุ่ม และสำหรับความช่วยเหลือในการคิดค้นวิธีการจัดเรียงตามเฟสออกเป็นสองกอง: ``Stephative'' (Stephanie positive) และ ``Stegative' ' (สเตฟานี เนกาทีฟ). ขอขอบคุณ Arkin, Visionertech, Shenzhen Investment Holdings และ Professor Wang (SYSU)

ขั้นตอนที่ 1: หลักการใช้สีเพื่อเป็นตัวแทนของคลื่น

แนวคิดพื้นฐานคือการใช้สีแทนคลื่น เช่น คลื่นเสียง

ในที่นี้เราจะมาดูตัวอย่างง่ายๆ ที่ผมใช้สีเพื่อแสดงคลื่นไฟฟ้า

ซึ่งช่วยให้เราเห็นภาพ เช่น การแปลงฟูริเยร์หรือสัญญาณไฟฟ้าแบบคลื่นอื่น ๆ ด้วยสายตา

ฉันใช้สิ่งนี้เป็นปกหนังสือที่ฉันออกแบบ [Advances in Machine Vision, 380pp, เม.ย. 1992] พร้อมด้วยบทที่มีส่วนร่วมในหนังสือ

ขั้นตอนที่ 2: สร้าง Sound to Color Converter

ในการแปลงเสียงเป็นสี เราต้องสร้างโปรแกรมแปลงเสียงเป็นสี

เสียงมาจากเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ล็อคอินที่อ้างอิงถึงความถี่ของคลื่นเสียง ดังที่อธิบายไว้ในคำแนะนำก่อนหน้าบางส่วนของฉัน รวมถึงเอกสารเผยแพร่บางส่วนของฉัน

เอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ล็อคอินเป็นเอาต์พุตที่มีค่าที่ซับซ้อน ซึ่งปรากฏบนเทอร์มินัลสองเทอร์มินัล (แอมพลิฟายเออร์จำนวนมากใช้คอนเน็กเตอร์ BNC สำหรับเอาต์พุต) อันหนึ่งสำหรับ "X" (ส่วนประกอบในเฟสซึ่งเป็นส่วนจริง) และอีกอันสำหรับ "Y" (องค์ประกอบการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัสซึ่งเป็นส่วนจินตภาพ) แรงดันไฟฟ้าที่มีอยู่ที่ X และ Y รวมกันแสดงถึงจำนวนเชิงซ้อน และภาพวาดด้านบน (ซ้าย) แสดงถึงระนาบ Argand ซึ่งแสดงปริมาณมูลค่าเชิงซ้อนเป็นสี เราใช้ Arduino ที่มีอินพุตแบบอะนาล็อกสองตัวและเอาต์พุตแบบอะนาล็อกสามช่องเพื่อแปลงจาก XY (จำนวนเชิงซ้อน) เป็น RGB (สีแดง สีเขียว สีฟ้า) ตามรหัส swimled.ino ที่ให้มา

เรานำสิ่งเหล่านี้ออกมาเป็นสัญญาณสี RGB ไปยังแหล่งกำเนิดแสง LED ผลที่ได้คือการหมุนวงล้อสีที่มีเฟสเป็นมุม และด้วยคุณภาพของแสงคือความแรงของสัญญาณ (ระดับเสียง) ทำได้โดยใช้จำนวนเชิงซ้อนกับตัวแมปสี RGB ดังนี้:

ตัวแมปสีที่ซับซ้อนจะแปลงจากปริมาณที่มีค่าเชิงซ้อน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะส่งออกจากตัวรับโฮโมไดน์หรือแอมพลิฟายเออร์แบบล็อคอินหรือตัวตรวจจับเฟสที่เชื่อมโยงกันเป็นแหล่งกำเนิดแสงสี โดยทั่วไปแล้วแสงจะถูกสร้างขึ้นเมื่อขนาดของสัญญาณมากกว่า เฟสมีผลต่อเฉดสี

ลองพิจารณาตัวอย่างเหล่านี้ (ตามที่อธิบายไว้ในเอกสารการประชุมของ IEEE "Rattletale"):

1. สัญญาณจริงเชิงบวกที่แข็งแกร่ง (เช่น เมื่อ X=+10 โวลต์) ถูกเข้ารหัสเป็นสีแดงสด สัญญาณจริงที่เป็นบวกเล็กน้อย เช่น เมื่อ X=+5 โวลต์ ถูกเข้ารหัสเป็นสีแดงสลัว
2. เอาต์พุตเป็นศูนย์ (X=0 และ Y=0) แสดงตัวเองเป็นสีดำ
3. สัญญาณจริงเชิงลบที่แรงมาก (เช่น X=-10 โวลต์) เป็นสีเขียว ในขณะที่ค่าจริงเชิงลบอย่างอ่อน (X=-5 โวลต์) เป็นสีเขียวสลัว
4. สัญญาณบวกจินตภาพอย่างแรง (Y=10v) เป็นสีเหลืองสดใส และจินตภาพเชิงบวกอย่างอ่อน (Y=5v) เป็นสีเหลืองสลัว
5. สัญญาณจินตภาพเชิงลบจะเป็นสีน้ำเงิน (เช่น สีน้ำเงินสว่างสำหรับ Y=-10v และสีน้ำเงินสลัวสำหรับ Y=-5v)
6. โดยทั่วไป ปริมาณของแสงที่ผลิตได้นั้นประมาณสัดส่วนกับขนาด R_{XY}=\sqrt{X^2+Y^2} และสีสำหรับเฟส \Theta=\arctan(Y/X) ดังนั้นสัญญาณจินตภาพบวกจริงและบวกเท่ากันเท่ากัน (เช่น \Theta=45 องศา) จะเป็นสีส้มสลัวหากอ่อนแอ สีส้มสว่างของความแรง (เช่น X=7.07 โวลต์, Y=7.07 โวลต์) และสีส้มที่สว่างที่สุดของความเข้มมาก เช่น X= 10v และ Y=10v ซึ่งในกรณีนี้ส่วนประกอบ LED R (สีแดง) และ G (สีเขียว) จะเต็ม ในทำนองเดียวกัน สัญญาณที่เป็นบวกจริงและจินตภาพเชิงลบเท่ากันจะแสดงตัวมันเองเป็นสีม่วงหรือม่วง กล่าวคือ โดยที่ส่วนประกอบ LED R (สีแดง) และ B (สีน้ำเงิน) ติดอยู่ด้วยกัน ซึ่งจะสร้างสีม่วงสลัวหรือไวโอเล็ตสว่าง ตามขนาดของสัญญาณ[ลิงก์]

ผลลัพธ์ X= Augmented Reality และ Y=Augmented imaginality ของตัวตรวจจับ Phase-coherent ตัวขยายสัญญาณแบบล็อคอิน หรือตัวรับ Homodyne จะถูกใช้เพื่อวางซ้อนความเป็นจริงที่เพิ่มขึ้นตามปรากฏการณ์ในขอบเขตการมองเห็นหรือมุมมอง ซึ่งแสดงระดับของ การตอบสนองทางเสียงเป็นภาพซ้อนทับ

ขอขอบคุณเป็นพิเศษสำหรับนักเรียนคนหนึ่งของฉัน แจ็คสัน ผู้ช่วยในการติดตั้งตัวแปลง XY เป็น RGB ของฉัน

ข้างต้นเป็นเวอร์ชันที่เรียบง่าย ซึ่งฉันทำเพื่อให้ง่ายต่อการสอนและอธิบาย การใช้งานดั้งเดิมที่ฉันทำในช่วงปี 1980 และต้นทศวรรษ 1990 นั้นได้ผลดียิ่งขึ้นไปอีก เพราะมันทำให้วงล้อสีเว้นระยะห่างในลักษณะที่สม่ำเสมอในการรับรู้ ดูไฟล์ Matlab ".m" ที่แนบมาซึ่งฉันเขียนย้อนกลับไปเมื่อต้นปี 1990 เพื่อใช้การแปลง XY เป็น RGB ที่ปรับปรุงแล้ว

ขั้นตอนที่ 3: สร้าง RGB "หัวพิมพ์"

"หัวพิมพ์" เป็นไฟ LED RGB พร้อมสายไฟ 4 เส้นสำหรับเชื่อมต่อกับเอาต์พุตของตัวแปลง XY เป็น RGB

เพียงเชื่อมต่อสายไฟ 4 เส้นเข้ากับ LED โดยหนึ่งสายเป็นสายสามัญ และอีกสายหนึ่งเข้ากับขั้วแต่ละสายสำหรับสีต่างๆ (แดง เขียว และน้ำเงิน)

ขอขอบคุณเป็นพิเศษสำหรับอดีตนักเรียนของฉัน อเล็กซ์ ที่ช่วยประกอบหัวพิมพ์

ขั้นตอนที่ 4: รับหรือสร้างพล็อตเตอร์ XY หรือระบบกำหนดตำแหน่ง 3 มิติอื่นๆ (รวมลิงก์ Fusion360)

เราต้องการอุปกรณ์กำหนดตำแหน่ง 3 มิติบางชนิด ฉันชอบที่จะได้รับหรือสร้างบางสิ่งที่เคลื่อนที่ได้ง่ายในระนาบ XY แต่ฉันไม่ต้องการการเคลื่อนไหวที่ง่ายในแกนที่สาม (Z) เพราะมันเกิดขึ้นไม่บ่อยนัก (เนื่องจากเรามักจะสแกนเป็นแรสเตอร์) ดังนั้นสิ่งที่เรามีในที่นี้คือพล็อตเตอร์ XY เป็นหลัก แต่มีรางยาวทำให้สามารถเคลื่อนไปตามแกนที่สามได้เมื่อจำเป็น

พล็อตเตอร์จะสแกนพื้นที่โดยการย้ายทรานสดิวเซอร์ร่วมกับแหล่งกำเนิดแสง (RGB LED) ผ่านช่องว่างในขณะที่ชัตเตอร์ของกล้องเปิดสำหรับระยะเวลาการรับแสงที่ถูกต้องเพื่อจับภาพแต่ละเฟรมของภาพที่มองเห็น (หนึ่งเฟรมขึ้นไป เฟรม เช่น ไฟล์ภาพนิ่งหรือภาพยนตร์)

XY-PLOTTER (ไฟล์ Fusion 360) กลไกนั้นเรียบง่าย พล็อตเตอร์ XYZ หรือ XY ใดๆ จะทำ นี่คือพล็อตเตอร์ที่เราใช้ SWIM 2 มิติ (Sequential Wave Imprinting Machine): https://a360.co/2KkslB3 พล็อตเตอร์เคลื่อนที่อย่างง่ายดายในระนาบ XY และเคลื่อนที่ในลักษณะที่ยุ่งยากกว่าใน Z เพื่อให้เรากวาด ออกภาพในแบบ 2 มิติ แล้วเลื่อนไปในแกน Z อย่างช้าๆ ลิงก์ไปยังไฟล์ Fusion 360 เราใช้ Fusion 360 เนื่องจากเป็นระบบคลาวด์ และช่วยให้เราทำงานร่วมกันระหว่าง MannLab Silicon Valley, MannLab Toronto และ MannLab Shenzhen ได้ใน 3 เขตเวลา Solidworks ไม่มีประโยชน์ที่จะทำอย่างนั้น! (เราไม่ได้ใช้ Solidworks อีกต่อไปแล้ว เนื่องจากเรามีปัญหามากเกินไปกับการ Fork เวอร์ชันข้ามเขตเวลา เนื่องจากเราเคยใช้เวลามากมายในการรวบรวมการแก้ไขไฟล์ Solidworks ต่างๆ เข้าด้วยกัน สิ่งสำคัญคือต้องเก็บทุกอย่างไว้ในที่เดียว และ Fusion 360 ก็ทำได้ดีจริงๆ.)

ขั้นตอนที่ 5: เชื่อมต่อกับ Lock-in Amplifier

เครื่องมือวัดคลื่นเสียงที่เกี่ยวกับความถี่อ้างอิงเฉพาะ

คลื่นเสียงจะถูกวัดทั่วทั้งพื้นที่โดยใช้กลไกที่เคลื่อนย้ายไมโครโฟนหรือลำโพงไปทั่วทั้งพื้นที่

เราสามารถเห็นรูปแบบการรบกวนระหว่างลำโพงสองตัวโดยการขยับไมโครโฟนผ่านช่องว่างพร้อมกับไฟ LED RGB ในขณะที่นำสื่อการถ่ายภาพไปยังแหล่งกำเนิดแสงที่กำลังเคลื่อนที่

อีกวิธีหนึ่ง เราสามารถย้ายลำโพงผ่านอวกาศเพื่อถ่ายภาพความจุของอาร์เรย์ของไมโครโฟนที่จะฟังได้ สิ่งนี้สร้างรูปแบบของเครื่องกำจัดแมลงที่ตรวจจับความจุของเซ็นเซอร์ (ไมโครโฟน) ที่จะสัมผัสได้

การตรวจจับเซ็นเซอร์และการตรวจจับความสามารถในการรับรู้นั้นเรียกว่า metaveillance และมีการอธิบายรายละเอียดไว้ในเอกสารการวิจัยต่อไปนี้:

กำลังเชื่อมต่อ:

รูปภาพในคำแนะนำนี้ถ่ายโดยการเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดสัญญาณกับลำโพงรวมถึงอินพุตอ้างอิงของแอมพลิฟายเออร์ล็อคอินในขณะที่ย้ายไฟ LED RGB ไปพร้อมกับลำโพง Arduino ถูกใช้เพื่อซิงโครไนซ์กล้องถ่ายภาพกับ LED ที่กำลังเคลื่อนที่

แอมพลิฟายเออร์ล็อคอินเฉพาะที่ใช้ในที่นี้คือ SYSU x Mannlab Scientific Outstrument™ ซึ่งได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับเทคโนโลยีความจริงเสริม แม้ว่าคุณจะสามารถสร้างแอมพลิฟายเออร์ล็อคอินของคุณเองได้ (งานอดิเรกในวัยเด็กของฉันคือการถ่ายภาพคลื่นเสียงและคลื่นวิทยุ ดังนั้น ฉัน ได้สร้างแอมพลิฟายเออร์ล็อคอินจำนวนหนึ่งเพื่อการนี้ ตามที่อธิบายไว้ใน

wearcam.org/par)

คุณสามารถแลกเปลี่ยนบทบาทของผู้พูดและไมโครโฟนได้ ด้วยวิธีนี้ คุณสามารถวัดคลื่นเสียงหรือคลื่นเสียงเมตาได้

ยินดีต้อนรับสู่โลกแห่งความเป็นจริงปรากฎการณ์ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดดูที่

ขั้นตอนที่ 6: ถ่ายภาพและแบ่งปันผลลัพธ์ของคุณ

สำหรับคำแนะนำโดยย่อเกี่ยวกับวิธีการถ่ายภาพคลื่น โปรดดูคำแนะนำก่อนหน้าของฉัน เช่น:

www.instructables.com/id/Seeing-Sound-Wave…

และ

www.instructables.com/id/Abakography-Long-…

ขอให้สนุกแล้วคลิก "ฉันทำได้" เพื่อแชร์ผลลัพธ์ของคุณ ฉันยินดีที่จะให้ความช่วยเหลือที่สร้างสรรค์และคำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการสนุกกับความเป็นจริงทางปรากฏการณ์วิทยา

ขั้นตอนที่ 7: ดำเนินการทดลองทางวิทยาศาสตร์

ในที่นี้ เราจะเห็น เช่น การเปรียบเทียบระหว่างอาร์เรย์ไมโครโฟน 6 องค์ประกอบกับอาร์เรย์ไมโครโฟน 5 องค์ประกอบ

เราจะเห็นได้ว่าเมื่อมีองค์ประกอบเป็นจำนวนคี่ เราจะมีกลีบกลางที่ดีกว่าเกิดขึ้นเร็วกว่านี้ และบางครั้ง "น้อยมาก" (เช่น ไมโครโฟน 5 ตัว บางครั้งดีกว่า 6 ตัว เมื่อเราพยายามสร้างบีมฟอร์มมิ่ง)

ขั้นตอนที่ 8: ลองใต้น้ำ

รองชนะเลิศการประกวดสีสันแห่งสายรุ้ง