Se lydbølger ved hjælp af farvet lys (RGB LED): 10 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Af SteveMannEyeTap Humanistisk intelligens Følg mere af forfatteren:

Om: Jeg voksede op på et tidspunkt, hvor teknologier var gennemsigtige og lette at forstå, men nu udvikler samfundet sig til sindssyge og uforståelighed. Så jeg ville gøre teknologien menneskelig. I en alder af 12 år kan jeg… Mere om SteveMann »

Her kan du se lydbølger og observere interferensmønstre fra to eller flere transducere, da afstanden mellem dem er varieret. (Interferensmønster længst til venstre med to mikrofoner ved 40.000 cyklusser i sekundet; øverst til højre, enkelt mikrofon ved 3520 cps; nederst til højre, enkelt mikrofon ved 7040 cps).

Lydbølgerne driver en farve -LED, og farven er bølgens fase, og lysstyrken er amplituden.

En XY-plotter bruges til at plotte lydbølgerne og udføre eksperimenter med fænomenologisk augmented reality ("Real Reality" ™) ved hjælp af en Sequential Wave Imprinting Machine (SWIM).

ANKENDELSER:

Først vil jeg gerne anerkende de mange mennesker, der har hjulpet med dette projekt, der startede som min barndoms hobby, fotografering af radiobølger og lydbølger (https://wearcam.org/par). Tak til mange tidligere og nuværende studerende, herunder Ryan, Max, Alex, Arkin, Sen og Jackson og andre i MannLab, herunder Kyle og Daniel. Tak også til Stephanie (12 år) for iagttagelsen af, at ultralydstransducernes fase er tilfældig, og for hjælp til at udtænke en metode til at sortere dem efter fase i to bunker: `` Stephative '' (Stephanie positive) og `` Stegative '' '(Stephanie negativ). Tak til Arkin, Visionertech, Shenzhen Investment Holdings og professor Wang (SYSU).

Trin 1: Princip for brug af farver til at repræsentere bølger

Grundidéen er at bruge farve til at repræsentere bølger, såsom lydbølger.

Her ser vi et enkelt eksempel, hvor jeg har brugt farve til at vise elektriske bølger.

Dette giver os mulighed for at visualisere f.eks. Fourier-transformationen eller ethvert andet bølgebaseret elektrisk signal visuelt.

Jeg brugte dette som et bogomslag, som jeg designede [Advances in Machine Vision, 380pp, apr 1992], sammen med nogle bidrog kapitler til bogen.

Trin 2: Byg Sound to Color Converter

For at konvertere lyd til farve skal vi bygge en lyd til farveomformer.

Lyden kommer fra output fra en lock-in forstærker, der refereres til frekvensen af lydbølgerne, som forklaret i nogle af mine tidligere instruktioner, samt nogle af mine publicerede papirer.

Outputtet fra lock-in-forstærkeren er en kompleks værdiansat output, der vises på to terminaler (mange forstærkere bruger BNC-stik til deres udgange), en til "X" (in-fase-komponenten, som er den virkelige del) og en til "Y" (kvadraturkomponenten, som er den imaginære del). Tilsammen angiver spændingerne ved X og Y et komplekst tal, og tegningen ovenfor (til venstre) viser Argand -planet, hvor komplekse værdimæssige størrelser vises som farve. Vi bruger en Arduino med to analoge indgange og tre analoge udgange til at konvertere fra XY (komplekst tal) til RGB (rød, grøn, blå farve) i henhold til den medfølgende swimled.ino -kode.

Vi bringer disse frem som RGB -farvesignaler til en LED -lyskilde. Resultatet er at gå rundt om et farvehjul med fase som vinkel, og med lyskvaliteten er signalstyrken (lydniveau). Dette gøres med et komplekst tal til RGB-farvekort, som følger:

Den komplekse farvekortlægning konverterer fra en kompleksværdien mængde, typisk udsendt fra en homodyne modtager eller lock-in forstærker eller fasekoherent detektor til en farvet lyskilde. Normalt produceres mere lys, når signalets størrelse er større. Fasen påvirker farven.

Overvej disse eksempler (som beskrevet i IEEE -konferenceoplæg "Rattletale"):

1. Et stærkt positivt reelt signal (dvs. når X =+10 volt) er kodet som knaldrødt. Et svagt positivt reelt signal, dvs. når X =+5 volt, kodes som svagt rødt.
2. Nul output (X = 0 og Y = 0) præsenterer sig selv som sort.
3. Et stærkt negativt reelt signal (dvs. X = -10 volt) er grønt, hvorimod svagt negativ real (X = -5 volt) er svagt grønt.
4. Stærkt imaginære positive signaler (Y = 10v) er lysegule, og svagt positive-imaginære (Y = 5v) er svagt gule.
5. Negativt imaginære signaler er blå (f.eks. Lyseblå for Y = -10v og dimblå for Y = -5v).
6. Mere generelt er mængden af produceret lys omtrent proportional med en størrelse, R_ {XY} = / sqrt {X^2+Y^2}, og farven til en fase, / Theta = / arctan (Y/X). Så et signal lige så positivt reelt som positivt imaginært (dvs. / Theta = 45 grader) er svagt orange, hvis det er svagt, lys orange af stærk (f.eks. X = 7,07 volt, Y = 7,07 volt) og lyseste orange af meget stærk, dvs. X = 10v og Y = 10v, i hvilket tilfælde LED -komponenterne R (rød) og G (grøn) er tændt. På samme måde gengiver et signal, der er lige så positivt virkeligt som negativt imaginært, sig selv som lilla eller violet, dvs. med R (rød) og B (blå) LED -komponenterne begge tændt sammen. Dette producerer en dæmpet violet eller lys violet i overensstemmelse med signalets størrelse. [Link]

Outputerne X = augmented reality og Y = augmented imaginality af enhver fasekoherent detektor, lock-in-forstærker eller homodyne-modtager bruges derfor til at overlejre en fænomenologisk forstørret virkelighed på et synsfelt eller synsfelt, hvilket viser en grad af akustisk respons som et visuelt overlay.

Særlig tak til en af mine elever, Jackson, der hjalp med implementeringen af min XY til RGB -konverter.

Ovenstående er en forenklet version, som jeg gjorde for at gøre det let at lære og forklare. Den oprindelige implementering, som jeg lavede tilbage i 1980'erne og begyndelsen af 1990'erne, fungerer endnu bedre, fordi det placerer farvehjulet på en perceptuelt ensartet måde. Se vedhæftede Matlab ".m" -filer, som jeg skrev tilbage i begyndelsen af 1990'erne for at implementere den forbedrede XY til RGB -konvertering.

Trin 3: Lav et RGB "printhoved"

"Printhovedet" er en RGB LED, med 4 ledninger til at forbinde det til output fra XY til RGB -konverteren.

Du skal blot slutte 4 ledninger til LED'en, en til fælles og en til hver af terminalerne for farverne (rød, grøn og blå).

Særlig tak til min tidligere elev, Alex, der hjalp med at sammensætte et printhoved.

Trin 4: Få eller opbyg en XY -plotter eller andet 3D -positioneringssystem (Fusion360 Link inkluderet)

Vi har brug for en slags 3D -positioneringsenhed. Jeg foretrækker at skaffe eller bygge noget, der let bevæger sig i XY -planet, men jeg kræver ikke let bevægelse i den tredje (Z) akse, fordi dette er ret sjældent (da vi normalt scanner i et raster). Det, vi har her, er derfor primært en XY -plotter, men den har lange skinner, der gør det muligt at flytte den langs den tredje akse, når det er nødvendigt.

Plotteren scanner rummet ud ved at flytte en transducer sammen med en lyskilde (RGB LED) gennem rummet, mens lukkeren på et kamera er åben i den korrekte eksponeringsvarighed for at fange hver billedramme (et eller flere rammer, f.eks. til et stillbillede eller en filmfil).

XY-PLOTTER (Fusion 360-fil). Mekanikken er enkel; enhver XYZ eller XY plotter vil gøre. Her er plotteren, vi bruger, 2-dimensionel SWIM (Sequential Wave Imprinting Machine): https://a360.co/2KkslB3 Plotteren bevæger sig let i XY-planet og bevæger sig mere besværligt i Z, sådan at vi fejer billeder ud i 2D og derefter gå langsomt frem i Z -aksen. Linket er til en Fusion 360 -fil. Vi bruger Fusion 360, fordi det er skybaseret og giver os mulighed for at samarbejde mellem MannLab Silicon Valley, MannLab Toronto og MannLab Shenzhen på tværs af 3 tidszoner. Solidworks er ubrugeligt til at gøre det! (Vi bruger ikke længere Solidworks, fordi vi havde for mange problemer med versionens forking på tværs af tidszoner, da vi plejede at bruge meget tid på at sammensætte forskellige redigeringer af Solidworks -filer. Det er vigtigt at holde alt på ét sted, og Fusion 360 gør det rigtig godt.)

Trin 5: Tilslut til en Lock-in-forstærker

Apparatet måler lydbølger i forhold til en bestemt referencefrekvens.

Lydbølgerne måles i et rum ved hjælp af en mekanisme, der bevæger en mikrofon eller højttaler gennem rummet.

Vi kan se interferensmønsteret mellem to højttalere ved at flytte en mikrofon gennem rummet sammen med RGB -LED'en, mens fotografiske medier udsættes for den bevægelige lyskilde.

Alternativt kan vi flytte en højttaler gennem rummet for at fotografere kapaciteten af en række mikrofoner til at lytte. Dette skaber en form for fejemaskine, der registrerer sensorernes (mikrofoners) evne til at registrere.

Sensing sensorer og sensing af deres evne til at fornemme kaldes metaveillance og er beskrevet detaljeret i følgende forskningsartikel:

TILSLUTNING AF DET:

Billederne i denne instruktionsbog blev taget ved at tilslutte en signalgenerator til en højttaler samt til referenceindgangen på en lock-in-forstærker, mens en RGB-LED flyttedes sammen med højttaleren. En Arduino blev brugt til at synkronisere et fotokamera med den bevægelige LED.

Den specifikke lock-in forstærker, der bruges her, er SYSU x Mannlab Scientific Outstrument ™, der er designet specielt til augmented reality, selvom du kan bygge din egen lock-in forstærker (en af mine barndomshobbyer var at fotografere lydbølger og radiobølger, så jeg har bygget et antal lock-in forstærkere til dette formål, som beskrevet i

wearcam.org/par).

Du kan udveksle rollen som højttaler (er) og mikrofon (er). På denne måde kan du måle lydbølger eller meta lydbølger.

Velkommen til fænomenologisk virkeligheds verden. For mere information, se også

Trin 6: Fotografer og del dine resultater

For en hurtig guide til, hvordan du fotograferer bølger, kan du se nogle af mine tidligere instruktioner såsom:

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

og

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

God fornøjelse, og klik på "Jeg klarede det" for at dele dine resultater, og jeg vil med glæde tilbyde konstruktiv hjælp og tip om, hvordan du kan have det sjovt med fænomenologisk virkelighed.

Trin 7: Udfør videnskabelige eksperimenter

Her kan vi for eksempel se en sammenligning mellem et 6-element mikrofon array og et 5-element mikrofon array.

Vi kan se, at når der er et ulige antal elementer, får vi en pænere central lap, der sker hurtigere, og derfor undertiden "less is more" (f.eks. Er 5 mikrofoner nogle gange bedre end seks, når vi forsøger at lave stråleformning).

Trin 8: Prøv det under vandet

Runner Up i farverne i Rainbow Contest