Se lydbølger ved bruk av farget lys (RGB LED): 10 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Av SteveMannEyeTap Humanistisk intelligens Følg mer av forfatteren:

Om: Jeg vokste opp i en tid da teknologier var gjennomsiktige og enkle å forstå, men nå utvikler samfunnet seg mot galskap og uforståelighet. Så jeg ønsket å gjøre teknologi menneskelig. I en alder av 12 år kan jeg… Mer om SteveMann »

Her kan du se lydbølger og observere interferensmønstrene laget av to eller flere transdusere ettersom avstanden mellom dem er variert. (Interferensmønster lengst til venstre med to mikrofoner ved 40 000 sykluser per sekund; øverst til høyre, enkelt mikrofon på 3520 cps; nederst til høyre, enkelt mikrofon ved 7040 cps).

Lydbølgene driver en farge -LED, og fargen er fasen av bølgen, og lysstyrken er amplituden.

En XY-plotter brukes til å plotte ut lydbølgene og utføre eksperimenter med fenomenologisk augmented reality ("Real Reality" ™), ved hjelp av en Sequential Wave Imprinting Machine (SWIM).

ERKENDELSER:

Først vil jeg anerkjenne de mange menneskene som har hjulpet med dette prosjektet som startet som en barndomshobby for meg, og fotograferte radiobølger og lydbølger (https://wearcam.org/par). Takk til mange tidligere og nåværende studenter, inkludert Ryan, Max, Alex, Arkin, Sen og Jackson, og andre i MannLab, inkludert Kyle og Daniel. Takk også til Stephanie (12 år) for observasjonen av at fasen med ultralydtransdusere er tilfeldig, og for hjelp til å utvikle en metode for å sortere dem etter fase i to hauger: `` Stephative '' (Stephanie positive) og `` Stegative '' '(Stephanie negativ). Takk til Arkin, Visionertech, Shenzhen Investment Holdings og professor Wang (SYSU).

Trinn 1: Prinsipp for bruk av farger for å representere bølger

Grunnideen er å bruke farge for å representere bølger, for eksempel lydbølger.

Her ser vi et enkelt eksempel der jeg har brukt farge for å vise elektriske bølger.

Dette lar oss visualisere for eksempel Fourier-transformasjonen eller et annet bølgebasert elektrisk signal visuelt.

Jeg brukte dette som et bokomslag som jeg designet [Advances in Machine Vision, 380pp, apr 1992], sammen med noen bidratt kapitler til boken.

Trinn 2: Bygg Sound to Color Converter

For å konvertere lyd til farge må vi bygge en lyd til fargeomformer.

Lyden kommer fra utgangen fra en lock-in-forsterker som refereres til frekvensen av lydbølgene, som forklart i noen av mine tidligere instrukser, samt noen av mine publiserte artikler.

Utgangen til lock-in-forsterkeren er en kompleks verdifull utgang, som vises på to terminaler (mange forsterkere bruker BNC-kontakter for sine utganger), en for "X" (in-fasekomponenten som er den virkelige delen) og en for "Y" (kvadraturkomponenten som er den imaginære delen). Til sammen angir spenningene tilstede ved X og Y et komplekst tall, og tegningen over (til venstre) viser Argand -planet som komplekse verdsatte mengder vises som farge. Vi bruker en Arduino med to analoge innganger og tre analoge utganger for å konvertere fra XY (komplekst tall) til RGB (rød, grønn, blå farge), i henhold til swimled.ino -koden som følger med.

Vi tar disse frem som RGB -fargesignaler til en LED -lyskilde. Resultatet er å gå rundt et fargehjul med fase som vinkel, og med lyskvaliteten er signalstyrken (lydnivå). Dette gjøres med et komplekst tall til RGB-fargekartlegging, som følger:

Den komplekse fargekartleggeren konverterer fra en kompleks verdifull mengde, vanligvis ut fra en homodyne-mottaker eller lås-forsterker eller fasekoherent detektor til en farget lyskilde. Vanligvis produseres mer lys når signalets størrelse er større. Fasen påvirker fargenyansen.

Vurder disse eksemplene (som skissert i IEEE konferansepapir "Rattletale"):

1. Et sterkt positivt reelt signal (dvs. når X =+10 volt) er kodet som knallrødt. Et svakt positivt reelt signal, dvs. når X =+5 volt, er kodet som svakt rødt.
2. Null utgang (X = 0 og Y = 0) presenterer seg som svart.
3. Et sterkt negativt reelt signal (dvs. X = -10 volt) er grønt, mens svakt negativt reelt (X = -5 volt) er svakt grønt.
4. Sterkt imaginære positive signaler (Y = 10v) er lyse gule, og svakt positive-imaginære (Y = 5v) er svake gule.
5. Negativt imaginære signaler er blå (f.eks. Lys blå for Y = -10v og svak blå for Y = -5v).
6. Mer generelt er mengden lys som produseres omtrent proporsjonal med en størrelse, R_ {XY} = / sqrt {X^2+Y^2}, og fargen til en fase, / Theta = / arctan (Y/X). Så et signal som er like positivt reelt og positivt imaginært (dvs. / Theta = 45 grader) er svakt oransje hvis det er svakt, lys oransje av sterk (f.eks. X = 7,07 volt, Y = 7,07 volt) og lyseste oransje med veldig sterk, dvs. X = 10v og Y = 10v, i så fall er R (rød) og G (grønn) LED -komponent full. På samme måte gjengir et signal som er like positivt reelt og negativt imaginært seg som lilla eller fiolett, dvs. med R (rød) og B (blå) LED -komponenter begge på sammen. Dette gir en svak fiolett eller lys fiolett, i samsvar med signalets størrelse. [Lenke]

Utgangene X = augmented reality og Y = augmented imaginality av enhver fasekoherent detektor, lock-in-forsterker eller homodyne-mottaker brukes derfor til å legge en fenomenologisk forstørret virkelighet på et synsfelt eller synsfelt, og viser dermed en grad av akustisk respons som et visuelt overlegg.

Spesiell takk til en av mine studenter, Jackson, som hjalp med implementeringen av min XY til RGB -omformer.

Ovenstående er en forenklet versjon, som jeg gjorde for å gjøre det enkelt å lære og forklare. Den opprinnelige implementeringen som jeg gjorde på 1980 -tallet og begynnelsen av 1990 -tallet fungerer enda bedre, fordi den plasserer fargehjulet på en perceptuelt enhetlig måte. Se vedlagte Matlab ".m" -filer som jeg skrev tilbake på begynnelsen av 1990 -tallet for å implementere den forbedrede XY til RGB -konverteringen.

Trinn 3: Lag et RGB "skrivehode"

"Skrivehodet" er en RGB -LED, med 4 ledninger for å koble den til utgangen fra XY til RGB -omformeren.

Bare koble 4 ledninger til LED -en, en til felles og en til hver av terminalene for fargene (rød, grønn og blå).

Spesiell takk til min tidligere student, Alex, som hjalp til med å sette sammen et skrivehode.

Trinn 4: Skaff eller bygg en XY -plotter eller annet 3D -posisjoneringssystem (Fusion360 Link inkludert)

Vi krever en slags 3D -posisjoneringsenhet. Jeg foretrekker å skaffe eller bygge noe som beveger seg lett i XY -planet, men jeg krever ikke enkel bevegelse i den tredje (Z) aksen, fordi dette er ganske sjeldent (siden vi vanligvis skanner i et raster). Det vi har her er derfor først og fremst en XY -plotter, men den har lange skinner som lar den flyttes langs den tredje aksen når det er nødvendig.

Plotteren skanner ut rommet ved å flytte en transduser, sammen med en lyskilde (RGB LED), gjennom rommet, mens lukkeren til et kamera er åpen for riktig eksponeringstid for å fange hver ramme av visuelt bilde (en eller flere rammer, f.eks. for et stillbilde eller en filmfil).

XY-PLOTTER (Fusion 360-fil). Mekanikken er enkel; hvilken som helst XYZ- eller XY -plotter. Her er plotteren vi bruker, 2-dimensjonal SWIM (Sequential Wave Imprinting Machine): https://a360.co/2KkslB3 Plotteren beveger seg lett i XY-planet, og beveger seg på en mer tungvint måte i Z, slik at vi feier ta ut bilder i 2D og gå deretter sakte fremover i Z -aksen. Koblingen er til en Fusion 360 -fil. Vi bruker Fusion 360 fordi det er skybasert og lar oss samarbeide mellom MannLab Silicon Valley, MannLab Toronto og MannLab Shenzhen, på tvers av 3 tidssoner. Solidworks er ubrukelig for å gjøre det! (Vi bruker ikke lenger Solidworks fordi vi hadde for mange problemer med versjonsgaffling på tvers av tidssoner, da vi pleide å bruke mye tid på å sette sammen forskjellige redigeringer av Solidworks -filer. Det er viktig å ha alt på ett sted, og Fusion 360 gjør det veldig bra.)

Trinn 5: Koble til en Lock-in Amplifier

Apparatet måler lydbølger med hensyn til en bestemt referansefrekvens.

Lydbølgene måles gjennom et mellomrom ved hjelp av en mekanisme som beveger en mikrofon eller høyttaler gjennom hele rommet.

Vi kan se interferensmønsteret mellom to høyttalere ved å bevege en mikrofon gjennom rommet, sammen med RGB -LED, mens fotografiske medier utsettes for den bevegelige lyskilden.

Alternativt kan vi flytte en høyttaler gjennom rommet for å fotografere kapasiteten til en rekke mikrofoner for å lytte. Dette skaper en form for feiemaskin som sanser sensorenes (mikrofoners) kapasitet til å føle.

Sensing sensorer og sensing deres evne til å sanse kalles metaveillance og er beskrevet i detalj i følgende forskningsartikkel:

KOBLER DET OPP:

Bildene i denne instruksjonsboken ble tatt ved å koble en signalgenerator til en høyttaler, så vel som til referanseinngangen til en lock-in-forsterker, mens du flyttet en RGB-LED sammen med høyttaleren. En Arduino ble brukt til å synkronisere et fotokamera med LED -en i bevegelse.

Den spesifikke lock-in-forsterkeren som brukes her er SYSU x Mannlab Scientific Outstrument ™ som er designet spesielt for augmented reality, selv om du kan bygge din egen lock-in-forsterker (en barndomshobby for meg var å fotografere lydbølger og radiobølger, så jeg har bygd et antall låsbare forsterkere for dette formålet, som beskrevet i

wearcam.org/par).

Du kan bytte rollen som høyttaler (er) og mikrofon (er). På denne måten kan du måle lydbølger, eller meta lydbølger.

Velkommen til fenomenologisk virkelighets verden. For mer informasjon, se også

Trinn 6: Fotografer og del resultatene dine

For en rask guide til hvordan du fotograferer bølger, se noen av mine tidligere instrukser, for eksempel:

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

og

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

Ha det gøy, og klikk "Jeg klarte det" for å dele resultatene dine, og jeg vil gjerne tilby konstruktiv hjelp og tips om hvordan du kan ha det gøy med fenomenologisk virkelighet.

Trinn 7: Gjennomfør vitenskapelige eksperimenter

Her kan vi for eksempel se en sammenligning mellom et 6-elementers mikrofonarray og et 5-elementers mikrofonarray.

Vi kan se at når det er et oddetall av elementer, får vi en finere sentrallob før, og derfor noen ganger "less is more" (f.eks. 5 mikrofoner er noen ganger bedre enn seks når vi prøver å gjøre stråleforming).

Trinn 8: Prøv det under vann

Andreplass i regnbuens konkurranser