Способ преобразования звуковых сигналов в изображение и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Его использование при создании светомузыкальных инструментов и устройств автоматического сурдоперевода речи позволяет осуществлять преобразование более простыми средствами, расширив область применения. Способ может быть реализован благодаря коническим трафаретам, каждое кольцо на поверхности которых образовано поперечными полосами, оптическая плотность которых изменяется по синусоиде. Частоты синусоид двух соседних колец одного трафарета отличаются вдвое. Все трафареты установлены вплотную друг к другу по кругу. Каждый трафарет вращается вокруг своей оси так, что частоты синусоид одноименных колец соседних трафаретов изменяются пропорциональное 2ϕ , где ϕ - угловая координата относительно оси светового потока, выраженная в долях длины окружности. Световой поток модулирован по интенсивности преобразуемым звуковым сигналом. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технике визуального контроля звуковых сигналов и может использоваться для анализа музыкальной гармонии, для усиления эмоционального воздействия музыки на слушателя, при создании светомузыкальных инструментов, при создании устройства автоматического сурдоперевода речи.

Широко известны способы анализа мгновенного спектра, которые так же, как заявляемый способ, включают параллельные преобразования Фурье во всем диапазоне частот исследуемых сигналов и отображение на экране параметров выделенных гармонических составляющих [1]. К недостаткам известных способов следует отнести сложность их реализации.

Известен способ, в котором для каждой выделяемой гармоники используются свой множительный блок и интегратор [2]. Известен гармонический анализатор спектра, выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства, содержащий источник анализируемых сигналов, множительные блоки по числу измеряемых гармоник, задатчик вынужденных колебаний [2].

Недостаток известных способа и устройства заключается в сложности изготовления большого количества множительных блоков и неприемлемости их для анализа музыкальной гармонии из-за недостаточной разрешающей способности по частоте.

Целью изобретения является упрощение способа мгновенного спектрального анализа и расширение области его применения, например, для визуального анализа музыкальной гармонии. Положительный эффект изобретения заключается в использовании при анализе звуковой информации дополнительных возможностей органов зрения.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства преобразования звуковых сигналов в изображение; на фиг. 2 - развертка конусообразного трафарета, на которой плотность штриховки обозначает оптическую плотность; на фиг. 3 - узел задатчика вынужденных колебаний; на фиг. 4 - положение конусообразных трафаретов; на фиг. 5 - структурная схема устройства с цветовым разделением источников звука.

Осуществление заявляемого способа поясняется с помощью устройства, содержащего источник 1 звуковых сигналов, преобразователь 2 звуковых сигналов в модулированный по интенсивности световой поток, перемножители 3, задатчик 4 вынужденных колебаний.

Преобразователь 2 преобразует поступающие на него звуковые сигналы в модулированный по интенсивности световой поток, направляемый на перемножители 3, которые выполнены в виде двенадцати вращающихся конусообразных трафаретов 5, поделенных на кольца, каждое из которых образовано 2^m˙p поперечными полосами с изменяющейся по синусоиде оптической плотностью, где m - номер кольца по порядку, p - число полос на нулевом кольце. Конусообразные трафареты 5 расположены по кругу вплотную друг к другу и посажены на оси 6, на которых также закреплены ролики 7, катящиеся по обрезиненной поверхности маховика 8, установленного на валу электродвигателя 9. Ролики 7 закреплены на осях 6 трафаретов 5 на различных расстояниях от центра маховика 8 и обеспечивают таким образом различные угловые скорости вращения трафаретов 5, которые устанавливаются пропорциональными 2^k/12/p, где k - номер трафарета по порядку.

В результате проходящий через трафареты 5 световой поток модулируется частотами музыкальных нот, причем каждой ноте соответствует трафарет 5, а каждое кольцо на нем - своей октаве.

В качестве преобразователя 2 использованы светодиоды, освещающие изнутри трафареты 5. При освещении пульсирующим светом светодиодов на поверхности трафаретов 5 появляются чередующиеся разнояркие полосы по принципу стробоскопа. Но в силу того, что оптическая плотность трафаретов 5 изменяет проходящий свет по синусоиде, этот эффект возникает только тогда, когда в огибающей модулированного светового потока содержатся гармоники, близкие к одной единственной частоте для каждого из колец трафаретов 5. Поэтому каждое кольцо "отзывается" только на свою гармонику, и при незначительных изменениях частоты отображаемые полосы заметно меняются. Такое выполнение перемножителей 3 обеспечивает спиральную развертку идущих по порядку нот. Необходимо отметить, что при этом квинта делит октаву (т.е. окружность) на 7/12, а большая терция делит квинту на 4/7. Обе эти дроби при вычислении дают значения, близкие к известному в геометрии "золотому сечению", и обуславливают эмоциональное восприятие получаемого изображения, так как степень квантового родства звуков в музыке преобразуется в степень родства формы по "золотому сечению", а мажорный аккорд при этом выглядит как двойное "золотое сечение" окружности.

Устройство достаточно просто реализует заявляемый способ за счет того, что непрерывная спиральная развертка заменяется на ступенчатую. При этом для анализа музыки достаточно двенадцати ступеней на октаву (на один виток спирали). Такое разбиение непрерывной развертки на дискретные значения соответствует введению жесткой привязки к абсолютным частотам нот, что при анализе музыки увеличивает точность определения нот.

Известно, что глаз человека гораздо лучше различает изменения цвета, чем яркости. Поэтому для увеличения заметности гармоник с небольшими амплитудами используется преобразователь 2, состоящий из источника белого света и цветного модулятора, который управляет светом так, что одинаковые отклонения входного параметра, но с разными полярностями вызывают противоположные изменения цвета и яркости. Такой модулятор может быть выполнен в виде перемещаемого разностного светофильтра, одна половина которого выполнена как зеркальное негативное отображение другой половины.

Для цветового разделения различных источников звука устройство дополняют многоканальным усилителем 10 и формирователем 11 цвета, причем преобразователь 2 осуществляет модуляцию света по трем его цветовым компонентам (фиг. 5). Многоканальный усилитель 10 усиливает подаваемые на его входы сигналы с выбранными для каждого вручную коэффициентами усиления и подает их на входы формирователя 11 цвета. В многоканальном усилителе для пропорционального ограничения всех сигналов при превышении любым из них заданного уровня применена система автоматического регулирования усиления. Для выравнивания амплитуд одинаково слышимых гармоник амплитудно-частотную характеристику многоканального усилителя корректируют по форме кривой, равной громкости для среднего уровня сигналов (например, уровня 60 фон). Формирователь 11 цвета состоит из трех микшерных каскадов, в которых входные сигналы смешиваются с вручную выбранными значениями. При этом регулировку каждого входного сигнала осуществляют от максимального синфазного до максимального противофазного. В этом случае, если используется только один источник звука, в формирователе 11 цвета предусмотрен режим автоматического изменения цвета в зависимости от амплитуды входного сигнала, что достигается использованием в каждом из трех выходов системы автоматического регулирования усиления с разными уровнями срабатывания. С выходов формирователя 11 цвета сигналы поступают на преобразователь 2, который модулирует трехцветный световой поток пропорционально трем сигналам, поступающим на него.

При использовании стереофонического звукового сигнала цветовое разделение каналов позволяет с помощью очков с разными цветными стеклами наблюдать псевдообъемные изображения.

Увеличение получаемого изображения осуществляют либо за счет формирования псевдоточечных модулированных звуком источников света, которые непосредственно проецируют вращающиеся трафареты 5 на любую светлую поверхность, либо за счет использования дополнительного проекционного объектива с экраном. Во втором случае внутри вращающихся трафаретов 5 располагают мощные источники света, а изображение светящихся трафаретов проецируют через объектив, совмещенный с модулятором.

Во всех предложенных вариантах устройства могут использоваться дополнительные корректирующие частотнозависимые цепи, которые компенсируют неравномерность сквозной частотно-амплитудной характеристики, оценивающей соответствие амплитуд видимых и слышимых гармоник в необходимом диапазоне анализируемых частот.

Применение предлагаемых способа и устройства преобразования звуковых сигналов в изображение позволит обучающимся музыке легко определить названия слышимых нот и аккордов, проконтролировать точность их воспроизведения, использовать зрительную память при изучении теории гармонии. Кроме того, получаемое изображение отражает все основные свойства человеческого уха и может использоваться для частичной или полной замены органов слуха зрением.

Формула изобретения

1. Способ преобразования звуковых сигналов в изображение, включающий фильтрацию гармоник путем параллельного преобразования Фурье и отображение выделенных гармоник, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и расширения области его применения, преобразование Фурье осуществляют последовательной модуляцией интенсивности светового потока звуковым сигналом и синусоидальным колебанием, частоту которого изменяют в плоскости, перпендикулярной к световому потоку, по логарифмической спирали пропорционально 2ϕ , где ϕ - угловая координата относительно оси светового потока, выраженная в долях длины окружности.

2. Устройство для преобразования звуковых сигналов в изображение, содержащее источник звуковых сигналов, задатчик вынужденных колебаний и перемножители по числу выделяемых гармоник, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и расширения области его применения, в него введен преобразователь звуковых сигналов в модулированный по интенсивности световой поток, управляющий вход которого подключен к выходу источника звуковых сигналов, а перемножители выполнены каждый в виде конусообразного трафарета, разделенного на концентрические кольца, каждое из которых образовано поперечными полосами с изменяющейся по синусоиде оптической плотностью, причем частота синусоиды каждого последующего кольца одного и того же трафарета вдвое больше частоты синусоиды предыдущего кольца, конусообразные трафареты установлены вплотную друг к другу по кругу с возможностью вращения каждого вокруг своей оси, связанной с задатчиком вынужденных колебаний так, что частоты синусоид одноименных концентрических колец соседних конусообразных трафаретов изменяются пропорционально 2ϕ.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что преобразователь звукового сигнала в модулированный по интенсивности световой поток содержит оптически связанные источник белого света и модулятор, управляющий вход которого является управляющим входом преобразователя.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что преобразователь звукового сигнала в модулированный по интенсивности световой поток содержит многоканальный усилитель с общей пропорциональной системой автоматической регулировки усиления, входы которого являются соответствующими управляющими входами преобразователя, и оптически связанные источник белого света и формирователь цвета в виде трех микшерных многоканальных каскадов с регулировкой, входы которых подключены к соответствующим выходам многоканального усилителя.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что преобразователь звукового сигнала в модулированный по интенсивности световой поток содержит оптически связанные источники белого света, расположенные каждый внутри своего конусообразного трафарета, модулятор, проекционный объектив и экран, управляющий вход модулятора является управляющим входом преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5