2008年5月21日

答錯就來電一下

這兩天組了一個名為「千人震」的套件,它的電路是利用變壓器讓9V的電力轉變成約100V高壓電。只要兩手同時摸輸出端(迴紋針),就會
被電到。

高壓電不一定會致人於死,像這組「千人震」就是這樣,有高壓電但電流極微小。所以危險性很低。
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這組東西怎麼拿到課堂上玩呢?當然不能拿來嚇學生囉,這樣太下流了,還是拿來當恐怖箱吧。

我是這樣做的:找個紙箱挖四個洞,然後把金屬粉筆夾塞進洞裡,任意兩隻粉筆夾在箱子裡接上千人震。

分組競賽落後的人就有權來享受被電的滋味,當然他可以選擇不玩,反正這只是個小遊戲,而且是個和機率有關係的遊戲,被電到的機率是1/6。
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手沾水之後去碰任兩隻粉筆夾,幸運選到通電的夾子的人,瞬間就會有反射動作出現。

你看,多麼有教育意義啊,又可以算機率、教電學,還可以扯到神經系統哩。

來根貝多芬的手杖,用骨導音「聽」聲音

貝多芬,一代樂聖,和海頓、莫札特並稱為維也納古典樂派三大作曲家。一生中創造出許多傳世名曲,可是命運開了他一個玩笑。

26歲那年開始,他的聽力慢慢減退,甚至最後全聾。聽力喪失讓他無法見彈奏鋼琴的聲音,於是他用特殊的手杖一端抵住鋼琴發音的地方,另一端則用牙齒咬住,這麼一來他就能聽到鋼琴的聲音。

耳聾的他怎麼能「聽」到聲音呢?其實這就是骨導音的運用,在摀上耳朵也能魔音穿腦這篇曾經提過,聲音除了從股膜經聽骨到卵圓窗進入耳蝸外,另外,也可以經過顱骨的振動,引起耳蝸內淋巴的振動。兩種都能讓聲音傳到內耳。貝多芬利用的就是後者的骨導音。

我在鄭永銘老師的當哈利波特遇上物理-電學篇看到了一個能體驗骨導音的裝置。剛好家中也有這些設備,於是就立刻做了一組,馬上就體會了貝多芬的感覺。

這個「骨導音裝置」的材料有:
  • 兩條線
  • 3V馬達
  • 單音耳機接頭

先把兩條線焊在耳機接頭的兩個端點
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再把另外一端焊在馬達的接點上
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這樣就完成了!好簡單的一個裝置,可是卻有意想不到的效果。

把耳機接頭插到MP3隨身聽或是電腦的耳機孔,然後用牙齒咬住馬達的軸,然後播放音樂,你會發現居然聽得到聲音。但實際上你的外耳並沒有接收到聲音,這個聲音透過馬達軸的振動,從牙齒傳到上下顎骨,經過顱骨傳到內耳。

就這樣,不帶耳機,只要咬著馬達,你也聽得到聲音。

不想咬馬達軸也可以像鄭永銘老師文章所說的,插個棒棒糖,這樣就能變成棒棒糖耳機囉!

2008年5月19日

用Audacity和praat作蝙蝠叫聲分析

上一篇介紹的是硬體部份,接下來要看軟體的部份。這是我家附近蝙蝠的聲音。
http://pancala.googlepages.com/bat.mp3

錄的方式是用一條公對公的3.5mm接頭的線連接到電腦的mic接口。然後開啟Audacity來錄音。


Audacity是一套開放原始碼的軟體,有win和inux各種作業版本。


連續錄了多軌,只要用剪貼方式就可以併成一軌。


首先要看頻譜圖。選擇音軌->頻譜


畫面會變成紅色的,夾雜白色線段,白色代表該頻率的能量較多。


因為我一開始在偏好設定裡設定最高頻率是20000,所以為了要看更仔細,應該把它縮小成5000。此外顏色也
可以調整成灰階,



改成最高頻5000Hz之後,白色部份就比較清楚了。



再放大一點,看得出大約集中在3000K附近。


除了這個圖以外,還可以用功能表的分析>描繪頻譜的方式,來獲得像這種的畫面。



除了Audacity以外,另外一套軟體Praat也很好用。

Praat也是一套開放原始碼的軟體,是阿姆斯特丹大學語音科學學院Paul Boersma and David Weenink(Institute of Phonetic Sciences)所製作。是一套語音分析、語音合成的軟體。

它也能拿來錄音,不過我覺得拿Audacity來錄音比較方便。

假設已經有錄好的聲音檔,現在要來開檔
Read> Read from file...


然後要對這個聲音作分析,按下Edit



這個畫面左下角,有四個按鈕all、in、out和sel。分別是顯示全部畫面、放大、縮小、選取範圍放大


選取的方式,是用滑鼠圈



看頻率分佈
這蝙蝠的聲音頻率分佈在什麼範圍。先設定共振峰Formant
Formant >Formant settings...


改成只有一個共振峰(Number of formants:1)


它會在能量最強的地方標示紅點,如果是預設值,那會有五個共振峰,那就會有一堆紅點。從紅點上看來,就知道主要頻率大約在3000Hz附近。


背景的頻譜圖也可以取消顯示,只要把Spectrum> show spectrum勾勾取消


頻譜圖已經消失,只留下共振峰


圈選範圍



如何取得量化的頻率數據

第一步是圈選範圍。


選擇Formant>Formant listing


出現主要頻率分佈,第一行是時間,第二行才是我們要的數據。代表那個時間點的主要頻率。



作圖


先圈選範圍,然後
Formant>Extract visible formant contour


在主畫面就會多出一個物件(object):Formant untitled


在Praat Picture的視窗,先框選要畫的圖有多大。它會出現粉紅色的圈選範圍。然後點選Formant untitled,按下Draw,選擇Speckle...


這個視窗直接按下OK就可以了。


就會在Praat picture視窗中會畫出剛剛選出的共振峰圖。如果要存檔就要選File> Write to Windows metafile...


這就是那一個圈選範圍的共振峰圖,顯示牠主要的頻率集中在3000x16=48000Hz,(乘16是因為偵測器是把蝙蝠的聲音除了16,所以現在要還原)



如果有興趣對台灣蝙蝠聲音做進一步的瞭解,可以在台灣蝙蝠聲音資訊網中(http://www.biol.ntnu.edu.tw/batman/batcall/index.htm),找到數種台灣蝙蝠的叫聲、聲譜圖和頻譜圖。

結婚週年禮物的蝙蝠偵測器DIY

蝙蝠這生物,傍晚我家附近常可以看到牠們飛來飛去,偶而還會撿到屍體

大概國小學生都知道牠們會發射超音波,用回聲定位來覓食吧?不過不是每種蝙蝠都會這招,像大蝙蝠科的狐蝠主要靠視覺和嗅覺來覓食。

我沒看過台灣狐蝠,不過在2003年一月去柬埔寨的時候,倒是意外看見另外一種狐蝠,大概是馬來大狐蝠(Pteropus vampyrus)吧。

不知道現在那邊還有沒有,但還是說明一下位置,位置在GRAND HOTEL d'ANGKOR對面的Royal Gardens,那個公園裡有好幾棵雙翅龍腦香,傍晚五點多的時候會飛出去覓食。各位最近如果要去吳哥窟,倒是可以順便去繞繞。

我們那時路過公園,意外看見樹下有很多大便,抬頭一看,哇!一群蝙蝠,而且是展翅超過一公尺長的大蝙蝠,經我們估算大約有兩千隻。不仔細看還以為是果實吊在樹上。隔天我們就早上六點和傍晚五點的時候,都特地去看蝙蝠。

早上去的時候,他們都已經覓食回來了。剛回來還沒睡著,偶而還會吵個小架、佔個地盤,看起來很有趣。傍晚大約到了六點十分左右,蝙蝠們開始蠢蠢欲動,有些在搔癢,有些在互抓像是在玩一樣。五分鍾之後,開始有蝙蝠飛出來,但只是在熱身而已,只是飛來飛去換樹待 著而已。光看他們在樹冠層頂飛翔,就可以知道他們有多大隻了。

他們胸前有著很美麗的金色毛髮延伸到腹面,頭部不同於一般小翼手目的蝙蝠,而是像狗頭一樣。過了幾分鍾之後,蝙蝠們開始飛翔出去覓食,飛了二三十分鍾,還有蝙蝠還沒飛出去,可見數量有多龐大,整個天空都是翼展一公尺以上的大狐蝠。
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除了大蝙蝠以外,蝙蝠還有不少是會發射超音波的種類

超音波,就是聲音的頻率超過20000Hz,人耳已經聽不到了。如果我們要聽見,那就要靠「蝙蝠超音波偵測器」(bat detector)

市面上的蝙蝠超音波偵測器好幾百元美金,折合台幣也是好幾千元,買不起也買不到。不過幸好有DIY玩家設計了能偵測蝙蝠超音波的電路,組裝成儀器後,就可以拿來偵測蝙蝠的聲波。

其中最簡單的電路屬於分頻式的電路,它將接收到的超音波頻率透過電路除以常數16,將頻率降到人耳能聽見的頻率範圍。 所以原本是48000Hz的蝙蝠聲音,就會變成3000Hz,正是我們聽覺的範圍(20~20KHz)。

我在網路上看了一些蝙蝠偵測器的電路圖,覺得這個是最簡單的
Build a Simple Bat Detector

在經過原作者Tony Messina 的同意下,我將電路圖改繪成麵包板的插線圖,以下就是教各位DIY蝙蝠偵測器的方法。






電路圖:http://home.earthlink.net/~bat-detector/SBD2.html

材料清單:(以下零件價格為2008年4月於台北光華商場附近電子零件行訪價。部份零件因零售或是小量購買,價格略有不同。)

規格 數量 價格(元) 備註 電路圖上編號
超音波接收器 40K Hz 1 120~250 通常與超音波發射器一起包裝販賣
電感 6.8mH 1 10

積體電路IC LM386 2 10
IC1
積體電路IC CD4024 1 11
IC2
單音耳機插孔 3.5mm 1 4

單音耳機 3.5mm 1 80 若無法買到單音耳機,亦可使用一般耳機
小型麵包板
1 70~80 又稱免焊電子電路實驗板
電解電容器 470μF 16V 1 3
C4
電解電容器 220μF 16V 1 2
C7
電解電容器 10μF 16V 2 1
C2、C3
陶瓷電容器 0.047μf 1 0.3~1 標示為473 C1
陶瓷電容器 0.022μf 2 0.3~1 標示為223 C6
電阻器 220Ω 1/8w 1 0.3~1 標示為紅紅棕金 R4
電阻器 150Ω 1/8w 1 0.3~1 標示為棕綠棕金 R1
可變電阻 10KΩ 1 6~10 調整音量 RV1
可變電阻 5KΩ 1 6~10 調整靈敏度 R2

全部加起來不到台幣300元啊,有夠便宜啦

這是零件囉,才這樣一點點(不包括麵包板、機殼和旋鈕...)



由左至右,5KΩ可變電阻10KΩ可變電阻220Ω電阻150Ω電阻




電容:由左至右,470uF、220uF、10uF、10uF、0.022μf、0.022μf、0.047μf




6.8mH電感和超音波接受器


超音波接收器,左邊是正極,右邊是負極。




按鈕開關,用來控制電源。這個我沒有畫在麵包板裡,要加的自己在電源旁邊接上。




用小型麵包板就行了



開始組裝,先插上IC,左至右:LM386、LM386、CD4024





再插上電阻



然後把電容插上去


從側面看一下



再來插陶瓷電容(上面寫223和473那種)


側面來一張



再來是插上電感(藍色那個)


側面來一張





再來就是插上線





可變電阻先焊上線


電源和耳機插座也焊上線




大合體,為了測試(測試方式,請看文末),先把超音波接受器插在板子上(左下角),實際用的時候,要另外接線


放近一點來看,左下角是超音波接受器。





再來是準備塑膠盒



盒子上方要鑽可變電阻塞進去的孔,前面要鑽超音波接受器的接線孔,後面要有按鈕開關的孔和耳機插座的孔。


全部做好之後,再把旋鈕塞到可變電阻的轉軸上




噹噹噹噹~
蝙蝠偵測器完工!其中一個是我的,另外一個是作給梅子的。


去年的週年禮物是DNA尋根套件,今年的就是
超華麗bling-bling蝙蝠偵測器

上面可是用施華洛士奇水鑽鑲了一隻可愛小蝙蝠呢!


中間還是個愛心哩。這個水鑽可是我特地去手機包膜專門店裡做的耶!

光是要在店裡掏出「蝙蝠偵測器」就很需要勇氣了,何況還要求鑲水鑽哩。




做好了偵測器,可是偏偏沒有蝙蝠怎麼辦?沒關係,週遭能發出超音波的東西其實不少。以下這些動作都可以發出超音波
  • 食指和中指互相摩擦上下襬動
  • 摩擦塑膠袋
  • 搖晃鑰匙
其中以搖晃鑰匙最夠力!
我把偵測器接上教室擴音喇叭,然後把機器放在教室的角落,人在走廊上晃
鑰匙,它都偵測的到,的確很夠力啊!

這段聲音檔就是我把偵測器接上電腦錄到的東亞家蝠聲音
http://pancala.googlepages.com/bat.mp3

下一篇就要來介紹怎麼用軟體「看聲音」。

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