Возможно ли с помощью современных 3D-принтеров печатать звуковой след?

Основы кодирования звука

Звук-это волна сжатия, и любое ее изображение должно быть ее кодированием. Вы можете закодировать его, чтобы воссоздать звук, используя приспособление, которое колеблется правильным образом, чтобы снова сжимать воздух по нужному шаблону, но вы не можете просто "распечатать его", как вы можете увеличить световую волну с нанометрового масштаба до видимого в качестве представления.

Давайте возьмем простой пример: мелодия с частотой 440 Гц обычно считается A₄, она же концертный шаг a или A440.

Это может быть закодировано различными способами. Вероятно, самым старым является кодирование его в виде ноты в нотации скрипки, которую затем может воспроизвести любой, кто использует правильно настроенный инструмент. Фактический результат зависит как от используемого инструмента, так и от мастерства игрока. Таким образом, каждый инструмент может декодировать эту закодированную ноту по-разному, в зависимости от физической настройки инструмента. Каждый инструмент автоматически создает соответствующие обертоны.

В Midi он кодируется как примечание 69, и любая машина, которая может декодировать midi-файл, может использовать эту инструкцию в паре с используемым инструментом для создания заданного для него значения A 4. В Midi простая инструкция по использованию ноты 69 не требует навыков, но то, как она звучит и ощущается, зависит от настройки инструмента, которая содержит информацию о том, какие обертоны должны создаваться при воспроизведении этой ноты.

Для физика чистый звук кодируется просто как 440 Гц и некоторая амплитуда, чтобы сбалансировать его громкость. С помощью этих инструкций он сможет настроить устройство, в котором они создают мелодию 440 Гц. Чтобы создать звук и ощущение инструмента, кодировка для физика должна содержать все обертоны, которые должны колебаться с этим одним звуком.

История звукозаписи

Давайте рассмотрим самый первый способ записи звука: в фонографе 1857 года использовался лист бумаги или лист почерневшего стекла, а затем мембрана и игла. Когда пластина перемещалась, игла оставляла написанный путь. Кодирование осуществлялось с помощью 2 факторов: настройки стилуса (в основном, длины руки) и скорости перемещения пластины. Изменение либо изменило кодировку. Более длинная рука будет записывать большую амплитуду (делая более слабые звуки записываемыми), в то время как более быстрое движение изменит записанную шкалу времени, позволяя просматривать короткие экземпляры и лучше сравнивать их.

Эти записи вибрационного рисунка можно использовать для измерения и сравнения звуков, но не для воссоздания звука, так как линии на бумаге или царапины в саже-хороший способ сохранить границы считывающей иглы. потребовалось до 2000 года и использование сканеров, а также цифровой обработки, чтобы воссоздать эти записанные звуки.

Решение для воссоздания звуков было найдено компанией Edison Laps в 1877 году с помощью фонографа, который использовал кусок толстой фольги для записи рисунка движения мембраны. Опять же, затем кодирование выполнялось с помощью настройки рычага и скорости, с которой цилиндр, покрытый фольгой, двигался (или, скорее, вращался). Он будет до 1880-х годов развиваться в восковой цилиндр, из которого было легче писать и воспроизводить. Одной из таких машин пользовался Карл Орф.

Первый граммофон появился в 1889 году, в основном изменив форму носителя записи с цилиндрической на хорошо известную форму виниловых пластинок, но изготовленную из твердого пластика и шеллака. Примерно в 1901 году 12-дюймовый граммофонный диск содержал всего 4-минутную дорожку, что красноречиво говорило о проблемах кодирования сложных звуковых образов на диске. В то же время цилиндр Эдисона Амберола выдерживал 4 минуты 30 секунд, но вращался со скоростью 160 оборотов в минуту. Вскоре после этого целлулоид стал носителем записи своего времени, а диск де-факто стал "стандартом", поскольку его можно было гораздо лучше хранить.

В 1925 году, наконец, настоящий стандарт был разработан для записи в $78^{+0.26}_{-0.08}$ об / мин, который приводит к только 0.34 об / мин разница между районами 60 или 50 Гц напряжение питающей сети (хотя они необходимы различные кодеры), внесения записей взаимозаменяемы между обоими типов машин. Все эти записи были закодированы естественным образом: колебания мембраны в инструменте записи были бы 1:1, передаваемые на вибрирующий стилус, который затем выполнял бы кодирование таким образом, чтобы машина воспроизводила то, что записывающий "слышал" довольно точно.

Когда винил появился на игровом поле в качестве носителя записи в конце Второй мировой войны, произошла замена типа иглы для считывания: вместо иглы, которая будет непосредственно возбуждать мембрану, появились сапфировые иглы, которые будут возбуждать электрический датчик, который, в свою очередь, активирует динамик. Но хотя технология записи была продвинута, длина дорожки 12-дюймового диска все еще ограничивалась примерно 4 минутами при 78 оборотах в минуту. Он достигнет большего только в последние годы своего использования, применив технологии LP для более плотной укладки трассы в 1950-х годах, достигнув 17 минут.

В 1948 году вышла пластинка, которую мы знаем как классическую виниловую пластинку. При его введении он мог втиснуть 23 минуты на одну сторону, что стало возможным только за счет использования 33,5 оборотов в минуту в качестве скорости записи и более тонких, гораздо более плотных спиральных каналов, что увеличило плотность информации в 5,75 раза для 12-дюймового диска. 7-дюймовые 45-оборотные "синглы" вышли 4 года спустя. В течение 10 лет варианты с кодировкой 33,5 и 45 оборотов в минуту почти полностью заменили рынок с частотой вращения 78 оборотов в минуту.

Винил

Как показывает история аналогичных записей, кодирование звукового сигнала довольно просто в теории, но сложно на практике. Типичная 12-дюймовая виниловая пластинка LP продолжительностью 20 минут представляет собой рощу длиной 427 метров, свернутую в рулон 667 раз. Это означает, что ширина одной канавки составляет от 0,04 до 0,08 мм, а между ними-одинаково тонкая стенка. Это означает, что для получения печатной фонографической записи вам придется печатать с точностью до 40 микрон, чтобы получить пустую дорожку. Однако нам также нужно добавить сигнал сверху. И вот тут возникает настоящая проблема:

Пустая дорожка имеет отклонения примерно в 22 мкм, которые игла обычно вообще не улавливает. Пыль, которая иногда создает потрескивание, находится в той же области (1-100 мкм). Фактический звуковой сигнал кодируется, чтобы иметь характеристики размером не более 75 нанометров. Это на 3 величины ниже, чем простая геометрия рощи, и в равной степени намного ниже, чем может достичь любой принтер, включая SLS, сегодня, поскольку 50 мкм часто считается нижним пределом в 2019 году.

Чтобы показать, насколько крошечные дефекты могут испортить качество звука, посмотрите на этот быстрый слепок виниловой пластинки. Разрешение негатива и последующей отлитой записи достаточно хорошее, чтобы распознать музыку, но отлитая смола содержала так много пузырьков газа, что уровень шума при копировании очень высок.

Бонус: В отличие от цилиндров, кодировка сигнала на дисках меняется от начала до конца! Винил вращается с постоянной скоростью, но радиус от центра изменяется, что приводит в скорости на любой части роща быть разные, как $|v|=|\omega \vec r \sin(\theta)|$, где омега скорость в радианах в секунду, где Theta-угол ридинг, поэтому в этом случае синус срок будет 1 и исчезает. Этот фактор необходимо учитывать при кодировании, чтобы высота звука записи не менялась, если запись не создается естественным путем путем записи сигнала на вращающийся диск.

Другое кодирование

Полосы Грохота

Однако довольно легко создать структуру, которая создает звуки на основе взаимодействия с другим телом. Звуковые полосы шоссе создают звуки, когда автомобильная шина подпрыгивает вверх и вниз, превращая машину и шины в резонансные тела, в то время как улица "бьет" по ней. В случае с большим ударным инструментом, таким как автомобиль, мы говорим о сантиметровом масштабе.

Пэг-Цилиндр

Очень простой способ состоял бы в том, чтобы вернуться к кодированию и проверить нотную запись, но ограничить длину нот одной единицей. Кодирование музыки таким образом приводит к появлению колышков или выступов на цилиндре, которые затем можно использовать для приведения в действие механизма для декодирования музыки и создания звуков, как в музыкальной шкатулке. В музыкальной шкатулке такого рода требования к точности примерно на 3-5 величин ниже, чем в виниловых пластинках: мы говорим о шкале от одной десятой миллиметра до сантиметра.

Такая музыкальная шкатулка или шумовщик могут быть легко напечатаны и в значительной степени представляют собой полоску грохота, намотанную вокруг цилиндра. Длина образца определяется разрешением, скоростью воспроизведения и диаметром цилиндра, в то время как сложность определяется его рядами колышков: шумовой генератор-это в значительной степени 1-нота, высокая скорость, музыкальная шкатулка. Как правило, при одном вращении сохраняется от 25 до 30 секунд. Типичными примерами могут быть первая часть "К Элизе" или мраморная машина (между 30 и 35 секундами кодирующее колесо вращается на одну пятую). Некоторые бочкообразные органы также используют метод привязки, как можно увидеть здесь. С некоторой хитростью один цилиндр можно было бы использовать для кодирования нескольких частей, которые воспроизводятся одна за другой после того, как будет выполнено вращение, и заглушить некоторые части машины в зависимости от дополнительного кодера, например, эту музыкальную шкатулку из 3 частей для Элизы.

Отверстие-пластина(-полоса)

Другим методом было бы кодирование музыки в виде отверстий в непрерывной полосе и использование воздуха в качестве метода декодирования. Если затем воздух попадет в трубы, у нас есть уличный орган. Обычно в качестве закодированного сообщения используется бумажная полоска, но она может быть напечатана так же хорошо, особенно если используется настройка, в которой используются пластины, прикрепленные друг к другу, а не свернутая бумага, как в этом примере. С таким способом спрятать дополнительную длину, верхний предел длины музыки легко увеличивается от пары секунд до нескольких минут даже при такой "плохой" кодировке.

Я думаю, что это почти выполнимо. В этом ответе я предположу, что вы хотите создать объект в стиле "грохочущая полоса", который будет воспроизводить запись человеческой речи. Я предполагаю, что вас не волнует качество звука, вы просто хотите, чтобы слова были понятными.

Главное, что следует учитывать, - это разрешение принтера, размер печатаемого объекта и частота дискретизации. Вместе эти факторы определяют длину звука и скорость, с которой вам нужно двигаться по нему, чтобы воспроизвести звук.

Давайте начнем с частоты дискретизации. Частота дискретизации компакт-диска составляет 44100 отсчетов в секунду (Гц), но это может быть немного амбициозно. Телефоны используют более низкую частоту дискретизации 8000, и здесь говорится, что речь по-прежнему понятна при частоте дискретизации 2500 Гц. Давайте продолжим с этой частотой.

Теперь давайте рассмотрим разрешение принтера. Типичный размер сопла составляет 0,2 мм, что, вероятно, ограничивает разрешение примерно до этого размера, хотя вы, вероятно, можете сделать это лучше с некоторой осторожностью, и я думаю, что люди в этом сообществе смогут помочь в этом. Я предполагаю, что вы захотите напечатать объект горизонтально, поэтому вы имеете дело с разрешением xy, а не с разрешением z. (Обратите внимание, что 3D-принтеры из смолы имеют гораздо лучшее разрешение, поэтому они могут идеально подходить для этой задачи, несмотря на меньшие объемы печати.) Давайте начнем с предположения, что 0,2 мм-это наше разрешение, поскольку этого должно быть легко достичь с помощью любого принтера.

Это означает, что каждый образец в звуковом файле занимает около 0,2 мм. Допустим, у нас есть одна секунда речи - этого достаточно, чтобы, например, сказать "Привет!" - на частоте 2500 Гц. Это означает, что у нас есть 2500 образцов. 2500 * 0,2 мм = 500 мм, поэтому ваша полоса грохота будет длиной около 1/2 метра. Это вряд ли поместится на вашем печатном столе, но вы можете распечатать его по частям и склеить их вместе - вероятно, вы сможете распечатать их все одновременно. Вы даже можете свернуть его в спираль, сделав его еще больше похожим на виниловую пластинку.

Затем все, что вам нужно сделать, это взять жесткий предмет, например медиатор, и провести им по полосе с нужной скоростью, чтобы это заняло около 1 секунды. Затем вы должны услышать воспроизведение звука. Прикрепление резонатора к кирке или полоске должно увеличить объем.

Увеличение разрешения уменьшит длину полосы, или позволит вам воспроизводить более длинный звук для той же длины полосы, или увеличит частоту дискретизации. Например, если вы можете получить разрешение 0,1 мм, то вместо этого вы можете воспроизводить 2-секундный звук, используя ту же полосу грохота длиной 0,5 м.

В принципе, создать объект несложно, но я не знаю ни одного программного обеспечения, которое могло бы сделать это из коробки. Вам просто нужно, чтобы высота поверхности соответствовала форме волны. Если бы я делал это, я бы, вероятно, написал скрипт на Python, чтобы превратить файл wave в список чисел, а затем вставить их в функцию polygon OpenSCAD, которую я бы затем выдал, чтобы создать объект. Но другие могли бы знать более простой способ.

Вот альтернатива, которая использует преимущества относительно (!!) высокоточных возможностей 3D-принтера: сделайте полоску литопана и используйте оптический датчик для воспроизведения звука.

Это (было) сделано для кодирования саундтрека к фильмам вместе с кадрами изображений на полосе пленки (катушке). В основном толщина печати в данном месте модулирует оптическую пропускную способность и, следовательно, мощность сигнала фотоприемника.

Обратите внимание, что, как и в случае с кинопленками, вам потребуется много недвижимости, чтобы записать приличное количество звука.