По схеме рис. 17 можно собрать гудок, тон которого будет периодически меняться.
В тех случаях, когда необходимо ограничить время звучания гудка, устройство можно построить по схеме рис. 18. При нажатии на кнопку SB1 подаётся запускающий перепад напряжения на вход ждущего мультивибратора D1. На его входе появляется высокий логический уровень напряжения, и начинает работать управляемый мультивибратор D2. Его сигнал через логический элемент D3 поступает на динамическую головку ВА1.
Рис. 17. Схема гудка с периодически меняющимся тоном
Рис. 18. Схема гудка с ограниченным временем звучания
Примером устройства, использующего одновременно и звуковую, и световую сигнализацию, может служить контрольное устройство для дежурного робота (рис. 19). Рассмотрим работу этого устройства. Задающий мультивибратор D1 периодически переключает триггер D2 в состояние, при котором на его выходе присутствует высокий уровень напряжения. Этот уровень приложен к входу логического элемента D8, нагруженного сигнальной лампой HL1. Выходной сигнал мультивибратора D6 прерывает свечение лампы, делая световой сигнал более заметным.
С выхода триггера D2 сигнал поступает также на элемент совпадения D3. Сигнал с выхода инвертора D4 включает управляемый генератор D5. Выходной сигнал этого генератора через элемент D7 подан на динамическую головку ВА1. Поскольку на второй вход элемента D7 подан также сигнал с мультивибратора, звуковой сигнал будет прерывистым.
Рис. 19. Схема контрольного устройства для дежурного робота
Моделирование радиоэлектронных робототехнических устройств на микросхемах. Самыми совершенными радиоэлектронными модулями являются интегральные микросхемы, содержащие в небольшом объёме очень большое число радиодеталей. На рис. 20 показан кристалл микросхемы рядом с муравьём. Не правда ли, впечатляющее сравнение?
Если вы хорошо усвоили все предыдущее, то сумеете работать и с микросхемами. Здесь придётся пользоваться специальным паяльником с очень тонким жалом, пинцетом и другими миниатюрными инструментами. С микросхемами надо обращаться очень аккуратно и грамотно.
Устройства, собранные на микросхемах, как правило, не требуют налаживания и конструктивно выглядят весьма простыми. Большой популярностью пользуются микросхемы серии К155, выполненные на основе транзисторно — транзисторной логики (ТТЛ). В этой серии есть многовходовые элементы И — НЕ, триггеры, счётчики, дешифраторы, запоминающие и другие устройства.
Чтобы помочь читателям освоить микросхемы и приступить к сознательному моделированию микроэлектронных робототехнических устройств, разработан и выпускается промышленностью «Конструктор для изучения микросхем и логических основ построения ЭВМ» (рис. 21). Он очень прост и может быть выполнен дома или в кружке робототехники. Этот конструктор позволяет на одной из самых распространённых микросхем К155 Л A3, состоящей из четырёх логических элементов 2И — НЕ, проделать десятки экспериментов.
Рис. 20. Кристалл микросхемы и муравей
Рис. 21 Конструктор для изучения микросхем и югических основ построения ЭВМ
Он состоит из упомянутой микросхемы и набора резисторов, конденсаторов, светодиодов, кнопок и гнёзд. Соединяя отдельные элементы конструктора проводниками, подключаемыми к гнёздам, можно собирать на микросхеме до 30 радиоэлектронных устройств.
Кибернетический конструктор. Выпускаемый промышленностью кибернетический конструктор (рис. 22) позволяе! собирать из микросхем серии К155 основные узлы ЭВМ и различные занимательные радиоэлектронные устройства. С помощью конструктора можно ознакомиться с функциями половинного сумматора ЭВМ, дешифратора, регистра, накопителя, счётчика, элементов памяти ЭВМ и т д. Он позволяет моделировать ряд устройств, различных робототехнических систем.
Рис. 22 Кибернетический конструктор для изучения основных элементов и узлов ЭВМ и моделирования различных работа — технических систем.
Принцип его построения такой же, что и у конструктора, предназначенного для изучения логических основ построения ЭВМ, но в нём предусмотрена сборка устройств, состоящих из нескольких (до четырёх) микросхем. Этот конструктор также может быть изготовлен в кружке робототехники.
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЧИ
ИСКУССТВЕННАЯ РЕЧЬ И СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ПРОБЛЕМЫ
Говорящие машины уже существуют. Словарь их пока небольшой и состоит из слов, произнесённых человеком и записанных на магнитный барабан. Наиболее известный тому пример — говорящие часы, работающие на многих телефонных станциях.
Машины, использующие предварительно записанную речь, довольно дёшевы и очень удобны, если число сообщений невелико, но непригодны, если требуется обычная непрерывная речь. Одна из причин состоит в том, что с возрастанием числа хранимых слов хранилище записанных слов становится слишком большим и дорогим. Другой причиной является то, что в разговорной речи одно и то же слово может участвовать в предложениях разного типа, с различными ударениями, интонациями и несколькими вариантами произношения. Поэтому невыгодно использовать непосредственную запись речи для говорящих машин более общего типа. Выгоднее машины, в некотором смысле моделирующие работу голосовой системы человека. Машины, которые не воспроизводят ранее записанную речь, а синтезируют её, называют «синтезаторами речи».
История синтезаторов речи очень стара. Наиболее ранние были непосредственными копиями человеческого речевого аппарата и использовали воздуходувные меха, язычки и резонаторы. Управляли этими машинами, как правило, вручную, с помощью набора рычагов. Одна из таких машин была построена Вольфгангом фон Кемпелиа в конце XVIII века. Известно, что она очень хорошо имитировала речь, хотя не совсем правильно воспроизводила некоторые звуки. В 1920 году акустическая модель Р. Пэджета произносила целые фразы, например: «Алло, Лондон, вы слушаете?» или «О, Лейла, я люблю Вас!». Для этого автору приходилось руками очень искусно изменять форму резонирующей полости машины.
При дальнейшем моделировании оказалось (как часто бывает при моделировании функций человеческого организма), что воспроизведение человеческой речи исключительно сложно. Развитие говорящих машин стало действительно возможным только с появлением современной электронной техники, которая позволяет достигнуть необходимого уровня сложности.
Убедиться в сложности речевых сигналов позволяют спектрографы или анализаторы спектра. Простейшим прибором для частотного анализа является резонансный частотомер, содержащий ряд упругих стальных пластин с различной частотой собственных колебаний. При подаче на электромагнит этого прибора сигналов речи поле электромагнита возбуждает только ту пластину, собственная частота которой совпадает с частотой исследуемого сигнала.
На рис. 23 показан получающийся таким способом частотно — временной спектр звука сирены с постепенно повышающейся частотой, а на рис. 24 — спектр звука отдельного слова, произнесённого человеком. Как видно из рисунков, звуковые колебания, образующие речь (в отличие от речи автомата — сирены), содержат много составляющих, которые в сумме создают сложную звуковую картину. К сожалению, эти картины очень отличаются не только у различных дикторов, но даже у одного и того же человека в разное время.
Рис. 23. Спектр звука сирены Рис. 24. Спектр слова, произнесённого человеком
Взгляните на шесть контурных диаграмм английского слова «You» (рис. 25) — и вы убедитесь в этом.
Рис. 25. Контурные диаграммы английского слова «You»
Диаграммы получены от пяти различных людей, только нижние две диаграммы — от одного человека (на диаграммах контурные линии отображают различную интенсивность звучания).
ПРОСТЕЙШИЕ УСТРОЙСТВА РЕЧИ РОБОТОВ
Каждому ясно, что проще всего сделать говорящую модель, если в неё установить магнитофон. В отдельных случаях это решение подходит. Но в таком варианте больше механики, чем электроники, а сейчас электронные синтезаторы речи и вокодеры более современны и интересны.
Однако и магнитофонная речь вполне применима в некоторых речевых системах роботов, например в конструкции робота — секретаря, отвечающего на телефонные звонки: «Хозяина дома нет» или «Сообщите, что ему передать» и т.д.
В пионерском лагере им. Вити Коробкова (Крымская обл.) ребята вмонтировали магнитофон в модель фанерного львёнка (рис. 26). Если потянете львёнка за хвост — вспыхивает малиновым светом ротик, загораются зелёные глазки, он поднимает лапы и громко заявляет: «Хочу к маме в Африку или в пионерский лагерь „Иссары“!».
Рис. 26 Модель говорящего львёнка
Не скажешь, что электромеханическая система львёнка проста. Над ней пришлось потрудиться. Пришлось смонтировать магнитофон «Нота» с кольцевой лентой, на которую записали речь львёнка. Чтобы фраза каждый раз начиналась сначала, а не с произвольного места записи, ребята сделали фотоэлектронное устройство. Потребовалось установить систему конечных выключателей для коммутации ламп подсветки рта и глаз, магнитофона, усилителя. Чтобы звук был громче, применили четыре двухваттные динамические головки.
Но вот оказывается, что забавную систему речи иссаровского львёнка можно применить с пользой для сельского хозяйства в кибернетическом чучеле.
КИБЕРНЕТИЧЕСКОЕ ЧУЧЕЛО
Вам никогда не приходилось в пору созревания вишни бывать на Украине или в Молдавии? В это время тем, кто имеет сад, приходится выдерживать настоящие сражения. Кто же этот враг, который без объявления войны нападает на наши сады? Трудно даже поверить, — это птицы, и в основном те, кого мы весной встречаем скворечниками, — наши черногрудые скворцы!
В конце лета бесчисленные стаи птиц — скворцы, дрозды, воробьи — наносят громадный ущерб нашим садам. Численность скворцов в стаях доходит иногда до нескольких тысяч. Такой ораве достаточно нескольких минут, чтобы сад был опустошён. Ни одной ягодки обычно не остаётся…
Как защититься от птиц?
Технические достижения XX века почти не коснулись конструкции огородного чучела. Рваная рубашка на перекладине да ведро или тыква на жерди — так выглядит современный защитник наших огородов и садов. Таким же он был и 200 лет назад. К сожалению, приходится признать, что такое чучело совершенно не эффективно в борьбе с птицами: они к нему быстро привыкают и перестают бояться. Вот и приходится для защиты садов прибегать к хлопушкам и свисткам. С рассвета и до захода солнца людям приходится дежурить в садах и отпугивать непрошенных гостей. Как быть? Вот если бы научиться разговаривать по птичьи! Тогда можно было бы попытаться им кое-что объяснить…
Нужно научиться подавать им только один сигнал — сигнал тревоги, который птицы издают при приближении хищника.
Вот как эту задачу решили учёные из Молдавии. Они поймали скворца, посадили его в клетку и начали изучать те самые тревожные сигналы, которые издавала птица, когда к ней подносили близко кошку. Это и были сигналы тревоги по — скворечьи. Их записали на магнитофон и через усилитель и громкоговоритель стали передавать в садах и огородах. Заслышав такой сигнал, испуганные птицы тут же улетали и долго потом не возвращались. Так был найден надёжный способ защиты созревающего урожая от скворцов. Свою аппаратуру учёные назвали кибернетическим чучелом.
Для изготовления такого чучела понадобится магнитофон, усилитель мощностью 10 Вт и три — четыре одноваттных громкоговорителя, укреплённых на шестах на высоте 3…5 м.
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЧИ АВТОМАТОВ
Как мы уже видели из рис. 23, спектр речи автомата — сирены значительно проще речи человека. Чтобы получить сигнал сирены, нужно сформировать звуковой сигнал, частота которого периодически изменялась бы по пилообразному закону.
Функциональная схема электронной сирены приведена на рис. 27. Прямоугольные импульсы с выхода задающего мультивибратора через диод VD1, пропускающий только отрицательные полуволны импульсов, поступают на зарядно — разрядную цепь, состоящую из зарядного резистора R 3 ap, конденсатора С1 и резистора цепи разрядки К ра зр — Зарядно — разрядная цепь превращает прямоугольный импульс мультивибратора в пилообразный импульс, фронт и спад которого и будут определять характер звучания тревожных сигналов сирены. Второй мультивибратор задаёт среднюю частоту тона сирены.
Рис. 27. Функциональная схема электронной сирены
Регулируя резисторы R 3a p (сопротивлением 5…20 кОм) и R pa3 p = (390… 100 кОм), добиваются нужного качества звучания сирены.
Электронный музыкальный автомат. Сравнительно простой электронный музыкальный автомат может быть собран по схеме рис. 28 («Радио», 1982, 12).
Подбирают ту или иную мелодию подстроечными резисторами цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) (всего автомат выдаёт восемь звуков различной тональности). Частоту тактового генератора изменяют (если это необходимо) подборкой резистора R1.
Такой автомат удобно использовать в качестве квартирного звонка. Для этого его следует дополнить реле выдержки времени, усилителем мощности и сетевым блоком питания (рис. 29).
Если кратковременно нажать на кнопку SB1, сработает реле К1 и контактами К 1.1 самоблокируется. Автомат начнёт воспроизводить мелодию. По окончании мелодии счётчик возвратится в исходное состояние и на прямом выходе триггеров DD2.1, DD2.2, DD3.1,
Рис. 28. Простейший электромузыкальный инструмент
Рис. 29 Музыкальный автомат
Рис. 30 Автомат выдержки времени уcuлитель мощности и сетевой блок питания
DD3.2 29 появится напряжение высокого уровня. Соответственно на выходе элемента DD1.1 (рис. 30) будет напряжение низкого уровня и реле К1 отпустит якорь. Автомат выключится.
Усилитель мощности собран на двух транзисторах (VT2 и VT3) и нагружен динамической головкой ВА1.
Моделирование речи животных. Как вы убедитесь, схемы звуковых автоматов весьма просты. В них получение нужных сигналов сводится к включению и выключению (манипуляции) задающим генератором тона. Правда, в сирене использована не манипуляция, а модуляция, но по довольно простому закону — пилообразному. Эти автоматы очень просты в налаживании и часто работают сразу же после сборки. Значительно сложнее моделировать даже самую элементарную речь животных. Здесь законы модуляции гораздо многообразнее. Например, диаграмма кошачьего мяуканья (рис. 31, а) выглядит как плавное нарастание сигнала до максимума с последующим плавным спадом, а лай собаки — как наложение колебаний двух генераторов низкой частоты f t и более высокой Г 2 (рис. 31,6).
Моделирование речи человека. Из всех живых существ, населяющих мир, только человек оказался способным развить голосовой аппарат для кодирования и передачи сложнейшей информации. Учёные проводят сложнейшие исследования по автоматической расшифровке и имитации звуков речи, но пока ещё речевые сигналы содержат много загадок и не поддаются распознаванию даже с помощью тончайших анализаторов, использующих самые мощные современные электронные вычислительные машины.
Известны попытки имитации голоса человека с помощью электронных устройств. Так, роботостроитель Бруинсма, автор книги «Практические схемы роботов» (М.: Госэнер — гоиздат, 1962), создал для автомата «Игра в крестики и нолики» электронный прибор, имитирующий восторженный возглас человека при выигрыше автомата и «унылое ворчание» при проигрыше. В приборе более 10 мультивибраторов и других устройств. Однако его работа оставляет желать лучшего. Словом, моделирование речи — очень трудная задача.
Рис. 31 Эпюры напряжений
А — мяуканье кошки, б — лай собаки
Однако мы уже отмечали, что с помощью мультивибраторов можно получать звуки, близкие к звучанию некоторых гласных букв (А, О, И). Исследования показывают, что звучания этих гласных складываются из двух частот, т.е. для моделирования нужна параллельная работа по меньшей мере двух мультивибраторов.
Маломощные усилители речи роботов на микросхемах. В случаях, когда не требуется большая громкость звучания того или иного устройства речи робота и достаточно выходной мощности усилителя около 0,1 Вт, можно использовать усилители звуковой частоты, разработанные для миниатюрных приёмников («Радио», 1985, № 10). Такие усилители могут пригодиться в автоматических речевых устройствах.
Принципиальная схема первого варианта усилителя показана на рис. 32, а. Для повышения входного сопротивления усилителя в цепь эмиттера транзистора VT1 включён резистор R3 (его сопротивление может быть 110…240 Ом). Рекомендуемое сопротивление головки ВА1 громкоговорителя 6…8 Ом.
Второй вариант усилителя (рис. 32,6) отличается повышенной экономичностью. В первой ступени необходим транзистор с большим коэффициентом передачи тока, способный работать в режиме малых токов.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
В тех случаях, когда необходимо ограничить время звучания гудка, устройство можно построить по схеме рис. 18. При нажатии на кнопку SB1 подаётся запускающий перепад напряжения на вход ждущего мультивибратора D1. На его входе появляется высокий логический уровень напряжения, и начинает работать управляемый мультивибратор D2. Его сигнал через логический элемент D3 поступает на динамическую головку ВА1.
Рис. 17. Схема гудка с периодически меняющимся тоном
Рис. 18. Схема гудка с ограниченным временем звучания
Примером устройства, использующего одновременно и звуковую, и световую сигнализацию, может служить контрольное устройство для дежурного робота (рис. 19). Рассмотрим работу этого устройства. Задающий мультивибратор D1 периодически переключает триггер D2 в состояние, при котором на его выходе присутствует высокий уровень напряжения. Этот уровень приложен к входу логического элемента D8, нагруженного сигнальной лампой HL1. Выходной сигнал мультивибратора D6 прерывает свечение лампы, делая световой сигнал более заметным.
С выхода триггера D2 сигнал поступает также на элемент совпадения D3. Сигнал с выхода инвертора D4 включает управляемый генератор D5. Выходной сигнал этого генератора через элемент D7 подан на динамическую головку ВА1. Поскольку на второй вход элемента D7 подан также сигнал с мультивибратора, звуковой сигнал будет прерывистым.
Рис. 19. Схема контрольного устройства для дежурного робота
Моделирование радиоэлектронных робототехнических устройств на микросхемах. Самыми совершенными радиоэлектронными модулями являются интегральные микросхемы, содержащие в небольшом объёме очень большое число радиодеталей. На рис. 20 показан кристалл микросхемы рядом с муравьём. Не правда ли, впечатляющее сравнение?
Если вы хорошо усвоили все предыдущее, то сумеете работать и с микросхемами. Здесь придётся пользоваться специальным паяльником с очень тонким жалом, пинцетом и другими миниатюрными инструментами. С микросхемами надо обращаться очень аккуратно и грамотно.
Устройства, собранные на микросхемах, как правило, не требуют налаживания и конструктивно выглядят весьма простыми. Большой популярностью пользуются микросхемы серии К155, выполненные на основе транзисторно — транзисторной логики (ТТЛ). В этой серии есть многовходовые элементы И — НЕ, триггеры, счётчики, дешифраторы, запоминающие и другие устройства.
Чтобы помочь читателям освоить микросхемы и приступить к сознательному моделированию микроэлектронных робототехнических устройств, разработан и выпускается промышленностью «Конструктор для изучения микросхем и логических основ построения ЭВМ» (рис. 21). Он очень прост и может быть выполнен дома или в кружке робототехники. Этот конструктор позволяет на одной из самых распространённых микросхем К155 Л A3, состоящей из четырёх логических элементов 2И — НЕ, проделать десятки экспериментов.
Рис. 20. Кристалл микросхемы и муравей
Рис. 21 Конструктор для изучения микросхем и югических основ построения ЭВМ
Он состоит из упомянутой микросхемы и набора резисторов, конденсаторов, светодиодов, кнопок и гнёзд. Соединяя отдельные элементы конструктора проводниками, подключаемыми к гнёздам, можно собирать на микросхеме до 30 радиоэлектронных устройств.
Кибернетический конструктор. Выпускаемый промышленностью кибернетический конструктор (рис. 22) позволяе! собирать из микросхем серии К155 основные узлы ЭВМ и различные занимательные радиоэлектронные устройства. С помощью конструктора можно ознакомиться с функциями половинного сумматора ЭВМ, дешифратора, регистра, накопителя, счётчика, элементов памяти ЭВМ и т д. Он позволяет моделировать ряд устройств, различных робототехнических систем.
Рис. 22 Кибернетический конструктор для изучения основных элементов и узлов ЭВМ и моделирования различных работа — технических систем.
Принцип его построения такой же, что и у конструктора, предназначенного для изучения логических основ построения ЭВМ, но в нём предусмотрена сборка устройств, состоящих из нескольких (до четырёх) микросхем. Этот конструктор также может быть изготовлен в кружке робототехники.
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЧИ
ИСКУССТВЕННАЯ РЕЧЬ И СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ПРОБЛЕМЫ
Говорящие машины уже существуют. Словарь их пока небольшой и состоит из слов, произнесённых человеком и записанных на магнитный барабан. Наиболее известный тому пример — говорящие часы, работающие на многих телефонных станциях.
Машины, использующие предварительно записанную речь, довольно дёшевы и очень удобны, если число сообщений невелико, но непригодны, если требуется обычная непрерывная речь. Одна из причин состоит в том, что с возрастанием числа хранимых слов хранилище записанных слов становится слишком большим и дорогим. Другой причиной является то, что в разговорной речи одно и то же слово может участвовать в предложениях разного типа, с различными ударениями, интонациями и несколькими вариантами произношения. Поэтому невыгодно использовать непосредственную запись речи для говорящих машин более общего типа. Выгоднее машины, в некотором смысле моделирующие работу голосовой системы человека. Машины, которые не воспроизводят ранее записанную речь, а синтезируют её, называют «синтезаторами речи».
История синтезаторов речи очень стара. Наиболее ранние были непосредственными копиями человеческого речевого аппарата и использовали воздуходувные меха, язычки и резонаторы. Управляли этими машинами, как правило, вручную, с помощью набора рычагов. Одна из таких машин была построена Вольфгангом фон Кемпелиа в конце XVIII века. Известно, что она очень хорошо имитировала речь, хотя не совсем правильно воспроизводила некоторые звуки. В 1920 году акустическая модель Р. Пэджета произносила целые фразы, например: «Алло, Лондон, вы слушаете?» или «О, Лейла, я люблю Вас!». Для этого автору приходилось руками очень искусно изменять форму резонирующей полости машины.
При дальнейшем моделировании оказалось (как часто бывает при моделировании функций человеческого организма), что воспроизведение человеческой речи исключительно сложно. Развитие говорящих машин стало действительно возможным только с появлением современной электронной техники, которая позволяет достигнуть необходимого уровня сложности.
Убедиться в сложности речевых сигналов позволяют спектрографы или анализаторы спектра. Простейшим прибором для частотного анализа является резонансный частотомер, содержащий ряд упругих стальных пластин с различной частотой собственных колебаний. При подаче на электромагнит этого прибора сигналов речи поле электромагнита возбуждает только ту пластину, собственная частота которой совпадает с частотой исследуемого сигнала.
На рис. 23 показан получающийся таким способом частотно — временной спектр звука сирены с постепенно повышающейся частотой, а на рис. 24 — спектр звука отдельного слова, произнесённого человеком. Как видно из рисунков, звуковые колебания, образующие речь (в отличие от речи автомата — сирены), содержат много составляющих, которые в сумме создают сложную звуковую картину. К сожалению, эти картины очень отличаются не только у различных дикторов, но даже у одного и того же человека в разное время.
Рис. 23. Спектр звука сирены Рис. 24. Спектр слова, произнесённого человеком
Взгляните на шесть контурных диаграмм английского слова «You» (рис. 25) — и вы убедитесь в этом.
Рис. 25. Контурные диаграммы английского слова «You»
Диаграммы получены от пяти различных людей, только нижние две диаграммы — от одного человека (на диаграммах контурные линии отображают различную интенсивность звучания).
ПРОСТЕЙШИЕ УСТРОЙСТВА РЕЧИ РОБОТОВ
Каждому ясно, что проще всего сделать говорящую модель, если в неё установить магнитофон. В отдельных случаях это решение подходит. Но в таком варианте больше механики, чем электроники, а сейчас электронные синтезаторы речи и вокодеры более современны и интересны.
Однако и магнитофонная речь вполне применима в некоторых речевых системах роботов, например в конструкции робота — секретаря, отвечающего на телефонные звонки: «Хозяина дома нет» или «Сообщите, что ему передать» и т.д.
В пионерском лагере им. Вити Коробкова (Крымская обл.) ребята вмонтировали магнитофон в модель фанерного львёнка (рис. 26). Если потянете львёнка за хвост — вспыхивает малиновым светом ротик, загораются зелёные глазки, он поднимает лапы и громко заявляет: «Хочу к маме в Африку или в пионерский лагерь „Иссары“!».
Рис. 26 Модель говорящего львёнка
Не скажешь, что электромеханическая система львёнка проста. Над ней пришлось потрудиться. Пришлось смонтировать магнитофон «Нота» с кольцевой лентой, на которую записали речь львёнка. Чтобы фраза каждый раз начиналась сначала, а не с произвольного места записи, ребята сделали фотоэлектронное устройство. Потребовалось установить систему конечных выключателей для коммутации ламп подсветки рта и глаз, магнитофона, усилителя. Чтобы звук был громче, применили четыре двухваттные динамические головки.
Но вот оказывается, что забавную систему речи иссаровского львёнка можно применить с пользой для сельского хозяйства в кибернетическом чучеле.
КИБЕРНЕТИЧЕСКОЕ ЧУЧЕЛО
Вам никогда не приходилось в пору созревания вишни бывать на Украине или в Молдавии? В это время тем, кто имеет сад, приходится выдерживать настоящие сражения. Кто же этот враг, который без объявления войны нападает на наши сады? Трудно даже поверить, — это птицы, и в основном те, кого мы весной встречаем скворечниками, — наши черногрудые скворцы!
В конце лета бесчисленные стаи птиц — скворцы, дрозды, воробьи — наносят громадный ущерб нашим садам. Численность скворцов в стаях доходит иногда до нескольких тысяч. Такой ораве достаточно нескольких минут, чтобы сад был опустошён. Ни одной ягодки обычно не остаётся…
Как защититься от птиц?
Технические достижения XX века почти не коснулись конструкции огородного чучела. Рваная рубашка на перекладине да ведро или тыква на жерди — так выглядит современный защитник наших огородов и садов. Таким же он был и 200 лет назад. К сожалению, приходится признать, что такое чучело совершенно не эффективно в борьбе с птицами: они к нему быстро привыкают и перестают бояться. Вот и приходится для защиты садов прибегать к хлопушкам и свисткам. С рассвета и до захода солнца людям приходится дежурить в садах и отпугивать непрошенных гостей. Как быть? Вот если бы научиться разговаривать по птичьи! Тогда можно было бы попытаться им кое-что объяснить…
Нужно научиться подавать им только один сигнал — сигнал тревоги, который птицы издают при приближении хищника.
Вот как эту задачу решили учёные из Молдавии. Они поймали скворца, посадили его в клетку и начали изучать те самые тревожные сигналы, которые издавала птица, когда к ней подносили близко кошку. Это и были сигналы тревоги по — скворечьи. Их записали на магнитофон и через усилитель и громкоговоритель стали передавать в садах и огородах. Заслышав такой сигнал, испуганные птицы тут же улетали и долго потом не возвращались. Так был найден надёжный способ защиты созревающего урожая от скворцов. Свою аппаратуру учёные назвали кибернетическим чучелом.
Для изготовления такого чучела понадобится магнитофон, усилитель мощностью 10 Вт и три — четыре одноваттных громкоговорителя, укреплённых на шестах на высоте 3…5 м.
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЧИ АВТОМАТОВ
Как мы уже видели из рис. 23, спектр речи автомата — сирены значительно проще речи человека. Чтобы получить сигнал сирены, нужно сформировать звуковой сигнал, частота которого периодически изменялась бы по пилообразному закону.
Функциональная схема электронной сирены приведена на рис. 27. Прямоугольные импульсы с выхода задающего мультивибратора через диод VD1, пропускающий только отрицательные полуволны импульсов, поступают на зарядно — разрядную цепь, состоящую из зарядного резистора R 3 ap, конденсатора С1 и резистора цепи разрядки К ра зр — Зарядно — разрядная цепь превращает прямоугольный импульс мультивибратора в пилообразный импульс, фронт и спад которого и будут определять характер звучания тревожных сигналов сирены. Второй мультивибратор задаёт среднюю частоту тона сирены.
Рис. 27. Функциональная схема электронной сирены
Регулируя резисторы R 3a p (сопротивлением 5…20 кОм) и R pa3 p = (390… 100 кОм), добиваются нужного качества звучания сирены.
Электронный музыкальный автомат. Сравнительно простой электронный музыкальный автомат может быть собран по схеме рис. 28 («Радио», 1982, 12).
Подбирают ту или иную мелодию подстроечными резисторами цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) (всего автомат выдаёт восемь звуков различной тональности). Частоту тактового генератора изменяют (если это необходимо) подборкой резистора R1.
Такой автомат удобно использовать в качестве квартирного звонка. Для этого его следует дополнить реле выдержки времени, усилителем мощности и сетевым блоком питания (рис. 29).
Если кратковременно нажать на кнопку SB1, сработает реле К1 и контактами К 1.1 самоблокируется. Автомат начнёт воспроизводить мелодию. По окончании мелодии счётчик возвратится в исходное состояние и на прямом выходе триггеров DD2.1, DD2.2, DD3.1,
Рис. 28. Простейший электромузыкальный инструмент
Рис. 29 Музыкальный автомат
Рис. 30 Автомат выдержки времени уcuлитель мощности и сетевой блок питания
DD3.2 29 появится напряжение высокого уровня. Соответственно на выходе элемента DD1.1 (рис. 30) будет напряжение низкого уровня и реле К1 отпустит якорь. Автомат выключится.
Усилитель мощности собран на двух транзисторах (VT2 и VT3) и нагружен динамической головкой ВА1.
Моделирование речи животных. Как вы убедитесь, схемы звуковых автоматов весьма просты. В них получение нужных сигналов сводится к включению и выключению (манипуляции) задающим генератором тона. Правда, в сирене использована не манипуляция, а модуляция, но по довольно простому закону — пилообразному. Эти автоматы очень просты в налаживании и часто работают сразу же после сборки. Значительно сложнее моделировать даже самую элементарную речь животных. Здесь законы модуляции гораздо многообразнее. Например, диаграмма кошачьего мяуканья (рис. 31, а) выглядит как плавное нарастание сигнала до максимума с последующим плавным спадом, а лай собаки — как наложение колебаний двух генераторов низкой частоты f t и более высокой Г 2 (рис. 31,6).
Моделирование речи человека. Из всех живых существ, населяющих мир, только человек оказался способным развить голосовой аппарат для кодирования и передачи сложнейшей информации. Учёные проводят сложнейшие исследования по автоматической расшифровке и имитации звуков речи, но пока ещё речевые сигналы содержат много загадок и не поддаются распознаванию даже с помощью тончайших анализаторов, использующих самые мощные современные электронные вычислительные машины.
Известны попытки имитации голоса человека с помощью электронных устройств. Так, роботостроитель Бруинсма, автор книги «Практические схемы роботов» (М.: Госэнер — гоиздат, 1962), создал для автомата «Игра в крестики и нолики» электронный прибор, имитирующий восторженный возглас человека при выигрыше автомата и «унылое ворчание» при проигрыше. В приборе более 10 мультивибраторов и других устройств. Однако его работа оставляет желать лучшего. Словом, моделирование речи — очень трудная задача.
Рис. 31 Эпюры напряжений
А — мяуканье кошки, б — лай собаки
Однако мы уже отмечали, что с помощью мультивибраторов можно получать звуки, близкие к звучанию некоторых гласных букв (А, О, И). Исследования показывают, что звучания этих гласных складываются из двух частот, т.е. для моделирования нужна параллельная работа по меньшей мере двух мультивибраторов.
Маломощные усилители речи роботов на микросхемах. В случаях, когда не требуется большая громкость звучания того или иного устройства речи робота и достаточно выходной мощности усилителя около 0,1 Вт, можно использовать усилители звуковой частоты, разработанные для миниатюрных приёмников («Радио», 1985, № 10). Такие усилители могут пригодиться в автоматических речевых устройствах.
Принципиальная схема первого варианта усилителя показана на рис. 32, а. Для повышения входного сопротивления усилителя в цепь эмиттера транзистора VT1 включён резистор R3 (его сопротивление может быть 110…240 Ом). Рекомендуемое сопротивление головки ВА1 громкоговорителя 6…8 Ом.
Второй вариант усилителя (рис. 32,6) отличается повышенной экономичностью. В первой ступени необходим транзистор с большим коэффициентом передачи тока, способный работать в режиме малых токов.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11