Метка: Gadgets

Наушники для понимания ультразвука: как животные слышат мир | 2025-08-29T17:56:06

Из моих заметок, когда я читал Эда Йонга Immense World —

«..Известно, что диапазон слышимых частот у животных иной, чем у человека, но чтобы настолько иной, я не знал. Вот представьте самый писклявый писк на свете — это будет несколько ниже 20кГц, так как считается, что это верхний предел слышимого диапазона. Верхний предел как и нижний имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать звук частотой выше 16 кГц. Все, что выше 20кГц мы называем ультразвуком.

.

Так вот, оказалось, что наши ближайшие родственники шимпанзе слышат до 30кГц, собаки — до 45кГц, кошки — до 85кГц, мышь — до 100 кГц, а моль — так вообще до 300кГц. Вот представьте, в мире вокруг нас ведь очень много звуков высокой частоты, и насколько же богатый звуковой мир у них и насколько ограниченный у нас. Было бы интересно походить в наушниках, которые бы сжимали диапазон 20-40000Гц до 20-15000Гц. Причем многие животные, те же мыши, активно используют ультразвук для внутренней коммуникации, за рамками того, что могут слышать их враги.

.

И конечно как вопрос заходит об ультразвуке, нельзя не упомянуть летучих мышей с их эхолокацией. Оказалось, дико интересная тема.

.

Наверное, все же знают, что летучие мыши успешно охотятся в пещерах, куда вообще не проникает свет, и не врезаются во всякие сталактиты и сталагмиты. В английском языке есть выражение blind as a bat, но вообще-то у них есть зрение. У каких-то видов получше, у каких-то похуже. Но давайте про эхолокацию.

.

В целом, это обычный радар. Летучая мышь кричит, звук стукается в дерево, возвращается назад в ее уши, и она получает информацию, как далеко дерево, и тормозит или не тормозит. Но дьявол, как говорится, в деталях. «Инженерных».

.

Во-первых, высокочастотный звук быстро затухает, поэтому нужно очень громко кричать, чтобы обратно что-то прилетело с расстояния в несколько метров. Дальше летучие мыши просто не «видят». Так вот, они действительно очень громко кричат и крик направленный. Конкретно насчитали 138 децибелл, это уровень звука реактивного двигателя, если стоять рядом. Но в ультразвуковом диапазоне.

.

Во-вторых, когда они так громко кричат, им надо затыкать собственные уши, чтобы не убить свой чувствительный аппарат. Оказалось, у них есть специальная мускулатура, блокирующая внутреннее ухо в момент крика.

.

В-третьих, они и их добыча вообще-то в движении, очень быстром и хаотичном. При этом скорость звука около 343 метра в секунду. Мозг летучей мыши должен калькулировать разницу между сигналом и откликом, принимая во внимание как собственное движение в пространстве, так и движение добычи. Выяснилось, что вокальная мускулатура у летучей мыши умеет сокращаться до 200 раз в секунду. Причем частота зависит от фазы охоты. 200 раз – это самая финальная фаза, когда мотылек уже перед носом и нужно отслеживать мизерные движения.

.

В-четвертых, мозг летучей мыши еще должен справляться с тем, чтобы не создавать интерференцию между тем, что выкрикивалось два мгновения назад и тем, что викрикивалось мгновение назад. Учитывая, что звук вообще-то может отразиться от дальней стены и ближней ветки. А еще есть волны от криков других мышей, их обычно в пещерах очень много. Для этого они похоже кидают немного разную модуляцию, плюс эта мускулатура дает им возможность «выстреливать» очень короткими импульсами — несколько миллисекунд, и возобновлять импульсы с собственной частотой через очень короткие промежутки времени. Прикиньте какой компьютер у них в мозгах выполняет обратное преобразование Фурье.

.

Так вот, все это неплохо работает в небольших группах. Но вот например Бразильские складчатогубы живут группами в миллионы особей. Ну вот реально, вместе 20 миллионов ртов что-то кричат и ждут своего отклика от стен и друг друга. Тут просто так модуляцию и частоты не подберешь, а они как-то умудряются. Ну не идеально, и если их собирается реально большая куча в пещере, то свой коммьют на охоту и обратно в пещере они выполняют «по памяти» — видимо, из-за сложностей с эхолокацией. Когда на вход в пещеру ставили «дверь», то об нее разбивалось куча мышей.

.

В-пятых, задумайтесь, как они определяют расстояние. Это ведь надо пересчитать разницу между отправленным сигналом и полученным (на фоне кучи шума от других мышей), и для того, чтобы охотиться, нужно это очень точно высчитывать. А звук конечно не свет, но 343 метра в секунду это тоже много. Так вот исследования показали, что летучие мыши могут распознавать разницу в 1-2 миллионные доли секунды, что позволяет им определять дистанцию в доли миллиметра. Другими словами, наши глаза значительно менее точны, чем их уши.

.

Плюс к тому, условная моль вообще-то довольно сложное 3D-создание, которое отражает звук по-разному разными своими частями. Иначе бы летучие мыши жрали все, что движется. Они распознают. В полной темноте. Крик мыши содержит целую палитру частот, которые по-разному отражаются от частей моли, и мозг мыши как-то все это умудряется переводить в целостную картинку. Причем для каждой из составляющих частот задержка будет своей.

.

Потом на все это наслаивается собираемая информация в разрезе времени. Грубо говоря, снэпшот из одной точки объединяется со снэпшотом из точки в полуметре справа, а потом из точки в полуметре вперед и так много-много раз, отчего и «резкость» и детальность повышается. В целом, оно и у нас так — мы ведь видим только пятно перед собой четко, а остальное достраивается мозгом. Но мозг летучей мыши весит 1-2 грамма против наших полутра килограмм.

.

Вот задумайтесь, летите вы с таким встроенным радаром, и перед вами две ветки на одинаковом расстоянии, которые производят по сути один и тот же отклик для их ушей. И чтобы их различать и понимать, что это не один объект, а два, нужен реально продвинутый мозг.

.

Итак, они посылают импульсы длиной 1-20 мс, плюс паузы между импульсами подлиннее. Импульсы сложные по частотам, так что такие мыши называются мышами с частотной модуляцией (FM). Но есть около 160 видов, у которых крик идет значительно дольше — многие десятки миллисекунд, но с короткими паузами, и вместо сложной гаммы частот, эти используют чистую «ноту». Такие мыши называются CF — constant frequency. Так вот у этих мышек есть проблема с эффектом Допплера — это увеличение частоты при сокращении расстояния. Поскольку их мозг настроен на жесткую частоту, типа 87кГц например, они могут потерять добычу, если в их уши будет попадать отклик, смещенный по частоте. И что они делают — они орут на скорости звуком ниже, чтобы он по итогам эффекта Допплера пришел в нужной мозгу частоте.

.

Кстати, радар у них имеет два режима — вперед и вниз, отклики от которых обрабатываются отдельно. Радар вниз дает информацию о положении в пространстве, а радар вперед — положении в пространстве жертвы.

.

Когда я ресерчил вопрос, я выяснил, что да, после 20кГц человек ничего не слышит, кроме одного исключения — частоты 2.4ГГц и 10Ггц, которые относятся вообще к микроволновому диапазону. Да, человек может «слышать» эти частоты, но не ухом, но «слышать». Это явление называется микроволновым слуховым эффектом или эффектом Фрея. Впервые эффект был зарегистрирован людьми, работавшими вблизи радаров в годы Второй мировой войны, причём воспринимаемые ими звуки не были слышны другим. Как оказалось, при воздействии импульсного или модулированного микроволнового излучения на участки вокруг улитки уха происходит его поглощение тканями внутреннего уха, сопровождающееся их термическим расширением. В ходе этого процесса возникают ударные волны, воспринимаемые человеком как звук, который больше никому не слышен. Также было обнаружено, что при соответствующем выборе модулирующего сигнала существует возможность передавать человеку информацию в виде отдельных слов, фраз и других звуков. В зависимости от параметров излучения создаваемый в голове звук может раздражать, вызывать тошноту и даже выводить из строя. Громкость воспринимаемого звука можно изменять, но акустическую травму нанести невозможно, поскольку барабанная перепонка никак в процессе не участвует. Вообще говоря, способ адресно передавать звуковые сообщения, абсолютно неслышимые для других, рождает целый букет возможностей. Интересно, ведутся ли сейчас исследования по этой теме. Гуглеж показывает, что раньше они были довольно интенсивными.»

Я когда-то это опубликовал вместе с видео, а фейсбук считвает, то если публикуешь видео, то к нему текст должен занимать одну, максимум две строки. И в итоге никто этот текст почти не увидел. Все смотрели видео летающей по моей квартире летучей мыши 🙂

Тайные технологии AirPods: от антенны до аккумулятора | 2025-08-23T01:52:05

Очень интересное видео про то, как устроены наушники Apple Airpods (в комментах). Можно почитать, а можно мне просто поставить лайк и идти за оригинальным видео в комменты. Там с картинками!

Аккумулятор. 6 часов работы, но емкость всего 2% от емкости аккумулятора iPhone. «Мертвые зоны» в батарее, приводящие к снижению времени работы, могут возникать из-за резких перепадов температур или даже обычного падения наушников на пол. Там такой очень плотный «слоистый пирог» из пары дюжин слоев анод-катод. Акки поддельных AirPod или дешевых аналогов сильно хуже. Физика: Плохая упаковка означает меньше активного материала и меньше ионов лития, перемещающихся в каждом цикле => снижается плотность энергии и увеличивается внутреннее сопротивление => больше энергии теряется в виде тепла => аккумулятор изнашивается быстрее.

Антенна. Находится в ножке, потому что человеческая голова сильно глушит сигнал. Но в ножке мало места. Металлическая полоска-антенна, размером 2 мм на 10 микрон(!). Это тоньше человеческого волоса. При таком размере она не может самостоятельно держать форму. В другой потребительской электронике антенны можно вытравить на печатной плате, но это ограничивает их двумя измерениями. В ножке AirPod для этого недостаточно места. Поэтому Apple использует хитрое решение. Они встроили антенну в поверхность литой пластиковой цилиндрической детали. Там хитрый токопроводящий пластик — с добавлением металла. Лазер гравирует точную форму антенны в виде небольших каналов с шероховатой поверхностью. Затем эта канавка подвергается гальваническому покрытию, сначала медью, а затем покрывается золотом для защиты от коррозии. В результате получается прочная проводящая дорожка, которая соответствует 3D-геометрии литой детали, что было бы невозможно создать с помощью традиционных методов обработки. Пластик не просто поддерживает антенну конструктивно. К нему прикреплены другие компоненты, такие как кабель, который обвивает ножку для подключения антенны к чипу Bluetooth, датчик давления в ножке.

Микрофон. В AirPods не электретные микрофоны, а MEMS: «микроэлектронный» вариант конденсаторного. Ну собственно, это не только Apple — любые современные TWS-наушники, если только не самые дешевые. То есть, современные микрофоны делают по той же технологии, что и типы — фотолитография, слой за слоем, только в этом случае это механическое устройство, с рассчитанными полостями и гибкими слоями. Отдельно интересно как делают полости — делают отверстия, через которые внутрь проникает травильный раствор и растворяет жертвенные слои диоксида кремния.

Из-за такого микроскопического размера микрофонов там несколько. Но зачем нужно больше одного микрофона? Внизу AirPods вы увидите небольшую сетку, которая позволяет воздуху поступать во второй микрофон. Когда вы говорите, ваш голос достигает обоих микрофонов, но не одновременно. При разнице всего в несколько миллиметров чип может обнаружить задержку в шесть микросекунд между тем, как ваш голос достигает каждого микрофона. Этого достаточно, чтобы определить, откуда исходит звук, и сфокусироваться на нем. Поскольку он точно знает, на каком расстоянии находятся микрофоны, чип может сравнить каждый сигнал и усилить ваш голос во время звонков.

Третий микрофон — для шумоподавления. Он расположен прямо перед динамиком, внутри вашего уха.

Микрофоны потребляют около 130 мА, что быстро разрядило бы аккумулятор, если бы они были всегда активны. Вот почему они включаются только тогда, когда вы делаете звонок или используете шумоподавление. Но AirPods всегда ждут запроса к Siri. Как это возможно без постоянно активных микрофонов? Там хитрое решение. Внутри той части, что находится в ухе, спрятан небольшой датчик — акселерометр. Это тот же тип датчика, который используется в телефонах для определения ориентации. Но здесь он служит другой цели. Вместо измерения ориентации он ощущает вибрацию. Когда вы говорите, ваш голос проходит через вашу челюстную кость. И эту вибрацию улавливает акселерометр. Этого сигнала с низким энергопотреблением достаточно, чтобы разбудить систему и активировать микрофоны, когда он чувствует, что вы хотите активировать Siri. Прикиньте, а?

Звук в AirPods настраивается не «на слух», а на основе научной модели «идеального звука» (кривая Хармана), которая описывает, какое сочетание частот большинство людей воспринимает как наиболее приятное. Для этого там есть сложная рассчитанная система вентиляционных отверстий и сеток — для управления потоками воздуха, который предотвращает возникновение неприятного «гула» или резких звуков внутри ушного канала. Крупнее ячейки — проходит больше воздуха, меньше — меньше. Получается такая сетка, ее видно как черные фигни на белом наушнике — сняла я думал, это для красоты. Нет, это как раз та самая сетка. Но при этом нужно же какую-никакую влагозащиту делать, а тут сетка дырявая. Утверждается, что там какое-то нанопокрытие, отталкивающее воду.

Bluetooth. Почему он такой помехозащищенный. Оказывается, там используется технология скачкообразной перестройки частоты (Frequency Hopping). Устройства Bluetooth быстро переключаются между различными каналами много раз в секунду и адаптируются под результат.

Ирония трекинга: кольцо, питающееся вашей энергией | 2025-08-20T20:01:08

Только купил Oura Ring 4, как фейсбук начал крутить скам-рекламу про первое кольцо, которое отбирает у тебя энергию для своего выживания. Мооя прееллесть!..

Биометрия сердца: ключ к умной разблокировке часов | 2025-08-06T16:43:51

Почему никто не сделал так, чтобы умные часы разблокировались только на руке своего владельца, считывая его уникальный сердечный ритм или другие биометрические данные? Ну в приложение к тому, что телефон хозяина рядом.

Официально в настройках Apple Watch запретить это нельзя — Apple намеренно сделала так, что при первом надевании часов за день они всегда требуют код, даже если iPhone рядом. Это связано с политикой безопасности: часы могут оказаться на руке другого человека, а телефон — просто неподалёку.

При этом, у каждого человека есть уникальные паттерны сердечного ритма, которые включают в себя, например, небольшие вариации в интервалах между ударами сердца, особенности формы сердечного сигнала, то, как сердце реагирует на разные нагрузки. Эти микроскопические отличия и создают уникальную «картину» сердечного ритма, которую сложно подделать или повторить. У часов, после того, как их надели, и до того, как они нужны разблокированными, есть довольно много времени, чтобы собрать, обработать, и принять решение разблокировать или нет.

Интерактивная игра на скорость реакции с беспроводными кнопками | 2025-07-28T22:26:20

Кто в электронике шарит? Рекомендуйте.

Хочу сделать на каких-то выходных такую штуку. Большая лампочковая кнопка. Загорается — ты по ней долбишь. В приложении сечется время, сколько прошло от загорания до долбежки. Кнопок может быть несколько и они могут быть разбросаны — по стене или полу. БЕЗ ПРОВОДОВ. Загораться они могут рандомно — это управляется приложением (телефон или комп). На лету вычисляются метрики типа среднего времени реакции в разном понятии слова средний. Будет можно, например, поставить кнопки на землю в нескольких метрах друг друга и придумать подвижную игру детям. Можно прикрепить на стенке и шарашить в нее мячиком. Короче, технический вопрос на самом деле.

Как бы вы это сделали — глупые кнопки на чипе nRF24L01+ или умные кнопки на микроконтрлеере esp32?

В первом случае каждый такой модуль слушает радиоэфир: как только от центрального узла приходит команда с его ID, он включает свет. После нажатия кнопки — отправляет обратное сообщение «pressed». Таймер находится на стороне центрального узла. Каждая кнопка имеет Arduino Pro Mini + nRF24L01+, но будет еще центральный хаб тоже с nRF24L01+ и Arduino Uno, Mega или ESP32, который собирает данные и который связан с компом (Bluetooth или Wifi).

Во втором случае кнопки подключены по Bluetooth (BLE) или Wifi. Мозгами кнопки является ESP32, его надо программировать через программатор.

По деньгам получается оба подхода без стоимости аркадных кнопок и 3D-печати плюс-минус одинаково — где-то в районе $10-15 за кнопку.

Искусство американской лужайки: как создается эффект полос на газоне | 2025-07-14T14:42:25

Проезжаем постоянно такие поля, в полосочку или клеточку. Сейчас дошли руки посмотреть, как это делается. Называется это lawn striping, и эффект достигается тем, что травинки поворачиваются в разные стороны.

Направление, в котором согнута трава, определяет, будет ли полоса светлой или тёмной. Когда травинки наклонены от вас, газон выглядит светлее, так как свет отражается от широкой и длинной поверхности листа. Когда травинки наклонены к вам, газон кажется темнее, потому что вы смотрите на кончики травинок (меньшая отражающая поверхность) и видите тени под травой. Поэтому стрижка газона в противоположных направлениях (вверх/вниз, вправо/влево, север/юг, восток/запад и т. д.) создаёт наибольший контраст между полосами. Интересно, что поскольку “цвет” полосы зависит от того, с какого направления вы на неё смотрите, светлая полоса будет казаться тёмной, если посмотреть на неё с противоположной стороны.

Это возня с травой — очень американское явление. Я превозмогая лень стригу лужайку газонокосилкой только когда там трава неприлично разрослась (понятие «неприлично разрослась» я тоже с каждым годом корректирую, в том числе после получения ай-яй-яй писем от администрации поселка). Сосед же у меня делает это кажется каждые несколько дней, и однажды я его увидел на коленках в траве — он ругался, что кто-то вез что-то через его участок, и обронил в траву какие-то щепки и нарушил ее идеальность. В общем, ему не хватало только ножниц в руках.

Навязчивые AirPods на борту | 2025-06-26T12:45:23

Появляется такая хрень на телефоне и ее невозможно закрыть, она появляется снова и снова, каждую секунду. Минут пять так. Телефоном почти невозможно пользоваться. Оказалось через одного человека от меня в самолёте сидит мужик и открывает-закрывает коробочку айрподс, болтая с девушкой. Руки ему нечем занять, блин.

Как угадать гейт вылета до его объявления | 2025-06-24T22:08:32

Нашёл сейчас лайфхак как определить свой гейт вылета, когда его ещё нет на табло. Идёшь на planefinder net, вводишь свой рейс, он показывает бортовой номер самолёта на конкретный вылет. Жмешь на ссылку с бортовым номером, он показывает, откуда прилетает самолёт, на котором вылетать. И вот гейт, куда он прилетает, известен сильно раньше, чем гейт, откуда вылетает новый рейс. Вот к этому гейту и нужно идти, так как почти наверняка он и покажется на табло, когда до этого дойдут руки у кого-то там.

Да, все будет не к, если поменяют самолёт. Но самолёт очень наверняка не поменяется, так как замена должна быть на такой же, иначе будет бардак с местами, которые уже назначили, и меняют самолёт нечасто (но у меня меняли несколько раз). Тем не менее, в аэропорту делать нечего, а играть в игру дай угадаю гейт — интересно.