Krzemowy świerszcz

Świerszcze, żaby i kanarki to na ogół istoty organiczne, zbudowane z wypróbowanych i przetestowanych materiałów konstrukcyjnych jak DNA i białka. Tak było aż do teraz. Opisywany świerszcz jest elektroniczny, choć brzmi jak prawdziwy. Ten zabawny układ łudząco naśladuje również dźwięki żaby i kanarka (czego nikt nie spodziewałby się po świerszczu). Składa się z niewielu elementów, a jego zbudowanie jest łatwe i przyjemne.

Krzemowy świerszcz uwielbia śpiewać w ciemności. Ćwierka radośnie – ku irytacji innych. Gdy przeszkadza mu światło, przestaje śpiewać, ukrywając w ten sposób swoje miejsce pobytu aż do ponownego zapadnięcia zmroku. Gdy znów zapadnie ciemność, wznawia ćwierkanie, ale nie od razu. Czasem czeka nawet 40 sekund. I kiedy zaczynasz cieszyć się spokojem, a wszystkie myśli o irytującym świerszczu odpływają... ćwierkanie znów się pojawia. I rozpoczyna się polowanie na to nieznośne stworzenie. Widząc w ciemności jego błyszczące oczy, stajesz przed trudnym wyborem: pozostać skamieniałym i niezdolnym do ruchu lub stawić czoła temu przerażającemu widokowi!

Gdy dźwięk świerszcza już spowszednieje, można go zmienić na głos żaby rechoczącej w ciemności. Lub na coś zupełnie innego – dźwięk śpiewającego kanarka, ożywiający dzień.

Nazwa projektu bardzo przypomina tytuł naszego czasopisma, ale zapewniamy, że to czysty przypadek. Pochodzi ona stąd, że mechanizm generowania dźwięku świerszcza opiera się na DNA krzemowym (ang. „silicon”). Świerszcz wydaje z siebie ćwierkanie (ang. „chirp”). Stąd nazwa „Silicon Chirp”.

Jak wspominaliśmy, krzemowy świerszcz może również wydawać dźwięki żaby czy kanarka, a kształt świerszcza oczywiście nie bardzo pasuje do tych alternatywnych dźwięków. Rozważaliśmy zrealizowanie trzech oddzielnych płytek drukowanych o różnych kształtach, ale wymiana jednej na drugą wydała się nam niepraktyczna.

Z drugiej strony – jest taki ptak altannik (gatunek występujący w Australii; przypis redaktora), który wygląda wprawdzie jak ptak, ale wydaje dźwięki przypominające odgłos piły łańcuchowej czy alarm samochodowy.

Nasz świerszcz jest zdeklarowanym brzuchomówcą i naśladuje dźwięki innych zwierząt, nie zmieniając swego kształtu. Jest tak utalentowany, że jego usta i nogi wcale się nie poruszają podczas wydawania dźwięków! W jego pobliżu można umieścić figurkę żaby albo ptaka, aby brzuchomówstwo wywoływało jeszcze bardziej realistyczny efekt.

Większość elementów świerszcza jest zamontowana na jego plecach. Oczy to trzymilimetrowe czerwone diody LED. Pod płytką drukowaną „odwłoku” znajduje się głośnik piezoelektryczny (dalej: głośnik piezo) odtwarzający dźwięki. Jest również sześć nóg z drutu miedzianego o średnicy 1,25 mm oraz dwa czułki i ogon, wykonane z cieńszego drutu.

Odgłos świerszcza

Świerszcze wydają ćwierkające dźwięki pocierając szorstką częścią jednego skrzydła o „skrobak” na drugim skrzydle. Proces ten zwany jest strydulacją. Podobnym procesem jest na przykład przesuwanie patykiem wzdłuż drewnianego płotu lub granie na staromodnej tarce do prania.

Dźwięk wydawany przez świerszcza składa się zazwyczaj z trzech ćwierknięć rozmieszczonych blisko siebie (trypletu). Następuje po nich dłuższa przerwa, a potem są kolejne trzy ćwierknięcia – i tak dalej. Występuje zatem określony wzór (kadencja).

Typowe ćwierknięcie składa się z czterech grup impulsów o częstotliwości 4 kHz, trwających po około 50 ms. Odstęp między ćwierknięciami wynosi również około 50 ms. Odstęp między trypletami wynosi około 250 ms. Czasy te nie są dokładne i nieco się różnią. Sam dźwięk ćwierkania świerszczy nie wydaje się jednak zróżnicowany w zauważalnym stopniu.

Krzemowy świerszcz naśladuje ten wzorzec. Wytwarza po trzy grupy impulsów 4 kHz, a trójki te są rozdzielone dłuższymi przerwami. Grupy trwają jednak po 20 ms, a odstępy między nimi wynoszą również po 20 ms, a więc różnią się od występujących w odgłosie prawdziwego świerszcza. Stwierdziliśmy jednak, że tak wytworzony dźwięk jest bardziej autentyczny.

Przebiegi sterujące głośnikiem piezo przedstawia oscylogram 1.

Oscylogram 1. Cykanie świerszcza jest symulowane poprzez sterowanie głośnikiem piezo grupami po trzy paczki sygnału odległe od siebie o około 20 ms. Pomiędzy tymi grupami występują znacznie dłuższe okresy ciszy

Aby efekt jak najbardziej przypominał odgłos prawdziwego świerszcza, odstępy czasowe ćwierkania zmieniają się nieznacznie w niewielkim zakresie. Innymi słowy, nie zawsze mają one dokładnie 20 ms długości i nie są oddalone od siebie dokładnie o 20 ms. Różnice w czasach zapewniają bardziej naturalną kadencję i zapobiegają sztucznemu brzmieniu ćwierkania.

W podobny sposób są w elektronicznym świerszczu wytwarzane dźwięki żab, ale z inną kadencją niż w przypadku odgłosu świerszcza. Dźwięk żaby składa się z zestawu 10 ćwierknięć o czasie trwania po 10 ms, z przerwami po 2 ms. Potem następuje przerwa 30 ms, a następnie kolejny zestaw sygnałów, tym razem trzech. Grupy dziesięciu i trzech ćwierknięć są rozdzielone opóźnieniem 200...1200 ms, które nieregularnie się zmienia. Częstotliwość ćwierkania wynosi około 2 kHz.

Dźwięki kanarków zostały podzielone na trzy rodzaje – A, B i C. Trel A brzmi jak u typowego kanarka. Melodia B symuluje odgłos kanarka rasy Fife. Sekwencja C obejmuje różne pojedyncze frazy wytwarzane przez te ptaki. Kanarek śpiewa w sposób losowy. Każda melodia jest powtarzana od dwóch do 27 razy, z przerwą między nimi wynoszącą od 2,4 do 17 sekund. Pomiędzy każdą serią powtarzanych melodii występuje dłuższa przerwa, trwająca od 80 sekund do dziewięciu minut.

Podobnie jak w przypadku dźwięków świerszcza i żaby, ptasie pieśni powstają w układzie krzemowego świerszcza poprzez zmianę częstotliwości, głośności i szerokości impulsów podawanych do głośnika piezo.

Głośność dźwięku jest zmieniana poprzez regulację szerokości impulsu sygnałów sterujących głośnikiem piezo. Impulsy wąskie dają małą głośność, a szersze – dźwięk głośniejszy. Maksymalna szerokość impulsu odpowiada współczynnikowi wypełnienia 50%.

Każde ćwierknięcie rozpoczyna się od impulsów o minimalnej szerokości, zwiększanej z biegiem czasu aż do osiągnięcia wymaganego poziomu głośności. Gdy ćwierkanie ma się zakończyć, szerokość impulsu jest w krótkim odstępie czasu zmniejszana do zera. Pozwala to uniknąć stuknięć w głośniku, które mogłyby popsuć cały efekt.

Świerszcze i żaby wydają dźwięki, gdy jest ciemno, natomiast trele ptaków pojawiają się głównie wtedy, gdy robi się jasno. W opisywanym układzie reakcja na światło i ciemność jest inna w trybach świerszcza i żaby, a inna w trybie kanarka.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz