波でもうすこし基礎的な実験をしてみます

とても情けないです

今振り上げたこぶしは芝居じみた正義だと感じる、かえるのクーの助手の「井戸中　聖」（いとなか　セイ）でございます。

NO BORDERでよろしくおねがいします。

　  

波について理解を深めます

さて、波の理解がまだまだであると痛感しておりますので、波についての基礎的な実験をして理解を深めます。結果は教科書とおりであることは分かっているのですが、なにごとも実際にやってみて、体感することがとても大切だと感じます。リアリティの差は決定的に深層心理での処理能力差に直結します。

２つの基本波形（sin波）をいろいろ操作してみます。(説明上、周波数AとBとします）

和（足し算）

|A-B|がうなりとして発生します。右耳で440Hzの音叉をならし、左耳で442HzにチューニングしたA音を聞けば、頭の中で2Hzのうなりが聞こえます。（両耳で両方聞くより断然おもしろいです）

(リアルタイムに実音をきけるプログラムを作成していますが、デバッグ中。。。完成したらどこかに貼ります。グラフ部のリアルタイム表示動作が安定しない状況です。

追記：バグがとれたので画面を貼りなおします。）

なお、「うなり」はモノラルにして聞けばわかりやすいですが、ステレオ（右左別周波数）の場合かなり個人差があるようです。うなりがほとんど感じられない方や、音がぐるんぐるん回っているように聞こえる方がいるようです。わたくしは、まぁまぁ感じられる方かなと思います。

差（引き算）

片方の波形を反転（＝π(180°)位相変化）させたものの和に等しいです。

 

積（変調）

AM変調

波と波を単純に掛け算したものです。(片方の波はすべての値がマイナスにならないように、計算時にオフセットを加算します）

単純にAM変調すると、A、Bの周波数のほかに|A-B|、A+Bの周波数も発生します。いわゆる「ヘテロダイン」というやつです。600Hzを400Hzで変調すると、200Hzと1000Hzの音が現れるのが聞いていてもわかります。Leftがcarrier相当、Rightがsignal/modulator相当です。

FM変調

FM変調は「FM音源」で倍音をたくさん発生させるしくみとしても利用されています。基本周波数（キャリア）に対して、変調する周波数（シグナル）で周波数の増減を行います。変調する強度を変化させると倍音校正がかなり変化します。

電波といえばラジオについてのおさらい

懐かしのラジオでラジオの基本をおさらい 第１回 | マルツセレクト

懐かしのラジオで、ラジオの基本をおさらい 第２回 | マルツセレクト

FMラジオ完全自作はさすがになかなかないですね～

FMラジオ 7号機

干渉計についてのおさらい

干渉計測とトムソン散乱計測 -田中謙治研究室

 

せっせと日曜プログラム

ひさしぶりにQt + Pythonで画面をつくったら、まったく忘れておりまして苦労しました。

特にマルチスレッドは通常のPythonマルチスレッドではなく、Qt(PyQt)で準備されているマルチスレッドを使用しないと、画面の割り込みがうまくできないことをすっかり忘れていました。

あいかわらずQt＋Pythonはあまり人気がないようで、記事は多くないですね。自分用の備忘録が必要だと感じました。

上位天使（熾天使、智天使、座天使）の顕現を申請します

聖なる顕現の恐怖を以て愚かな人類をお導きください。よろしくお願いします

これは天使それとも使徒（ファンタジーファン＆EVAファン必修科目）

上位天使のご近影？（怖いけど必見）

 

(追記：バグがとれたので貼ります。実験プログラムなので、相変わらず醜いです）

ソースプログラム

Gitに載せるつもりですが、とりあえずのソースを貼っておきます。（Gitに載せたら、ここを消します）

SoundTest01.py

---

import sys

from PyQt5.QtCore import *
from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QMainWindow
from PyQt5.uic import loadUi
import pyaudio
import math
from enum import Enum
import numpy as np
import pyqtgraph

CHUNK = 1024
CHANNELS = 2
RATE = 48000
MAX_SIG = 32000
MAX_AREA = 32736
FORMAT = pyaudio.paInt16
MODE_STEREO = 1
MODE_MONO = 2

QT_FORM = 'SoundTest.ui'

class Mode(Enum):
    STEREO = 1
    MONO = 2
    AM = 3
    FM = 4


class Test(QMainWindow):
    UPDATE_SECOND = 10

    def __init__(self):
        super(Test, self).__init__()
        loadUi(QT_FORM, self)
        self.setWindowTitle('Fromant Test')
        self.r_freq = self.doubleSpinBox_right.value()
        self.l_freq = self.doubleSpinBox_left.value()
        self.p = SoundExperiment(self.r_freq, self.l_freq, Mode.STEREO)
        # Update timer setting
        self.timer = QTimer()
        self.timer.timeout.connect(self.plot_update)
        self.timer.start(self.UPDATE_SECOND)
        self.data = np.zeros(1)
        self.l_data = np.zeros(1)
        self.r_data = np.zeros(1)
        self.plotSpectrum.setYRange(-80, 0)  # set axis y range
        self.plotSpectrum.setXRange(0, 2000)  # set axis x range
        self.plotSignal.setYRange(-35000, 35000)  # set axis y range
        self.plotSignal.setXRange(0, 1023)  # set axis x range
        self.mode = None

    @pyqtSlot()
    def on_pushButton_start_clicked(self):
        self.label_debug.setText('pushButton_start clicked')
        self.p.start()
        self.label_debug.setText('start')

    @pyqtSlot()
    def on_pushButton_stop_clicked(self):
        self.label_debug.setText('pushButton_stop clicked')
        self.p.sound_stop()

    @pyqtSlot()
    def on_pushButton_close_clicked(self):
        self.label_debug.setText('pushButton_close clicked')
        self.p = None
        self.close()

    @pyqtSlot(float)
    def on_doubleSpinBox_left_valueChanged(self, w_float):
        self.label_debug.setText('doubleSpinBox_left:{0}'.format(w_float))
        self.l_freq = w_float
        self.p.set_l_freq(w_float)

    @pyqtSlot(float)
    def on_doubleSpinBox_right_valueChanged(self, w_float):
        self.label_debug.setText('doubleSpinBox_right:{0}'.format(w_float))
        self.r_freq = w_float
        self.p.set_r_freq(w_float)

    @pyqtSlot(float)
    def on_doubleSpinBox_modulation_valueChanged(self, w_float):
        self.label_debug.setText('doubleSpinBox_modulationt:{0}'.format(w_float))
        self.p.set_modulation(w_float)

    @pyqtSlot()
    def on_radioButton_stereo_clicked(self):
        self.label_debug.setText('on_radioButton_stereo clicked')
        self.p.set_mode(Mode.STEREO)
        self.mode = Mode.STEREO

    @pyqtSlot()
    def on_radioButton_mono_clicked(self):
        self.label_debug.setText('on_radioButton_mono clicked')
        self.p.set_mode(Mode.MONO)
        self.mode = Mode.MONO

    @pyqtSlot()
    def on_radioButton_am_clicked(self):
        self.label_debug.setText('on_radioButton_am clicked')
        self.p.set_mode(Mode.AM)
        self.mode = Mode.AM

    @pyqtSlot()
    def on_radioButton_fm_clicked(self):
        self.label_debug.setText('on_radioButton_fm clicked')
        self.p.set_mode(Mode.FM)
        self.mode = Mode.FM

    def get_mode(self):
        if self.radioButton_stereo.isChecked():
            self.p.set_mode(Mode.STEREO)
        elif self.radioButton_mono.isChecked():
            self.p.set_mode(Mode.MONO)

    def plot_update(self):
        # Get audio input
        if self.p is None:
            return
        data, l_data, r_data = self.p.get_data()
        if data is None:
            return

        self.data = np.append(self.data, data)  # Dummy Extend
        if len(self.data) / 1024 > 10:
            self.data = self.data[1024:]
        self.fft_data = self.FFT_AMP(self.data)
        self.fft_axis = np.fft.fftfreq(len(self.data), d=1.0 / RATE)
        self.fft_power = 20.0 * np.log10(self.fft_data * self.fft_data) - 20 * np.log10(MAX_AREA * MAX_AREA) - 120
        if self.mode == Mode.STEREO:
            self.l_data = np.append(self.l_data, l_data)  # Dummy Extend
            self.r_data = np.append(self.r_data, r_data)  # Dummy Extend
            if len(self.l_data) / 1024 > 10:
                self.l_data = self.l_data[1024:]
            self.fft_l_data = self.FFT_AMP(self.l_data)
            self.fft_l_axis = np.fft.fftfreq(len(self.l_data), d=1.0 / RATE)
            self.fft_l_power = 20.0 * np.log10(self.fft_l_data * self.fft_l_data) - 20 * np.log10(MAX_AREA * MAX_AREA) - 120
            if len(self.r_data) / 1024 > 10:
                self.r_data = self.r_data[1024:]
            self.fft_r_data = self.FFT_AMP(self.r_data)
            self.fft_r_axis = np.fft.fftfreq(len(self.r_data), d=1.0 / RATE)
            self.fft_r_power = 20.0 * np.log10(self.fft_r_data * self.fft_r_data) - 20 * np.log10(MAX_AREA * MAX_AREA) - 120

        if self.mode == Mode.STEREO:
            self.plotSignal.plot(x=range(1024), y=self.data[0:1024], clear=True, pen="y")
            self.plotSignal.plot(x=range(1024), y=self.l_data[0:1024], clear=False, pen="g")
            self.plotSignal.plot(x=range(1024), y=self.r_data[0:1024], clear=False, pen="r")
            self.plotSpectrum.plot(x=self.fft_l_axis, y=self.fft_l_power, clear=True, pen="g")
            self.plotSpectrum.plot(x=self.fft_r_axis, y=self.fft_r_power, clear=False, pen="r")
        else:
            self.plotSpectrum.plot(x=self.fft_axis, y=self.fft_power, clear=True, pen="y")
            self.plotSignal.plot(x=range(1024), y=self.data[0:1024], clear=True, pen="y")

    def FFT_AMP(self, data):
        data = np.hamming(len(data)) * data
        data = np.fft.fft(data)
        data = np.abs(data)
        return data


class SoundExperiment(QThread):
    def __init__(self, r_freq, l_freq, mode):
        super(SoundExperiment, self).__init__()
        self.mutex = QMutex()
        self.startFlg = False
        self.index = 0
        self.r_freq = r_freq
        self.l_freq = l_freq
        self.mode = mode
        self.modulation = 1.0
        self.pa = pyaudio.PyAudio()
        self.wave_data = None
        self.left_data = None
        self.right_data = None
        self.wave_bin_data = None
        self.stream = None

    def __del__(self):
        self.sound_stop()
        self.wait()
        pass

    def run(self):
        if not self.startFlg:
            self.startFlg = True
            self.stream = self.pa.open(format=FORMAT,
                                       channels=CHANNELS,
                                       rate=RATE,
                                       output=True)
            while self.startFlg:
                self.wave_bin_data, self.wave_data, self.left_data, self.right_data = self.create_data(CHUNK, self.index)
                self.index += 1
                self.stream.write(self.wave_bin_data)
            self.stream.stop_stream()
            self.stream.close()
        else:
            return

    def sound_stop(self):
        with QMutexLocker(self.mutex):
            self.startFlg = False

    def set_r_freq(self, r_freq):
        self.r_freq = r_freq

    def set_l_freq(self, l_freq):
        self.l_freq = l_freq

    def set_modulation(self, modulation):
        self.modulation = modulation

    def set_mode(self, mode):
        self.mode = mode

    def create_one_sample(self, a_sample_no, a_index):
        if self.mode == Mode.STEREO:
            float_data_l = math.sin(self.l_freq * 2 * math.pi * (a_index * CHUNK + a_sample_no) / RATE) * MAX_SIG
            float_data_r = math.sin(self.r_freq * 2 * math.pi * (a_index * CHUNK + a_sample_no) / RATE) * MAX_SIG
        elif self.mode == Mode.MONO:
            float_data_l = (math.sin(self.l_freq * 2 * math.pi * (a_index * CHUNK + a_sample_no) / RATE) * MAX_SIG \
                            + math.sin(
                        self.r_freq * 2 * math.pi * (a_index * CHUNK + a_sample_no) / RATE) * MAX_SIG) / 2
            float_data_r = float_data_l
        elif self.mode == Mode.AM:
            float_data_l = (math.sin(self.l_freq * 2 * math.pi * (a_index * CHUNK + a_sample_no) / RATE) * \
                            (1.0 + math.sin(
                                self.r_freq * 2 * math.pi * (a_index * CHUNK + a_sample_no) / RATE)) / 2) * MAX_SIG
            float_data_r = float_data_l
        elif self.mode == Mode.FM:
            signal_r = math.sin(self.r_freq * 2 * math.pi * (a_index * CHUNK + a_sample_no) / RATE)
            float_data_l = math.sin(self.l_freq * 2 * math.pi * (
                        a_index * CHUNK + a_sample_no) / RATE + self.modulation * signal_r) * MAX_SIG
            float_data_r = float_data_l
        else:
            float_data_l = math.sin(self.l_freq * 2 * math.pi * (a_index * CHUNK + a_sample_no) / RATE) * MAX_SIG
            float_data_r = math.sin(self.r_freq * 2 * math.pi * (a_index * CHUNK + a_sample_no) / RATE) * MAX_SIG

        mixed = (float_data_l + float_data_r) / 2
        byte_date_l = int(float_data_l).to_bytes(2, 'little', signed=True)
        byte_date_r = int(float_data_r).to_bytes(2, 'little', signed=True)
        return byte_date_l + byte_date_r, mixed, float_data_l, float_data_r

    def create_data(self, a_chunk, a_index):
        rtn_sample = b''
        mixed = []
        left = []
        right = []
        for sample_no in range(a_chunk):
            one_sample, one_mixed, one_left, one_right = self.create_one_sample(sample_no, a_index)
            rtn_sample += one_sample
            mixed.append(one_mixed)
            left.append(one_left)
            right.append(one_right)
        return rtn_sample, mixed, left, right

    def get_data(self):
        return self.wave_data, self.left_data, self.right_data


if __name__ == '__main__':
    app = QApplication(sys.argv)
    window = Test()
    window.show()
    sys.exit(app.exec_())

---

SoundTest.ui

---

(作成操作は designer.exeでGUI操作で行います）

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<ui version="4.0">
 <class>MainWindow</class>
 <widget class="QMainWindow" name="MainWindow">
  <property name="geometry">
   <rect>
    <x>0</x>
    <y>0</y>
    <width>586</width>
    <height>791</height>
   </rect>
  </property>
  <property name="windowTitle">
   <string>MainWindow</string>
  </property>
  <widget class="QWidget" name="centralwidget">
   <widget class="QPushButton" name="pushButton_start">
    <property name="geometry">
     <rect>
      <x>300</x>
      <y>170</y>
      <width>131</width>
      <height>31</height>
     </rect>
    </property>
    <property name="font">
     <font>
      <family>Arial</family>
      <pointsize>12</pointsize>
     </font>
    </property>
    <property name="text">
     <string>Start</string>
    </property>
   </widget>
   <widget class="QLabel" name="label_2">
    <property name="geometry">
     <rect>
      <x>40</x>
      <y>70</y>
      <width>91</width>
      <height>31</height>
     </rect>
    </property>
    <property name="font">
     <font>
      <family>Arial</family>
      <pointsize>16</pointsize>
     </font>
    </property>
    <property name="text">
     <string>Left</string>
    </property>
   </widget>
   <widget class="QLabel" name="label_5">
    <property name="geometry">
     <rect>
      <x>400</x>
      <y>120</y>
      <width>31</width>
      <height>31</height>
     </rect>
    </property>
    <property name="font">
     <font>
      <pointsize>16</pointsize>
     </font>
    </property>
    <property name="text">
     <string>Hz</string>
    </property>
   </widget>
   <widget class="QLabel" name="label">
    <property name="geometry">
     <rect>
      <x>40</x>
      <y>20</y>
      <width>351</width>
      <height>41</height>
     </rect>
    </property>
    <property name="font">
     <font>
      <family>Arial</family>
      <pointsize>16</pointsize>
     </font>
    </property>
    <property name="frameShape">
     <enum>QFrame::Box</enum>
    </property>
    <property name="text">
     <string>Sine Wave Experiment</string>
    </property>
    <property name="alignment">
     <set>Qt::AlignCenter</set>
    </property>
   </widget>
   <widget class="QLabel" name="label_3">
    <property name="geometry">
     <rect>
      <x>240</x>
      <y>70</y>
      <width>91</width>
      <height>31</height>
     </rect>
    </property>
    <property name="font">
     <font>
      <family>Arial</family>
      <pointsize>16</pointsize>
     </font>
    </property>
    <property name="text">
     <string>Right</string>
    </property>
   </widget>
   <widget class="QPushButton" name="pushButton_close">
    <property name="geometry">
     <rect>
      <x>350</x>
      <y>270</y>
      <width>81</width>
      <height>31</height>
     </rect>
    </property>
    <property name="font">
     <font>
      <family>Arial</family>
      <pointsize>12</pointsize>
     </font>
    </property>
    <property name="text">
     <string>Close</string>
    </property>
   </widget>
   <widget class="QDoubleSpinBox" name="doubleSpinBox_left">
    <property name="geometry">
     <rect>
      <x>40</x>
      <y>110</y>
      <width>151</width>
      <height>41</height>
     </rect>
    </property>
    <property name="font">
     <font>
      <pointsize>16</pointsize>
     </font>
    </property>
    <property name="minimum">
     <double>20.000000000000000</double>
    </property>
    <property name="maximum">
     <double>20000.000000000000000</double>
    </property>
    <property name="value">
     <double>442.000000000000000</double>
    </property>
   </widget>
   <widget class="QDoubleSpinBox" name="doubleSpinBox_right">
    <property name="geometry">
     <rect>
      <x>240</x>
      <y>110</y>
      <width>151</width>
      <height>41</height>
     </rect>
    </property>
    <property name="font">
     <font>
      <pointsize>16</pointsize>
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   </widget>
   <widget class="QLabel" name="label_4">
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    <property name="font">
     <font>
      <pointsize>16</pointsize>
     </font>
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    <property name="text">
     <string>Hz</string>
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     <font>
      <family>Arial</family>
      <pointsize>12</pointsize>
     </font>
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    <property name="text">
     <string>Stop</string>
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    <property name="text">
     <string>Debug Display</string>
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    <property name="text">
     <string>Normal Stereo (L R Separate)</string>
    </property>
   </widget>
   <widget class="QRadioButton" name="radioButton_mono">
    <property name="geometry">
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    </property>
    <property name="text">
     <string>Normal Mono (L+R ADD)</string>
    </property>
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   <widget class="QRadioButton" name="radioButton_am">
    <property name="geometry">
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    </property>
    <property name="text">
     <string>AM (Amplitude Modulation)</string>
    </property>
   </widget>
   <widget class="QRadioButton" name="radioButton_fm">
    <property name="geometry">
     <rect>
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      <width>251</width>
      <height>16</height>
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    </property>
    <property name="text">
     <string>FM (Frequency Modulation)</string>
    </property>
   </widget>
   <widget class="QDoubleSpinBox" name="doubleSpinBox_modulation">
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    </property>
    <property name="singleStep">
     <double>0.100000000000000</double>
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    <property name="value">
     <double>1.000000000000000</double>
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   <widget class="QLabel" name="label_6">
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    <property name="text">
     <string>FM Modulation</string>
    </property>
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   <header location="global">pyqtgraph</header>
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</ui>

 

※Windowsで pip pyaudioはエラーになるので、以下の情報を参照ください。