способ цветового сопровождения звука и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ цветового сопровождения звука, включающий выделение из электрического сигнала, несущего информацию о звуке, колебаний, по крайней мере, в одном фиксированном частотном диапазоне, и последующее управление посредством этих колебаний спектром цветового сопровождения, отличающийся тем, что сигнал, несущий информацию о звуке, преобразуют со степенью нелинейности не ниже 4, а управляющие колебания выделяют в диапазоне инфразвуковых частот.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигнал, несущий информацию о звуке, нелинейно преобразуют совместно с этим же сигналом, задержанным не более чем на 5 с.

3. Устройство для цветового сопровождения звука, содержащее блок фильтрации, вход которого подключен к источнику электрического сигнала, несущего информацию о звуке, а выход подключен к управляющему входу блока источников цветового сопровождения, отличающееся тем, что оно снабжено нелинейным преобразователем со степенью нелинейности не ниже 4, при этом блок фильтрации выполнен в инфразвуковом диапазоне, а его вход подключен к выходу источника электрического сигнала через упомянутый нелинейный преобразователь.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено блоком задержки электрического сигнала, вход которого соединен с выходом источника электрического сигнала, а выход - с входом нелинейного преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области развлечений и может быть использовано для цветового сопровождения при исполнении музыки в концертных залах, для сопровождения звуков при театральных и цирковых постановках, в кинофильмах, на дискотеках, в компьютерных играх, при анимации изображений, в арт-терапии и т.д.

Известен способ цветового сопровождения звука [1], заключающийся в том, что из электрического сигнала, несущего информацию о звуке, выделяют колебания в одном или нескольких фиксированных частотных диапазонах. Полученные после выделения сигналы управляют спектром цветового сопровождения, а именно источниками цвета трех основных цветов.

Устройство для реализации известного способа [1] содержит источник электрического сигнала, содержащий линейный преобразователь звука в электрический сигнал, несущий информацию о звуке, блок фильтрации, и блок источников цветового сопровождения. Блок источников цветового сопровождения содержит совокупность источников трех основных цветов и реостаты, используемые для управления.

Вход блока фильтрации соединен с выходом источника электрического сигнала. Выходы блока фильтрации соединены с входами блока источников цветового сопровождения.

При этом блок фильтрации содержит, по крайней мере, одну группу из трех выходов, в совокупности передающих сигналы определенной звуковой (в слышимой области) октавы, но разделенных по разным выходам, соответственно, на три частотных поддиапазона.

Сигналы с выходов блока фильтрации подают на входы источников трех основных цветов. Интенсивность возбуждения каждого источника цвета прямо пропорциональна уровню сигнала на соответствующем выходе блока фильтров. Цветовое сопровождение формируют с помощью названных источников в виде одного или смеси цветов.

Упомянутый способ позволяет реализовывать цветовое сопровождение звука, визуализируемое на экране компьютера, или с помощью источников, испускающих свет определенного цвета.

При использовании известного способа [1] каждый конкретный звук, выражающий простейший элемент музыкальной партитуры - ноту, выражается конкретным цветом. Связь цветового сопровождения со звуком согласно способу [1] носит искусственный характер, не обусловлена спецификой восприятия музыки человеком, в общем случае не усиливает эмоциональное воздействие исполняемого музыкального произведения.

Известен способ цветового сопровождения звука [2], заключающийся в том, что определяют тонику заданного музыкального произведения, в звукоряде которого выделяют октавы, каждой ступени октавы приписывают код, характеризующий номер этой ступени относительно тоники, задают цветовой ряд из двенадцати цветов, из которого воспроизводят цвета, соответствующие звукам и их последовательности в заданном музыкальном произведении; в нем определяют лад заданного музыкального произведения, формируют группу кодов звукоряда, в каждом из которых в качестве младшего разряда используют семиричный код ступени внутри данной октавы, а в качестве старшего разряда используют соответствующий код этой октавы. Цветовой ряд задают в последовательности, характерной для цветового круга (от красного к фиолетово-красному); выбирают из упомянутого цветового ряда цвет, соответствующий тонике, а при воспроизведении цветов, соответствующих звукам и их последовательности в музыкальном произведении, используют цвета указанного цветового ряда, при этом порядковые номера цветов из нее выбирают в соответствии с приведенным в [2] математическим соотношением.

Дополнительно светлоту цвета пошагово изменяют в зависимости от кода октавы, увеличивая светлоту с увеличением номера октавы.

В соответствии с используемой в способе математическим соотношением между цветовым сопровождением и звуком, консонансы в звуке соответствуют консонансам в цвете, а диссонансы - диссонансам, причем в зависимости от лада (мажор или минор) направление смены цветов в цветовом круге изменяется.

Устройство для реализации этого способа в автоматическом режиме включает аудиопроигрыватель, контроллер и блок источников цветового сопровождения. Выход аудиопроигрывателя соединен с входом контроллера. Выход контроллера соединен с входом блока источников цветового сопровождения. В контроллер, помимо служебных программ, касающихся организации работы собственно контроллера, записывают программу, формирующую цветовое сопровождение в соответствии с упомянутым способом. Для того чтобы в соответствии с предлагаемым способом изменять пошагово светлоту цвета в зависимости от кода октавы, блок источников цветового сопровождения включает в себя блок изменения светлоты.

Известный способ [2] привязан к тонике музыкального произведения, соответственно, он реализуется лишь применительно к так называемой функциональной («тональной») музыке, написанной в соответствующих тональностях, не охватывает область атональной музыки, (написанной без использования закономерностей, присущих мажорному или минорному ладу, а также тональностям мажора или минора).

При этом установление цвета тоники в соответствии со своим вкусом (произвольно) осуществляет человек перед сеансом цветового сопровождения музыки. Поэтому произведения совершенно разного настроения могут исполняться с относительно близким по характеру цветовым сопровождением.

При использовании известного способа [2] закономерности, присущие построению музыкального произведения, механически переносятся на закономерности цветового сопровождения. Основой при переходе к цвету являются элементы музыкальной партитуры - ноты. Как известно, настроение, которое создает функциональная музыка, в значительной мере определяется ее ладом, тональностью, в которой она написана, и темпом исполнения. Однако связь цветового сопровождения со звуком, организованная в соответствии с упомянутым способом, не зависит ни от тональности, в которой написано музыкальное произведение, ни от темпа исполнения, т.е. характер исполняемого музыкального произведения объективно учитывается слабо.

В результате применение упомянутого способа в общем случае не приводит к значимому увеличению эмоционального впечатления от звука.

Известен также способ цветового сопровождения звука, описанный в [3].

Этот способ по совокупности признаков наиболее близок заявляемому и принят за прототип.

В этом способе каждая из семи основных музыкальных нот от источника звука соответствует одному из цветов источника цвета, эквивалентных или приблизительно соответствующих семи основным цветам цветового спектра. Семь нот представляют собой основные ноты от «до» до «си», причем каждой ноте соответствует свой цвет: «до» - красный, «ре» - оранжевый, «ми» - желтый, «фа» - зеленый, «соль» - голубой, «ля» - синий, «си» - фиолетовый. Повышенным или пониженным нотам, имеющим бемоли или диезы, соответствует два цвета, находящиеся с каждой стороны от ноты с бемолем или диезом. Яркость цветового сопровождения меняется в соответствии с уровнем громкости музыки. Светлота цветового сопровождения изменяется в зависимости от октавы, в которой находятся ноты исполняемой музыки. Аккорды, состоящие из нескольких нот, могут соответствовать нескольким цветам, зажигаемым одновременно.

Способ состоит в том, что из электрического сигнала, несущего информацию о звуке, после предварительного усиления выделяют колебания в семи фиксированных частотных диапазонах. Эта операция осуществляется путем фильтрации. Посредством этих колебаний осуществляется управление спектром цветового сопровождения.

Устройство для реализации способа показано на фиг.1. Оно включает в себя блок 5 фильтрации из семи фильтров электрического сигнала, а также блок 6 источников цветового сопровождения.

Вход блока 5 фильтрации связан с выходом источника электрического сигнала (не показан). Выходы блока 5 фильтрации соединены с входами блока 6 источников цветового сопровождения.

В источник электрического сигнала может входить предварительный линейный усилитель. Кроме того, он может содержать линейный преобразователь звука в электрический сигнал - микрофон.

Цвет источников цветового сопровождения эквивалентен или приблизительно соответствует основным цветам цветового спектра.

Устройство работает следующим образом.

Электрический сигнал, несущий информацию о, звуке, поступает на блок 5 фильтрации, где осуществляется выделение из электрического сигнала, несущего информацию о звуке, управляющих колебаний в семи фиксированных частотных диапазонах, соответствующих отдельным нотам. Управляющее колебание воздействует на блок 6 источников цветового сопровождения, активируя соответствующий участок цветового спектра: ноте «до» соответствует красный цвет, «ре» - оранжевый, «ми» -желтый, «фа» - зеленый, «соль» - голубой, «ля» - синий, «си» - фиолетовый. Если музыкальная нота находится между основными нотами (диез или бемоль), например, «до диез», то активируются два цвета: красный, относящийся к ноте «до», и оранжевый, относящийся к ноте «ре».

Уровень громкости звука меняет уровень управляющих колебаний и, соответственно, яркость источника цветового сопровождения.

Устройство может воспринимать ноты в различных октавах, и цвет может менять светлоту относительно светлоты в первой октаве. Например, в более низких октавах цвет более темный, а в более высоких - более светлый. Набор из семи источников цветового сопровождения может быть обеспечен для каждой октавы.

При использовании способа, принятого за прототип, цвета, соответствующие нотам музыкального произведения, механистически привязаны к элементам музыкальной партитуры - нотам. Определенный цвет соответствует определенной ноте, независимо от настроения, которое вызывает музыкальное произведение. В этих цветах нет никакой биофизической обусловленности. Кроме того, каждая исполненная нота переводится в цвет. Соответственно, для произведений, исполняемых в быстром темпе, имеет место неприятное мелькание на экране различных цветов и их совокупностей, не несущее смысловой эмоциональной окраски и снижающие эмоциональное воздействие.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в достижении психологически обусловленного соотношения между звуком и цветом и усилении эмоционального воздействия звука на человека (слушателя-зрителя).

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в формировании цветового сопровождения звука, учитывающего биофизические закономерности восприятия музыки, и цвета человеком, т.е. использующего объективную основу - выявление настроения, соответствующего звуку, в частности фрагментам исполняемого музыкального произведения.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается решением, представляющим группу разнообъектных изобретений - способ и устройство для его осуществления, объединенных единым изобретательским замыслом.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе цветового сопровождения звука, включающем выделение из электрического сигнала, несущего информацию о звуке, колебаний, по крайней мере в одном фиксированном частотном диапазоне, и последующее управление посредством этих колебаний спектром цветового сопровождения, в отличие от известного способа сигнал, несущий информацию о звуке, преобразуют со степенью нелинейности не ниже 4, а управляющие колебания выделяют в диапазоне инфразвуковых частот.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что сигнал, несущий информацию о звуке, нелинейно преобразуют совместно с этим же сигналом, задержанным не более чем на 5 секунд.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что заявляемое устройство для цветового сопровождения звука, содержащее блок фильтрации, вход которого подключен к источнику электрического сигнала, несущего информацию о звуке, а выход подключен к управляющему входу блока источников цветового сопровождения, снабжено нелинейным преобразователем со степенью нелинейности не ниже 4, при этом блок фильтрации выполнен в инфразвуковом диапазоне, а его вход подключен к выходу источника электрического сигнала через упомянутый нелинейный преобразователь.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается также тем, что заявляемое устройство снабжено блоком задержки электрического сигнала, вход которого соединен с выходом источника электрического сигнала, а выход - с входом нелинейного преобразователя.

На фиг.1. схематически изображено устройство, реализующее известный способ.

На фиг.2 схематически изображено устройство, реализующее заявляемый способ по п.1.

На фиг.3 схематически изображено устройство, реализующее заявляемое устройство по п.2.

Заявляемое устройство (фиг.2) включает в себя нелинейный преобразователь 1, блок 2 фильтрации и блок 3 источников цветового сопровождения.

Это устройство реализует заявляемый способ для звуков, состоящих из колебаний, по крайней мере, двух основных частот, т.е. в виде аккорда.

Нелинейный преобразователь 1 обладает характеристикой преобразования со степенью нелинейности не ниже 4. Блок 2 фильтрации выполнен в инфразвуковом диапазоне.

Вход блока 2 фильтрации подключен к выходу источника электрического сигнала, несущего информацию о звуке (на фиг. не показан), через нелинейный преобразователь. Выход блока 2 фильтрации подключен к управляющему входу блока 3 источников цветового сопровождения.

Блок 2 фильтрации выполняет функцию выделения колебаний в диапазоне инфразвуковых частот, а при необходимости детектирования и линейного усиления.

Источник цветового сопровождения может быть выполнен, например, в виде устройства, испускающего цветной свет, в виде цветного фильтра, освещаемого бельм цветом, в виде цвета, визуализируемого на экране компьютера.

Нелинейный преобразователь 4 может быть выполнен, например, в виде усилителя, у которого зависимость выходного сигнала от входного описывается полиномом, по крайней мере, 4-ой степени.

Нелинейный преобразователь 1, блок 2 фильтрации и блок 3 источников цветового сопровождения чаще всего выполняются в виде аналоговых устройств. Однако часть из них может быть выполнена с использованием цифровых устройств: с помощью аналого-цифрового преобразователя и контроллера.

Заявляемый способ в простейшем варианте реализуется следующим образом.

Электрический сигнал, несущий информацию о звуке, проходит на вход нелинейного преобразователя 1, а затем на вход блока 2 фильтрации.

Блок 2 фильтрации осуществляет выделение из сигнала управляющих колебаний в диапазоне инфразвуковых частот, для некоторых вариантов исполнения - с разделением отдельных колебаний по поддиапазонам, для простейшего варианта - без такого разделения. Эти колебания поступают на блок 3 источников цветового сопровождения и используются для управления спектром цветового сопровождения.

Нелинейное преобразование электрических сигналов при использовании заявляемого способа осуществляют аналогично тому, как это выполняется в системе «ухо-мозг».

Как показано в [4, 5], система «ухо-мозг» человека представляет собой нелинейный преобразователь звука. Звук, в частности музыкальные произведения, сопровождаются формированием в мозгу человека комбинационных колебаний в инфразвуковой области частот. В средней части звукоряда при взаимодействии, по крайней мере, трех нот тонического трезвучия максимальный уровень инфразвуковых комбинационных колебаний соответствует порядку колебаний, равному 4. При взаимодействии двух нот, принадлежащих тонической терции, образуются инфразвуковые комбинационные колебания 9-го порядка. Из этого следует, что степень нелинейности системы «ухо-мозг» не менее 4.

Пусть звук представляет собой аккорд из трех нот одинаковой интенсивности. При этом электрический сигнал, несущий информацию о звуке, если не учитывать обертоны звуков, может быть упрощенно описан следующим образом:

где U - напряжение суммарного электрического сигнала, несущего информацию о звуке,

а - амплитуда сигнала, несущего информацию об одной ноте,

₁, ₂, ₃ - круговая частота каждого из трех сигналов, несущих информацию о трех нотах соответственно,

t - время.

Результат нелинейного преобразования со степенью нелинейности 4 представляет собой следующее выражение:

После нелинейного преобразования формируется совокупность колебаний комбинационных частот, включающих 4 ₁, 4 ₂, 4 ₃, |3 ₁± ₂|, |2 ₁±2 ₂|, |3 ₂± ₁| и т.д.

Биофизической предпосылкой особенностей эмоционального влияния звука является восприятие мозгом этих комбинационных колебаний, причем их параметры, в частности частота, уровень и характер изменения, определяют возникающее эмоциональное состояние человека. Уровень комбинационных колебаний определяется их порядком, который равен сумме номеров гармоник, участвующих в их формировании. В общем случае чем больше порядок, тем меньше уровень.

Эти колебания возникают при восприятии различных звуков, в том числе, музыкальных произведений, включая функциональную («тональную») и атональную музыку.

Например, в [4, 5] показано, что отличию в эмоциональном восприятии мажорного и минорного лада соответствует разница в спектре комбинационных колебаний мажорных и минорных терций и трезвучий: для мажорной (бодрящей) музыки характерен значительно больший уровень, т.е., меньший порядок (р9 для терций, р4 для трезвучий) инфразвуковых комбинационных колебаний, чем для минорной, сравнительно более грустной (р11 для терций и р5 для трезвучий).

Поэтому, выделяя с помощью простейшего варианта исполнения блока фильтрации возникшие после нелинейного преобразования электрического сигнала, несущего информацию о звуке, управляющие колебания в диапазоне инфразвуковых частот и управляя посредством этих колебаний цветовым сопровождением, можно получить отличие цветового сопровождения мажорной музыки от минорной. Такое цветовое сопровождение основано на объективных закономерностях восприятия музыки человеком и способствует повышению эмоционального воздействия музыки.

При разделении отдельных колебаний в инфразвуковом диапазоне частот по поддиапазонам устройство позволяет организовать цветовое сопровождение звука, которое учитывает нюансы того настроения, которое несет звук, в частности музыка (как функциональная, так и атональная).

Дело в том, что, как показано в [5], параметры инфразвуковых колебаний, возникающих при пропускании звука в виде аккордов, построенных в различных тональностях, через нелинейную систему, существенно отличаются друг от друга.

Например, мажорные тональности «ре b (до#)» мажор и «соль b (фа#)» используются, как правило, в музыкальных произведениях спокойного (созерцательного) характера, в отличие от других, более бодрящих тональностей. Для тонических терций и трезвучий этих тональностей характерна более низкая частота комбинационных колебаний инфразвукового диапазона по сравнению с другими тональностями мажора.

Среди минорных тональностей отличаются тональности «соль# минор» и «ре# (ми b) минор». Они известны как создающие менее грустное настроение, чем другие минорные тональности. Для их тонических трезвучий порядок инфразвуковых компонентов (р=5) ниже (уровень выше), чем для остальных тональностей минора.

Вторая группа - тональности «фа минор» и «си b минор» - характеризуется тем, что порядок инфразвуковых компонентов (р=9) их трезвучий намного выше, чем для других тональностей. Соответственно, уровень этих компонентов намного ниже. Произведения в тональностях «фа минор» и «си b минор», тонические трезвучия которых вызывают инфразвуковые колебания лишь очень низкого уровня, обычно воспринимаются как особенно печальные.

В третьей группе, куда входят все остальные тональности минора, порядок инфразвуковых колебаний равен 6. Хотя их параметры существенно отличаются от параметров мажорных тональностей, друг от друга они по выбранным параметрам отличаются меньше. Однако для них также могут быть выделены отличия комбинационных колебаний по частоте, а также более тонкие отличия по уровням.

При моделировании атональной музыки также могут быть выделены комбинационные колебания в диапазоне инфразвуковых частот.

Таким образом, звук характеризуется некими объективными параметрами, задающими вид и степень эмоционального воздействия, которые выражаются параметрами инфразвуковых колебаний, возникающих в нелинейном преобразователе «ухо-мозг».

Заявляемое устройство реализует заявляемый способ цветового сопровождения звука, при котором электрический сигнал, несущий информацию о звуке, предварительно преобразуют нелинейно со степенью преобразования не ниже 4, выделяют из сигнала колебания, по крайней мере, в диапазоне инфразвуковых частот, а затем управляют с помощью этих колебаний спектром цветового сопровождения. При этом параметры колебаний, на основе которых формируются сигналы последующего управления спектром цветового сопровождения, объективно связаны с эмоциями, которые несет звуковое воздействие.

Как известно, человек воспринимает эмоциональное влияние звуков как при одновременном, так и при последовательном звучании. Мажорное трезвучие легко распознается и при воспроизведении в виде арпеджио.

Для случая когда звуки воспроизводятся не одновременно (в виде аккорда), а последовательно, заявляемое устройство показано на фиг.3.

Для усиления эмоционального воздействия цветового сопровождения звука заявляемое устройство дополнительно снабжено блоком 4 задержки электрического сигнала. Вход блока 5 задержки соединен с входом электрического сигнала, а выход с входом нелинейного преобразователя.

Сигнал с выхода источника 1 электрического сигнала проходит на вход блока 5 задержки, а также на вход нелинейного преобразователя.

Сигнал с выхода блока 4 задержки также поступает на вход нелинейного преобразователя.

Блок задержки реализует временное запаздывание выходного сигнала относительно входного на время не более 5 с.

Дело в том, что, как показано в [5], для системы «ухо-мозг» характерна инерционность. Время задержки должно быть не более 5 с. Эта граница приблизительно соответствует тому максимальному времени, в течение которого мозг человека может совместно анализировать звуки, услышанные последовательно. В противном случае звук, услышанный первым, забывается.

После прохождения электрического сигнала, несущего информацию о звуке, через блок 4 задержки, на нелинейный преобразователь 4 поступает сигнал, содержащий колебания нескольких частот. Дальнейшая работа устройства аналогична описанному выше.

Заявляемое устройство может быть выполнено на следующих элементах.

Блок фильтрации может выполнен на полосовых фильтрах или фильтрах нижних частот. Нелинейный преобразователь, блок фильтрации и блок задержки чаще всего выполняются в виде аналоговых устройств. Однако они могут быть выполнены с использованием цифровых устройств. Например, блок фильтрации может быть реализован с помощью аналого-цифрового преобразователя и контроллера с программным обеспечением. Аналогично могут быть выполнены и нелинейный преобразователь, и блок задержки. Поэтому названные блоки могут реализованы в одном устройстве [6].

Блок цветового сопровождения может использовать управляемый монитор компьютера, плазменный экран или лазерные устройства, подобные используемым Жан-Мишель Жарром [7].

Заявляемый способ цветового сопровождения звука и устройство для его осуществления моделируют выявленные авторами закономерности формирования эмоциональной реакции человека при воздействии звуковых сигналов на систему «ухо-мозг» и, как следствие, обеспечивают качественно более мощное эмоциональное воздействие.

Таким образом достигается технический результат и решается поставленная задача.

Литература

1. Patent US6046724. Hvass C. Method and apparatus for conversion of sound signals into light.

2. Патент РФ 2103739. Афанасьев В.В. Способ формирования цветного изображения.

3. Patent GB2370794. Jeans P. D. M. Music-activated lighting system.

4. K.B.Сапожникова, Р.Е.Тайманов. Биофизические предпосылки создания измерительной модели восприятия структурных элементов музыки // Труды Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск), 2001, с.59-65.

5. Sapozhnikova К., Taymanov R. About a measuring model of emotional perception of music//Proc. of the XVII IMEKO World Congress, 2003, Dubrovnik, Croatia, p.p.2049-2053.

6. В.Гадзиковский. Цифровые модели основных нелинейных преобразований полосовых сигналов в радиоприемных устройствах./ Проблемы приборостроения, 2003, №1, стр.68-80.

7. Жарр, Жан-Мишель. Paris. Eiffel tower. - VHS, 1995.