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 ученые 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 надежный способ защиты созревающего урожая от скворцов. Свою
аппаратуру ученые назвали кибернетическим чучелом.
  Для изготовления такого чучела понадобится магнитофон, усилитель мощностью
10 Вт и три - четыре одноваттных громкоговорителя, укрепленных 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 R3ap,
конденсатора С1 и резистора цепи разрядки Кразр - Зарядно - разрядная цепь
превращает прямоугольный импульс мультивибратора в пилообразный импульс,
фронт и спад которого и будут определять характер звучания тревожных
сигналов сирены. Второй мультивибратор задает среднюю частоту тона сирены.


  Рис. 27. Функциональная схема электронной сирены

  Регулируя резисторы R3ap (сопротивлением 5...20 кОм) и Rpa3p = (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 выдает 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 начнет воспроизводить мелодию. По окончании
мелодии счетчик 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 уcuлиитель 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 ft и более
высокой Г2 (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. Ученые проводят сложнейшие исследования по
автоматической расшифровке и имитации звуков речи, но пока еще 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 приемников
("Радио", 1985, ј 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 включен 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. Кроме указанного на схеме
можно использовать транзисторы КТ342А, КТ342Б и КТ3102А - КТ3102Е. Входное
сопротивление усилителя 10 кОм; ток, потребляемый первой ступенью,
0,3...0,5 мА. Конденсатор С2 предотвращает самовозбуждение усилителя на
высокой частоте. Транзистор VT2 выполняет функции развязывающего фильтра в
цепи питания транзистора VT1. Это позволило обойтись без дополнительного
оксидного конденсатора и резистора.
  В третьем варианте усилителя (рис. 32, в) функции входного транзистора
выполняет микросхема DA1 на полевых транзисторах. Достоинство такой замены
- высокое входное сопротивление (оно определяется сопротивлением резистора
R1 и в зависимости от требований может быть в пределах от нескольких
десятков килоом до 1 МОм).


  Рис. 32. Маломощные усилители речи роботов на микросхемах

  Все рассмотренные усилители при входном напряжении 30...50мВ обеспечивают
выходную мощность 0,1...0,12 Вт. Ток, потребляемый ими в режиме покоя, не
превышает соответственно З...ЗД 2... 2,5 и 4...4,5 мА; при максимальной
громкости 40 мА. Усилители не критичны к типу используемых деталей и
обладают запасом устойчивости.
  Микросхему К504УН1Б можно заменить полевыми транзисторами КП103Е, КП201Е,
КП201Ж или КП201И. При использовании оксидных конденсаторов К50 - 6,
резисторов МЛТ - 0,125 и переменного резистора СПЗ - Зб размеры платы
этого усилителя не превышают 25 х 30 мм.
  Выходные ступени описанных усилителей в налаживании не нуждаются. Их
чувствительность можно регулировать изменением сопротивления резисторов,
подключенных к выводу 2 микросхемы, в пределах 240 Ом...2,7 кОм (при
уменьшении сопротивления чувствительность увеличивается).
  Необходимо иметь в виду, что номинальное значение сопротивления резистора
R3 и входное сопротивление усилителя по схеме на рис. 45, а зависят от
сопротивления резистора R1. Резистор R3 подбирают, контролируя напряжение
на коллекторе транзистора VT1, которое должно находиться в пределах
1,4...1,7 В.



  5. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛУХА
БИОНИКА И СЛУХ

  Исключительное значение для роботостроения имеет совершенствование
технических приборов, воспринимающих звуковые сигналы. Звук быстро
позволяет передавать командные и управляющие сигналы. Разработка новых
систем слуха, пригодных для роботов, также основана на бионических
исследованиях.
  Способность человеческого мозга разбираться с помощью слухового аппарата в
хаосе звуков является одним из его самых чудесных свойств. "Наивысшим и
совершеннейшим человеческим приспособлением" назвал звуковую речь человека
выдающийся русский физиолог И. П. Павлов. Физическая природа звуковой речи
хранит в себе множество тайн. Как образуются звуки в голосовом аппарате
человека, как они воспринимаются слухом и от чего зависит характер звука -
вот проблемы, которые еще по сей день занимают интересы ученых, работающих
в самых разнообразных областях науки. Чтобы машины могли безошибочно
выделять какой - то один образ из множества других сходных, нужно точное
знание его признаков. Но как выбрать такие признаки? Над решением этой
задачи во всем мире работают физиологи, специалисты по бионике, психологии
и инженеры, математики и конструкторы. Если фотоэлемент можно назвать
грубой моделью органа зрения, то микрофон напоминает органы слуха в
гораздо меньшей степени.
  Ученые - бионики, преодолевая трудности, пытаются разгадать секреты слуха
человека. К таким секретам относится, например, способность выделять
нужный голос среди шума и десятков других голосов. Задача сложная, но
нельзя отказываться от нее только потому, что она трудна.
  Речь состоит из слогов, слов, фраз и т.д. Элементарной частью речи
является звук (фонема). С физической точки зрения звуки речи различают по
частоте, громкости и продолжительности. В речи нет четких границ между
звуками. Одни специалисты пытаются распознавать речь по фонемам, другие
считают, что для этого следует использовать форманты частоты, присущие
звучанию каждой буквы, произносимой человеком. Примером удачного решения
задачи является фонетическая пишущая машинка, созданная учеными Г. Олсоном
и Г. Беларом.
  Устройство можно рассматривать как сложный аналог слухового аппарата,
части мозга, нервной системы и нервно-мышечного аппарата человека,
печатающего под диктовку. Бионическая схема человека, печатающего под
диктовку, и схема фонетической пишущей машинки показаны на рис. 33. Чтобы
понять принцип работы устройства, проследим, как перерабатывается звуковая
информация по пути ее следования.
  Звуковая энергия улавливается наружным ухом человека, передается по
слуховому проходу и воздействует на барабанную перепонку среднего уха.
Механическое движение перепонки передается жидкости, которая заполняет
улитку (внутреннее ухо), при помощи слуховых косточек, перемещающихся
нелинейно. При этом происходит компрессия сигнала, т.е. более громкие
звуки уменьшаются сильнее, чем тихие.
  На рис. 33 показаны схематическое изображение "развернутой" улитки и
частоты, воспринимаемые paзличными ее участками. Здесь происходит
первичный анализ информации. Окончательно ее анализирует мозг, куда
сигналы поступают по слуховому нерву. На основе результатов этого анализа
мозг вырабатывает команды, посылаемые мышцам руки, нажимающей на
соответствующие клавиши пишущей машинки.
  В машине, распознающей речь, голос оператора воспринимает микрофон и
преобразует в электрические колебания.
  После усиления и компрессии речевой сигнал поступает на анализатор частот
- блок из восьми полосовых фильтров, охватывающих диапазон 250... 10000
Гц, и систему детекторов сравнения амплитуд. Последняя собрана так, что
реле, соответствующее данному каналу, включается, лишь когда уровень в
этом канале больше среднего в двух соседних.
  Речь опознается по группе фонем, составляющих слог, а не по отдельным
фонемам (так как распознать многие фонемы вне контекста очень трудно). В
слоговой памяти хранятся комбинации сигналов, соответствующие различным
произношениям одного и того же слога или слова. Распознавание слога
представляет собой определенный вид процесса сравнения с имеющимися в
слоговой памяти образцовыми матрицами звукосочетаний.
  Если слог опознан, срабатывает то реле из памяти написания, которое
связано с написанием данного слога. В памяти написания (орфографической
памяти) имеются типовые комбинации сочетания букв, представляющих 40 фонем
для заданных 100 слогов. Реле соединено с линиями очередности следования
букв и с линиями кода букв в блоке управления печатанием, который, в свою
очередь, управляет работой буквенных приводов - происходит печатание
выбранных букв.
  Таким образом, слово печатается в соответствии с заранее определенным
написанием, которое по необходимости должно быть одинаковым для одинаково
звучащих слов. Именно поэтому устройство и было названо "фонетической
пишущей машинкой".

  Рис 33 Схема фонетической пишущей машинки

  Действующие, проектируемые и перспективные приборы для опознавания речи
можно разделить на несколько видов. Мы дали им совершенно условные
названия.
  "Сезам" - устройство, в котором реализовано сказочное заклинание "Сезам,
откройся!". Реагирует только на одно, два или три слова, но произнесенные
любыми голосами. Может, если угодно, в самом деле открывать дверь в вашем
подъезде.
  "Жучка" - устройство, хорошо понимающее краткий командный язык из двух -
трех десятков слов. Обычно оно настроено на голос одного оператора. Как мы
уже отметили, такой прибор способен управлять автомобилем или самолетом.
Одна американская фирма успешно применила его в отделе технического
контроля для записи параметров только что изготовленных цветных
кинескопов. Другая фирма заставила "Жучку" запоминать свободные места в
большом складском помещении и отправлять туда прибывающие контейнеры.
Прибор незаменим при сложных научных экспериментах, когда надо записывать
результаты, а руки исследователя заняты на пульте управления.
  "Эксперт" - анализатор для выделения голоса одного из нескольких
говорящих. Может помочь при опознании преступника, стать настройщиком
музыкальных инструментов или контролером качества звучания
радиоприемников, телевизоров и магнитофонов.
  "Собеседник" - его действия могут быть самыми разнообразными: совет по
телефону, когда врач сомневается в установлении диагноза, устный ответ
программисту о результатах вычислений на ЭВМ, ответ на запрос о состоянии
текущего счета в банке и т.п. Другая модификация - "Электронный
секретарь", соединенный с пишущей машинкой.
  "Переводчик" - название устройства не требует комментариев. Это
искусственное ухо, подключенное к ЭВМ с программой автоматического
перевода с одного языка на другой.
  "Интегральный робот" - автомат, двигающийся впереди человека в опасных
ситуациях. Подчиняется голосовым командам и докладывает пославшим его
людям о том, что воспринимает. Мог бы помочь во время ремонта атомного
реактора или путешествия на малоизученную планету.
  Человеческое ухо существует в одном варианте. Искусственных, как видим,
намечается несколько. Тем лучше! В том - то и сила техники, что она не
копирует слепо природу.

  МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ СЛУХА

  Прежде чем приступить к конструированию устройства слуха роботов,
смоделируем отдельные элементы этих систем.
  На рис. 34 - 37 показаны схемы усилителей звуковой частоты.
  Начинать конструирование моделей слуховых систем лучше всего с простейшего
акустического реле (рис. 37). Микрофон ВМ1 служит датчиком. Он преобразует
звуковой сигнал в электрические колебания, а усилитель звуковой частоты
усиливает их. После выпрямления диодом VD1 импульсы постоянного тока
вызывают срабатывание электромагнитного реле.

  Рис. 34. Оконечный усилителъ звуковой частоты

  Рис. 35. Двухтранзисторный усилителъ звуковой частоты


  Принципиальная схема такого варианта акустического реле изображена на рис.
38. На транзисторах VT1 и VT2 собран усилитель звуковой частоты (34), а
диоды VD1 и VD2 и конденсатор С4 образуют выпрямитель. Транзистор VT3,
резистор R6 и электромагнитное реле К1 с диодом VD1, шунтирующим обмотку
реле, составляют электронное реле, а лампа HL1 с резистором R7 -
исполнительную цепь.



  Рис. 36. Трехтранзисторный усилитель звуковой частоты высокого качества

  Автомат работает так. Пока в помещении, где установлен микрофон,
сравнительно тихо, в коллекторной цепи транзистора VT3 течет небольшой ток
покоя (меньше тока отпускания якоря реле К1), устанавливаемый при
налаживании автомата. В это время контакты К 1.1 реле К1 разомкнуты и,
следовательно, исполнительная цепь выключена. При появлении звукового
сигнала (громкий разговор, шум и т. п.) колебания звуковой частоты от
микрофонов усиливают транзисторы VT1 и VT2 и с нагрузочного резистора R5
сигнал поступает на выпрямитель. Отрицательные полуволны выпрямленного
напряжения заряжают конденсатор С4 и поступают на базу транзистора VT3.
Если конденсатор зарядится до напряжения 0,25...0,3 В, то коллекторный ток
транзистора увеличится настолько, что реле К1 сработает и включит
исполнительную цепь. Когда разговор перед микрофоном прекратится,
конденсатор С4 почти полностью разрядится, коллекторный ток транзистора
VT3 уменьшится до исходного, реле К1 отключится, а его контакты К 1.1,
разомкнувшись, обесточат исполнительную цепь.



  Рис. 37. Структурная схема акустического реле




  Рис. 38. Принципиальная схема акустического реле


  Какова роль резистора R1 ? Им регулируют уровень сигнала, поступающего от
микрофона на вход усилителя 34, и тем самым регулируют чувствительность
акустического реле.
  Электромагнитное реле - РЭСЮ (РС4.524.302) или РЭС9 (РС4.524.200) с током
срабатывания не более 30.. .40 мА. Напряжение источника питания ипит
должно быть на 20...30% больше напряжения срабатывания используемого
электромагнитного реле. Транзисторы - любые маломощные низкочастотные
структуры р - и - р (из серий МП39 - МП42) со статическим коэффициентом
усиления передачи тока не менее 20. Если напряжение источника питания
более 15 В, но не более 30 В, то транзистор VT3 должен быть МП40А или
МП25, МП21.
  Сопротивление резисторов R3 и R5, являющихся нагрузками транзисторов VT1 и
VT2 усилителя, могут быть 4,7...8,2 кОм. Сопротивление резистора R7
зависит от параметров используемой лампы HL1.
  Транзистор VT1, резисторы R2, R3 и конденсатор С2 сначала не монтируйте,
чтобы испытать работу автомата с одноступенным усилителем, но обязательно
оставьте для них место. Конденсатор С1 соедините отрицательной обкладкой
непосредственно с базой транзистора VT2.
  Сначала, включив в коллекторную цепь транзистора VT3 миллиамперметр,
подборкой резистора R6 установите в этой цепи ток не более 2...4 мА. Он
должен быть меньше тока отпускания реле. Затем временно подключите
параллельно резистору R6 еще один резистор сопротивлением 15...20кОм. При
этом коллекторный ток должен резко увеличиться, а реле сработать. Удалите
второй резистор - коллекторный ток уменьшится до исходного, а реле
отпустит якорь. Так вы проверите, работает ли электронное реле автомата.
  Режим работы транзистора усилителя VT2 установите подборкой резистора R4.
Ток покоя коллекторной цепи транзистора может быть в пределах 1...1,5мА.
  А теперь подключите к входному резистору R1 микрофон, например МД - 47 или
абонентский (радиотрансляционный) динамический громкоговоритель