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CATCHING THE SPECTRUM

mayo 24, 2013

CATCHING THE SPECTRUM from Alejandra Bueno on Vimeo.

Electronic device used to find electromagnetic fields with an APP.

Abstract  —  El objetivo del proyecto es crear una aplicación móvil y un micrófono para ésta, con la característica de poder medir las ondas electromagnéticas que emiten las máquinas. La aplicación consiste en un analizador de frecuencias que mide el espectro que entra por el micrófono de tal modo que se puede identificar la frecuencia y dispositivo al que pertenece. El desarrollo va a ser mediante processing y android, El dispositivo móvil a usar es un Sony Xperia P. Para la recepción del campo electromagnético se emplea un inductor a modo de micrófono. La práctica consiste en crear un medidor de campos electromagnéticos para el móvil.

 Index Terms  —  medidor, campos electromagnéticos, aplicación, móvil, micrófono.

I. Introducción

A través de este proyecto se propone una toma de conciencia hacia la energía que generamos . El objetivo principal es abrir las puertas a los usuarios de un campo poco explorado, la utilización del espectro electromagnético transformado en sonido en el arte. Se ofrece la posibilidad de grabar el sonido obtenido y poder usarlo en composiciones, instalaciones, vídeos Mi propósito es que sea usado en el arte, para ello he creado una web donde se recogen todos los sonido que he recogido hasta la fecha y las composiciones creadas. Los sonidos brutos son descargables y se indica que la intención es llegar a crear una red de artistas sonoros que empleen este medio. El micrófono consta de dos partes, un amplificador que hace posible reconocer la señal y un sensor por el que se capta la señal. Se plantea el uso de este dispositivo mediante un móvil por lo que tiene una salida con una conexión de Jack de tres bandas que es reconocida por el móvil y otra salida para poder escuchar mediante unos auriculares.

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Fig. 1.     Imagen del dispositivo construido.

II. Antecedentes

Los medidores de campos electromagnéticos o los llamados medidores de EMF son cada vez más comunes debido al creciente uso de aparatos eléctricos en nuestras casas y la situación de antenas de alta tensión cerca de zonas residenciales. Un Gauss es una unidad común de medida de la intensidad de los campos electromagnéticos de la corriente alterna (AC). Un medidor Gauss es un instrumento que mide esa intensidad, basado en la ley de Faraday de inducción de voltaje en una bobina conductora. Dentro de un medidor Gauss, existe una bobina de fino alambre enrollado en espiral con cientos de vueltas. El voltaje inducido se calcula utilizando la siguiente ecuación, V= 2(fnAB), donde f es la frecuencia, n es el número de vueltas en la bovina, A es el área de la bovina, y B es la magnitud de la densidad del flujo magnético perpendicular al plano de la bovina. Mientras el campo magnético alcanza la bobina, induce corriente, la cual es amplificada por medio de una serie de circuitos.

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Fig. 2.     Medidor de campo electromagnético profesional con amplio rango de medida entre las frecuencias de 100kHz a 3GHz, dispone de dos antenas triaxiales e isotrópicas.

 

Heinrich Rudolph Hertz, es el pionero en las investigaciones relacionadas con las ondas electromagnéticas y la- electricidad. Descubridor de las ondas de radio o hertzianas. Heinrich Rudolph Hertz, físico alemán, nació en Hamburgo, el 22 de febrero de 1857. En 1883 Hertz comenzó a interesarse en los estudios realizados diez años antes por el científico escocés James Clerk Maxwell acerca del electromagnetismo. Maxwell, basándose en ecuaciones matemáticas, intuyó la existencia de las ondas electromagnéticas, aunque nunca pudo comprobar si sus predicciones eran ciertas.[1]

Por su parte Hertz, por medio de un oscilador elemental que él mismo había construido y apoyado en las investigaciones que realizaba en el laboratorio de Karlsruhe, pudo demostrar en la práctica que las predicciones de Maxwell eran ciertas y que las ondas electromagnéticas no sólo se propagaban a través del espacio, sino que poseían también propiedades de reflexión, difracción, refracción, polarización e interferencia. Incluso llegó a comprobar que se propagaban a la misma velocidad de la luz, es decir, a 300 mil kilómetros por segundo, descubriendo que tanto la luz como el calor constituían, igualmente, radiaciones electromagnéticas.

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Fig. 3.     Recreación del circuito creado por Hertz.

 

Construyó un circuito eléctrico que, de acuerdo a las ecuaciones de Maxwell podía producir ondas magnéticas. Cada oscilación produciría únicamente una onda, por lo que la radiación generada constaría de una longitud de onda grande. Para establecer la presencia de la mencionada radiación, Hertz fabricó un dispositivo conformado de dos espiras entre las cuales existía un pequeño espacio de aire; Hertz se dio cuenta de que al pasar corriente por la primera espira, se originaba corriente en la segunda.

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Fig. 4.     Dispositivo original.

 

Desde entonces se han creado diferentes aparatos para detectar los campos electromagnéticos y los usos han sido diferentes. Por ejemplo con el aumento del interés por lo paranormal, Aaron Rasmussen ha creado una aplicación para iPhone con la que poder medir la cantidad de radiación electromagnética que emiten ciertos dispositivos eléctricos de las casa, pero además encuentra, rastrea y localiza la ubicación de las entidades que emiten cantidades inusuales de energía electromagnética, y que pueden estar en cualquier lugar de nuestra casa. La antena, capta los campos electromagnéticos conectándose al iPhone por medio del mini Jack (la entrada para auriculares). La pantalla muestra el nivel de la radiación electromagnética emitida por cualquier fenómeno anómalo que este en el radio de acción de el detector.

GhostColors

 

Fig. 5.     Aplicación Mr. Ghost y antena.

 

A continuación el creador de la aplicación Aaron Rasmussen explica el funcionamiento:

“Como se puede observar, la función principal de Mr. Ghost es la identificación de los aparatos eléctricos en las casa que emiten altos niveles de radiación electromagnética para que se pueda evitar la exposición de nuestro organismo durante demasiado tiempo o con demasiada frecuencia. Pero la función más interesante, sin embargo, es sin duda el modo caza fantasmas. [2]

III. Diseño

 

Tenemos dos diseños que analizar, por una parte esta la interface física que consta del amplificador y el micrófono y por otra parte la digital.

A. Micrófono

Los requisitos básicos que tiene que tener este micrófono son que tenga una conexión de tres canales, es decir un mini jack con 3 bandas en vez de con dos ya que los móviles solo poseen una entrada de mini jack que vale tanto como para auricular como para micrófono. La tercera banda es la que hace referencia al micrófono por lo que solo tendremos que tener en cuenta esta misma a la hora de hacer las conexiones. Empleamos un cable de sonido mono, pues la señal que recibimos va a ser única a no ser que le pusiéramos dos sensores, no se contempla esa opción pues las grabaciones que vamos a hacer son de un elemento en concreto y la radiación se expande direccionalmente. Se podrían poner dos sensores para intentar hacer una captación binaural pero en esta fase del proyecto nos hemos decantado por uno solo. El tipo de sensor que se emplea es un inductor, modelo 3JJJ, es una bobina que nos permite almacenar la energía en modo de campo electromagnético.

El inductor no tiene polaridad por lo que la conexión es sencilla. Una pata ha de ir a la maya y la otra al vivo que se conectará al tercer canal. El resto de cables no nos hacen falta. Para ultimar el micrófono lo único que nos hace falta es un poco de tubo termo retráctil para dejar bien aisladas las conexiones.

En mi caso he usado los propios auriculares del móvil que vienen con micrófono integrado y lo he sustituido por el inductor.

 

B. Amplificador

El amplificador usado inicialmente permite una adición de hasta 46Db en la señal de entrada. Tiene un interruptor que ofrece la posibilidad de aumentar x20 o x200 veces la entrada. El resto de piezas que se necesitan son estas:
1. 1 Potenciómetro 10KOHM
2. 2 Jack_in, Jack_out
3. 1 LED 1-3mm
4. 1 amplificador LM386
5. 1 pila 9v (o entre 4 y 12v)

6. 2 Interruptores ON / OFF – X20/200
7. 1 condensador 10uF C1
8. 1 condensador 220uF C2
9. 1 resistencia 480OHM R1

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Fig. 6.    Amplificador de señal.

 

Después de hacer todas las soldaduras hay que encontrar una caja para ubicar todo los componentes. El tamaño ideal es de 3x5x2 cm.

Se baraja la posibilidad de hacer un amplificador más reducido  y que vaya integrado en el cable del micrófono. En este caso se sustituye la pila de 9v por cuatro pilas de botón de 1,5v y se ajustan todos los componentes en una caja de menor tamaño. Se eliminan las dos entradas de jacks y en su lugar se coloca el cable de audio, en un extremo, el de entrada, con el micrófono y en el extremo de salida con el Jack de tres canales.

C. Interface digital

El diseño consta de un diagrama gráfico en el que de 10hz a  20000hz se dibujan los niveles que van entrando marcándose con un círculo rojo los picos más altos y dándote el valor en hercios. El audio puede ser captado tanto por el micrófono integrado como por la entrada de Jack con un micrófono externo. En el fondo se dibuja unas líneas que dividen el rango y separado por colores se encuentran las diferentes maquinas a las que hace referencia la frecuencia. En la parte superior se observa el título “CATCHING THE SPECTRUM” en color verde y en la parte inferior se muestra la referencia de los valores, del búfer, la velocidad y el volumen.

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Fig. 7.     Interface vista desde el emulador.

 

Para el desarrollo de esta aplicación he contado con la ayuda de David Sanz Kirbis que tras muchos problemas intentando usar la biblioteca FFT  ha logrado usar Minim en Android. La interface está desarrollada con la función de grabación de audio de Processing.org con API de Android, para desarrollar una aplicación de análisis de audio. Para ello es necesario trabajar con el entorno de desarrollo de Android. Cuando ya está instalado en el ordenador Android SDK, hay que seleccionar la carpeta que contiene el SDK, processing crea automáticamente una máquina virtual en el Administrador de dispositivos Virtual Android. Se puede acceder mediante processing  a través del menú de entrada “en Android> Android AVD Manager” que sólo está disponible en el modo de android. Para el desarrollo utilizamos un emulador como este, android.emulator.port = 5554 (el número de puerto aparece en el nombre de la ventana de la máquina virtual una vez que se inicia). A continuación se muestra como se ha de inicializar la programación:

 

import android.media.AudioRecord;

import android.media.AudioFormat;

import android.media.MediaRecorder;

 

int RECORDER_SAMPLERATE = 44100;

int MAX_FREQ = RECORDER_SAMPLERATE/2;

final int RECORDER_CHANNELS = AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO;

final int RECORDER_AUDIO_ENCODING = AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT;

final int PEAK_THRESH = 20;

 

short[]     buffer           = null;

int         bufferReadResult = 0;

AudioRecord audioRecord      = null;

boolean     aRecStarted      = false;

int         bufferSize       = 2048;

int         minBufferSize    = 0;

float       volume           = 0;

FFT         fft              = null;

float[]     fftRealArray     = null;

int         mainFreq         = 0;

 

float drawScaleH       = 1.5; // TODO: calculate the drawing scales

float drawScaleW       = 1.0; // TODO: calculate the drawing scales

int drawStepW        = 2;   // display only every Nth freq value

float maxFreqToDraw    = 2500; // max frequency to represent graphically

int drawBaseLine     = 0;

 

Si se desea utilizar algún hardware de su dispositivo Adroid, tiene que habilitar el consentimiento correspondiente en la opción de proceso “Android-> Stetch permisos”. En nuestro caso queremos usar el hardware de grabación de audio, por lo que la opción “Grabación de sonido”.

Dos pistas importantes para utilizar la grabadora API de Android con el dispositivo y el emulador y es que el emulador no prevé un número mínimo de búfer de grabación cuando se le solicite, así que cuando se utiliza el emulador se tiene que configurar manualmente el tamaño del búfer, y tiene que ser una potencia de dos. El otro indicio es que la única tasa de muestreo que se puede utilizar con el emulador es 8000.
Nos aprovechamos de la insinuación mínima buffer para  detectar cuando se está ejecutando en el emulador y cuando se está ejecutando en el dispositivo.

 

minBufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize( RECORDER_SAMPLERATE,

RECORDER_CHANNELS,RECORDER_AUDIO_ENCODING);

if (minBufferSize == AudioRecord.ERROR_BAD_VALUE)  {

RECORDER_SAMPLERATE = 8000; // forced by the android emulator

MAX_FREQ = RECORDER_SAMPLERATE/2;

// buffer size must be power of 2

bufferSize =  2 << (int)(log(RECORDER_SAMPLERATE)/log(2)-1);

} else bufferSize = minBufferSize;

Otra precaución para evitar accidentes es comprobar que el Audiorecorder está inicializado correctamente.

 

AudioRecord = new AudioRecord( MediaRecorder.AudioSource.MIC, RECORDER_SAMPLERATE,

RECORDER_CHANNELS,RECORDER_AUDIO_ENCODING, bufferSize);

if ((audioRecord != null) && (audioRecord.getState() == AudioRecord.STATE_INITIALIZED)) {

try {

// this throws an exception with some combinations

// of RECORDER_SAMPLERATE and bufferSize

audioRecord.startRecording();

aRecStarted = true;

}

catch (Exception e) {

aRecStarted = false;

}

} else aRecStarted = false;

El siguiente problema que tuvimos es la biblioteca de sonidos que viene con processing que es  “mínim” funciona sólo en el modo estándar, no en modo de Android. Y no podíamos encontrar ningún ejemplo de trabajo completo con código para realizar una transformación de procesamiento de Fourier en android. Sí, hay algunos temas al respecto, pero ninguno con el código para el procesamiento.

También hay bibliotecas en la aplicación java para la implementación de la Fast Fourier Transform (FFT), como jtransforms, jfftpack,. Pero finalmente David se decidió a adaptar el código de análisis Mínim para nuestros propósitos, así que también podría utilizar la misma sintaxis y reciclar algunos análisis de audio interesante y ejemplos de visualización de processing. [3]

IV. Diagráma técnico

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Fig. 8.     Esquema eléctrico del amplificador.

V. Diagráma de interacción

Fig. 9.     Diagrama de interacción.

INTERACT

V. Tareas y objetivos

El objetivo principal es detectar el nivel de radiación electromagnética. La tarea que tiene el usuario es la de direccionar el micrófono a aquellos lugares que cree poseedores de radiación y observar sus valores.

El objetivo secundario es el de emplear este dispositivo con otras aplicaciones que le permitan grabar sonidos y usarlos como piezas sonoras.

VI. Usabilidad

La  usabilidad de un sistema o herramienta es considerada como una medida de  su utilidad, facilidad de uso y facilidad de aprendizaje en el desarrollo de una tarea, su origen deriva del estudio de la facilidad de uso de los distintos objetos y dispositivos y surgió en el ámbito del desarrollo de software y aplicaciones.

Haciendo un pequeño desglose sobre su usabilidad podemos comentar sobre:

 

1)     Eficiencia: Encender la aplicación. No requiere de ninguna otra instrucción por lo que su nivel de eficiencia es alto.

2)     Eficacia: Siempre que el usuario este en situación de escuchar, la aplicación funcionará con éxito, por lo que el nivel es alto.

3)     Seguridad: el dispositivo tiene un acabado correcto y todas sus conexiones están aisladas. No es posible el contacto con ningún componente metálico a excepción del Jack. Salvo que se encuentre en condiciones muy húmedas el nivel de seguridad es alto.

4)     Utilidad: Como hemos visto en la introducción el fenómeno de los campos magnéticos es más popular cada día y hay más gente interesada en tener un acercamiento al tema desde muchos puntos de vista. El nivel es alto.

5)     Facilidad de aprendizaje: Para su uso no se requieren conocimientos técnicos previos. Es necesario comprender el funcionamiento de un Smartphone por lo que se reduce el público y no se integra a gente que no tiene contacto con estas tecnologías. Pese a ello tiene un fácil aprendizaje pues tan solo es necesario pulsar una tecla y comienza a funcionar. Nivel alto.

VI. Referentes artisticos

Dentro del mundo del arte podemos encontrar varios artistas que trabajan con el campo electromagnético. Algunos se centran en la visualización como Luke Sturgeon, diseñador interactivo quien ha creado una aplicación jaqueando un móvil Android para convertirlo en un detector de campos magnéticos y poder visualizar el campo mediante fotografía stop-moution[4]. También podemos encontrar a otro artista, Timo Arnall del proyecto Touch y Jack Schulze de BERG quienes exploran las cualidades espaciales de las ondas a través de una sonda visualizada, fotografía de larga exposición y la animación. [5]

La artista Christina Kubich realiza unos auriculares que poseen un software integrado parecido al que aquí se muestra. Estos auriculares son capaces de captar el espectro y no necesitan de ningún otro dispositivo para su funcionamiento. [6]

En el 2006 se realiza una exposición comisariada por Nina Czegledy y Louise Provencher llamada Resonancias. Cuerpos electromagnéticos presenta una selección de obras de artistas canadienses que trabajan con el electromagnetismo. La exposición explora la naturaleza de las energías vibratorias y el impacto que ejercen esas fuerzas, invisibles pero reales, sobre nuestro cuerpo y nuestra percepción sensorial, los cuerpos orgánicos y el entorno. De ella destacamos el trabajo de Catherine Richards quien en oposición al resto de artistas citados su interés se basa en el aislamiento del espectro, para lo que crea una instalación donde el usuario puede envolverse en una tela metálica de tafetán de cobre  y tumbarse en una mesa de cristal para poder disfrutar de unos momentos de aislamiento de las radiaciones, desconectar. [7]

Por ultimo citar al artista que me impulso a adentrarme en este campo, Víctor Mazón. Su trabajo se basa en un continua búsqueda de todo tipo de señales ocultas mediante la creación de dispositivos electrónicos a los que da forma y expone a modo de nuevos seres o animales eléctricos.[8]

VII. Conclusiones

En el desarrollo del proyecto han surgido diferentes problemas que se han solucionado eficazmente. Por un lado tenemos el diseño del código en el que sin la ayuda de David hubiera sido imposible. Pero gracias a estos contratiempos surgidos con la función de la transformada de Fourier hemos logrado comprenderla y adaptarla creando un nuevo código que está a disposición de cualquier usuario. Por escasez de tiempo la aplicación no tiene implementada la función de grabar y es necesario el uso de otros software o aplicaciones que te lo permitan, pero la idea está en desarrollo y en breve contará con esta opción. Otra función a implementar es la escucha mediante el altavoz integrado del móvil pues por ahora tan solo es posible gracias a una salida de audio integrada en el amplificador. Las opciones que se barajan son las de usar la salida de USB como output de audio o usar el altavoz del sistema.

En la parte de electrónica la complicación residía en crear un amplificador de reducidas dimensiones ergonómico para portar junto al cable del micrófono y así tener un solo dispositivo. Dicho obstáculo ha sido resuelto gracias a la utilización de las pilas de botón y la supresión de diferentes interruptores y conectores, lo cual tiene un aspecto negativo y es que solo puede ser usado con un tipo de sensor mientras que existía la posibilidad de conectarle diferentes sensores que capten señales como las frecuencias infrarrojas. Con respecto a las pilas de botón surge otro problema, aunque el circuito consume muy poca energía estas tendrán que ser cambiadas a la larga, estoy estudiando la posibilidad de emplear una pequeña batería que se pueda recargar o alimentarlo mediante la batería del móvil, opción que ya ha sido usada con iPhone y así no sería necesario tener que abrir el dispositivo

Resumiendo, es una aplicación sencilla, de fácil aprendizaje y de interés para la mayor parte de usuarios (dato no contrastado personalmente, observado en internet). Plantea posibilidades interesantes para artistas sonoros que experimentes con sonidos no convencionales.

References

[1]   Heinrich Rudolph Hertz, “Antigüedad eléctrica”. Artículo, revista online Afinidad eléctrica. Disponible en Web: <http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=142>

[2]   Aaron Rasmussen, <http://aaronrasmussen.com/#/mr-ghost/>

[3]   David Sanz Kirbis. Toda la información necesaria para el desarrollo de la aplicación está en la web: <http://therandomlab.blogspot.com.es/2013/05/fft-audio-frequency-analysis-with>

[4]   Información sobre el proyecto de Luke Sturgeon en la web: <http://lukesturgeon.co.uk/2013/04/experimental-imaging/>

[5]   Información sobre el proyecto Inmaterial ligths en la web: <http://www.nearfield.org/2009/10/immaterials-the-ghost-in-the-field>

[6]   Pagina web de la artista Christina Kubich: <http://www.christinakubisch.de/>

[7]   Enlace directo al catálogo de la exposición Resonancias: <http://www.medialabmadrid.org/medialab/medialab.php?l=0&a=a&i=296>

[8]   Pagina web del artista Víctor Mazón: <http://www.victormazon.com>

It have been created some compositions with this sounds, you can listen them here:

An also there are all the single sounds I have recorded without editing here:

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