Лента-эквалайзер: звук в столбики

Эквалайзер — прибор, который просят сделать чаще, чем спрашивают, зачем он: шестнадцать столбиков, прыгающих в такт музыке, на полке рядом с колонкой. Я собрал свой на панели из двух лент по метру, свёрнутых в матрицу шестнадцать на восемь, и первая версия встретила меня честным нулём: столбики стояли по колено независимо от того, орала ли колонка или в комнате стояла тишина. Причина сидела в первой строке кода — я рисовал высоту столбиков прямо из analogRead, не учитывая, что выход микрофонного модуля качается вокруг середины, а не растёт от нуля.

В этом уроке доводим эквалайзер до рабочего вида за четыре шага: снимаем отклонение от середины через abs(), сглаживаем его огибающей с асимметрией — вверх мгновенно, вниз неторопливо, — ставим на каждый столбик пик-держатель, который держит достижение и медленно сползает, и раскладываем всё на шестнадцать столбиков матрицы. Плюс честный разговор про микрофонные модули: MAX4466 с ручной крутилкой усиления против MAX9814 с автоматической регулировкой — у каждого своя натура, и для полки рядом с колонкой выбор не очевиден.

Сразу договоримся о слове «спектр». Столбики в этом уроке не разбирают звук по частотам — их высота зависит от общего уровня с наклоном влево, где живут басы. Это условность, и я покажу, где она ломается; настоящий FFT на Uno разобран по шагам в уроке про музыкальную подсветку, а здесь — самый дешёвый эквалайзер, который физически возможен: без библиотек, без буферов, на чистом analogRead и арифметике.

Оба модуля — электретный капсюль плюс усилитель, оба встают на аналоговый вход, но ведут себя по-разному. MAX4466 — открытая схема с подстроечным резистором: усиление до 125 раз крутится отвёрткой, и выход качается вокруг половины питания — при 5 В это 2,5 В, что после АЦП и есть 512. Крутилка — и сила, и обуза: выставил под комнату — и модуль честно повторяет громкость, от шёпота до крика, но переместил прибор в другую комнату — перенастраивай. Как настраивать по графику сигнала, показано в уроке про Serial Plotter — пять минут с волнами на экране экономят вечер наугад.

MAX9814 — та же база, но с автоматической регулировкой усиления: тихий звук дотягивается до видимого размаха, громкий — придавливается, чтобы не упереться в потолок. Потолок усиления выбирается пином GAIN — 40, 50 или 60 децибел, а скорость реакции задаётся отношением атака-спад: по умолчанию 1:4000, резистором меняется на 1:2000 или 1:500. Для эквалайзера-украшения это подарок: втыкается и работает в любой комнате. Но у автомата есть характер, о котором стоит знать: прибор перестаёт измерять громкость — он её нормирует, и тихая музыка на фоне выглядит так же бодро, как оркестр. Для «кто громче» нужен MAX4466, для «чтобы всегда плясало» — MAX9814.

Подключение у обоих одинаковое и скучное: три провода — питание, земля, выход на A0, — модуль ест единицы миллиампер и живёт от платы без разговоров. Два нюанса всё же есть. Первый: земля микрофона и земля ленты — одна и та же точка; через плавающую землю модуль ловит писк импульсных блоков питания, и панель начинает плясать сама по себе. Второй: провод выхода не тащите рядом с лентой — линия данных WS2812 глушит чувствительный вход, и усиление приходится выкручивать до предела.

Матрица шестнадцать на восемь — сто двадцать восемь пикселей, и раскладка у неё та же змейка, что мы подробно разбирали в уроке про матрицу 8x8: функция XY с разворотом нечётных рядов, только восьмёрка в формуле стала шестнадцатью. Кадр из 128 пикселей уезжает в ленту за 3,84 миллисекунды — арифметика кадров и бюджета платы посчитана в уроке про show и FPS, и тридцать кадров в секунду здесь остаются приятным потолком, а не обязанностью.

Ядро эквалайзера — три строки. Отклонение от середины: abs(analogRead(A0) - 512), умноженное на два, — размах сигнала в обе стороны. Огибающая env: если новое значение больше — берём его сразу (атака мгновенная), если меньше — текущее само оседает на четыре единицы за кадр. Спад намеренно медленнее атаки: столбик взлетает вместе с ударом бочки и опадает плавно, как у стрелочного индикатора старого магнитофона. Сделаете спад мгновенным — прибор начнёт мигать в ритме отдельных выбросов, и смотреть на это больно.

Пик-держатель — вторая ступень сглаживания, и работает он на каждый столбик отдельно: достигнутую высоту столбик помнит белой точкой, которая падает на одну строку каждые сто пятьдесят миллисекунд. Без него глаз не успевает зафиксировать, где столбик был на пике; с ним панель читается даже краем глаза, как настоящие студийные мониторы уровня. АЦП Uno отдаёт выборку каждые 112 микросекунд, так что за кадр в 25 миллисекунд на входе успевает смениться больше двух сотен значений — огибающая честно перепахивает весь кадр, хотя формально читается один раз.

Мёртвая зона — последняя деталь, без которой панель шумит в тишине: у любого модуля есть собственный шум в единицы-десяток единиц АЦП, и без порога столбики в два-три пикселя вечно подрагивают. Лечение — одна строка: всё, что ниже порога, считается нулём. Порог подбираю по тишине комнаты: включаю прибор, ничего не трогаю, смотрю на level в мониторе порта и беру верхнюю границу с полуторным запасом. В скетче ниже порог не выделен, чтобы не путать читателя, — на живой плате добавлю его первым делом после настройки усиления.

И оговорка, ради которой я столько места отдал микрофонам. Высота столбика здесь считается как общий уровень, умноженный на наклон: слева множитель полный, к правому краю падает до сорока процентов, — условные «басы» стоят выше. Это не спектр: гитарное соло и бочка дадут одинаковую форму, просто разной высоты. Для честного разложения по частотам нужен FFT — путь через музыкальную подсветку с arduinoFFT. Мой дешёвый вариант выигрывает другим: он понятен целиком, помещается в полсотни строк и не тормозит кадр ни на микросекунду сверх show().

Три места в скетче, где спотыкаются. Первое — умножение env на tilt взято в long: 255 × 255 на восьмибитной плате вылезает за int, и без приведения высота столбиков скачет по мусорным значениям. Второе — каждый столбик начинается с чистого буфера: FastLED.clear() в начале кадра, иначе после падения уровня остаются огарки, которые пик-держатель выдаёт за живой сигнал. Третье — цвет по строкам, а не по столбикам: зелёный низ, жёлтая середина, красный верх — знакомая шкала любого студийного индикатора, и переполнение «красной зоны» видно без чтения цифр.

Про честность ещё раз, потому что это главное решение урока: столбики показывают уровень, а не частоты, и наклон влево — подрисованная условность. В моей полке она работает: музыка с басами выглядит ожидаемо — слева пляшет, справа подрагивает. Она ломается на одном инструменте без басов: свистите в микрофон — и «басовые» столбики всё равно подпрыгнут, потому что общий уровень вырос. Если такое поведение смущает, честнее назвать прибор «VU-метром» и убрать наклон — одна строка, и все шестнадцать столбиков станут равноправными.

В симуляторе звук заменяет ручка, и это стоит проговорить прямо: настоящие модули отдают переменное напряжение вокруг середины, ручка держит постоянное — поэтому «прыгающего» звука без вашего участия здесь не будет. Поднимите ручку резко — увидите атаку: столбики взлетают за один кадр. Опустите — спад: панель оседает полторы секунды, и белые маркеры пиков сползают вслед. Среднее положение ручки — мид-скейл 512 — модель тишины: панель пуста, огибающая упёрлась в ноль. На живой плате всё то же самое делает голос, а форму сигнала удобно ловить на графике Serial Plotter.

Матрицу симулятор рисует строкой — это честно: буфер один, и на настоящей панели 16x8 каждая группа пикселей встанет столбиком по змейке. Номера в Serial идут по уровню огибающей — по ним видно, что панель живёт кадрами по 25 миллисекунд, между которыми плата свободна. Каркас тот же, что в millis вместо delay: если захотите тридцать кадров вместо сорока, растите шаг спада пропорционально, иначе панель начнёт таять медленнее, чем настроено.

Спад подстраивается под материал, который слушает панель: четыре единицы за кадр — компромисс для музыки с ударами. Под классику спад замедляйте до двух-трёх, чтобы столбики таяли с достоинством, под ритмичную электронику — наоборот, ускоряйте до шести: панель начинает дышать чаще и жёстче. И про размер: шестнадцать столбиков — не догма, на популярной матрице 32x8 тот же скетч растягивается на тридцать два столбика — ширина в XY и шаг наклона пересчитываются двумя константами, а бюджет кадра удваивается до восьми миллисекунд, что всё ещё далеко от потолка.