Automatische buisbellen - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

Deze instructie legt de belangrijkste stappen uit die ik heb gevolgd om het eerste prototype te bouwen van een set automatische buisbellen die ik in 2006 heb gebouwd. De functies van het automatische muziekinstrument zijn: - 12 klokken (12 buisbellen) - Elke klokkenspel speelt één noot, dus kan een volledig octaaf spelen (van C naar B, inclusief sustains) - Het kan tot 4 noten gelijktijdig spelen (dus het kan 4 gongakkoorden spelen) - Het wordt bestuurd via de seriële pc-poort (standaard RS-232) Het instrument is samengesteld uit de controle-eenheidsdoos en drie torens. Elke toren bevat 4 klokken en twee motoren, elke motor slaat twee van de vier klokken. Alle torens zijn verbonden met de besturingskast via een 10-draads bus. De besturingseenheid is verantwoordelijk voor het aandrijven van elke motor met de precieze energie en snelheid om elke gong te raken, en speelt de noten die de software in de computer ernaartoe stuurt. Het is intern samengesteld uit drie planken. Het eerste bord bevat de microcontroller, een Atmel ATMega16, en de RS-232-communicatie-elementen. De tweede bevat de motoraandrijfcircuits en de derde, de motorpositieregelaars. Het heeft me bijna een half jaar gekost om dit project af te ronden. De volgende stappen zijn algemene stappen, met de meest relevante informatie over het bouwproces van het project, kleine details kunnen worden bekeken op de foto's.

Stap 1: De klokken bouwen

De eerste stap was het vinden van een goed en goedkoop materiaal om een klokkenspel te bouwen. Na wat winkels te hebben bezocht en wat tests te hebben gedaan, ontdekte ik dat aluminium het materiaal was dat me de beste geluidskwaliteit versus prijsverhouding gaf. Dus kocht ik 6 staven van elk 1 meter lang. Ze hadden een buitendiameter van 1, 6 cm en een binnendiameter van 1, 5 cm (1 mm dikte). Toen ik eenmaal de staven had, moest ik ze op de juiste lengte knippen om de frequentie van elke noot te krijgen. Ik zocht op internet en vond een aantal interessante sites die me veel interessante informatie gaven over hoe ik de lengte van elke balk kon berekenen om de frequenties te krijgen die ik wenste (zie de sectie links). Onnodig te zeggen dat de frequentie waarnaar ik op zoek was de grondfrequentie van elke noot was, en zoals bij bijna alle instrumenten gebeurt, zullen de maten andere gelijktijdige frequenties produceren dan de grondtoon. Deze andere gelijktijdige frequenties zijn de harmonischen die normaal een veelvoud zijn van de grondfrequentie. Het aantal, de duur en het aandeel van deze harmonischen is verantwoordelijk voor het timbre van het instrument. De relatie tussen de frequentie van een noot en dezelfde noot in het volgende octaaf is 2. Dus als de grondfrequentie van de C-noot 261,6 Hz is, is de grondfrequentie van C in het volgende octaaf 2*261,6=523, 25 Hz. Omdat we weten dat West-Europese muziek een octaaf verdeelt in 12 schaalstappen (12 halve tonen georganiseerd in 7 noten en 5 aanhoudende noten), kunnen we de frequentie van de volgende halve toon berekenen door de frequentie van de vorige noot te vermenigvuldigen met 2 # (1/12). Omdat we weten dat de C-frequentie 261,6 Hz is en de verhouding tussen 2 opeenvolgende halve tonen 2 # (1/12) is, kunnen we alle frequenties van noten afleiden: OPMERKING: het # -symbool vertegenwoordigt de krachtoperator. Bijvoorbeeld: "a # 2" is hetzelfde als "a^2" Opmerking Freq 01 C 261.6 Hz 02 Csust 261.6 * (2 # (1/12)) = 277.18 Hz 03 D 277.18 * (2 # (1/12)) = 293, 66 Hz 04 Dsust 293, 66 * (2 # (1/12)) = 311, 12 Hz 05 E 311, 12 * (2 # (1/12)) = 329,62 Hz 06 F 329, 62 * (2 # (1/12)) = 349,22 Hz 07 Fsust 349,22 * (2 # (1/12)) = 369,99 Hz 08 G 369,99 * (2 # (1/12)) = 391,99 Hz 09 Gsust 391,99 * (2 # (1/12)) = 415,30 Hz 10 A 415,30 * (2 # (1/12)) = 440,00 Hz 11 Asust 440,00 * (2 # (1/12)) = 466, 16 Hz 12 B 466, 16 * (2 # (1/12)) = 493,88 Hz 13 C 493,88 * (2 # (1/12)) = 2 * 261.6 = 523.25 Hz De vorige tabel is alleen ter informatie en het is niet nodig om de lengte van de staven te berekenen. Het belangrijkste is de relatiefactor tussen frequenties: 2 voor dezelfde noot in het volgende octaaf, en (2 # (1/12) voor de volgende halve toon. We zullen het gebruiken in de formule die wordt gebruikt om de lengte van de maten te berekenen De initiële formule die ik op internet vond (zie de sectie links) is: f1/f2 = (L2/L1) #2 hieruit kunnen we gemakkelijk de formule afleiden waarmee we de lengte van elke staaf kunnen berekenen. Omdat f2 de frequentie is van de volgende noot die we willen berekenen en we willen de frequentie van de volgende halve toon weten: f2 = f1 * (2 # (1/12)) f1/(f1*(2#(1/12)))=(L2/L1)#2 … L1*(1/(2#(1/24)))= L2de formule is: L2=L1*(2#(-1/24)) Dus met deze formule kunnen we de lengte van de gong afleiden die de volgende halve toon zal spelen, maar we hebben natuurlijk de lengte nodig van de gong die de eerste noot speelt. Hoe kunnen we die berekenen? Ik weet niet hoe ik de lengte van de eerste gong moet berekenen. Ik veronderstel dat er een formule bestaat die relateert de fysieke eigenschappen van het materiaal, de grootte van de staaf (lengte, buiten- en d binnendiameter) met de frequentie die het zal spelen, maar ik weet het niet. Ik heb het eenvoudig gevonden door het te stemmen met behulp van mijn oor en gitaar (je kunt ook een stemvork of een pc-geluidskaartfrequentiemeter gebruiken om het te stemmen).

Stap 2: De drie torens

Nadat ik de staven op de juiste lengte had gesneden, moest ik een steun maken om ze op te hangen. Ik heb wat schetsen gemaakt en uiteindelijk deze drie torens gebouwd die je op de foto's kunt zien. Ik heb vier klokken op elke toren gehangen en een nylondraad door de gaten aan de boven- en onderkant van elke klokkenspel geleid. Ik moest gaten aan de boven- en onderkant boren omdat het nodig was om aan beide kanten een klokkenspel te bevestigen om te voorkomen dat ze ongecontroleerd oscilleren wanneer ze door de stokken worden geraakt. De precieze afstand om de gaten te plaatsen was een delicate zaak en ze moesten samenvallen met de twee trillingsknooppunten van de grondfrequentie van de staaf, die zich op 22,4% van de boven- en onderkant bevinden. Deze knooppunten zijn de punten waar de staven niet bewegen op hun grondfrequentie, en het vastzetten van de staaf op deze punten zou ze niet moeten beïnvloeden als ze trillen. Ik heb ook 4 schroeven aan de bovenkant van elke toren toegevoegd om de spanning van de nylondraad van elke gong aan te passen.

Stap 3: De motoren en Strickers

De volgende stap was het bouwen van de apparaten die de spitsstokken bewegen. Dit was een ander cruciaal onderdeel, en zoals je op de foto's kunt zien, heb ik uiteindelijk besloten om DC-motoren te gebruiken om elke spits te verplaatsen. Elke motor heeft de slagstok en een positiecontrolesysteem eraan bevestigd, en wordt gebruikt om een paar klokkenspel te raken. De striker stick is een stuk fietsspike met aan het uiteinde een zwarte houten cilinder. Deze cilinder is bedekt met een dunne, zelfklevende plastic film. Deze combinatie van materialen geeft een zachte maar luide sonoriteit bij het aanslaan van de balken. In feite heb ik een aantal andere combinaties getest, en dit was degene die me de beste resultaten gaf (ik zou dankbaar zijn als iemand me een betere laat weten). Het motorpositiecontrolesysteem is een optische encoder met een resolutie van 2 bits. Het bestaat uit twee schijven: een van de schijven draait vast aan de stok en heeft een zwart-wit codering op de onderkant. De andere schijf is bevestigd aan de motor en heeft twee infrarood CNY70-zender-receptorsensoren die de zwart-witte kleur van de andere schijf kunnen onderscheiden, en dus de positie van de stick kunnen afleiden (VOOR, RECHTS, LINKS en ACHTER) Door de positie te kennen, kan het systeem de stok centreren voor en na het slaan van een bel, wat een preciezere beweging en geluid garandeert.

Stap 4: De hardware van de besturingseenheid bouwen

Toen ik klaar was met de drie torens, was het tijd om de besturingseenheid te bouwen. Zoals ik aan het begin van de tekst heb uitgelegd, is de besturingseenheid een zwarte doos die bestaat uit drie elektronische borden. Het moederbord bevat de logica, de seriële communicatie-adapter (1 MAX-232) en de microcontroller (een ATMega32 8 bit RISC-microcontroller). De andere twee kaarten bevatten de schakelingen die nodig zijn om de positiesensoren te besturen (sommige weerstanden en 3 triggers-schimdt 74LS14) en om de motoren aan te drijven (3 LB293-motordrivers). U kunt de schema's bekijken voor meer informatie.

U kunt de ZIP downloaden met de schematische afbeeldingen in het downloadgebied.

Stap 5: Firmware en software

De firmware is ontwikkeld in C, waarbij de gcc-compiler is opgenomen in de gratis WinAVR-ontwikkelomgeving (ik gebruikte kladblok voor programmeurs als IDE). Als je naar de broncode kijkt, vind je verschillende modules:

- atb: bevat de "main" van het project en de systeeminitialisatieroutines. Is van "atb" waar andere modules worden genoemd. - UARTparser: is de module met de code van de seriële parser, die de notities opneemt die door de computer via de RS-232 worden verzonden en deze omzet in opdrachten die begrijpelijk zijn voor de module "bewegingen". - bewegingen: converteert een notitiecommando ontvangen van UARTparser naar een reeks verschillende eenvoudige motorische bewegingen om een gong te slaan. Het vertelt aan de module "motor" de volgorde van energie en richting van elke motor. - motoren: implementeert 6 software PWM om de motoren aan te drijven met de precieze energie en de precieze duur ingesteld door de "beweging" -module. De computersoftware is een eenvoudige Visual Basic 6.0-toepassing waarmee de gebruiker de reeks noten waaruit een melodie bestaat kan invoeren en opslaan. Het maakt het ook mogelijk om de noten via de seriële poort van de pc te verzenden en ernaar te luisteren die door de Atb wordt gespeeld. Als u de firmware wilt bekijken, kunt u deze downloaden in het downloadgedeelte.

Stap 6: Laatste overwegingen, toekomstige ideeën en links …

Ondanks dat het instrument mooi klinkt, is het niet snel genoeg om sommige melodieën te spelen, in feite loopt het soms een beetje uit de pas met de melodie. Dus ik ben van plan een nieuwe, effectievere en preciezere versie te maken, omdat tijdprecisie een zeer belangrijke zaak is als we het over muziekinstrumenten hebben. Als je een noot speelt met enkele milliseconden vooruit of vertraging, zal je oor iets vreemds in de melodie ontdekken. Dus elke noot moet op het precieze moment worden gespeeld met de precieze energie. De oorzaak van deze vertragingen in deze eerste versie van het instrument is dat het percussiesysteem dat ik heb gekozen niet zo snel is als zou moeten. De nieuwe versie zal een zeer vergelijkbare structuur hebben, maar zal elektromagneten gebruiken in plaats van motoren. Elektromagneten zijn sneller en nauwkeuriger, maar ze zijn ook duurder en moeilijker te vinden. Deze eerste versie kan worden gebruikt om eenvoudige melodieën te spelen, als stand-alone instrument, of in klokken, deurbellen … Hoofdpagina van het project:Automatic Tubular Bells home pageEen video van de Automatic Tubular Bells:YouTube-video van de Automatic Tubular BellsLinksIn deze site vindt u bijna alle informatie die je nodig hebt om je eigen klokkenspel te bouwen: Windgong maken Door Jim Haworth Windgong maken Door Jim KirkpatrickWind Chimes Constructors Message Group