Campanes tubulars automàtiques: 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

Aquest instrument instrumental explica els passos principals que vaig seguir per construir el primer prototip d’un conjunt de campanes tubulars automàtiques que vaig construir el 2006. Les característiques de l’instrument musical automàtic són: - 12 campanades (12 campanes tubulars) - Cada campanada toca una nota, pot reproduir una octava completa (de C a B, inclosos els suports) - Pot reproduir fins a 4 notes simultànies (de manera que pot reproduir acords de timbre de 4 notes) - Es controla a través del port sèrie del PC (estàndard RS-232). compost per la caixa de la unitat de control i tres torres. Cada torre conté 4 campanades i dos motors; cada motor colpeja dues de les quatre campanades. Totes les torres estan connectades a la caixa de la unitat de control mitjançant un bus de 10 cables. La unitat de control és l’encarregada d’alimentar cada motor amb l’energia i la velocitat precises per tocar cada campanada, reproduint les notes que el programari de l’ordinador li envia. Està compost internament per tres taulers. La primera placa conté el microcontrolador, que és un Atmel ATMega16, i els elements de comunicació RS-232. El segon conté els circuits del controlador del motor i el tercer, els controladors de posició del motor. Vaig trigar gairebé mig any a acabar aquest projecte. Els passos següents són passos generals, amb la informació més rellevant del procés de construcció del projecte, es poden veure detalls menors a les imatges. Un vídeo de les campanes tubulars automàtiques: pàgina principal del projecte: pàgina principal de les campanes tubulars automàtiques.

Pas 1: Construir les campanades

El primer pas va ser trobar un material bo i barat per construir campanades. Després de visitar algunes botigues i fer algunes proves, vaig trobar que l’alumini era el material que em proporcionava la millor relació de qualitat de so i preu. Així que vaig comprar 6 barres d’1 metre de longitud cadascuna. Tenien un diàmetre exterior d'1, 6 cm i diàmetre interior d'1, 5 cm (1 mm de gruix). Un cop tenia les barres, les vaig haver de tallar a la longitud adequada per obtenir la freqüència de cada nota. Vaig buscar a Internet i vaig trobar alguns llocs interessants que em van proporcionar molta informació interessant sobre com calcular la longitud de cada barra per obtenir les freqüències que desitjava (vegeu la secció d’enllaços). No cal dir que la freqüència que cercava era la freqüència fonamental de cada nota i, com passa en gairebé tots els instruments, les barres produiran altres freqüències simultànies a part de la fonamental. Aquestes altres freqüències simultànies són els harmònics que normalment són múltiples de la freqüència fonamental. El nombre, la durada i la proporció d’aquests harmònics és el responsable del timbre de l’insturment. La relació entre la freqüència d’una nota i la mateixa nota a la següent octava és 2. Per tant, si la freqüència fonamental de la nota C és de 261,6Hz, la freqüència fonamental de C a la següent octava serà de 2 * 261,6 = 523, 25Hz. Com sabem que la música d’Europa occidental divideix una octava en 12 passos d’escala (12 semitons organitzats en 7 notes i 5 notes sostingudes), podem calcular la freqüència del semitó següent multiplicant la freqüència de les notes anteriors per 2 # (1/12). Com sabem que la freqüència C és de 261,6 Hz i la proporció entre 2 semitons conescutius és de 2 # (1/12) podem deduir totes les freqüències de les notes: NOTA: el símbol # representa l’operador de potència. Per exemple: "a # 2" és el mateix que "a^2" Nota 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)) = 329,62Hz 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 Només 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 La taula anterior només té finalitats informatives i no cal calcular la longitud de les barres. El més important és el factor de relació entre freqüències: 2 per a la mateixa nota a la següent octava i (2 # (1/12) per al següent semitó. L'utilitzarem a la fórmula que s'utilitza per calcular la longitud de les barres La fórmula inicial que he trobat a Internet (veure secció d’enllaços) és: f1 / f2 = (L2 / L1) # 2 d’ella podem deduir fàcilment la fórmula que ens permet calcular la longitud de cada barra. Com que f2 és la freqüència de la següent nota volem calcular i volem saber la següent freqüència de semitons: f2 = f1 * (2 # (1/12)) f1 / (f1 * (2 # (1/12))) = (L2 / L1) # 2 … L1 * (1 / (2 # (1/24))) = L2 la fórmula és: L2 = L1 * (2 # (- 1/24)) Per tant, amb aquesta fórmula podem deduir la longitud de la campanada. que tocarà el semitó següent, però òbviament necessitarem la longitud del timbre que toca la primera nota. Com podem calcular-lo? No sé calcular la longitud del primer timbre. Suposo que existeix una fórmula que relaciona les propietats físiques del material, la mida de la barra (longitud, exterior i d diàmetre interior) amb la freqüència que tocarà, però no ho sé. Simplement el vaig trobar afinant-lo amb l'ajut de la meva oïda i la meva guitarra (també podeu utilitzar un diapasó o un freqüencímetre de targeta de so per a PC).

Pas 2: Les Tres Torres

Després de tallar les barres a la longitud adequada, vaig haver de construir un suport per penjar-les. Vaig fer alguns esbossos i, finalment, vaig construir aquestes tres torres que podeu veure a les imatges. Vaig penjar quatre campanades a cada torre passant un fil de niló pels forats que vaig fer prop de la part superior i inferior de cada campaneta. Vaig haver de perforar forats a la part superior i inferior perquè era necessari arreglar campanades per ambdós costats per evitar que oscil·lessin sense control quan es pegaven els pals. La distància precisa per col·locar els forats era una qüestió delicada i havien de coincidir amb els dos nodes de vibració de la freqüència fonamental de la barra, que es troben al 22,4% de la part superior i inferior. Aquests nodes són els punts sense moviment quan les barres oscil·len a la seva freqüència fonamental i la fixació de la barra en aquests punts no hauria d’afectar-les quan vibren. També he afegit 4 cargols a la part superior de cada torre per permetre ajustar la tensió del fil de niló de cada campaneta.

Pas 3: els motors i Strickers

El següent pas va ser construir els dispositius que mouen els pals del davanter. Aquesta va ser una altra part crítica i, com podeu veure a les imatges, finalment vaig decidir utilitzar motors de corrent continu per moure cada davanter. Cada motor té el pal de punter i un sistema de control de posició connectat, i s’utilitza per colpejar un parell de campanades. El pal del davanter és un tros de punxa de bicicleta amb un cilindre de fusta negra al final. Aquest cilindre està cobert amb una fina pel·lícula de plàstic autoadhesiva. Aquesta combinació de materials proporciona una sonoritat suau però forta quan es colpeja les barres. De fet, vaig provar algunes altres combinacions, i aquesta va ser la que em va donar els millors resultats (agrairia que algú em fes saber una millor). El sistema de control de posició del motor és un codificador òptic de 2 bits de resolució. Està compost per dos discos: un dels discs gira solidàriament al pal i té una codificació en blanc i negre impresa a la superfície inferior. L’altre disc està fixat al motor i té dos sensors emissors-receptors d’infrarojos CNY70 que poden distingir el color en blanc i negre de l’altre disc i, per tant, poden deduir la posició del pal (FRONT, DRETA, ESQUERRA i DARRERA) Conèixer la posició permet al sistema centrar el pal abans i després de tocar una campana, cosa que garanteix un moviment i un so més precisos.

Pas 4: Construir el maquinari de la unitat de control

Un cop acabades les tres torres, era el moment de construir la unitat de control. Com he explicat al principi del text, la unitat de control és una caixa negra formada per tres plaques electròniques. La placa principal conté les lògiques, l'adaptador de comunicació sèrie (1 MAX-232) i el microcontrolador (un microcontrolador RISC de 8 bits ATMega32). Les altres dues plaques contenen els circuits necessaris per controlar els sensors de posició (algunes resistències i 3 triggers-schimdt 74LS14) i per alimentar els motors (3 controladors de motor LB293). Podeu fer una ullada als esquemes per obtenir més informació.

Podeu baixar el ZIP amb les imatges de schematichs a la zona de baixades.

Pas 5: Firmware i programari

El firmware s’ha desenvolupat en C, amb el compilador gcc inclòs a l’entorn de desenvolupament gratuït WinAVR (he utilitzat el bloc de notes de programadors com a IDE). Si mireu el codi font, trobareu diferents mòduls:

- atb: conté el "principal" del projecte i les rutines d’intialització del sistema. És de "atb" on es diuen altres mòduls. - UARTparser: és el mòdul amb el codi de l'analitzador de sèrie, que pren les notes enviades per l'ordinador a través del RS-232 i les converteix en ordres entenedores per al mòdul "moviments". - Moviments: converteix una ordre de nota rebuda des de l'UARTparser, a un conjunt de moviments motors senzills diferents per tal de tocar un campanar. Explica al mòdul "motor" la seqüència d'energia i direcció de cada motor. - motors: implementa 6 programes PWM per alimentar els motors amb l'energia precisa i la durada precisa establerta pel mòdul "moviment". El programari és una aplicació senzilla de Visual Basic 6.0 que permet a l'usuari introduir i emmagatzemar la seqüència de notes que componen una melodia. També permet enviar les notes a través del port sèrie del PC i escoltar-les reproduïdes per l’Atb. Si voleu consultar el firmware, podeu descarregar-lo a l’àrea de descàrrega.

Pas 6: consideracions finals, idees de futur i enllaços …

Tot i que l’instrument soni bé, no és prou ràpid per tocar algunes melodies, de fet, de vegades, es sincronitza una mica amb la melodia. Així que estic planejant una nova versió més eficaç i precisa, perquè la precisió del temps és una qüestió molt important quan parlem d’instruments musicals. Si toqueu una nota amb alguns milisegons d’avanç o retard, l’orella trobarà alguna cosa estranya a la melodia. Per tant, cada nota s’ha de tocar en el moment precís amb l’energia precisa. La causa d’aquests retards en aquesta primera versió de l’instrument és que el sistema de percussió que he escollit no és tan ràpid com hauria de ser. La nova versió tindrà una estructura molt similar, però utilitzarà solenoides en lloc de motors. Els solenoides són més ràpids i precises, però també són més costosos i difícils de trobar. Aquesta primera versió es pot utilitzar per reproduir melodies senzilles, com a instrument autònom, o en rellotges, timbres … Pàgina principal del projecte: pàgina d'inici de les campanes tubulars automàtiques Un vídeo de les campanes tubulars automàtiques: vídeo de YouTube de les campanes tubulars automàtiques Enllaços En aquest lloc trobareu gairebé tota la informació que necessiteu per construir les vostres pròpies campanades: Fer campanades de vent per Jim Haworth Fer campanades de vent per Jim Kirkpatrick Grup de missatges per a constructors de campanes de vent