Automatické rúrkové zvony: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Tento návod vysvetľuje hlavné kroky, ktoré som dodržal, pri stavbe prvého prototypu sady automatických trubkových zvonov, ktoré som postavil v roku 2006. Funkcie automatických hudobných nástrojov sú: - 12 zvonkohier (12 trubicových zvonov) - každý zvonček zahrá jednu notu, takže môže hrať celú oktávu (od C do B, vrátane udržiavacích) - môže hrať až 4 simultánne tóny (takže dokáže hrať 4 akordové akordy) - je ovládaný pomocou sériového portu PC (štandardný RS -232) Nástroj je Skladá sa z krabice riadiacej jednotky a troch veží. Každá veža obsahuje 4 zvonkohry a dva motory, každý motor zasiahne dva zo štyroch zvonkohier. Všetky veže sú pripojené k skrinke riadiacej jednotky pomocou 10-vodičovej zbernice. Riadiaca jednotka je zodpovedná za napájanie každého motora presnou energiou a rýchlosťou, aby zasiahla každý zvukový signál, a hrá na poznámky, ktoré mu softvér v počítači pošle. Vnútorne je zložený z troch dosiek. Prvá doska obsahuje mikrokontrolér, ktorým je Atmel ATMega16, a komunikačné prvky RS-232. Druhý obsahuje obvody ovládača motora a tretí ovládače polohy motora. Dokončenie tohto projektu mi trvalo takmer pol roka. Nasledujúce kroky sú všeobecné kroky s najrelevantnejšími informáciami o procese výstavby projektu, menšie detaily je možné vidieť na obrázkoch. Video z automatických rúrkových zvonov: Hlavná stránka projektu: domovská stránka automatických rúrkových zvonov

Krok 1: Budovanie zvonkohry

Prvým krokom bolo nájdenie dobrého a lacného materiálu na stavbu zvonkohry. Po návšteve niektorých obchodov a vykonaní niekoľkých testov som zistil, že hliník je materiálom, ktorý mi dáva najlepší vzťah medzi kvalitou zvuku a cenou. Kúpil som teda 6 tyčí s dĺžkou 1 meter. Mali vonkajší priemer 1,6 cm a vnútorný priemer 1,5 cm (hrúbka 1 mm). Keď som mal tyčinky, musel som ich nastrihať na správnu dĺžku, aby som získal frekvenciu jednotlivých tónov. Hľadal som na internete a našiel som niekoľko zaujímavých stránok, ktoré mi poskytli veľa zaujímavých informácií o tom, ako vypočítať dĺžku každého pruhu, aby som získal požadované frekvencie (pozri časť odkazov). Netreba dodávať, že frekvencia, ktorú som hľadal, bola základnou frekvenciou každej noty, a ako sa to stáva takmer vo všetkých nástrojoch, tyče budú produkovať ďalšie simultánne frekvencie podobné základným. Tieto ďalšie simultánne frekvencie sú harmonické, ktoré sú obvykle násobkom základnej frekvencie. Počet, trvanie a podiel týchto harmonických je zodpovedný za zafarbenie zariadenia. Vzťah medzi frekvenciou jednej noty a rovnakou notou v nasledujúcej oktáve je 2. Ak je teda základná frekvencia noty C 261,6 Hz, základná frekvencia C v nasledujúcej oktáve bude 2*261,6 = 523, 25 Hz. Ako vieme, že západoeurópska hudba rozdeľuje oktávu na 12 stupňov stupnice (12 poltónov usporiadaných do 7 tónov a 5 trvalých tónov), môžeme vypočítať frekvenciu nasledujúceho poltónu vynásobením frekvencie predchádzajúcich tónov 2 # (1/12). Ako vieme, že frekvencia C je 261,6 Hz a pomer medzi dvoma konsekutívnymi poltónmi je 2 # (1/12), môžeme odvodiť všetky notové frekvencie: POZNÁMKA: symbol # predstavuje energetického operátora. Napríklad: „a # 2“je to isté, čo „a² Poznámka 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 Predchádzajúca tabuľka slúži len na informačné účely a nie je potrebné vypočítať dĺžku tyčí. Najdôležitejšou vecou je faktor vzťahu medzi frekvenciami: 2 pre rovnakú notu v nasledujúcej oktáve a (2 # (1/12) pre nasledujúci poltón. Použijeme to vo vzorci používanom na výpočet dĺžky taktov Počiatočný vzorec, ktorý som našiel na internete (pozri časť odkazov), je: f1/f2 = (L2/L1) # 2, z ktorého môžeme ľahko odvodiť vzorec, ktorý nám umožní vypočítať dĺžku každého stĺpca. Keďže f2 je frekvencia nasledujúcej noty chceme vypočítať a chceme vedieť frekvenciu nasledujúceho poltónu: f2 = f1 * (2 # (1/12)) f1/(f1 * (2 # (1/12))) = (L2/L1)#2… L1*(1/(2#(1/24))) = L2 Vzorec je: L2 = L1*(2#(-1/24)) Takže pomocou tohto vzorca môžeme odvodiť dĺžku zvonkohry ktorý bude hrať nasledujúci poltón, ale samozrejme budeme potrebovať dĺžku zvonkohry, ktorá hrá prvú notu. Ako to môžeme vypočítať? Neviem, ako vypočítať dĺžku prvého zvonenia. Predpokladám, že existuje vzorec, ktorý týka sa fyzikálnych vlastností materiálu, veľkosti tyče (dĺžka, vonkajší a d vnútorný priemer) s frekvenciou, ktorú bude hrať, ale neviem to. Jednoducho som to našiel naladením pomocou ucha a gitary (na vyladenie môžete použiť aj ladičku alebo frecuencemeter zvukovej karty PC).

Krok 2: Tri veže

Po narezaní tyčí na správnu dĺžku som musel zostrojiť podperu na ich zavesenie. Urobil som niekoľko náčrtov a nakoniec som postavil tieto tri veže, ktoré môžete vidieť na obrázkoch. Na každú vežu som zavesil štyri zvonkohry a prešiel som nylonovým drôtom cez otvory, ktoré som urobil v hornej a spodnej časti každej zvonkohry. Musel som vyvŕtať otvory na vrchu a na dne, pretože bolo potrebné pripevniť zvonkohru na oboch stranách, aby sa zabránilo úderu palicami bez kontroly. Presná vzdialenosť na umiestnenie otvorov bola chúlostivá záležitosť a museli sa zhodovať s dvoma uzlami vibrácií základnej frekvencie tyče, ktoré sú 22,4% zhora a zospodu. Tieto uzly sú bodmi bez pohybu, keď tyče oscilujú na svojej základnej frekvencii, a upevnenie tyče v týchto bodoch by ich nemalo ovplyvňovať pri vibráciách. Tiež som pridal 4 skrutky na vrch každej veže, aby bolo možné nastaviť napätie nylonového drôtu každého zvonkohry.

Krok 3: Motory a útočníci

Ďalším krokom bolo zostrojenie zariadení, ktoré pohybujú úderníkmi. Toto bola ďalšia kritická časť, a ako vidíte na obrázkoch, nakoniec som sa rozhodol použiť jednosmerné motory na pohyb každého útočníka. Každý motor má údernú páku a k nemu pripevnený systém riadenia polohy a slúži na zasiahnutie dvojice zvonkohier. Úderná hokejka je kus cyklistického hrotu s valcom z čierneho dreva na konci. Tento valec je pokrytý tenkou samolepiacou plastovou fóliou. Táto kombinácia materiálov dodáva pri narážaní na mreže jemnú, ale hlasnú zvučnosť. V skutočnosti som testoval niektoré ďalšie kombinácie a práve táto mi poskytla najlepšie výsledky (bol by som vďačný, keby mi niekto dal vedieť o lepšej). Systém riadenia polohy motora je optický kodér s rozlíšením 2 bity. Skladá sa z dvoch diskov: jeden z diskov sa otáča solidárne k paličke a na jeho spodnom povrchu je vytlačená čiernobiela kodifikácia. Druhý disk je pripevnený k motoru a má dva infračervené snímače emitorových receptorov CNY70, ktoré dokážu rozlíšiť čiernobielu farbu druhého disku, a tak môžu odvodiť polohu páčky (PREDNÉ, PRAVÉ, ĽAVÉ a SPÄŤ) Poznanie polohy umožňuje systému centrovanie palice pred a po zazvonení, čo zaručuje presnejší pohyb a zvuk.

Krok 4: Zostavenie hardvéru riadiacej jednotky

Keď som dokončil tri veže, bolo načase postaviť riadiacu jednotku. Ako som vysvetlil na začiatku textu, riadiaca jednotka je čierna skrinka zložená z troch elektronických dosiek. Hlavná doska obsahuje logiku, sériový komunikačný adaptér (1 MAX-232) a mikrokontrolér (8 bitový mikrokontrolér RISC ATMega32). Ďalšie dve dosky obsahujú obvody potrebné na ovládanie snímačov polohy (niektoré odpory a 3 spúšťače-schimdt 74LS14) a na napájanie motorov (3 budiče motora LB293). Ak chcete získať ďalšie informácie, môžete sa pozrieť na schémy.

ZIP môžete stiahnuť z obrázku so schematickými obrázkami v spodnej oblasti.

Krok 5: Firmvér a softvér

Firmvér bol vyvinutý v jazyku C, pričom kompilátor gcc je súčasťou bezplatného vývojového prostredia WinAVR (ako IDE som použil poznámkový blok programátorov). Ak sa pozriete na zdrojový kód, nájdete rôzne moduly:

- atb: obsahuje „hlavnú“stránku projektu a rutiny inicializácie systému. Je z „atb“, kde sa volajú ďalšie moduly. - UARTparser: je modul s kódom sériového syntaktického analyzátora, ktorý zaznamenáva poznámky odoslané počítačom cez RS-232 a prevádza ich na príkazy zrozumiteľné pre modul „pohyby“. - pohyby: konvertuje príkaz noty prijatý z UARTparseru na súbor rôznych jednoduchých pohybov motora, aby zaznel zvonček. Modulu „motor“hovorí o poradí energie a smere každého motora. - motory: implementuje 6 softvérových PWM na napájanie motorov s presnou energiou a presným trvaním nastaveným modulom „pohybu“. Počítačový softvér je jednoduchá aplikácia Visual Basic 6.0, ktorá umožňuje užívateľovi zadávať a ukladať postupnosť tónov, ktoré tvoria melódiu. Umožňuje tiež odosielanie poznámok cez sériový port počítača a počúvanie hudby, ktorú prehráva Atb. Ak si chcete pozrieť firmvér, môžete si ho stiahnuť v oblasti sťahovania.

Krok 6: Záverečné úvahy, nápady do budúcnosti a odkazy…

Napriek tomu, že nástroj znie pekne, nie je dostatočne rýchly na to, aby zahral niektoré melódie, v skutočnosti niekedy trochu desynchronizuje s melódiou. Plánujem teda novú efektívnejšiu a presnejšiu verziu, pretože presnosť času je veľmi dôležitá vec, keď hovoríme o hudobných nástrojoch. Ak zahráte tón s milisekundovým predstihom alebo oneskorením, vaše ucho nájde v melódii niečo zvláštne. Každá nota musí byť odohraná v presnom okamihu s presnou energiou. Príčinou týchto oneskorení v tejto prvej verzii nástroja je, že perkusný systém, ktorý som si vybral, nie je taký rýchly, ako by mal. Nová verzia bude mať veľmi podobnú štruktúru, ale namiesto motorov bude používať solenoidy. Solenoidy sú rýchlejšie a presnejšie, ale sú aj drahšie a je ťažké ich nájsť. Túto prvú verziu je možné použiť na prehrávanie jednoduchých melódií, ako samostatného nástroja, alebo v hodinách, pri zvončekoch … Hlavná stránka projektu: Domovská stránka automatických trubkových zvonovVideo z automatických trubkových zvonov: Video z automatických trubkových zvonov na YouTube Odkaz Na týchto stránkach nájdete všetky informácie, ktoré budete potrebovať na stavbu vlastných zvonkohier: Vytváranie zvonkohier od Jima Hawortha Vytváranie zvonkohry od Jima Kirkpatricka Skupina správ o zvukoch zvonenia