Cloches tubulaires automatiques : 6 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:10

Cette instrucuable explique les principales étapes que j'ai suivies pour construire le premier prototype d'un ensemble de cloches tubulaires automatiques que j'ai construit en 2006. Les caractéristiques de l'instrument de musique automatique sont: - 12 carillons (12 cloches tubulaires) - Chaque carillon joue une note, donc il peut jouer une octave complète (de C à B, y compris les sustains) - Il peut jouer jusqu'à 4 notes simultanées (il peut donc jouer des accords de carillon à 4 notes) - Il est contrôlé via le port série du PC (standard RS-232) L'instrument est composé du boîtier de l'unité de contrôle et de trois tours. Chaque tour contient 4 carillons et deux moteurs, chaque moteur frappe deux des quatre carillons. Toutes les tours sont connectées au boîtier de l'unité de contrôle via un bus à 10 fils. L'unité de contrôle est chargée d'alimenter chaque moteur avec l'énergie et la vitesse précises pour frapper chaque carillon, en jouant les notes que le logiciel de l'ordinateur lui envoie. Il est composé en interne de trois planches. La première carte contient le microcontrôleur, qui est un Atmel ATMega16, et les éléments de communication RS-232. Le second contient les circuits de commande du moteur et le troisième, les contrôleurs de position du moteur. Il m'a fallu près de six mois pour terminer ce projet. Les prochaines étapes sont des étapes générales, avec les informations les plus pertinentes sur le processus de construction du projet, des détails mineurs peuvent être visualisés sur les images. Une vidéo des cloches tubulaires automatiques: page principale du projet: page d'accueil des cloches tubulaires automatiques

Étape 1: Construire les carillons

La première étape consistait à trouver un matériau bon et bon marché pour construire des carillons. Après avoir visité quelques magasins et fait quelques tests, j'ai découvert que l'aluminium était le matériau qui me donnait le meilleur rapport qualité sonore/prix. J'ai donc acheté 6 barres de 1 mètre de longueur chacune. Ils avaient un diamètre extérieur de 1, 6 cm et un diamètre intérieur de 1, 5 cm (1 mm d'épaisseur) Une fois que j'avais les barres, je devais les couper à la bonne longueur pour obtenir la fréquence de chaque note. J'ai cherché sur Internet et j'ai trouvé des sites intéressants qui m'ont fourni beaucoup d'informations intéressantes sur la façon de calculer la longueur de chaque barre afin d'obtenir les fréquences que je souhaitais (voir la section liens). Inutile de dire que la fréquence que je cherchais était la fréquence fondamentale de chaque note, et comme cela arrive dans presque tous les instruments, les mesures produiront d'autres fréquences simultanées en dehors de la fondamentale. Ces autres fréquences simultanées sont les harmoniques qui sont normalement multiples de la fréquence fondamentale. Le nombre, la durée et la proportion de ces harmoniques sont responsables du timbre de l'instrument. La relation entre la fréquence d'une note et la même note dans l'octave suivante est de 2. Donc, si la fréquence fondamentale de la note C est de 261,6 Hz, la fréquence fondamentale de C dans l'octave suivante sera 2*261,6 = 523, 25 Hz. Comme nous savons que la musique d'Europe occidentale divise une octave en 12 pas de gamme (12 demi-tons organisés en 7 notes et 5 notes soutenues), nous pouvons calculer la fréquence du demi-ton suivant en multipliant la fréquence de la note précédente par 2 # (1/12). Comme nous savons que la fréquence C est de 261,6 Hz et que le rapport entre 2 demi-tons consécutifs est de 2 # (1/12) nous pouvons en déduire toutes les fréquences de notes: REMARQUE: le symbole # représente l'opérateur de puissance. Par exemple: "un #2" est le même que "un^2" Note 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 Le tableau précédent est uniquement à titre informatif et il n'est pas nécessaire de calculer la longueur des barres. Le plus important est le facteur de relation entre les fréquences: 2 pour la même note à l'octave suivante, et (2# (1/12) pour le demi-ton suivant. Nous l'utiliserons dans la formule utilisée pour calculer la longueur des mesures La formule initiale que j'ai trouvée sur Internet (voir rubrique liens) est: f1/f2 = (L2/L1) # 2on en déduit facilement la formule qui va nous permettre de calculer la longueur de chaque barre. Comme f2 est la fréquence de la note suivante que nous voulons calculer et nous voulons connaître la fréquence du prochain demi-ton: f2 = f1 * (2 # (1/12)) f1/(f1*(2#(1/12)))=(L2/L1)#2 … L1*(1/(2#(1/24)))= L2la formule est: L2=L1*(2#(-1/24)) Donc avec cette formule on peut déduire la longueur du carillon qui jouera le demi-ton suivant, mais évidemment nous aurons besoin de la longueur du carillon qui joue la première note. Comment pouvons-nous le calculer? Je ne sais pas comment calculer la longueur du premier carillon. Je suppose qu'il existe une formule qui concerne les propriétés physiques du matériau, la taille de la barre (longueur, extérieur un d diamètre intérieur) avec la fréquence qu'il jouera, mais je ne la connais pas. Je l'ai simplement trouvé en l'accordant à l'aide de mon oreille et de ma guitare (vous pouvez également utiliser un diapason ou un fréquencimètre de carte son PC pour l'accorder).

Étape 2: Les trois tours

Après avoir coupé les barres à la bonne longueur, j'ai dû construire un support pour les accrocher. J'ai fait quelques croquis et j'ai finalement construit ces trois tours que vous pouvez voir sur les photos. J'ai accroché quatre carillons sur chaque tour en passant un fil de nylon dans les trous que j'ai faits près du haut et du bas de chaque carillon. J'ai dû percer des trous en haut et en bas car il fallait fixer des carillons des deux côtés pour éviter qu'ils oscillent sans contrôle lorsqu'ils sont frappés par les bâtons. La distance précise pour placer les trous était une question délicate et ils devaient coïncider avec les deux nœuds de vibration de la fréquence fondamentale de la barre, qui sont à 22,4% du haut et du bas. Ces nœuds sont les points d'immobilité lorsque les barres oscillent à sa fréquence fondamentale, et la fixation de la barre à ces points ne devrait pas les affecter lors de la vibration. J'ai également ajouté 4 vis sur le dessus de chaque tour pour permettre de régler la tension du fil de nylon de chaque carillon.

Étape 3: Les moteurs et les attaquants

L'étape suivante consistait à construire les dispositifs qui déplacent les bâtons de frappe. C'était une autre partie critique, et comme vous pouvez le voir sur les photos, j'ai finalement décidé d'utiliser des moteurs à courant continu pour déplacer chaque percuteur. Chaque moteur est doté d'un bâton de frappe et d'un système de contrôle de position, et est utilisé pour frapper une paire de carillons. Le bâton de percuteur est un morceau de crampon de vélo avec un cylindre en bois noir à l'extrémité. Ce cylindre est recouvert d'un mince film plastique auto-adhésif. Cette combinaison de matériaux donne une sonorité douce mais forte lors de la frappe des barres. En fait j'ai testé d'autres combinaisons, et c'est celle qui m'a donné les meilleurs résultats (je serais reconnaissant si quelqu'un m'en fait connaître une meilleure). Le système de contrôle de position du moteur est un codeur optique de 2 bits de résolution. Il est composé de deux disques: l'un des disques tourne solidaire du bâton et porte une codification en noir et blanc imprimée sur sa face inférieure. L'autre disque est fixé au moteur et possède deux capteurs émetteur-récepteur infrarouge CNY70 qui peuvent distinguer la couleur noir et blanc de l'autre disque, et ainsi, ils peuvent déduire la position du manche (AVANT, DROIT, GAUCHE et ARRIÈRE) Connaître la position permet au système de centrer le manche avant et après avoir frappé une cloche ce qui garantit un mouvement et un son plus précis.

Étape 4: Construction du matériel de l'unité de contrôle

Une fois les trois tours terminées, il était temps de construire l'unité de contrôle. Comme je l'ai expliqué au début du texte, l'unité de contrôle est une boîte noire composée de trois cartes électroniques. La carte principale contient la logique, l'adaptateur de communication série (1 MAX-232) et le microcontrôleur (un microcontrôleur ATMega32 8 bits RISC). Les deux autres cartes contiennent les circuits nécessaires pour contrôler les capteurs de position (quelques résistances et 3 triggers-schimdt 74LS14) et pour alimenter les moteurs (3 drivers de moteur LB293). Vous pouvez consulter les schémas pour obtenir plus d'informations.

Vous pouvez télécharger le ZIP avec les images schématiques dans la zone de téléchargement.

Étape 5: Micrologiciel et logiciel

Le firmware a été développé en C, avec le compilateur gcc inclus dans l'environnement de développement gratuit WinAVR (j'ai utilisé le bloc-notes des programmeurs comme IDE). Si vous jetez un œil au code source, vous trouverez différents modules:

- atb: contient le "principal" du projet et les routines d'initialisation du système. Provient de "atb" où d'autres modules sont appelés. - UARTparser: est le module avec le code de l'analyseur série, qui prend les notes envoyées par l'ordinateur via le RS-232 et les convertit en commandes compréhensibles pour le module "mouvements". - mouvements: convertit une commande de note reçue de UARTparser, en un ensemble de différents mouvements moteurs simples afin de frapper un carillon. Il indique au module "moteur" la séquence d'énergie et le sens de chaque moteur. - moteurs: met en œuvre 6 logiciels PWM pour alimenter les moteurs avec l'énergie précise et la durée précise fixées par le module "mouvement". Le logiciel informatique est une simple application Visual Basic 6.0 qui permet à l'utilisateur de saisir et de stocker la séquence de notes qui composent une mélodie. Il permet également d'envoyer les notes via le port série du PC et de les écouter jouées par l'Atb. Si vous souhaitez consulter le firmware, vous pouvez le télécharger dans la zone de téléchargement.

Étape 6: Considérations finales, idées futures et liens…

Malgré que l'instrument sonne bien, il n'est pas assez rapide pour jouer certaines mélodies, en fait parfois il se désynchronise un peu avec la mélodie. J'envisage donc une nouvelle version plus efficace et précise, car la précision du temps est une question très importante quand on parle d'instruments de musique. Si vous jouez une note avec quelques millisecondes d'avance ou de retard, votre oreille trouvera quelque chose d'étrange dans la mélodie. Ainsi, chaque note doit être jouée au moment précis avec l'énergie précise. La cause de ces retards dans cette première version de l'instrument est que le système de percussion que j'ai choisi n'est pas aussi rapide qu'il le devrait. La nouvelle version aura une structure très similaire, mais utilisera des solénoïdes au lieu de moteurs. Les solénoïdes sont plus rapides et plus précis mais ils sont aussi plus chers et difficiles à trouver. Cette première version peut être utilisée pour jouer des mélodies simples, comme instrument autonome, ou dans des horloges, des sonnettes… Page principale du projet:Page d'accueil des Cloches tubulaires automatiquesUne vidéo des Cloches tubulaires automatiques:Vidéo YouTube des Cloches tubulaires automatiquesLiensDans ces sites, vous trouverez presque toutes les informations dont vous aurez besoin pour construire vos propres carillons: Fabrication de carillons éoliens de Jim Haworth