Automatiska rörformade klockor: 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:47

Den här instruktionsboken förklarar de viktigaste stegen jag följde för att bygga den första prototypen av en uppsättning automatiska tubulära klockor som jag byggde 2006. De automatiska musikinstrumentets funktioner är: - 12 klockor (12 rörformade klockor) - Varje klocka spelar en ton, så det kan spela en hel oktav (från C till B, inklusive upprätthållande) - Den kan spela upp till 4 samtidiga toner (så att den kan spela 4 ton -ackord) - Den styrs via PC -seriell port (standar RS -232) Instrumentet är består av styrenhetens låda och tre torn. Varje torn innehåller 4 klockor och två motorer, varje motor slår två av de fyra klockorna. Alla torn är anslutna till styrenhetens box via en 10-tråds buss. Kontrollenheten är ansvarig för att driva varje motor med den exakta energin och hastigheten för att slå varje klocka, spela noterna som programvaran i datorn skickar till den. Den består internt av tre brädor. Det första kortet innehåller mikrokontrollern, som är en Atmel ATMega16, och RS-232 kommunikationselement. Den andra innehåller motordrivkretsarna, och den tredje, motorlägesregulatorerna. Det tog mig nästan ett halvår att slutföra detta projekt. Nästa steg är allmänna steg, med den mest relevanta informationen om projektets konstruktionsprocess, mindre detaljer kan ses på bilderna. En video av Automatic Tubular Bells: Project startsida: Automatic Tubular Bells hemsida

Steg 1: Bygga klockorna

Första steget var att hitta ett bra och billigt material för att bygga klockor. Efter att ha besökt några butiker och gjort några tester fann jag att aluminium var det material som gav mig den bästa ljudkvaliteten jämfört med prisförhållandet. Så jag köpte 6 barer på 1 meter längd var och en. De hade 1, 6 cm ytterdiameter och 1, 5 cm innerdiameter (1 mm tjocklek) När jag väl hade stängerna fick jag klippa dem i rätt längd för att få frekvensen för varje ton. Jag sökte på internet och hittade några intressanta webbplatser som gav mig massor av intressant information om hur man beräknar längden på varje stapel för att få de frekvenser jag önskade (se länkavsnittet). Det är onödigt att säga att den frecuency jag letade efter var den grundläggande frecuencyen för varje ton, och som händer i nästan alla instrument kommer staplarna att producera andra simultaneos frecuencies som tillhör det grundläggande. Denna andra samtidiga frecuenices är de övertoner som normalt är multipla av den grundläggande frekuensen. Antalet, varaktigheten och andelen av dessa övertoner är ansvariga för insturmentets klang. Förhållandet mellan frekvensen för en ton och samma ton i nästa oktav är 2. Så om grundfrekvensen för C -noten är 261,6Hz, kommer grundfrekvensen för C i nästa oktav att vara 2*261,6 = 523, 25Hz. Eftersom vi vet att västeuropeisk musik delar en oktav i 12 skalsteg (12 halvtoner organiserade i 7 toner och 5 ihållande toner) kan vi beräkna frekvensen för nästa halvton genom att multiplicera föregående tonfrekvens med 2 # (1/12). Eftersom vi vet att C -frekvensen är 261,6Hz och förhållandet mellan 2 konekutiva halvtoner är 2 # (1/12) kan vi härleda alla noter frekuencer: OBS: # -symbolen representerar kraftoperatören. Till exempel: "a # 2" är detsamma som "a^2" Not 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 Föregående tabell är endast för informationsändamål och det är inte nödvändigt att beräkna staplarnas längd. Det viktigaste är relationsfaktorn mellan frekvenser: 2 för samma ton i nästa oktav och (2 # (1/12) för nästa halvton. Vi kommer att använda den i formeln som används för att beräkna staplarnas längd Den ursprungliga formeln som jag hittade på Internet (se länkavsnittet) är: f1/f2 = (L2/L1) # 2 därifrån kan vi enkelt härleda formeln som låter oss beräkna längden på varje stapel. Eftersom f2 är frecuensen av nästa ton vi vill beräkna och vi vill veta nästa halvtonfrekvens: f2 = f1 * (2 # (1/12)) f1/(f1 * (2 # (1/12))) = (L2/L1)#2… L1*(1/(2#(1/24)))) = L2formeln är: L2 = L1*(2#(-1/24)) Så med denna formel kan vi härleda längden på klockan som kommer att spela nästa halvton, men uppenbarligen kommer vi att behöva längden på klockan som spelar den första tonen. Hur kan vi beräkna det? Jag vet inte hur jag ska beräkna längden på den första klockan. Jag antar att det finns en formel som relaterar materialets fysikaliska egenskaper, stångens storlek (längd, yttre och d innerdiameter) med frekvensen det kommer att spela, men jag vet inte det. Jag hittade det helt enkelt genom att ställa in det med hjälp av mitt öra och gitarr (du kan också använda en stämgaffel eller ett PC -ljudkort frecuencemeter för att ställa in det).

Steg 2: De tre tornen

Efter att ha klippt stängerna till rätt längd, var jag tvungen att konstruera ett stöd för att hänga upp dem. Jag gjorde några skisser och slutligen byggde jag dessa tre torn som du kan se på bilderna. Jag hängde fyra klockor på varje torn och passerade en nylontråd genom hålen som jag gjorde nära toppen och botten av varje klocka. Jag var tvungen att borra hål på toppen och botten eftersom det var nödvändigt att fixa klockor på båda sidor för att undvika att de oscillerar utan kontroll när de träffas av pinnar. Det exakta avståndet för att placera hålen var en känslig fråga och de var tvungna att sammanfalla med de två vibrationsnoderna för stångens grundfrekvens, som ligger 22,4% från toppen och botten. Dessa noder är de rörelsefria punkterna när staplarna oscillerar vid grundfrekvensen, och fixering av stapeln vid dessa punkter bör inte påverka dem vid vibrering. Jag lade också till 4 skruvar på toppen av varje torn för att justera spänningen på varje klocks nylontråd.

Steg 3: Motors and Strickers

Nästa steg var att bygga enheterna som flyttar anfallspinnarna. Detta var en annan kritisk del, och som du kan se på bilderna bestämde jag mig slutligen för att använda DC -motorer för att flytta varje anfallare. Varje motor har anslagspinnen och ett positionskontrollsystem anslutet till den och används för att slå ett par klockor. Strikerpinnen är en bit cykelpik med en svart träcylinder i slutet. Denna cylinder är täckt med en tunn, självhäftande plastfilm. Denna kombination av material ger en mjuk men hög ljudkänsla när den träffar staplarna. Faktum är att jag testade några andra kombinationer, och det var den som gav mig de bästa resultaten (jag skulle vara tacksam om någon lät mig veta en bättre). Motorlägesstyrsystemet är en optisk kodare med 2 bitars upplösning. Den består av två skivor: en av skivorna roterar solidärt mot pinnen och har en svartvitt kodifiering tryckt på bottenytan. Den andra skivan är fixerad på motorn och har två infraröda CNY70-emitterreceptorsensorer som kan skilja den svartvita färgen på den andra skivan, och så kan de härleda stickans position (FRONT, HÖGER, VÄNSTER och BAK) Genom att känna till positionen kan systemet centrera stickan före och efter att ha slagit en klocka, vilket garanterar en mer exakt rörelse och ljud.

Steg 4: Bygga styrenhetens hårdvara

När jag hade avslutat de tre tornen var det dags att bygga styrenheten. Som jag förklarade i början av texten är styrenheten en svart låda som består av tre elektroniska kort. Huvudkortet innehåller logik, seriell kommunikationskort (1 MAX-232) och mikrokontroller (en ATMega32 8 bitars RISC mikrokontroller). De andra två korten innehåller kretsarna som behövs för att styra positionssensorerna (vissa motstånd och 3 triggers-schimdt 74LS14) och för att driva motorerna (3 LB293-motordrivrutiner). Du kan titta på schemat för att få mer information.

Du kan ladda ner ZIP med schematichs -bilderna i nedladdningsområdet.

Steg 5: Firmware och programvara

Firmware har utvecklats i C, med gcc -kompilatorn ingår i det kostnadsfria WinAVR -utvecklingsmiljön (jag använde programmerare anteckningsblock som IDE). Om du tittar på källkoden hittar du olika moduler:

- atb: innehåller "huvud" i projektet och systemintialiseringsrutiner. Är från "atb" där andra moduler kallas. - UARTparser: är modulen med koden för den seriella parsern, som tar anteckningarna som skickas av datorn via RS-232 och omvandlar dem till kommandon som är begripliga för "rörelser" -modulen. - rörelser: konverterar ett notkommando från UARTparser, till en uppsättning olika enkla motorrörelser för att slå på. Den berättar för modulen "motor" energisekvensen och riktningen för varje motor. - motorer: implementerar 6 mjukvara PWM för att driva motorerna med den exakta energin och den exakta varaktigheten som ställs in av "rörelse" -modulen. Datorprogramvaran är en enkel Visual Basic 6.0 -applikation som tillåter användaren att ange och lagra sekvensen av noter som komponerar en melodi. Det gör det också möjligt att skicka anteckningarna via datorns seriella port och lyssna på dem som spelas av Atb. Om du vill kolla in firmware kan du ladda ner den i nedladdningsområdet.

Steg 6: Slutliga överväganden, framtidsidéer och länkar…

Trots att instrumentet låter trevligt är det inte tillräckligt snabbt för att spela några melodier, faktiskt ibland desynkroniseras det lite med melodin. Så jag planerar en ny mer effektiv och exakt version, eftersom tidsprecision är en mycket viktig fråga när vi pratar om musikinstrument. Om du spelar en ton med några millisekunder framåt eller fördröjer kommer ditt öra att hitta något konstigt i melodin. Så varje ton måste spelas i det exakta ögonblicket med den exakta energin. Orsaken till dessa förseningar i denna första version av instrumentet är att det perkussionssystem jag har valt inte är så snabbt som det borde. Den nya versionen kommer att ha en mycket liknande struktur, men kommer att använda solenoider istället för motorer. Solenoider är snabbare och mer precise men de är också dyrare och svårare att hitta. Denna första version kan användas för att spela enkla melodier, som fristående instrument, eller i klockor, dörrklockor … Projektets huvudsida: Automatiska Tubular Bells hemsida En video av Automatic Tubular Bells: YouTube -video av Automatic Tubular BellsLinks På denna webbplats hittar du nästan all information du behöver för att bygga dina egna klockor: Making Wind Chimes Av Jim HaworthMaking Wind Chimes Av Jim KirkpatrickWind Chimes Constructors Message Group