Automatyczne dzwony rurowe: 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:33

Ten instruktaż wyjaśnia główne kroki, jakie wykonałem, aby zbudować pierwszy prototyp zestawu automatycznych dzwonków rurowych, które zbudowałem w 2006 roku. Automatyczne instrumenty muzyczne to: - 12 dzwonków (12 dzwonków rurowych) - Każdy dzwonek gra jedną nutę, więc może grać pełną oktawę (od C do B, wliczając wybrzmiewanie) - Może grać do 4 dźwięków jednocześnie (może więc grać 4 nutowe akordy gongu) - Jest sterowany przez port szeregowy komputera PC (standardowy RS-232) Instrument jest składa się ze skrzynki jednostki sterującej i trzech wież. Każda wieża zawiera 4 dzwonki i dwa silniki, każdy silnik uderza w dwa z czterech dzwonków. Wszystkie wieże są połączone ze skrzynką jednostki sterującej za pomocą 10-przewodowej magistrali. Jednostka sterująca jest odpowiedzialna za zasilanie każdego silnika precyzyjną energią i prędkością, aby uderzyć w każdy dzwonek, odtwarzając nuty, które wysyła do niego oprogramowanie w komputerze. Składa się wewnętrznie z trzech desek. Pierwsza płytka zawiera mikrokontroler, którym jest Atmel ATMega16 oraz elementy komunikacji RS-232. Drugi zawiera obwody sterownika silnika, a trzeci sterowniki położenia silnika. Ukończenie tego projektu zajęło mi prawie pół roku. Kolejne kroki to kroki ogólne, z najbardziej istotnymi informacjami o procesie budowy projektu, drobne szczegóły można obejrzeć na zdjęciach. Film przedstawiający Automatyczne dzwony rurowe: Strona główna projektu:Strona główna automatycznych dzwonów rurowych

Krok 1: Budowanie dzwonków

Pierwszym krokiem było znalezienie dobrego i taniego materiału do budowy dzwonków. Po odwiedzeniu kilku sklepów i przeprowadzeniu kilku testów stwierdziłem, że aluminium było materiałem, który dał mi najlepszą relację jakości dźwięku do ceny. Kupiłem więc 6 sztabek o długości 1 metra każda. Miały średnicę zewnętrzną 1,6 cm i średnicę wewnętrzną 1,5 cm (grubość 1 mm). Kiedy już miałem sztabki, musiałem je przyciąć na odpowiednią długość, aby uzyskać częstotliwość każdej nuty. Szukałem w Internecie i znalazłem kilka interesujących stron, które dostarczyły mi wielu interesujących informacji o tym, jak obliczyć długość każdego słupka, aby uzyskać żądane częstotliwości (patrz sekcja z linkami). Nie trzeba dodawać, że częstotliwość, której szukałem, była podstawową częstotliwością każdej nuty i jak to się dzieje w prawie wszystkich instrumentach, takty wytworzą inne częstotliwości symultaniczne, inne niż podstawowe. Te inne jednoczesne częstotliwości to harmoniczne, które są zwykle wielokrotnością częstotliwości podstawowej. Liczba, czas trwania i proporcja tych harmonicznych są odpowiedzialne za barwę instrumentu. Zależność między częstotliwością jednej nuty a tą samą nutą w następnej oktawie wynosi 2. Jeśli więc częstotliwość podstawowa nuty C wynosi 261,6Hz, częstotliwość podstawowa C w następnej oktawie wyniesie 2*261,6=523, 25Hz. Ponieważ wiemy, że muzyka zachodnioeuropejska dzieli oktawę na 12 stopni skali (12 półtonów uporządkowanych w 7 nut i 5 nut podtrzymanych), możemy obliczyć częstotliwość następnego półtonu, mnożąc częstotliwość poprzedniej nuty przez 2 # (1/12). Ponieważ wiemy, że częstotliwość C wynosi 261,6 Hz, a stosunek dwóch kolejnych półtonów wynosi 2 # (1/12), możemy wydedukować wszystkie częstotliwości nut: UWAGA: symbol # reprezentuje operator potęgowy. Na przykład: „a # 2” to to samo, co „a² Uwaga Częstot. 01 C 261,6 Hz 02 Odpy 261,6 * (2 # (1/12)) = 277,18 Hz 03 D 277,18 * (2 # (1/12)) = 293, 66 Hz 04 Odpy 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 Poprzednia tabela służy wyłącznie celom informacyjnym i nie jest konieczne obliczanie długości słupków. Najważniejszy jest współczynnik zależności między częstotliwościami: 2 dla tej samej nuty w następnej oktawie i (2 # (1/12) dla następnego półtonu. Użyjemy go we wzorze służącym do obliczenia długości taktów Początkowy wzór, który znalazłem w Internecie (patrz sekcja linki) to: f1/f2 = (L2/L1) #2z niego możemy łatwo wyprowadzić wzór, który pozwoli nam obliczyć długość każdego słupka. Ponieważ f2 to częstotliwość następnej nuty, którą chcemy obliczyć i chcemy poznać następną częstotliwość półtonową: f2 = f1 * (2 # (1/12)) f1/(f1*(2#(1/12))))=(L2/L1)#2 … L1*(1/(2#(1/24)))= L2wzór to: L2=L1*(2#(-1/24)) Zatem z tego wzoru możemy wywnioskować długość dzwonka który zagra następny półton, ale oczywiście będziemy potrzebować długości dzwonka, który zagra pierwszą nutę. Jak możemy to obliczyć?Nie wiem, jak obliczyć długość pierwszego dzwonka. Przypuszczam, że istnieje wzór, który dotyczy właściwości fizycznych materiału, rozmiaru pręta (długość, zewnętrzna i d średnica wewnętrzna) z częstotliwością będzie grać, ale nie wiem. Po prostu znalazłem go, strojąc go za pomocą ucha i gitary (możesz również użyć kamertonu lub frcuencemetru karty dźwiękowej w komputerze, aby go nastroić).

Krok 2: Trzy Wieże

Po przycięciu prętów na odpowiednią długość musiałem skonstruować podporę do ich powieszenia. Zrobiłem kilka szkiców i wreszcie zbudowałem te trzy wieże, które widać na zdjęciach. Na każdej wieży zawiesiłem cztery dzwonki, przepuszczając nylonowy drut przez otwory, które zrobiłem w górnej i dolnej części każdego dzwonka. Musiałem wywiercić otwory na górze i na dole, ponieważ konieczne było mocowanie dzwonków po obu stronach, aby uniknąć oscylowania bez kontroli podczas uderzania kijami. Dokładna odległość do umieszczenia otworów była delikatną sprawą i musiały pokrywać się z dwoma węzłami drgań częstotliwości podstawowej pręta, które wynoszą 22,4% od góry i dołu. Węzły te są punktami bez ruchu, gdy pręty oscylują z częstotliwością podstawową, a mocowanie pręta w tych punktach nie powinno wpływać na nie podczas wibracji. Dodałem również 4 śruby na szczycie każdej wieży, aby umożliwić regulację napięcia nylonowego drutu każdego gongu.

Krok 3: Silniki i Strickers

Kolejnym krokiem było zbudowanie urządzeń, które poruszają kijami napastników. To była kolejna krytyczna część i jak widać na zdjęciach, w końcu zdecydowałem się użyć silników prądu stałego do poruszania każdego napastnika. Każdy silnik ma drążek uderzeniowy i przymocowany do niego system kontroli pozycji i służy do uderzania w parę dzwonków. Kij napastnika to kawałek kolca rowerowego z czarnym drewnianym cylindrem na końcu. Ten cylinder jest pokryty cienką samoprzylepną folią z tworzywa sztucznego. Ta kombinacja materiałów daje miękkie, ale głośne brzmienie podczas uderzania w pręty. W rzeczywistości przetestowałem kilka innych kombinacji i to właśnie ta dała mi najlepsze wyniki (byłabym wdzięczna, gdyby ktoś dał mi znać lepszą). Układ sterowania położeniem silnika to optyczny enkoder o rozdzielczości 2 bitów. Składa się z dwóch krążków: jeden z krążków obraca się solidnie do kija, a na jego dolnej powierzchni nadrukowana jest czarno-biała kodyfikacja. Drugi dysk jest przymocowany do silnika i ma dwa czujniki podczerwieni CNY70-receptor, które mogą rozróżniać czarny i biały kolor drugiego dysku, a więc mogą wywnioskować pozycję drążka (PRZEDNI, PRAWY, LEWY i TYŁ) Znajomość pozycji pozwala systemowi centrować kij przed i po uderzeniu w dzwonek, co gwarantuje bardziej precyzyjny ruch i dźwięk.

Krok 4: Budowanie sprzętu jednostki sterującej

Po ukończeniu trzech wież nadszedł czas na budowę jednostki sterującej. Jak wyjaśniłem na początku tekstu, jednostka sterująca to czarna skrzynka złożona z trzech płytek elektronicznych. Płyta główna zawiera układy logiczne, adapter komunikacji szeregowej (1 MAX-232) i mikrokontroler (mikrokontroler ATMega32 8 bit RISC). Pozostałe dwie płytki zawierają obwody potrzebne do sterowania czujnikami położenia (niektóre rezystory i 3 wyzwalacze-schimdt 74LS14) oraz do zasilania silników (3 sterowniki silników LB293). Możesz spojrzeć na schematy, aby uzyskać więcej informacji.

Możesz pobrać plik ZIP ze zdjęciami schematów w obszarze pobierania.

Krok 5: Oprogramowanie układowe i oprogramowanie

Firmware został opracowany w C, z kompilatorem gcc zawartym w darmowym środowisku programistycznym WinAVR (ja używałem notatnika programisty jako IDE). Jeśli spojrzysz na kod źródłowy, znajdziesz różne moduły:

- atb: zawiera "główny" projekt i procedury inicjalizacji systemu. Jest z "atb", gdzie wywoływane są inne moduły. - UARTparser: jest to moduł z kodem parsera szeregowego, który pobiera notatki wysyłane przez komputer przez RS-232 i zamienia je na komendy zrozumiałe dla modułu "ruchy". - ruchy: konwertuje komendę nutową otrzymaną z UARTparsera na zestaw różnych prostych ruchów motorycznych w celu wywołania gongu. Informuje moduł „silnik” o kolejności energii i kierunku każdego silnika. - silniki: implementuje 6 oprogramowania PWM do zasilania silników z dokładną energią i dokładnym czasem trwania ustawionym przez moduł „ruch”. Oprogramowanie komputerowe to prosta aplikacja Visual Basic 6.0, która umożliwia użytkownikowi wprowadzanie i przechowywanie sekwencji nut składających się na melodię. Umożliwia również przesyłanie notatek przez port szeregowy komputera i odsłuchiwanie ich odtwarzanych przez Atb. Jeśli chcesz sprawdzić oprogramowanie układowe, możesz je pobrać w obszarze pobierania.

Krok 6: Rozważania końcowe, pomysły na przyszłość i linki…

Pomimo tego, że instrument brzmi ładnie, nie jest wystarczająco szybki, aby zagrać niektóre melodie, w rzeczywistości czasami trochę się rozsynchronizowuje z melodią. Planuję więc nową, bardziej efektywną i precyzyjną wersję, ponieważ precyzja czasu to bardzo ważna sprawa, gdy mówimy o instrumentach muzycznych. Jeśli zagrasz nutę z kilku milisekundowym wyprzedzeniem lub opóźnieniem, twoje ucho dostrzeże w melodii coś dziwnego. Tak więc każda nuta musi być zagrana w określonym momencie z dokładną energią. Przyczyną tych opóźnień w tej pierwszej wersji instrumentu jest to, że wybrany przeze mnie system perkusyjny nie jest tak szybki, jak powinien. Nowa wersja będzie miała bardzo zbliżoną konstrukcję, ale zamiast silników będzie wykorzystywała solenoidy. Solenoidy są szybsze i dokładniejsze, ale są też droższe i trudniejsze do znalezienia. Ta pierwsza wersja może być używana do odtwarzania prostych melodii, jako samodzielny instrument lub w zegarach, dzwonkach do drzwi… Strona główna projektu:Strona główna automatycznych dzwonków rurowych Film wideo z automatycznych dzwonków rurowych: Film YouTube o automatycznych dzwonkach rurowychLinkiNa tych stronach znajdziesz prawie wszystkie informacje potrzebne do zbudowania własnych dzwonków: Making Wind Chimes Autor: Jim HaworthWykonywanie Wind Chimes Autor: Jim KirkpatrickWind Chimes Constructors Message Group