ระฆังแบบท่ออัตโนมัติ: 6 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

คำแนะนำนี้อธิบายขั้นตอนหลักที่ฉันทำตาม เพื่อสร้างต้นแบบแรกของชุดระฆังท่ออัตโนมัติที่ฉันสร้างในปี 2006 คุณสมบัติของเครื่องดนตรีอัตโนมัติคือ: - 12 กระดิ่ง (12 กระดิ่งแบบท่อ) - กระดิ่งแต่ละตัวเล่นโน้ตได้หนึ่งตัว ดังนั้น สามารถเล่นโน้ตได้เต็มอ็อกเทฟ (ตั้งแต่ C ถึง B รวมทั้ง Sustains) - สามารถเล่นโน้ตพร้อมกันได้ถึง 4 ตัว (จึงสามารถเล่นคอร์ดโน้ต 4 ตัวได้) - ควบคุมผ่านพอร์ตอนุกรมของ PC (มาตรฐาน RS-232) เครื่องดนตรีคือ ประกอบด้วยกล่องหน่วยควบคุมและสามเสา หอคอยแต่ละแห่งมีเสียงกระดิ่ง 4 ตัวและมอเตอร์สองตัว มอเตอร์ทุกตัวจะตีระฆังสองในสี่ตัว หอคอยทั้งหมดเชื่อมต่อกับกล่องหน่วยควบคุมผ่าน 10 สายบัส หน่วยควบคุมมีหน้าที่ในการจ่ายไฟให้มอเตอร์แต่ละตัวด้วยพลังงานและความเร็วที่แม่นยำเพื่อตีระฆังแต่ละอัน โดยเล่นโน้ตที่ซอฟต์แวร์ในคอมพิวเตอร์ส่งไปให้ ภายในประกอบด้วยสามกระดาน บอร์ดแรกประกอบด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งก็คือ Atmel ATMega16 และองค์ประกอบการสื่อสาร RS-232 อันที่สองประกอบด้วยวงจรขับมอเตอร์และอันที่สามคือตัวควบคุมตำแหน่งมอเตอร์ ฉันใช้เวลาเกือบครึ่งปีในการทำโครงการนี้ให้เสร็จ ขั้นตอนต่อไปคือขั้นตอนทั่วไป โดยมีข้อมูลที่เกี่ยวข้องมากที่สุดของกระบวนการก่อสร้างโครงการ รายละเอียดเล็กน้อยสามารถดูได้บนรูปภาพ วิดีโอของ Automatic Tubular Bells: หน้าหลักของโครงการ:หน้าแรกของ Tubular Bells อัตโนมัติ

ขั้นตอนที่ 1: สร้างเสียงระฆัง

ขั้นตอนแรกคือการหาวัสดุที่ดีและราคาถูกเพื่อสร้างเสียงระฆัง หลังจากไปเยี่ยมชมร้านค้าและทำการทดสอบ ฉันพบว่าอะลูมิเนียมเป็นวัสดุที่ให้คุณภาพเสียงที่ดีที่สุดเมื่อเทียบกับราคา เลยซื้อแท่งละ 1 เมตรมา 6 แท่ง พวกเขามีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 1, 6 ซม. และเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 1, 5 ซม. (ความหนา 1 มม.) เมื่อฉันมีแท่งไม้ ฉันต้องตัดมันตามความยาวที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ความถี่ของโน้ตแต่ละตัว ฉันค้นหาบนอินเทอร์เน็ตและพบไซต์ที่น่าสนใจซึ่งให้ข้อมูลที่น่าสนใจมากมายเกี่ยวกับวิธีการคำนวณความยาวของแต่ละแถบเพื่อให้ได้ความถี่ที่ฉันต้องการ (ดูส่วนลิงก์) ไม่จำเป็นต้องบอกว่าความถี่ที่ฉันกำลังมองหาคือความถี่พื้นฐานของโน้ตแต่ละตัว และเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในเครื่องมือเกือบทั้งหมด แท่งแท่งจะสร้างความถี่อื่นๆ พร้อมกันซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของค่าพื้นฐาน frecuenices พร้อมกันอื่น ๆ นี้คือฮาร์โมนิกซึ่งปกติแล้วจะเป็นทวีคูณของความถี่พื้นฐาน จำนวน ระยะเวลา และสัดส่วนของฮาร์โมนิกส์เหล่านี้มีส่วนรับผิดชอบต่อเสียงต่ำของ insturment ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ของโน้ตหนึ่งตัวกับโน้ตตัวเดียวกันในอ็อกเทฟถัดไปคือ 2 ดังนั้นหากความถี่พื้นฐานของโน้ต C คือ 261.6Hz ความถี่พื้นฐานของ C ในอ็อกเทฟถัดไปจะเป็น 2*261.6=523, 25Hz ดังที่เราทราบแล้วว่าดนตรียุโรปตะวันตกแบ่งอ็อกเทฟออกเป็น 12 สเกล (12 เซมิโทนจัดเป็น 7 โน้ต และ 5 โน้ตแบบต่อเนื่อง) เราสามารถคำนวณความถี่ของเซมิโทนถัดไปได้โดยการคูณความถี่ของโน้ตก่อนหน้าด้วย 2 # (1/12) ดังที่เรารู้ว่าความถี่ C คือ 261.6Hz และอัตราส่วนระหว่าง 2 ครึ่งเสียง conescutive คือ 2 # (1/12) เราสามารถอนุมานความถี่ของโน้ตทั้งหมดได้: หมายเหตุ: สัญลักษณ์ # แสดงถึงตัวดำเนินการพลังงาน ตัวอย่างเช่น: "a # 2" เหมือนกับ "a^2" หมายเหตุ ความถี่ 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 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 ตารางก่อนหน้านี้มีจุดประสงค์เพื่อให้ข้อมูลเท่านั้นและไม่จำเป็นต้องคำนวณความยาวของแท่ง สิ่งที่สำคัญที่สุดคือปัจจัยความสัมพันธ์ระหว่างความถี่: 2 สำหรับโน้ตตัวเดียวกันในอ็อกเทฟถัดไป และ (2 # (1/12) สำหรับเซมิโทนถัดไป เราจะใช้ในสูตรที่ใช้คำนวณความยาวของแท่ง สูตรเริ่มต้นที่ฉันพบบนอินเทอร์เน็ต (ดูส่วนลิงก์) คือ: f1/f2 = (L2/L1) # 2จากนั้นเราสามารถอนุมานสูตรได้อย่างง่ายดายซึ่งจะทำให้เราสามารถคำนวณความยาวของแต่ละแท่งได้ เนื่องจาก f2 เป็นความถี่ ของโน้ตตัวถัดไปที่เราต้องการคำนวณและต้องการทราบความถี่เซมิโทนถัดไป: f2 = f1 * (2 # (1/12)) f1/(f1*(2#(1/12)))=(L2/L1)#2 … L1*(1/(2#(1/24)))= L2สูตรคือ: L2=L1*(2#(-1/24)) ดังนั้น ด้วยสูตรนี้ เราสามารถอนุมานความยาวของเสียงระฆังได้ ซึ่งจะเล่นครึ่งเสียงถัดไปแต่แน่นอนว่าเราต้องการความยาวของเสียงกริ่งที่เล่นโน้ตตัวแรก เราจะคำนวณได้อย่างไร ไม่ทราบว่าจะคำนวณความยาวของเสียงระฆังแรกอย่างไร สมมุติว่ามีสูตรที่ เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ ขนาดของแท่ง (ความยาว ด้านนอก an d เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน) ด้วยความถี่ที่จะเล่น แต่ฉันไม่รู้ ฉันพบมันโดยการปรับจูนโดยใช้หูและกีตาร์ของฉัน (คุณยังสามารถใช้ส้อมเสียงหรือเครื่องวัดความถี่การ์ดเสียงสำหรับพีซีเพื่อปรับแต่งได้)

ขั้นตอนที่ 2: หอคอยทั้งสาม

หลังจากตัดเหล็กเส้นให้ได้ความยาวที่เหมาะสมแล้ว ฉันต้องสร้างฐานรองรับเพื่อแขวนไว้ ฉันวาดภาพร่าง และในที่สุดก็สร้างหอคอยทั้งสามนี้ที่คุณเห็นในภาพ ฉันแขวนกระดิ่งสี่ตัวบนหอคอยแต่ละหลัง โดยผ่านลวดไนลอนผ่านรูที่ฉันทำไว้ใกล้ด้านบนและด้านล่างของกระดิ่งแต่ละอัน ฉันต้องเจาะรูที่ด้านบนและด้านล่างเพราะจำเป็นต้องแก้ไขเสียงกริ่งทั้งสองด้านเพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นโดยไม่มีการควบคุมเมื่อถูกไม้ตี ระยะห่างที่แม่นยำในการวางรูเป็นเรื่องละเอียดอ่อน และต้องตรงกับโหนดการสั่นสะเทือนสองโหนดของความถี่พื้นฐานของแถบ ซึ่งอยู่ที่ 22.4% จากด้านบนและด้านล่าง โหนดนี้เป็นจุดที่ไม่มีการเคลื่อนไหวเมื่อแท่งแท่งแกว่งที่ความถี่พื้นฐาน และการตรึงแถบที่จุดเหล่านี้ไม่ควรส่งผลกระทบต่อจุดเหล่านี้เมื่อมีการสั่น ฉันยังเพิ่มสกรู 4 ตัวที่ด้านบนของแต่ละเสาเพื่อปรับความตึงของสายไนลอนของกระดิ่งแต่ละอัน

ขั้นตอนที่ 3: มอเตอร์และสไตรเกอร์

ขั้นตอนต่อไปคือการสร้างอุปกรณ์ที่เคลื่อนย้ายไม้สไตรค์ นี่เป็นอีกส่วนที่สำคัญยิ่ง และอย่างที่คุณเห็นในภาพ ในที่สุดฉันก็ตัดสินใจใช้มอเตอร์กระแสตรงเพื่อเคลื่อนกองหน้าแต่ละคน มอเตอร์แต่ละตัวมีสไตรเกอร์สติ๊กและระบบควบคุมตำแหน่งติดอยู่ และใช้ในการตีระฆัง สไตรเกอร์สติ๊กเป็นชิ้นส่วนของเดือยจักรยานที่มีกระบอกไม้สีดำที่ส่วนท้าย กระบอกนี้หุ้มด้วยฟิล์มพลาสติกบางแบบมีกาวในตัว การผสมผสานของวัสดุนี้ให้เสียงที่นุ่มนวลแต่ดังเมื่อกระทบกับแท่งไม้ อันที่จริง ฉันทดสอบชุดค่าผสมอื่นๆ และนี่คือชุดที่ให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดแก่ฉัน (ฉันจะขอบคุณมากถ้ามีคนบอกให้ฉันรู้ว่าชุดค่าผสมดีกว่านี้) ระบบควบคุมตำแหน่งมอเตอร์เป็นตัวเข้ารหัสแบบออปติคัลที่มีความละเอียด 2 บิต ประกอบด้วยแผ่นดิสก์สองแผ่น: แผ่นดิสก์แผ่นหนึ่งหมุนรวมกันเป็นแท่งและมีการพิมพ์ขาวดำที่พื้นผิวด้านล่าง ดิสก์อีกแผ่นยึดอยู่กับมอเตอร์และมีเซ็นเซอร์ตัวรับส่งสัญญาณอินฟราเรด CNY70 สองตัว ซึ่งสามารถแยกแยะสีดำและสีขาวของดิสก์อื่นได้ ดังนั้นจึงสามารถอนุมานตำแหน่งของแท่งได้ (ด้านหน้า ขวา ซ้าย และด้านหลัง) การรู้ตำแหน่งจะช่วยให้ระบบจัดตำแหน่งไม้ให้อยู่ตรงกลางก่อนและหลังการตีระฆัง ซึ่งรับประกันการเคลื่อนไหวและเสียงที่แม่นยำยิ่งขึ้น

ขั้นตอนที่ 4: การสร้างฮาร์ดแวร์ของหน่วยควบคุม

เมื่อฉันสร้างหอคอยทั้งสามเสร็จแล้ว ก็ถึงเวลาสร้างหน่วยควบคุม ตามที่ฉันอธิบายไว้ตอนต้นของข้อความ หน่วยควบคุมคือกล่องดำที่ประกอบด้วยแผงอิเล็กทรอนิกส์สามแผง กระดานหลักประกอบด้วยลอจิก อะแดปเตอร์การสื่อสารแบบอนุกรม (1 MAX-232) และไมโครคอนโทรลเลอร์ (ไมโครคอนโทรลเลอร์ RISC ATMega32 8 บิต) อีกสองแผงมีวงจรที่จำเป็นในการควบคุมเซ็นเซอร์ตำแหน่ง (ตัวต้านทานบางตัวและทริกเกอร์ 3 ตัว-schimdt 74LS14) และเพื่อจ่ายพลังงานให้กับมอเตอร์ (ตัวขับมอเตอร์ 3 LB293) คุณสามารถดูแผนผังเพื่อรับข้อมูลเพิ่มเติม

คุณสามารถดาวน์โหลด ZIP ด้วยรูปภาพแผนผังในพื้นที่ดาวน์โหลด

ขั้นตอนที่ 5: เฟิร์มแวร์และซอฟต์แวร์

เฟิร์มแวร์ได้รับการพัฒนาใน C โดยมีคอมไพเลอร์ gcc รวมอยู่ในสภาพแวดล้อมการพัฒนา WinAVR ฟรี (ฉันใช้โปรแกรมเมอร์ notepad เป็น IDE) หากคุณดูซอร์สโค้ดคุณจะพบโมดูลต่างๆ:

- atb: มี "main" ของโปรเจ็กต์และรูทีนการเริ่มต้นระบบ มาจาก "atb" ที่เรียกโมดูลอื่น - UARTparser: เป็นโมดูลที่มีรหัสของ serial parser ซึ่งจดบันทึกที่คอมพิวเตอร์ส่งผ่าน RS-232 และแปลงเป็นคำสั่งที่เข้าใจได้สำหรับโมดูล "การเคลื่อนไหว" - การเคลื่อนไหว: แปลงคำสั่งบันทึกที่ได้รับจาก UARTparser เป็นชุดของการเคลื่อนไหวของมอเตอร์ง่ายๆ ที่แตกต่างกันเพื่อที่จะส่งเสียงกริ่ง มันบอกให้โมดูล "มอเตอร์" ทราบลำดับของพลังงานและทิศทางของมอเตอร์แต่ละตัว - มอเตอร์: ใช้ซอฟต์แวร์ PWM 6 ตัวเพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ด้วยพลังงานที่แม่นยำและระยะเวลาที่แม่นยำที่กำหนดโดยโมดูล "การเคลื่อนไหว" ซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์เป็นโปรแกรม Visual Basic 6.0 อย่างง่าย ซึ่งให้ผู้ใช้ป้อนและจัดเก็บลำดับของโน้ตที่แต่งทำนอง นอกจากนี้ยังอนุญาตให้ส่งโน้ตผ่านพอร์ตอนุกรมของพีซีและฟังเสียงที่ Atb เล่น หากคุณต้องการตรวจสอบเฟิร์มแวร์ คุณสามารถดาวน์โหลดได้ในพื้นที่ดาวน์โหลด

ขั้นตอนที่ 6: ข้อควรพิจารณาขั้นสุดท้าย แนวคิดและลิงก์ในอนาคต…

แม้ว่าเครื่องดนตรีจะฟังดูดี แต่ก็ไม่เร็วพอที่จะเล่นท่วงทำนองบางเพลง อันที่จริงบางครั้งมันก็ไม่ซิงโครไนซ์กับทำนองเล็กน้อย ดังนั้นฉันจึงวางแผนเวอร์ชันใหม่ที่มีประสิทธิภาพและแม่นยำยิ่งขึ้น เนื่องจากความแม่นยำของเวลาเป็นสิ่งสำคัญมากเมื่อเราพูดถึงเครื่องดนตรี หากคุณเล่นโน้ตด้วยมิลลิวินาทีล่วงหน้าหรือล่าช้า หูของคุณจะพบสิ่งแปลกปลอมในทำนอง ดังนั้นแต่ละโน้ตจึงต้องเล่นในช่วงเวลาที่แม่นยำด้วยพลังงานที่แม่นยำ สาเหตุของความล่าช้าในเครื่องดนตรีรุ่นแรกนี้คือระบบเพอร์คัชชันที่ฉันเลือกนั้นไม่เร็วเท่าที่ควร รุ่นใหม่จะมีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกันมาก แต่จะใช้โซลินอยด์แทนมอเตอร์ โซลินอยด์เร็วกว่าและแม่นยำกว่า แต่ก็มีราคาแพงกว่าและหายากกว่าเช่นกัน เวอร์ชันแรกนี้สามารถใช้เพื่อเล่นท่วงทำนองง่ายๆ เป็นเครื่องดนตรีแบบสแตนด์อะโลน หรือในนาฬิกา กริ่งประตู … หน้าหลักของโครงการ:โฮมเพจของ Tubular Bells อัตโนมัติ วิดีโอของ Bells Tubular อัตโนมัติ:วิดีโอ YouTube ของ Automatic Tubular Bellsลิงก์ในเว็บไซต์นี้ คุณจะพบ ข้อมูลเกือบทั้งหมดที่คุณต้องใช้เพื่อสร้างเสียงระฆังของคุณเอง: Making Wind Chimes โดย Jim Haworthการสร้าง Wind Chimes โดย Jim KirkpatrickWind Chimes Constructors Message Group