<Aeio> an automated aeolian cello Godfried-Willem RAES 2007-2008

[Nederlandstalige versie]

The first bowed instrument robot we designed was <Hurdy>, an automated hurdy gurdy, built between 2004 and 2007. The building of that robot had many problems and our attempts to solve these have lead to many new ideas and experiments regarding acoustic sound production from bowed strings. The problems with <Hurdy> were all related to the very complicated controls required for the bowing mechanism: a system with so many degrees of freedom that handling it became far from 'automatic' and the users were left with a very complicated command set in order to make <Hurdy> play the notes he wanted. Bow pressure curve in time, bowing speed, finger pressure, bowing angle all in function of the note to be played and the required dynamic had to be send to the robot. To avoid this we provided the users an alternative way of producing bowed sound from the string: magnetic drive. This worked very well and many aspects of bowing technique in <Hurdy> could be automated in a user friendly way.

These experiments made us dream of an instrument using twelve strings, in a chromatic arrangement, that would all individually be bowed with our electromagnetic system. So on the drawing table we envisaged an instrument with twelve strings tuned from 36 to 47 and equipped with felt covered solenoid driven dampers. The soundboard could be made from either hardened brass or Styrofoam mounted in a steel frame. Now one would think the instrument could only play twelve notes, but that's wrong since on each string we can sound the fundamental as well as the entire series of slightly inharmonic partials. In fact the range is extremely extended and covers at least the ambitus of the classical cello. The name of this robot was derived from its working principle, showing some similarity to the aeolian harp, where the strings are struck by the passing wind. <Aeio> lends itself not only as a robotic instrument in the context of our M&M robot orchestra, but can also stand very well on its own as an audio art installation.

The basic midi note mapping is:

When the instrument is used monophonically, there are no limitations. However, when you want to play double strings, these can only be played if the requested notes can be produced on two different strings. That's quite the same with all usual bowed string instruments. The driver software will arbitrate for you but there is an obvious possibility that certain chords will not be sounded in full. All strings can be made to sound simultaneously, if required. Vibrato, as common on bowed instruments, as well as glissando playing, is impossible with <aeio>.

A scheme for playing string spectra using midi is to be worked out. Unfortunately, standard midi has no codification for fractional midi notes nor for 'just' intoned intervals. So the best alternative seems to be implementing continuous controllers (say nrs. 36-47) for each string, whereby the parameter value corresponds to the number of the overtone to be sounded. To also control the volume or excitation level of the string, we could implement another series of controllers, say in the range 49-60.

The constructional parts for this robot are all to be made from welded stainless steel. The instrument is mounted on a wheel base, as most of our music robots.

The circuitry for one of the string drivers follows the schematic drawing below:

Note that the Mosfets need to be cooled, even though they can withstand up to 41Amps! A feature around the wiring of the electromagnets is that we recycle the energy stored in the magnet when switched to re-energize it, instead of just absorbing this energy in the usual diode. This trick only became possible because of using line transformers as electromagnets. The dampers are controlled by a separate PIC microcontroller, a PIC18F2525. The dampers are activated on reception of the note off command for the corresponding string. De noteoff-release value controls the time the dampers stay in contact with the string after a note-off. This time interval is interrupted on reception of a new note on request for the same string. By setting controller 64 to %true, the damper mechanism can be disabled for all strings. On startup the mechanism is always enabled.

All sizes essential to the acoustic design and the practical construction of the <Aeio> robot are given in the (distorted) drawing to the right.

:

• sizes: estimated height: 1600mm, depth 400mm, width: 700mm (exact sizes to be determined)
• weight: estimated ca. 60kg
• power: 230V / 500W
• tuning: strictly required before playing. (Normally A=440) . The instrument can be used for tuning since it has built in references. The GMT-aeio test code can be used for easy tuning.
• Ambitus: midi note 36-127
• Insurance value: 8.500 Euro (first estimate)

• Johannes Taelman (firmware PIC controllers)
• Xavier Verhelst (requisites research)
• Kristof Lauwers (application code)

Back to Logos-Projects page : projects.html

Back to Main Logos page:index.html

To Godfried-Willem Raes personal homepage...

To Instrument catalogue

Voor het M&M robotorkest hadden we reeds in 2004 een automatisch strijkinstrument gebouwd: <Hurdy>, de automatische draailier. Dat stelde heel wat meer problemen dan aanvankelijk verwacht. Het strijkmechanisme kende dermate veel vrijheidsgraden dat de besturing van deze robot bijzonder ingewikkeld was. Jarenlang hebben we gezocht op betere mechanismen om snaren te strijken met een goede kontrole over de toonvorming. Erg vele experimenten bouwden we op en rekenden we van onder tot boven na. Dat leidde in 2007 tot de definitieve toevoeging van elektromagnetische snaaraansturingen op <Hurdy>, maar meteen ook tot een boel nieuwe ideeen voor potentieel verder te ontwikkelen strijkrobots. Zo kwamen we op de idee een soort 'aeolische' cello te bouwen. Deze robot werd ontworpen met twaalf kromatisch gestemde snaren. Vanaf midi noot 36 tot en met 47. Een toets of een tangentenmechanisme met fretten wilden we niet nog eens gaan bouwen. Nu lijkt een tessituur van een enkel oktaaf wel wat weinig om van een cello te kunnen spreken, ware het niet dat ons mechanisme , ook zonder gebruikmaking van inkorting van de snaren, in staat is ook alle boventonen van die twaalf noten te laten klinken. Zo kunnen we de gehele tessituur bestrijken. Om de expressiemogelijkheden niet te eenzijdig te maken, voorzien we elke snaar van een individuele vilten demper. Daardoor kunnen melodische lijnen toch goed geartikuleerd worden gespeeld. Snelle staccatos en zeker pizzicatos zijn evenwel principieel onmogelijk omdat daarvoor enorm sterke elektromagneten nodig zouden zijn en omdat het werkingsprincipe staat of valt met het in resonantie brengen van de snaar, wat steeds een kleine tijd in beslagneemt. De trilling van de snaar moet opgebouwd worden, zoals dat ook bij een slinger het geval is. Voor de toonvorming van <Aeio> zijn 4 tot 6 dsPIC processoren nodig. Hiervoor selecteerde we het type dsPIC30F3010. Elke processor neemt de besturing van twee of drie snaren voor zijn rekening. Er zijn tweemaal drie PWM uitgangen beschikbaar op deze processoren, waarbij elk koppel uitgangen telkens het signaal in faze en het signaal in tegenfaze (negatie) levert. Hiervan maakten we gebruik om de snaar alternerend met twee elektromagneten, elk aan een tegenovergestelde kant van de snaar gelegen, aan te sturen. De pulsbreedte van deze PWM signalen evenals de dood-tijd is in de software instelbaar. Deze signaaleigenschap wordt gebruik voor de implementatie van de velocity sturing van note-on's. De dempers worden bestuurd vanuit een kleiner type PIC processor, een PIC18F2525. Het note off kommando aktiveert de dempers. De dempkracht kan worden gestuurd door de waarde van het release byte. Een modus om zonder de dempers te speler is eveneens voorzien. Het werkingsprincipe, waarbij twee elektromagneten alternerend de snaar aansturen met een PWM signaal ziet eruit als getekend in onderstaande vluchtige schets:

De wezenlijke afmetingen waarop we ons steunden voor de bouw en berekening van deze automaat worden samengebracht in onderstaande (vervormde, want horizontaal uitgerokken) werktekening. Ze omvat meteen ook de operationele gegevens voor het snaarmateriaal (gehard veerstaal).

De snaren moeten uiteraard uit ferromagnetisch materiaal bestaan en om een goede magnetische koppeling te verkrijgen met de aangelegde magneetvelden is het wenselijk dat ze zo dik mogelijk zouden zijn. Daar staat natuurlijk als bezwaar tegenover dat naarmate de snaar dikker wordt genomen, de inharmoniciteit sterk gaat toenemen enerzijds en anderzijds dat de snaar dan erg moeilijk over stemmechanismen en kammen te geleiden valt. Een kompromis diende dus gezocht te worden. Dit leidde tot de keuze voor snaarmateriaal in gehard staal met een diameter van 1.5mm. Dat is heel wat dikker dan gebruikt voor de dikste snaren of kerndraden daarvan in pianos. De snaarspanning ligt een heel stuk onder wat voor een luide klank wenselijk zou zijn, maar hierdoor wordt de aanspreeksnelheid wel sterk verhoogd. Het risiko op snaarbreuk is meteen ook zo goed als onbestaand in dit instrument.

Omdat ons vaak wordt gevraagd hoeveel werk en tijd kruipt in, en nodig is voor, het bouwen en ontwikkelen van een muzikale robot, hebben we ook voor <Aeio> een beknopt bouwdagboek bijgehouden. Omdat we de bouw tot in de laatste details graag illustreren, kan het ook voor anderen die ons op dit pad willen volgen en/of verbeteren, van praktisch nut zijn.

• 22.02.2007: eerste ontwerptekeningen aan tafel en op papier. De experimenten werden uitgevoerd naar aanleiding van de eerdere bouw van <Hurdy>. Anders dan bij Hurdy willen we hier wel een echte klankkast voorzien. Daarvoor kunnen we hetzij geexpandeerd isopropyl schuim gebruiken (massief blok) ofwel een messing bovenblad gekoppeld aan een klassieke klankkast met een opening berekend voor resonantie onder de frekwentie van de laagste open snaar. Een klassieke houten klankkast met een bovenblad uit dennehout, zoals bij klavecimbels en pianos ware ook denkbaar, esteties en uitvoerbaar geweest maar sloten we uit gewoon vanwege onze voorkeur voor meer eigentijdse en stabiele materialen.
• 23.02.2007: inventarisering van de nodige E-kernen voor de elektromagneten. Uittekenen principe schema voor de bipolaire elektromagnetische snaardrivers. Opmeting bestaande instrumenten met midi noot 36: Kawai KG1 vleugel heeft een snaarlengte van precies 1m voor die noot, op Hurdy hadden we 1m22 (snaar gestenmd op 33 maar kan ook tot 36 opgetrokken worden) , op mijn cello is het 71cm. Wanneer we alles besnaren met staal diameter 1.5mm dan is er geen enkel risiko voor snaarbreuk. De spankracht per snaar wordt dan 250N (142N/mm2), wat voor 12 snaren bij gelijke spanning komt op 3000N. De konstruktie van het kader moet uiteraard navenant en met de nodige veiligheidmarges (we mikken op 10kN) gedimensioneerd worden. De klankkast zou wat betreft binnenafmetingen in teorie groter moeten zijn dan 130cm (1/4 golflengte bij 65Hz), wat moeilijk te verwezenlijken is hier. Als alternatief kunnen we natuurlijk een vage Helmholz resonator toepassen of een golfpijp. Wat betreft materiaalkeuze voor het klankblad zitten we meteen een stuk beter. Bij gebruik van hardmessing is een volle golflengte bij 65Hz, 52 cm. Voor titaan (een materiaal dat we dolgraag zouden gebruiken maar waar we niet aan weten te komen...) is het 79cm en voor duraluminium 84cm. Bij gebruik van dennehout, komen we uit op 61cm, in de vezelrichting.
• 24.02.2007: webpagina rond het <aeio> projekt (deze pagina...) presenteerbaar gemaakt. Ontwikkeling van de nodige ontwerpberekeningssoftware voor de dimensionering van deze automaat in Power Basic. Maatschets gemaakt.
• 25.02.2007: Twee inox U-dragers gelast voor de elektromagneten van de string driver. Lastechniek met doorlopende tussenkoeling met behulp van de kompressor toegepast ter beperking van de krimp. Breedte U-struktuur: 452mm. Aangelaste zijstukken met 10mm brede sleuf: 60x100x4. De sleuf is nodig om de afstand van de drivers tot de snaar te kunnen instellen. Ontwerp dempermechanisme met Laukhuff magneten 24V. We monteren pianodempers op 4mm schroefdraden.
• 26.02.2007: Bestelling bij Farnell van een extra voorraadje lijnuitgangstransformatoren en elektromagneten voor het uitvoeren van experimenten.
• 27.02.2007: Twee blikpakketten van de lijntransfos losgepeuterd en opnieuw geassembleerd met uitsluitend behoud van de 33 E-kernplaatjes in mu-metaal. Elektrische specifikaties opnieuw gemeten en uitgerekend na deze modifikatie (cfr. tech specs. onderaan deze pagina).
• 28.02.2007: Levering Eagle 8W transfos van Farnell. Meteen twee stuks opengegooid en op de slachtbank gelegd. Resultaten onderaan weergegeven. Voor verdere experimenten ook besteld: vier stuks Stephenson Gobin Geofire type 58 magnets, 50 Newton, 5Watt, 12V. Type 2-58-0140-12DC. De verwachting is dat deze types veel flux leveren bij DC en lage frekwenties, maar dat ze wellicht door de grote wervelstroomverliezen niet zullen voldoen bij hoge frekwenties.
• 01.03.2007: levering Stephenson Gobin magneten. DC weerstand 33.6 Ohm, bij 20 graden Celsius. 41.2 Ohm bij 60 graden Celsius. Dit is de temperatuur die bereikt wordt na 1 uur inschakeling op 12V dc. Demontage en herassemblage van alle 24 lijnuitgangstransfo-kernen afgewerkt. Kontrabas stemmechanieken (12 stuks) besteld bij Geige24, Benjamin Fastner, in Duitsland. Kostprijs 259,28 Euro.
• 02.03.2007: Afmeten en snijwerk inox chassisdelen: draagplaat stemmechanismen en vertikale kolommen. Voor de vertikale kolommen sneden we buis van 88.90mm diameter, materiaaldikte 2mm, overlangs door met de plasma snijder. Lengte van de langste kolom: 1442mm, van de kortste: 1022mm. Beide halve buizen moeten worden vastgelast op stukken plat inox van 100x 8mm.
• 03.03.2007: Ganse dag TIG laswerk aan de vertikale kolommen. Ter vermijding van elke krimp en doorbuiging van deze halfcirkelvormige kolommen dienden we dit laswerk uit te voeren in zorgvuldig over de gehele lengte en alternerend aan beide zijden van de werkstukken in segmentjes van 3 a 4 centimeter opgedeelde stukjes, en dit met doorlopende tussenkoeling met perslucht. Vandaar dat de 5 meter lasnaad een gehele werkdag in beslag nam.
• 04.03.2007: Ontwerp snaarbevestiging bovenzijde. Selektie wielen: 400mm diameter, asmaat 25mm. Bandbreedte 73mm. Uitsnijden trapeziodale dragers voor elektromagneten en dempers in inox 8mm x 100 plaat. Voorschuren vertikale kolommen. Boorwerk uitgevoerd met kobaltboren onder persluchtkoeling. Dit geeft duidelijk zowel een langere standtijd van de boren als een beter boorrezultaat. Uitsnijden 8mm dikke platen voor de stemsleutels. Alle inox AISI 304. Trapezoidale dragers vastgelast op vertikale kolommen. Werktekeningen en lasplan opgesteld op schaal 1:5.
• 05.03.2007: Wachten op inox levering van Demar Lux en op stemsleutel levering uit Duitsland...
• 06.03.2007: Lasnaden ter evaluatie voorgelegd aan ATS.
• 08.03.2007: Stemsleutels geleverd. We waren er niet op bedacht maar hadden het eigenlijk wel kunnen weten: een set stemsleutels voor een kontrabas bestaat uit vier verschillende sleutels met verschillende maatvoering! Met onze drie sets hebben we dus van elke sleutelmaat drie exemplaren...
• 09.03.2007: Uittekenen en voorboren van de inox stukken voor de stemsleutelkast. Grondplaat afmetingen van de sleutels: 60 x 40 mm. De snaarwalsen lopen taps van 14.5mm tot 13mm. Pech bij de pogingen om draad te tappen in het inox voor de bevestiging van de stemsleutels: M3 tap afgebroken in boorgat...
• 10.03.2007: Selektie elektromagneten voor de dempers: 24V types traktuurmagneten van Laukhuff. We blijken ze zelfs nog op voorraad te hebben.
• 11.03.2007: Wielselektie: . Deze wielen hebben 400mm diameter en worden links en recht van de kolommen gemonteerd. We hadden ze nog op voorraad.
• 12.03.2007: De inox levering is niet te verwachten voor vrijdag 16.03... De bovenste snaarhouderkonstruktie moet dus wat wachten.
• 13.03.2007: Zoeken naar een koppel geschikte zwenkwielen. Bespreking PIC implementatie met Johannes Taelman.
• 14.03.2007: Prototype kode ontwikkeling met Johannes. dsPIC30F3010, microchip. Hiervoor gebruiken we de C-compiler.
• 15.03.2007: Begin tappen van 48 M3 schroefdraden in de stemsleutelplaten.
• 23.03.2007: Tappen lukt slechter dan gedacht in inox met M3.
• 24.03.2007: Uitwerken software voor de berekening van de spektrale inharmoniciteit van snaren. De boventonen vormen bij <aeio> beslist geen platonische reeks harmonieken! cfr. 1086.html en 4040.html
• 03.04.2007: Onderzoek naar ferrofluids voor een betere magnetische koppeling.
• 14.04.2007: Onderzoek naar magneetmaterialen: legeringen en gesinterde ferrieten.
• 02.10-05.11.2007: Verder experimenteel onderzoek op <Hurdy>, wat een geschikt testplatform is voor Aeio.
• 06.11.2007: Bouw en verdere ontwikkeling voorgesteld aan Hogeschool Gent als postdoktoraal onderzoeksprojekt.
• 07.11.2007: Verdere uitwerking van het onderzoeksvoorstel rond de bouw van <Aeio>
• 08.11.2007: Werk aan het stemblok weer opgenomen. Voor de bevestigingsgaten gaan we uiteindelijk toch over op M4 boutjes. De problemen met het afbreken van de tappen bij gebruik van M3 in ons 10mm dikke materiaal blijken onoverkomelijk.
• 09.11-02.12.2007: Voorbereidend experimenteel werk op het Hurdy platform voor evaluatie van de elektromagnetische besturing van de snaren.
• 04.12.2007: Eerste voorlopige montage van het gehele stemblok.
• 29.12.2008: Research in verband met materialen voor het klankbord.

by Godfried-Willem Raes

Further reading on this topic (in dutch):

• Berekening van snaren
• Strijken van snaren
• Ebows en feedback snaarbesturingen
• Elektromagnetisch aangestreken snaren
• Propagatie van trillingen in isotrope en anisotrope media
• Omzettingtabel midi noten naar frekwenties
  

• 24 Electromagnetic string drivers: modified loudspeaker line transformers (I-mu-metal removed from transformer, the original transformer has alternating E-I and I-E core metal) . Original manufacturer: Philips, type LBC 3174/01 . NG 8901 317 40101 No.082293. Windings 0-4-8 Ohms, secondary. Primary 1.5W, 3W, 6W / 100V. The DC resistance of the 8 ohm speaker winding is 1.65 to 1.9 Ohms, depending on temperature. Continuous DC current should be limited to 2A if the power rating is not to be exceeded. The original inductance of the coil at 1kHz was 1mH, but after removal of the I-core, this value dropped to 0.56mH. The combined ac/dc impedance of the original 8 Ohm winding now becomes 5.3 Ohms. The maximum ac rms voltage that can be applied to the winding now is 5.64V. With 50% duty cycle square waves this leads to a maximum voltage of 8V.
• Alternative transformer type: Eagle, 100V line transformer, type MT-8W, ref.nr P037T Primary 1W,2W,4W,8W / 100V. Secondary 8 Ohms and 15 Ohms. (Obtainable from Farnell). Inductance of the 8 Ohm winding after removal of the I-core: 1.3mH. DC resistance of the winding: 0.92 Ohm. Inductance of the 15 Ohm winding: 2mH. DC resistance 1.13 Ohm. The presence of the steel string does influence the inductance. The inductance of the 8 Ohm winding of the original transformer was ca. 7.3 mH.
• Tuning pins: double bass type.
• String dampers: dampers recycled from an old upright piano. Felt replaced. Solenoids: August Laukhuff, 24V trakturmagnet.
• Wheels: diameter 400mm, axis 25mm, width:73mm.