Vox Humanola, an automated pipe organ by Godfried-Willem Raes

<Vox Humanola> is the oldest organ automate (Module 1) in our original modular large barrelorgan project and thus one of the oldest members of the later robot orchestra. Its construction started in 1996. It went through a complete revision of the electronic hardware and firmware in 2005. This register module was first finished and in playing condition on 10th of august 1998. This module uses Vox Humana register pipes, recycled and restored from an old organ dating from the end of the 18th century, as well as a set of computer controlled authentic Spanish castanets... Originally 8 castanets, but since 2005 extended to 15 castanets.

The organ register consists of 56 reed-pipes in the range 36 to 91 (midi-notes as reference). The castanets, 15 pairs, are mapped into the midi range 113-127. The module is fully polyphonic. The wind pressure can be controlled by midi controller nr. 7 (volume), but unlike with electronic instruments, results can be unpredictable if users deviate strongly from the normal wind pressure. On lower than normal pressure some pipes will stop speaking and on higher pressures the organ will sound really out of tune. (Worse even: after returning to nomal wind pressure the original tuning is likely to be lost. This seems to be a general inconvenient property of organ reed pipes, and nothing specific for this register.) Note 31 is mapped on a large and very loud horn sounding low G. The module can work under direct midi control and listens to midi channel 1 (0ffset 0).

Controllers can be used to control the solenoids pushing the bellows for the lowest windchest (notes 36-59) as well as for the high-note windchest. (notes 60- 91) These pushers can be used as a Tremulant but also to play accented (sfz) notes.

The wind is provided by a Laukhuff 'Ventus'-type radial compressor working on a 200 mm WK windpressure (=0.196 Bar = 19620 Pascal = 0.203 Atm) at 2 cubic meter per minute. Motor specifications are: 230 V/1.5 A or 400 V/0.9 A, 2800 rpm, 0.33 HP or 0.24 kW. (August Laukhuff order nr, 6 002 20). The bellows (one for each windchest) are made from flexible ventilation tubing. The windchest is a welded steel construction and uses modified industrial M&M solenoid valves with orifices in the range 4 mm to 10.5 mm. The anchors have been shortened a bit (1 a 2 mm) and at their bottom end covered with felt. We used a grinder for this pretty tedious job, since at the time of the original construction we did not have a lathe in our workshop. Furthermore, the tension of the return spring was halved by cutting of 3 turns of the helical spring and stretching it again after this operation.

As a visual element, an array of 25 bright yellow LED lights, arranged in an arc on the front panel, was added. The lights are adressable in groups of five, each group mapped on a note in the range 92 to 96. The lights can be programmed as a visual metronome with pendulum like movement.

The <Vox Humanola> module is transportable on its own wheels. It weights 250 kg and cannot be lifted up by people. The electric connection requires single phase current: 230 V . Power consumption: ca.350 Watt. Insurance value: 32.600 €.

<Vox Humanola> is de oudste module in ons geautomatiseerd modulair orgel projekt. De bouw begon in 1996 en de automaat werd pas in 2005 helemaal voltooid. Zijn eerste noten kon hij reeds spelen sedert 1998, maar de mogelijkheden werden in de daaropvolgende jaren, beetje bij beetje, gevoelig uitgebreid. In de maand juni 2005 werd de elektronika geheel herzien, werd eveneens het aantal castagnetten uitgebreid tot 15 en werden wat vizuele elementen toegevoegd. De elektronische details van de eerste versie, waarbij een Pavo controller werd gebruikt, zijn beschikbaar op deze site. De castagnet module kan ook uit <Vox Humanola> worden losgemaakt en als afzonderlijke automaat gebruikt en bestuurd (<Casta>).

Het eerste orgel register waarvoor we een automatisering ontwikkelden was de oorspronkelijke 'Voix Humaine': een tongwerk over 5 oktaven uitgevoerd als 8-voet. Naar oude Gentse gewoonte, waren de registerbenamingen uitsluitend in het frans op het orgel aangebracht... Wellicht ook niet toevallig dat we als uitgangspunt uitgerekend dat register uitkozen waarvoor binnen de 'autentieke' (door pseudo-barok opvattingen gedomineerde...) orgelwereld vandaag zowat de grootst mogelijke afkeer bestaat. Een module opgebouwd uit twee afzonderlijke windladen werd voor deze pijpen gebouwd, een eerste voor het onderste bereik van twee oktaven (24 pijpen), een tweede voor de overige 32 pijpen. Experimenten tijdens de bouw en ontwikkeling van deze module wezen uit dat velocity sturing voor tongwerken, geen goede resultaten oplevert, al voegden we toch twee afzonderlijke tremulanten toe in 2003. Wanneer een sterke overdruk wordt gebruikt kunnen de pijpen weliswaar de gekste geluiden voortbrengen, maar de stemming gaat dat geheel verloren... Daarom beslisten we voor deze module, de implementatie van een velocity sturing geheel te laten vervallen en te vervangen door een globale druksturing via regeling van de druk in de beide windladen. De module werd opgebouwd als een rek, voorzien van wielen, met twee rijen pijpen. Een volkomen zelfstandig geheel, inklusief voedingen, windvoorziening en twee besturingskomputers gebaseerd op Microchip PIC controllers.. Als extra, overigens in overeenstemming met een traditie in de orgelbouw die teruggaat op de 18e eeuw, voorzagen we in een heuse tremulant. Deze wordt gestuurd door de software in een van beide PIC controllers die de sfz magneten besturen en die via de beide balgen voor modulatie van de luchtstroom instaan. De balgen hadden we toch al nodig om de luchtdruk te stabiliseren. We bouwden ze gebruik makend van fleksibele ventilatieslang (diameter 27cm) en de afgeslepen uiteinden van een afgedankt ekspantievat. Voor de windvoorziening bestelden we aanvankelijk een radiale kompressor bij orgelbouwer Guislain Potvlieghe, die ons tevens adviseerde in verband met de keuze van het juiste type: een Laukhuff, 'Ventus' 3m3/95mm lopend op 2800rpm en gevoed door een rustig driefazenstroompje opgewekt door een motor-controller. Bij de eindmontage bleek echter over de ventielen een drukverlies van ca. 50% te ontstaan, zodat we uiteindelijk onze toevlucht namen tot een wat hogere winddruk 200 mm en een andere kompressor. Het 95 mm WK type gebruikten we dan maar voor onze tweede orgelmodule, de Piperola.

Alle ventielen werden omgebouwd alsvolgt: van de ankers werd 1mm staal afgeslepen, terwijl op het vaste gedeelte van de spoelkern een vilten kussentje van 0.5 mm dikte werd aangebracht. Hierdoor werd het trajekt van het anker met 0.5mm vergroot, waardoor de druk beter kon worden geregeld. Toen we dit werkje uitvoerden hadden we nog geen metaaldraaibank in onze werkplaats... De veerspanning werd zo aangepast, dat de ventielen bij een aangebrachte druk van 1 Bar en zonder bekrachtiging van de spoelen, net begonnen te lekken. Dit bleek even essentieel als adekwaat voor het dempen van de anders oorverdovende klikgeluiden die deze ventielen maken wanneer ze worden geschakeld. De voedingsspanning voor de ventielen werd genomen op de laagste waarde, waarop ze nog allemaal zeker opengaan en daarbij een tempo van minstens 16 schakelingen per sekonde kunnen halen. Afhankelijk van het type ventiel, tussen 15 en 22 Volt. De werkdruk voor deze module werd genomen op 200 mm waterkolom.

Voor de intonering, restauratie van het pijpwerk en de regulering van de windvoorziening deden we beroep op organist/klavecinist Marc Maes, die zich intussen tevens was gaan toeleggen op de professionele studie van de orgelbouw. Ook de stemming van het instrument (la=440 werd gekozen omwille van de mogelijkheid tot samenspel met andere instrumenten en automaten van het robot orkest) werd door hem verzorgd. Bij de modernisering in 2005, deden we voor een nieuwe intonering van het pijpwerk beroep op Dierik Potvlieghe.

De schakeling en het bedradingsplan voor de noten (64 schakelfunkties werden voorzien) ziet er sedert 2005 uit alsvolgt:

Een afzonderlijk processor board staat in voor de aansturing van de castagnetten. Hierbij kan volop gebruik gemaakt worden van aanslaggevoeligheid. De kastagnetten werden gerangschikt naar scherpte van klankkleur, zodat een genuanceerd spel mogelijk wordt. Ze werden gemapt op het midi nootbereik 113-127. Onnodig te zeggen dat de spelmogelijkheden die van een menselijke speler verre overtreffen... Door deze toevoeging, kreeg de Vox Humana meteen een knipoog naar het draaiorgel en de orkestrion. Vandaar de naam die we voor deze module bedachten: de Vox Humanola, het heeft als automaat iets van een pianola, en klinkt een beetje spaans, wat dan de aanwezigheid van de castagnetten verklaart.

De lamp in serie met de toeter (gemapt op midi noot 31 en geschakeld via een AC solid state relais) werkt als spanningsgestuurde weerstand. Wanneer vervanging nodig zou zijn, moet een Osram Halolux Ceram type nummer 64467KL - 230V geplaatst worden (met bajonetfitting). De elektromagneten voor de balgen evenals die voor de castagnetten komen van de firma August Laukhuff. Voor de castagnetten werden Laukhuff pallet magneten 12V/150mA gebruikt. Wij sturen ze, voor uitsluitend puls bedrijf aan op een voedingsspanning van 24V. De maximale piekstroom die dan kan lopen, wanneer alle castagnetten op hetzelfde ogenblik zouden spelen, is 4.8A. Mits een bufferelko van 10mF wordt toegepast, kunnen we in de praktijk alle muzikale mogelijkheden voldoen met een voeding van 24V/50W.

Gedetailleerde dimensionering voor de bouw van de Vox Humana register module:

Hartafstanden boorgaten ventielen (gemonteerd in bolvormig uitgefreesde rubberhulzen, gevat in roodkoperen cilinders met een buitenmaat van 22mm, waarop de pijpen winddicht kunnen rusten):

windlade hoog (32 pijpen)	windlade laag (24 pijpen)
1 = 39.4 ventiel 4mm, gat 10mm [1/4"] noot 60 2 = 78.8 ventiel 4mm, gat 10mm noot 61 3 = 118.2 ventiel 4mm, gat 10mm noot 62 4 = 157.6 ventiel 4mm, gat 10mm noot 63 5 = 197.0 ventiel 4mm, gat 10mm noot 64 6 = 236.4 ventiel 4mm, gat 10mm noot 65 7 = 275.8 ventiel 4mm, gat 10mm noot 66 8 = 315.2 ventiel 4mm, gat 10mm noot 67 9 = 354.5 ventiel 4mm, gat 10mm noot 68 10 = 393.9 ventiel 4mm, gat 10mm noot 69 11 = 433.3 ventiel 4mm, gat 10mm noot 70 12 = 472.7 ventiel 4mm, gat 10mm noot 71 13 = 512.1 ventiel 4mm, gat 10mm noot 72 14 = 551.5 ventiel 4mm, gat 10mm noot 73 15 = 590.9 ventiel 4mm, gat 10mm noot 74 16 = 630.3 ventiel 4mm, gat 10mm noot 75 17 = 669.7 ventiel 4mm, gat 10mm noot 76 18 = 709.1 ventiel 4mm, gat 10mm noot 77 19 = 748.5 ventiel 4mm, gat 10mm noot 78 20 = 787.9 ventiel 4mm, gat 10mm noot 79 21 = 827.3 ventiel 4mm, gat 10mm noot 80 22 = 866.7 ventiel 4mm, gat 10mm noot 81 23 = 906.1 ventiel 4mm, gat 10mm noot 82 24 = 945.5 ventiel 4mm, gat 10mm noot 83 25 = 984.8 ventiel 4mm, gat 10mm noot 84 26 =1024.2 ventiel 4mm, gat 10mm noot 85 27 =1063.6 ventiel 4mm, gat 10mm noot 86 28 =1103.0 ventiel 4mm, gat 10mm noot 87 29 =1142.4 ventiel 4mm, gat 10mm noot 88 30 =1181.8 ventiel 4mm, gat 10mm noot 89 31 =1221.2 ventiel 4mm, gat 10mm noot 90 32 =1260.6 ventiel 4mm, gat 10mm noot 91	1 = 52.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm [1/2"] noot 36 2 = 104.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm noot 37 3 = 156.0 ventiel 10.5.mm, gat 15mm noot 38 4 = 208.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm noot 39 5 = 260.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm noot 40 6 = 312.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm noot 41 7 = 364.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm noot 42 8 = 416.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm noot 43 9 = 468.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm noot 44 10 = 520.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm noot 45 11 = 572.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm noot 46 12 = 624.0 ventiel 10.5mm, gat 15mm noot 47 13 = 676.0 ventiel 6mm, gat 12mm [5/8"] noot 48 14 = 728.0 ventiel 6mm, gat 12mm noot 49 15 = 780.0 ,ventiel 6mm, gat 12 mm noot 50 16 = 832.0 ,ventiel 6mm, gat 12 mm noot 51 17 = 884.0 ,ventiel 6mm, gat 12mm noot 52 18 = 936.0 ,ventiel 6mm, gat 12mm noot 53 19 = 988.0 ,ventiel 6mm, gat 12mm noot 54 20 =1040.0 ,ventiel 6mm, gat 12mm noot 55 21 =1092.0 ,ventiel 6mm, gat 12mm noot 56 22 =1144.0 ,ventiel 6mm, gat 10mm noot 57 23 =1196.0 ,ventiel 6mm, gat 10mm noot 58 24 =1248.0 ,ventiel 6mm, gat 10mm noot 59
Oppervlakte doorlaat windlade= 402.1239 mm^2	Oppervlakte doorlaat windlade = 1378.374 mm^2
Diameter windvoorziening windlade >= 22.6mm	Diameter windvoorziening windlade >= 41.9mm

Normale werkingsdruk in diverse gangbare eenheden (de praktische werkingsdruk kan +/- 50% varieren):

Command	meaning / effect	remarks (+= implemented)
NOTE OFF (128 +k)	release value disregarded	+ equivalent to note on with velo=0
NOTE ON (144+k)	note range 36-91 velo mapped on sfz if appropriate controller is set note 31: horn (no sfz) note 92--96 = lights on front panel (in groups of 5) note 97-99= implemented but reserved for future expansions. note range 113-127: castanet percussion unit (velo implemented)	+
POLY AFTERTOUCH (160_k)	Not implemented	No
CONTROLLERS: 176+k
nr. 7	wind pressure (0-127) default value 89 for normal operation and tuning. Do not send any other value.	+
nr. 10	value 0 = NO sforzando mode active	+
	value 5 = sfz active and pulse values derived from velo-values with note on commands (overpressure mode)
	value 6= sfz active and pulse values derived from velo-values with note on commands (underpressure mode)	accents will be synchronous with note on's
	value 9 = sfz active and pulse values derived from channel pressure commands (overpressure mode)	accents will be synchronous with note on's
	value 10 = sfz active and pulse values derived from channel pressure commands (underpressure mode)	accent applied on reception of channel pressure command
	value 16 = tremulant is active. Other modes disabled. Frequency determined by controller 11.	accent applied on reception of channel pressure command
nr.11	Tremulant frequency (if ctrl 10 set to 16)	+
nr.123	All notes OFF	+
PROGRAM CHANGE 192 + k	Programs 122-127 select different velocity scaling applicable to the castagnets. The lookup tables can be user programmed using sysex commands. Program 0 is the default and not reprogrammable.	+
CHANNEL PRESSURE 208 + k	Controlls sfz magnet, if ctrl 10 is set to value 9 or 10.	+
PITCH BEND 224 + k	Not implemented	No
SYSEX	used for uploading lookups for 8 different programs (1-8) with velocity mappings for the castanets. (<Casta>)	+
241 and higher	Not implemented: no real time msg's	No