Sensori piezoelettrici


Sensori piezoelettrici

I sensori piezoelettrici sono facilmente reperibili su eBay e costano poco (circa 30 centesimi di euro a pezzo). I venditori li propongono con diametri da 20, 27 e 35 mm, in pacchi da 5 o da dieci pezzi: http://www.ebay.it/itm/360494605075

Con i sensori piezoelettrici si possono ottenere effetti simili a Mogees, ma con più flessibilità. Mogees sopporta un solo sensore, invece con Theremino i sensori collegabili sono illimitati. E infine, oltre alle percussioni, con la applicazione Theremin si possono suonare anche note intonate e accordi. Si possono ottenere effetti molto interessanti.

I sensori piezo possono funzionare come pulsanti generici, per applicazioni di automazione e per musica e video. Ma in particolare con il Theremin, o attraverso lo SlotsToMidi, verso qualunque sintetizzatore hardware o VST. E ancor meglio con i sintetizzatori di Batteria e Percussioni.

I seguenti video dimostrano la modularità del sistema Theremino. I segnali dei sensori piezoelettrici sono raccolti da quattro ingressi di un modulo Theremino_Master. Gli ingressi sono configurati come Adc16. ed i quattro valori numerici, inviati a quattro SLOT (area di comunicazione tra le applicazioni). Infine abbiamo utilizzato la applicazione Theremino_SlotsToMidi, per inviare segnali MIDI ad un VST freeware. Il VST utilizzato è il SuperDrmFX, un campionatore di batteria e percussioni molto realistico.

Il materiale per mettere insieme tutto questo, costa meno di 25 Euro (si ricorda però che il sistema Theremino è solo didattico e non vende hardware o software).

Video con i sensori piezo che pilotano la applicazione Theremin

Theremino_PiezoSensors_Video In questo video due dischetti piezoelettrici sono incollati sotto a una pelle per TOM da 20 centimetri. I segnali attraverso gli slot sono inviati al sintetizzatore Theremin. Uno dei due segnali è stato usato per il volume, ma si possono ottenere gli stessi effetti, anche con un solo sensore.

 

Video con i sensori piezo e un sintetizzatore di percussioni

Theremino_PiezoDrums_Video_1
Theremino_PiezoDrums_Video_2
Theremino_PiezoDrums_Video_3
Theremino_PiezoDrums_Video_4_Increased_Dynamics

I video non sono stati ritoccati. I suoni arrivano direttamente dal sintetizzatore VST, senza nessuna elaborazione successiva. Quello che si sente è esattamente quello che si ottiene, tamburellando con le dita, sui sensori piezoelettrici.

Sfortunatamente la compressione del video ha rallentato i fotogrammi. Il tamburellare veloce delle dita è completamente sparito, ma si può immaginarlo ascoltando i suoni.

Il quarto video mostra il miglioramento di dinamica che abbiamo ottenuto con la versione 1.3 dello SlotsToMidi. Ora si può strisciare la pelle del rullante, da un sottovoce che quasi non si sente, fino a salire gradualmente a volumi assurdi. Sentito nel video compresso non rende come nella realtà. Abbiamo collegato la scheda audio a casse grandi (3 vie con woofer da 35 cm) e il suono è “mostruoso”.


Adattatori per i sensori piezoelettrici

Gli adattatori che proponiamo sono semplici da costruire e funzionano meglio dei molti schemi che si trovano su internet.

Attenzione: Il principio di funzionamento dei nostri sensori non è lo stesso di quelli delle batterie commerciali. I segnali non sono intercambiabili. Per ottenere le massime prestazioni, i nostri sensori non trasmettono un segnale audio, ma un valore proporzionale alla pressione esercitata. Questo ci ha permessi di ottenere un controllo del suono e una dinamica, superiori a quelli delle batterie elettroniche commerciali, con i classici Pad non alimentati.
Se si vogliono i migliori risultati, la meccanica dei Pad deve essere costruita con tecniche particolari. I Pad delle batterie commerciali possono funzionare anche con i nostri sensori. Ma non funzionaranno molto bene. Sono generalmente troppo rigidi (sembra di battere su un pezzo di legno) e quindi generano principalmente vibrazioni di alta frequenza (dai 50 ai 200Hz in su) invece noi siamo interessati a misurare la forza con cui si batte. E queste forze hanno frequenze molto basse (da 2 a 20 Hz).

I vantaggi di questi adattatori sono:

  • Maggiore sensibilità. Quindi si ottiene un buon segnale su ogni superficie.
  • Livello di riferimento molto vicino allo zero e quindi maggiore dinamica.
  • Curva di risposta con andamento approssimativamente logaritmico. Per cui si ottiene una migliore dinamica, in tutto il range tra il “pianissimo” e il “fortissimo”.
  • Eliminazione totale del pericolo di sovraccaricare gli ingressi. Quindi il modulo Master non perde la comunicazione, nemmeno se un elefante salta sul dischetto.
  • Il circuito può funzionare anche con tre soli componenti T1, R1 e R2. Aggiungendo R3 e D1, si ottiene una migliore resistenza alla saturazione e un tempo di recupero più breve (si aumenta la precisione per le percussioni e si può suonare più velocemente).

Circuito stampato e schema elettrico

   

Download del progetto Eagle del PCB, immagini, GCode per la fresa e simulazione LTSpice:
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Adapter_Piezo.zip

Usare BC547B, BC547C, BC846B, BC846C o transistori simili. Deve essere un transistor NPN e la sigla deve finire con “B” o meglio con “C” (la lettera “B” indica un guadagno in corrente intorno a 300..400, e la “C” intorno al 500).

Se il transistor ha un guadagno troppo basso allora il segnale letto dalla applicazione HAL si alza troppo. Si controlla questo valore a riposo (senza muovere il dischetto). I BC547C danno normalmente un segnale intorno a 25 (su 1000). I transistor con “B” finale danno circa 30. Se si misura oltre 40..50 allora è bene trovare transistori con maggiore guadagno.

Alcuni dischetti hanno il polo positivo all’esterno, altri all’interno. Quando si premono, il segnale sull’HAL dovrebbe salire, in caso contrario si dovrebbero invertire tra loro, i fili rosso e marrone che vanno al dischetto. Per le percussioni è importante che il segnale sia nel verso giusto, altrimenti il suono arriva in ritardo e diventa difficile andare a tempo. Controllare la fase come spiegato in questo capitolo.

Ridurre la sensibilità dei sensori

Questo adattatori sono molto sensibili. In alcuni casi potrebbe essere necessario diminuirne la sensibilità. Sarebbe difficile aumentarla, ma per diminuirla ci sono molti modi.

  • Attenuare meccanicamente le vibrazioni, con materiali morbidi.
  • Interporre uno strato di gommapiuma, tra la superfici vibranti e i sensori. In questo modo si proteggono anche i sensori.
  • Ridurre elettricamente la sensibilità del circuito sostituendo R2 con un resistore via via più basso. Valori da usare sono 10 Mega (massima sensibilità), 4.7 Mega, 2.2 Mega, 1 Mega e 470 K (minima sensibilità). Non si deve scendere sotto a 470 K, altrimenti la tensione non potrebbe più raggiungere il valore massimo, e si perderebbe parte della dinamica.

I metodi meccanici per attenuare le vibrazioni e la riduzione di R2 possono essere usati anche insieme, per i casi estremi (ad esempio per chi suona su palchi in legno, con gorilla che suona la batteria e volumi esagerati sul palco).

Come principio generale si deve attenuare abbastanza, da rendere la batteria insensibile alle vibrazioni, provocate dal basso e dalla cassa stessa (Kick drum). Sono gli stessi problemi che si verificano, amplificando con microfoni le normali batterie. I fonici sono abituati a risolverli con nastro adesivo e stracci.

Cablaggio con componenti saldati in aria

          

Questo è il metodo più semplice. Se realizzato bene è veloce e robusto. Fare click sulle immagini per ingrandirle.

Cablaggio con nastro di rame adesivo

                    

Il nastro di rame adesivo si taglia con le forbici e si incolla su un pezzetto di plastica. Ci vuole una certa abilità per fare un buon lavoro, leggere i consigli qui: /technical/tables-and-notes#coppertape

Dato che la base è in plastica si deve scaldare poco. Quando le piazzole sono calde la colla perde aderenza. Quindi si deve saldare a punti e con attenzione per non muoverle. Ma quando si raffreddano sono robustissime. A tirare si strappano prima i fili delle piazzole.

Applicare i dischetti alla superficie vibrante

Inizialmente pensavamo che i dischetti lavorassero per compressione per cui abbiamo provato pesi di varie dimensione e diversi metodi di applicazione. Poi abbiamo scoperto che i dischetti lavorano per torsione, quindi i pesi non servono.

I dischetti si applicano semplicemente con nastro biadesivo (tipo spesso). Attenzione che una volta applicati non si potranno più spostare o togliere. Tirando si piegano e si spaccano.

Theremino piezo sensors   Fare click sulle immagini per ingrandirle!

Qui si vede un dischetto incollato sul lato inferiore di una pelle da Tom. Un secondo dischetto ha già il nastro biadesivo ed è pronto per essere applicato alla pelle.

Ci sono molte variabili, il materiale di supporto, la forza con cui si batte, suonare con le bacchette o con le dita, eventuale gommapiuma per smorzare le vibrazioni, il punto in cui si applicano i dischetti. Quello che si dovrebbe ottenere è di poter suonare piano e forte in modo piacevole, come si vede nelle prossime immagini.

  

  • L’immagine di sinistra mostra il segnale che si ottiene strisciando le dita sulla pelle o tamburellando in modo leggero.
  • L’immagine a destra è stata ottenuta tamburellando con forza crescente. Da notare che pur battendo forte, rimane ancora dinamica per il “fortissimo”.


Mettere in fase i sensori piezoelettrici

    

Questo Pad è solo un esempio. Ciascuno può fare i sensori come preferisce, magari rotondi o incollati sotto alla pelle di un Tom. Ma questo esempio è importante per spiegare un concetto. Si noti che la gommapiuma ha due lati con due strisce di nastro biadesivo e che il centro è stato svuotato con le forbici. In questo modo, premendo nel mezzo, il dischetto si imbarca, con il centro in basso, e i lati verso l’alto.

I dischetti lavorano per torsione, non per pressione ed è importante che, quando si premono, la torsione sia nel senso giusto. I segnale giusto provoca un segnale negativo sulla base del transistor e quindi un segnale positivo nell’oscilloscopio dell’HAL.

Non ci si può fidare del fatto che il centro sia sempre positivo, o negativo, abbiamo trovato dischetti che danno il segnale al contrario.

Per verificare che il dischetto sia nel verso giusto, si apre l’oscilloscopio del programma HAL, facendo doppio click sulla riga giusta. Poi si preme LENTAMENTE in centro per mezzo secondo e infine si rilascia di colpo. Se il segnale sull’oscilloscopio balza verso l’alto quando si rilascia la pressione, allora il dischetto è collegato al contrario. Attenzione a non imbarcare troppo i dischetti, se si esagera si sente che fanno “crick” e poi funzionano un po’ peggio.

      

Il ritardo tra la percussione e il suono (“t” nelle immagini) deve essere minimo, altrimenti diventa difficile suonare a tempo. Il segnale al contrario provoca un ritardo molto grande (immagine a destra). E, peggio ancora, con il segnale al contrario, il tempo di ritardo si allunga e si accorcia a seconda della forza con cui si batte. Diventa quindi impossibile suonare con un ritmo preciso.

Se il segnale è al contrario si può sfilare il dischetto e inserirlo sottosopra. Oppure si possono invertire i due fili che vanno all’adattatore. Meglio invertire i fili dal lato adattatore, perché i dischetti sono delicati ed è meglio non saldarli più volte.


Regolazioni per i sensori piezo

Regolazioni della applicazione HAL

Impostare “Comm. speed” almeno a 9, in modo da avere una frequenza di ripetizione piuttosto alta. Una frequenza di ripetizione di 300 FPS è sufficiente e provoca un ritardo di soli 3 mS (i musicisti lo chiamano “latenza”). Questa regolazione di velocità serve per risparmiare CPU su macchine lente come il Raspberry. Invece su macchine veloci si può evitare di pensarci e impostare sempre la velocità 12.

Regolazione dei singoli PIN
Prima di tutto si impostano i Pin dei sensori piezo come Adc16 (o Adc8 per una minore risoluzione). Poi si regolano i parametri seguenti:

  • Response speed – Stabilisce la velocità di risposta e ha un grande effetto sul segnale. Quando si impostano i Pin viene impostato il valore “30”, che è adatto ad una risposta mediamente veloce. Per applicazioni melodiche, si possono usare valori bassi, anche fino a 1. Ma per le percussioni si usano normalmente valori da 90 a 100.
  • MaxValue – Normalmente si usa valore di default “1000”.
  • MinValue – Stabilisce la sensibilità del singolo sensore. La regolazione globale della sensibilità è la casella “Note trigger value”, della applicazione SlotsToMidi. Ma le regolazioni singole sono il MinValue, di ognuno dei Pin. Alzando MinValue (intorno a 30), il sensore comincia a dare disturbi, anche se non si suona. Invece abbassandolo sotto zero, il sensore diventa progressivamente più sordo. Per avere il rullante molto sensibile è bene alzare MinValue, fino a che si sente il rullante suonare da solo, e poi abbassarlo un po’.
       

Questi sono tre esempi di regolazione dei parametri dell’HAL. Il primo si riferisce alla “Cassa” (Kick Drum), il secondo al “Rullante” (Snare Drum) e il terzo a un “Tamburo” (Tom).

Si noti che il rullante è stato reso più sensibile (Min value = 15), in modo da farlo suonare anche sfiorandolo. Invece il Tom è stato desensibilizzato (Min value = -50), per fare in modo che non suoni, quando si colpiscono i pad adiacenti.

I numeri scritti negli Slot, determinano lo strumento che viene suonato. Si parte da 200, perché nello SlotToMidi abbiamo impostato 200 come primo slot. Solitamente il primo strumento delle batterie MIDI è la cassa, poi si salta di due e si trova il rullante, e così via…

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Regolazioni della applicazione SlotsToMidi

Per inviare i segnali dei sensori piezo-elettrici a SuperDrumFX (o altri sintetizzatori di percussioni), si usano le regolazioni seguenti:

  • First slot –  Normalmente si imposta a 200 e deve corrispondere al primo slot, che si imposta nell’HAL.
  • Consecutive slots – Il numero di slot da leggere e trasferire verso il MIDI. Normalmente per le percussioni 20 o 30 Slots sono sufficienti.
  • Note trigger value –  Si alza questo valore fino a che tutti i Pad sono silenziosi. Lo si alza ulteriormente per renderli meno sensibili. I valori normali per le percussioni vanno da 50 a 100.
  • Velocity multiplier – Normalmente si imposta a “1”. Con questo valore, il normale range dei sensori del sistema Theremino (da 0 a 1000), viene trasformato in velocità MIDI da 0 a 127. A volte può essere utile abbassare questo valore, per ridurre la “espressione” di tutto lo strumento. Oppure lo si può alzare, se i sensori danno poco segnale.
  • Output midi device –  Normalmente si imposta “Out To MIDI Yoke: 1” e questo numero deve essere lo stesso che si imposta come “Input midi” di SuperDrumFX .
  • Midi channel –  Il canale MIDI di uscita. Normalmente “10” per le percussioni.
  • First midi note –  La prima nota MIDI che corrisponde al primo Slot impostato. Normalmente 36 corrisponde alla cassa (Kick Drum), 38 al rullante (Snare Drum) e così via… Vedere la tabella seguente.
  • Compander – Compressione ed espansione del segnale. Normalmente si usa il valore “1”. Con numeri inferiori (fino a 0.5) si ottiene un avvicinamento tra il “piano” e il “forte”. Invece con numeri alti (fino a 2) si ottiene una maggiore dinamica. Questo Compander agisce diversamente da quello di SuperDrumFX. Su SuperDrumFX quando si imposta una forte espansione, il volume massimo può raggiungere livelli pericolosi e c’è il rischio di danneggiare l’impianto audio. Invece nello SlotsToMidi si abbassano i suoni deboli e il livello massimo rimane costante. La regolazione è quindi più facile.
  • Fast notes – Normalmente si impostano come “veloci” solo le note “38 40 42”. Queste sono le note del rullante (Snare Drum) che deve poter eseguire rullate e vibrazioni rapidissime. Tutte le altre percussioni e soprattutto la cassa (Kick Drum) suonano meglio con colpi singoli e netti, quindi niente “fast” per loro.

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Tabella degli Slot e delle note MIDI per la batteria

Questa tabella presuppone di aver regolato “First slot200″ e “First midi note = 36”. Gli strumenti e le note sono quelli della normale configurazione di SuperDrumFX. Tutte le batterie MIDI usano questa disposizione di note, almeno per gli strumenti principali.

Slot (HAL)
Note (MIDI)
Instrument
ENG
Strumento
ITA
200
36
Kick
Cassa
201
37
 
 
202
38
Snare / Carpet / Position
Rullante / Cordiera / Variazioni
203
39
 
 
204
40
Rim Shot / Cross Stick
Colpo sul bordo / Bacchette incrociate
205
41
Floor Tom 2
Primo Timpano
206
42
HH Close
Charleston chiuso
207
43
Floor Tom 1
Secondo Timpano
208
44
HH Foot
Pedale del Charleston
209
45
Tom 2
Secondo Tom
210
46
HH Open
Charleston  aperto
211
47
 
 
212
48
Tom 1
Primo Tom
213
49
Cymbal 1
Primo piatto
214
50
 
 
215
51
Ride Bell
Piatto “Ride”
216
52
Cymbal 2
Secondo piatto
217
53
Ride Rim
Piatto “Crash”
218
54
 
 
219
55
 Cymbal 1
 Primo piatto
220
56
 
 
221
57
 Cymbal 2
 Secondo piatto
222
58
 
 


Ottenere i moduli del sistema

Il team del sistema Theremino si occupa solo di ricerca e non vende hardware. Il sistema è completamente “Freeware”, “Open Source”, “No Profit” e “DIY”, ma esistono produttori che possono fornire i moduli assemblati e collaudati a un ottimo prezzo. Difficilmente si potrebbe auto-costruirli spendendo meno. Un elenco dei produttori in questa pagina: www.theremino.com/contacts/producers


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