<Autosax>

an automated microtonal C-melody saxophone

by Godfried-Willem Raes

1989-2020


Autosax

This instrument is an automated and computer controlled acoustical saxophone. It is one of the very first automated instruments we designed and its building history went through five very distinct phases, each realizing a different approach to the problems posed by properly automating a saxophone. In the very first version (1989), the sound production relied on computer controlled acoustical feedback in the bore of the instrument. This version was dropped for the response was sluggish and the pitch produced quite unreliable. Although the concept behind the design was sound, the possibilities for real time processing of the feedback loop were way below the requirements.

The second version used a compression driver driven by a frequency synthesizer. This version was evaluated as very reliable, but soundwize, far away from anything like a realistic and convincing saxophone sound. The feedback-mechanism was preserved as well. A laptop computer was used to controll all the hardware built into the instrument. The parallel port (the printer port) was used for communication and control.

The thirth version (2007) used a quite sophisticated automated reed mechanism. The sound was indeed very good and it was also capable of producing a wealth of multiphonics, slaptongues and other special effects. The sound production was realized through an acoustical but computer controlled two-phase reed mechanism using a radial compressor for the wind supply and a fast regulating conical valve for expression control. This version was dropped in 2009 mainly because the ambitus was limited to the lowest octave. The range below the 'normal' range actually sounded best and hence we extended it in the Midi support down to midi note 0. However, we never got the instrument to overblow properly and reliably... The new sounds the mechanism could produce were a bonus, but quite unrelated to the saxophone itself. For this reason, we decided to save the sound production mechanism for a future project and maybe a novel instrument.

The fourth version took of shortly after our quite successful realizations of brass instruments (<Korn> the cornet, <So> the sousaphone, <Heli> the helicon and <Bono> the trombone) as well as <Ob> the automated oboe, making use of acoustical impedance converters driven by a compression driver and a capillary conduct. For this version we carried out many experiments using acoustic impedance converters. In a first design we made the acoustic impedance converter such as to mimic as well as possible the behavior of the original mouthpiece with reed. Thus, instead of using a circular capillary channel driving the saxophone, we used a small slit. The whole construction was made from massive staff brass material on the lathe, the slit filed out manually. A quite inexplicable side effect of applying this construction to the saxophone, was that it lowered the whole tuning of the instrument by a minor thirth. Thus the C-melody saxophone came to behaves like an A instrument. In the last and most successfull experiment so far, we used a regular capilary again, but with a much reduced traject as compared to the first version. The saxophone now behaves again as a C instrument... The instrument is controlled via MIDI, but UDP/IP controll was implemented as well. It uses 3 PIC microcontrollers, one of which is a dsPic30F3010 type used for the reed control, the tuning and the intonation, the other ones taking care of the keys and the third one controls the volume and the feedback levels as well as some visual features of the robot.

The fifth version (2020) preserves the membrane compressor drive from version 4, but the excitation of the compressor as well as the key mechanism was completely redesigned. The improvements on the key mechanism served to greatly silencing the mechanical noises produced by the keys in all previous versions. The keys now have a soft-release mechanism using two 18F2620 PIC processors. The bulbs in series with the solenoids were preserved, although we changed the type of bulb used here. The driver for the membrane compressor now uses two 24EP128MC202 16-bit PIC processors, one charged with all amplitude modulation tasks, the other with excitation wave control. The algorithm to calculate the excitation wave required, takes profit from the latest discoveries in our lab, first applied and experimentally verified in our <Flut> robot. The midi-hub board was preserved from version 4.

The lightbulbs -clearly visible on the picture- are not just a visual feature but serve as voltage dependent resistors in series with the solenoid valves controlling the keys, thus preventing overheating of the coils when many keys are opened and stay opened for a long time. Different and non standard fingerings can be applied.

The normal note range is 46 to 77, but due the possibilities of the reed mechanism, we provided in an extended range in the low end, descending down to even as low as midi note 24. Of course users should not expect a realistic C-melody saxophone sound from this range as resonance in the bore of the instrument will be minimal. We observed that for the 'imaginary' range 34 to 45 the sound is nevertheless quite good, this being due to the strong octave harmonic in the spectrum of the saxophone. The sounds produced in this extended range below 34 are far too interesting -although not as good as those produced in the thirth version of the robot- to leave them out of the range of possibilities. High notes are implemented up to midi note 89, but again, in this range users should not expect much realism.

The development of this automated saxophone took us some 30 years and <Autosax> has known 5 different working realizations in its history. We are now, 2020, at version 5.

 

Midi implementation:

Compositions where <Autosax> is an important member of the robot orchestra:

Collaborators: Kristof Lauwers, Johannes Taelman, Lara Van Wynsberghe.

Technical specs (for organizers):

  • Weight: ca. 40 kg
  • Base sizes: 600 x 400 mm
  • Height: 1600mm
  • Power: 230V/ac - 680W peak.
  • Control: MIDI in, 5x MIDI thru.
  • Audio in/out: 0dB line level.
  • The instrument should be transported in its protective case.
  • Insurance value: 14.000 Euro (Version 5)

Back to Godfried-Willem Raes index-page Back to Logos main index page Composers Guide to the Logos robot orchestra To Instrument Catalogue Godfried-Willem Raes

<Autosax>

Reeds verschillende jaren vormde het ding niets meer dan een dekoratief onderdeel van mijn elektronische werkplaats bij Stichting Logos. Ik had het op een gewone en dus regenachtige zaterdagochtend in 1989 gezien op de Gentse rommelmarkt, en herinner me nog hoe ik het - nog voor ik goed en wel besefte wat het eigenlijk was- reeds goed en wel in mijn bezit had gekregen. Eens thuis onderwierp ik de buit aan een nauwgezet onderzoek. Op het eerste gezicht leek het verraderlijk sterk op een tenorsaxofoon, maar de kleppen waren niet voorzien van plaatjes voor vingers. Alle hefbomen hadden integendeel een klein zijwaarts geboord gaatje. Het kon niet anders dan afkomstig zijn van een of andere grote orkestrion. Het klankopwekkingsmekanisme ontbrak echter, en ik vermoedde toen dat dit uit een pneumatisch gestuurd tongwerk moet hebben bestaan. Hoewel, sommige orkestrions omvatten instrumenten die weliswaar mee bewegen met de muziek, maar helemaal niet klinken en dus een louter vizuele funktie hebben (de inferieure Decap's bvb.). Vele jaren later werd dit vermoeden trouwens ook door de historische feiten bevestigd, toen het instrument afkomstig bleek uit een wat dekadent en kitscherig dansorgel van Grymonprez uit Ledeberg bij Gent... Ik herinnerde me nog mijn pogingen er een autentiek tenorsaxofoonmondstuk op gemonteerd te hebben. De toonladder was kromatisch en redelijk korrekt. Er was een klep voor elke kromatische halve toon. De speelbaarheid was door die zuiver lineaire vingerzetting evenwel bijzonder problematisch, niet alleen door het ontbreken van de steuntjes voor de vingers, maar bovenal door de onmogelijk te grijpen afstanden tussen de diverse hefbomen onderling. Ik schoof het ding voorlopig terzijde, wel beseffende dat er wel iets originelers mee aan te vangen zou zijn, dan het terug te brengen tot een of andere vorm van de bekende tenorsax.

Het ding was dus al meer dan een jaar naar het hinterland van mijn onderbewustzijn verhuisd, toen op een - alweer- bijzonder regenachtig novemberweekend in 1990, ik het ding ter hand nam en begon aan de konstruktie van een volautomatische komputergestuurde saxofoon. Hoewel we het aanvankelijk hadden beschouwd als een tenorsax, bleek bij nadere studie van de voortgebrachte tonen, het toonbereik te beginnen vanaf Bb (midi 46). Dat maakt dat het instrument eigenlijk volledig gemensureerd is naar de -zeldzame- C-melody saxofoon uit het interbellum. Hier is er eentje:

Voor de automatische sturing van de kleppen op het instrument -dat leek me het eenvoudigste deel van het ontwerp- maakte ik dankbaar gebruik van de voorraad elektromagneten die ik ooit kreeg van mijn Amerikaanse vriend - overigens ook een uitstekend komponist en instrumentenbouwer - Alec Bernstein. Deze elektromagneten werden oorpronkelijk gemaakt voor gebruik in een piano-'Vorsetzer' van de firma Maranz, die evenwel over de kop ging. Alec was zo slim, de hele fabrieksvoorraad in te kopen..., slim, vooral omdat de hele voorraad op die wijze uiteindelijk bij mij belandde.

De kern van deze spoelen bestaat uit een cilindrisch stuk ferriet met een ingetapt uiteinde. Hiervoor maakte ik aluminium oogjes waardoorheen veerstalen haakjes voor de overbrenging op de kleppen konden aangebracht worden. De werkspanning van de spoelen is berekend op 170Volt D.C. , overeenkomstig rechtstreeks gelijkgerichte en afgevlakte Amerikaanse netspanning. Aan 0.5A per bekrachtigde spoel, betekent een en ander een (teoretisch) maximaal opgenomen vermogen van omstreeks 1kW! Anders dan bij player- pianos immers, worden bij blaasinstrumenten heel normaal veel kleppen tegelijkertijd bekrachtigd. In mijn ontwerp echter kwam het erop neer dat de zaak algauw gloeiend heet liep... Om dit euvel - dat destruktieve gevolgen had kunnen hebben - te verhelpen, bouwde ik een speciale sturing voor de elektromagneten gebruik makend van pulsbreedte-gemoduleerde gelijkspanning. Ook voor de uitsturing van de nodige signalen (spoelen aan/uit en pulsbreedte van de bekrachtigingsspanning), bleek komputersturing een vereiste.

Het klankmechanisme dat ik er aanvankelijk voor bedacht, berustte op zuiver akoestische maar komputer-gestuurde feedback in het instrument zelf. Daartoe monteerde ik op de plaats van het mondstuk een luidsprekermotor (een hogedrukkamer of membraankompressor) en in de klankbeker een mikrofoon. Door sturing van de versterkingsfaktor en door toepassing van filters in het tussen beide opgenomen elektronisch netwerk, bleek het mogelijk alle tonen vrij realistisch te produceren. Alleen de aanspreeksnelheid van de diverse noten liet wel nogal wat te wensen. Om dit te verbeteren, plaatste ik dan in de eerste versie 6 verschillende miniatuur elektretmikrofoontjes bij de diverse toongaten. Als nu de mikrofoontjes geschakeld en onderling gemengd konden worden in funktie van de te produceren tonen, dan was het doel virtueel bereikt. Daarvoor moest evenwel noodzakelijkerwijze alweer op komputersturing beroep gedaan worden. Dit, onder meer omdat de feedbackregeling bijzonder snel dient te gebeuren, a rato namelijk van zo'n 100 instellingen en instrukties per sekonde. Traag voor een komputersturing, maar beslist te snel voor de manuele bespelingsmogelijkheden van musici, zeker wanneer die via instelknopjes en schakelaars zou dienen te gebeuren. In een eerste uitvoering bouwden we voor de klankopwekking een behoorlijk komplekse schakeling met 6 bandfilters (een per mikrofoon) gevolgd door VCA's. De VCA's werden opgebouwd met 8-bit DAC's waarvan evenwel slechts 4 bits werden benut, de overige bleven op die wijze vrij voor de kanaalselektie en de adressering. Een enkel byte kon zo volstaan voor de kontrole van de feedback loop en dus van de klankopwekking zelf. Een zekere traagheid in het aanspreken van de diverse noten bleef evenwel ook in dit ontwerp helaas aanwezig, maar m.i. was dit vooral te wijten aan het beperkte vermogen van de gebruikte luidsprekermotor (15 Watt). Met een piekvermogen, gedurende het aanzetten van de toon in de orde van 100 Watt zou allicht een beter resultaat op dit vlak kunnen bereikt worden. Ook kon het nogal eens gebeuren dat een andere noot dan de voorziene werd geproduceerd. Omgevingsgeluid speelde daarbij een belangrijke rol, wat uiteraard de opname in een orkestrale kontekst kompromiteerde. Onbevredigd door de resultaten van versie 1, herbouwden we in 2002 de stuurschakeling voor <Autosax> volgens een geheel nieuw ontwerp, waarbij de feedback sturing geheel in software werd gerealiseerd. De -frekwentieselektieve en aan het toonbereik van de saxofoon aangepaste voorversterker voor de voor het paviljoen gemonteerde elektret mikrofoon kwam eruit te zien zoals op de afbeelding opgenomen in het bouwdagboek. Feedback sturing via een digitaal stuurbare versterker-mixer schakeling bleef ook in deze tweede versie een optie voor deze robot.

Voor de komputersturing had het zo ontstane instrument voldoende aan 2 bytes voor de sturing van de spoelen/kleppen, naast het ene byte voor de feedback-kontrole. Dit kon gemakkelijk geimplementeerd worden via de op zowat alle komputers beschikbare parallel-printerpoort. Hiervoor gebruikten we hetzelfde demultiplex board zoals we dat ook ontwikkelden voor automaten zoals <Klung>,<ThunderWood>, <Troms> enzomeer. Omdat elk individueel bit via software kan gemanipuleerd worden, blijkt het perfekt mogelijk ook mikro-intervallen, vorkgrepen, kleppengerammel, multiphonics door het instrument te laten voortbrengen. Ook 'zingen en spelen' tegelijkertijd is makkelijk te voorzien, door een vokaal (eventueel vanuit een stemsynthesiser ofwel vanuit een sampler) signaal in het mixergedeelte bij de mengen.

Om de responstijd te versnellen, het zwakke punt van het gehele ontwerp, zowel in de eerste versie als ook in de tweede, stuurden we in de tweede versie van <Autosax> bij elke aan te sturen toonhoogte een korte uitstervende sinus in de mixer. Hoewel dit op het eerste gezicht een 'overtreding' lijkt te zijn van het anderszins zo akoestische werkingsprincipe van het instrument, is het toch zo dat ook een speler van vlees een bloed wel degelijk anticipeert op de te spelen noot, wil hij deze tenminste trefzeker en goed aan zijn instrument ontlokken. In dit geval was echter in de komputerimplementatie nood aan het gebruik van het audiosubsysteem: de ingebouwde soundcard van de PC. Aan de hardware hoefden voor dergelijke uitbreiding geen wijzigingen te worden aangebracht. Overigens kon hiervoor ook een externe gewone midi-synthesizer worden gebruikt.

Hoewel Autosax in deze versie verscheidene jaren deel uitmaakte van het <M&M> robotorkest, waren we toch niet echt gelukkig met het voortgebrachte geluid. Het klonk me veel te sintetisch, elektronisch en eendimensioneel. In 2005 en 2006 onderging <Autosax> daarom een derde welhaast volledige herziening (versie 3) , waarbij volledig afgezien werd van het oorspronkelijke feedbackmechanisme, maar waarbij we integendeel poogden het riet zelf onder mikroprocessor kontrole aan het trillen te brengen. Heel wat research staken we in de ontwikkeling van het riet zelf en de aansturing (cfr. bouwdagboek). Uiteindelijk werd het een samengesteld riet, deels uit riet deels uit staal. Het grote probleem bleek de bouw van een riet dat redelijk lineair aan het trillen kan worden gebracht over een breed frekwentiegebied. Een erg lage eigenfrekwentie bleek noodzakelijk. Voor de kontrole daarvan deden we beroep op de DS-PIC microcontroller van MicroChip. Om een redelijk ' menselijke' kontrole mogelijk te maken van de toonvorming ontwikkelden we een speciaal kegelventiel. Hiermee wordt een werkelijke artikulatie van de voortgebrachte klanken mogelijk. De resultaten die we bereikten met dit mechanisme waren werkelijk verbluffend, vooral dan in de laagte, ver onder de tessituur waarvoor het instrument normaal is voorzien. Prachtige slagtongues en multiphonics. Alleen, overblazen naar het eerste normaal oktaaf bleek uiterst onbetrouwbaar en problematisch, zeker wanneer daar ook nog amplitude variatie bij verwacht werd. In 2009 beslisten we dan ook het hier toegepaste mechanisme geheel te verwijderen en opzij te leggen voor gebruik in een nieuwsoortige te ontwikkelen automaat die dan niks met een saxofoon te maken zou hoeven te hebben.

Versie vier, ontwikkeld in 2009, bouwt verder op de positieve ervaringen opgedaan bij de bouw van de koperblaasrobots <Korn>, <Bono> en <Heli> evenals van het dubbelrietinstrument <Ob>, de automatische hobo. Hier werden systematisch akoestische impedantietransformatoren toegepast. In tegenstelling tot die ontwerpen echter, waarvoor een kapilair met ronde doorsnede wordt toegepast voor de koppeling aan het mondstuk, bouwden we hier eerst een konvertor voorzien van een spleet, overeenkomstig de excitatie door een enkelriet. Hierdoor verschoof evenwel de gehele stemming van het instrument met een terts naar omlaag. Een echt sluitende verklaring voor dit fenomeen hebben we niet. Ook de efficientie werd wel heel erg klein. Een betere versie werd gebouwd, met een korter kapilair trajekt en weer een kleine maar ronde opening. De stemming was weer korrekt en de efficientie heel wat beter.

In 2020 begonnen we met versie 5: te verbeteren aspekten waren eerst en vooral het storende geluid van de kleppen en in tweede instantie de kwaliteit van het voortgebrachte geluid. De nieuwe ontwerpen werden uitgevoerd in de corona-maanden maart en april van 2020. Versie 5 is speelklaar.

De <Autosax> zoals ik het instrument heb gedoopt, werd opgebouwd als een vrijstaande ruimtelijke robot-skulptuur: als een saxofoon in speelklare positie, maar zonder speler. Daartoe werd het instrument op een gelast statief voorzien van talloze beugeltjes voor de vele elektromagneten, de elektronische stuurschakelingen en de diverse voedingen en interfaces geplaatst. Het werkende instrument werkt dan ook vizueel bevredigend: alle schakelingen zijn transparant en zichtbaar zodat het niets verhult. Een naakte automaat, de eerste van wat veel later een heel groot orkest zou gaan worden.

Godfried-Willem RAES, 1989-2020



Medewerkers: Kristof Lauwers, Johannes Taelman, Lara Van Wynsberghe

Technische specifikaties (voor organisatoren):

  • Gewicht: ca. 40 kg
  • Basis oppervlak: 600 x 400 mm
  • Hoogte: 1600mm
  • Opgenomen vermogen: 230V/ac - 680W peak.
  • Aansturing: MIDI in, 5x MIDI thru.
  • Het instrument moet verpakt worden getransporteerd
  • Verzekeringswaarde: 14.000 Euro. (bouwkost)

Bouwgeschiedenis en bouwdagboek

Autosax onderging in de loop van zijn ontwikkeling tot nu toe vijf onderscheiden stadia die elk met een werkende robot werden afgesloten. De globale ontstaansgeschiedenis en de technische details daarvan worden in volgend dagboek gedokumenteerd.


Back to Godfried-Willem Raes index-page Back to Logos main index page Composers Guide to the M&M robot orchestra To Instrument Catalogue Godfried-Willem Raes

Robody pictures with autosax:

Technical notes, wiring and maintenance data:

(not intended for the general public, but required for repairs and servicing)

Circuit overview:

The 12V analog power supply is straightforward and uses a 50VA toroidal transformer mounted on the bottom plate in the very front of the instrument. To remove this power supply, loosen both stainless steel M5 bolts holding the frame. The hefty 230V/630VA transformer is mounted on the bottom plate next to the 12V supply, followed by the double-diode rectifier and the electrolytic capacitors. Watch out when servicing: high voltage. The analog power supply for the 5V is mounted in a U shaped housing on the backside of the bottom plate.

Valve solenoid boards - schematic (Version 5.0):

There are two of these boards, each steering eight keys.

The hold voltage over the solenoids with the bulbs specified is ca. 60V dc. The circuitry is dangerous to touch! Be carefull when servicing. The system using the light bulbs as voltage dependent resistors was kept from the original design dating back to 1990. The 330uF capacitors over the solenoids, a new design element, help in suppressing noise on key releases. On note-off, the capacitors discharge over the solenoid and thus slow down their release action. The firmware for these boards can be found here:

Board Source code Hex dump
High-keys Autosax_keys.bas Autosax_keys_high.hex
Low-keys Autosax_keys.bas Autosax_keys_low.hex

The original bulbs are 240V / 25W types with BA15d sockets (Girard Sudron). Cold resistance is 240 Ohms, Hot at 240V resistance goes up to 2307 Ohm. At 170V the resistance is 640 Ohm. These bulbs were replaced with halogen types (230V/40W) april 16th of 2020. Cold resistance is 89 Ohms. Hot resistance at 230V ought to be 1322 Ohm (calculated).

 

Circuit for the midi hub board, also containing the PIC microcontroller for the controllers (Version 4 and 5):

The frontal orange light holds a halogen bulb rated 12V - 5W, G4 socket. The bulb is secured in the socket with two small screws which must be loosened before removing and replacing the bulb.

The Yellow LED strips are type number LM-FB26Y-12, Farnell order code: 122-8819 (Cost: ca. 20 Euro's for a strip). These magnificent components are going out of production in 2009...

The blue quad LED assemblies come from Conrad and are disassembled from a car 'tuning' kit.

Power switch: A4TN15W04, toggle on-on, Farnell order nr.1629111

Audio amplifier board (2015 repair): Using a ILP HY2001 amplifier module and a toroidal 30VA 2x15V secondary transformer for the power supply. Input impedance is 100kOhms and input sensitivity is 500mV. The data sheet for the amplifier can be found here. This is the circuit:

The membrane compressor driver uses two 16 bit PIC-processors. Here is the circuit drawing:

The firmware for these two microprocessors is available here:

Processor Source code Hex dump
pitch PIC24_Autosax.bas PIC24_Autosax_pitch.hex
amplitude PIC24_Autosax.bas PIC24_Autosax_ampli.hex
Note that the same source code is used for both processors. Metacompiler commands are in the source code for compilation of the two very different compilations.

 


Archival versions:

Webpage on <Autosax> Version 3.0 (archival)

Webpage on <Autosax> Version 4.0 (archival)


Literature and bibliography:

Beauchamp, J.W., "Analysis of Simultaneous Mouthpiece and Output Waveforms of Wind Instruments" . In: j-aes, 1980, Preprint No. 1626,

Benade, Arthur .H., "Fundamentals of Musical Acoustics". Ed.: Oxford University Press, 1976.

Kergomard, Jean (a.o), "What we understand today on formants in saxophone sounds?", 2013

Kergomard, Jean (a.o), "Role of the resonator geometry on the pressure spectrum of reed conical instruments", 2019

Raes, Godfried-Willem, "Kursus Akoestiek", Ghent University College 1982/2014, Internet: http://www.logosfoundation.org/kursus/

Raes, Godfried-Willem, "Expression control in musical automates", 1977/2020,

Raes, Godfried-Willem, "Logos @ 50, het kloppend hart van de avant-gardemuziek in Vlaanderen", ed. stichting kunstboek, Oostkamp 2018.


Back to Godfried-Willem Raes index-page Back to Logos main index page Composers Guide to the Logos robot orchestra To Instrument Catalogue Godfried-Willem Raes

First published on the web February 22th 1991 by Godfried-Willem Raes

Last update: 2020-05-05