Dr.Godfried-Willem RAES

Kursus Experimentele Muziek: Boekdeel 2: Live electronics

Hogeschool Gent : Departement Muziek & Drama


<Terug naar inhoudstafel kursus> Some remarks in english To schematics of driver circuits

2115:  

Raes-Trimpin Player-Piano

Bouw en gebruiksaanwijzing

player piano pictureDe player-piano vormt een van de mooiste toepassingsvoorbeelden voor het gebruik van elektromagneten als output device in de muziekinstrumentenbouw. Niet dat de toepassing ervan zo nieuw zou zijn overigens: in de orgelbouw worden elektromagneten reeds heel lang gebruikt voor de registerbesturing (het uittrekken van registerschuiven in de windladen) en maken zij voorprogrammering van de registratie mogelijk.

De klank van een piano wordt geheel en al bepaald door de wijze waarop de toets wordt aangeslagen: de impakt van de vinger op de toets. De druk die na het aanslaan van de hamer op de toets wordt uitgeoefend heeft geen enkele invloed meer op het verder verloop van de klank. (Dit is het grootste onderscheid tussen het klavichord enerzijds en bijna alle latere akoestische toetsinstrumenten anderzijds). Wel van belang is echter het moment waarop de toets wordt losgelaten, aangezien daardoor de demper terug op de snaar valt.

Voor de bouw van een komputergestuurde pianist kunnen we dus volstaan met een precieze kontrole van aanslagsnelheid en kracht. Dit kan eenvoudig worden bereikt met een elektromagneet voorzien van een beweeglijke kern (anker). In het verleden werden dergelijke player-pianos door diverse merken op de markt gebracht. We vermelden Maranz (ging failliet, en de onderdelen werden overgekocht door Alec Bernstein en Daniel Carney die een tijd lang het Aesthetic Research duo vormden), Yamaha (kocht de patenten en rechten op van Maranz en nam enige tijd later zelf een Vorsetzer in produktie waarop evenwel geen nieuwe muziek te spelen viel door al te veel koncessies op de kapaciteit van de voeding en op het aantal tegelijkertijd speelbare noten), Bösendorfer (bouwde een dergelijk mechanisme van zeer hoge kwaliteit in, in een van zijn pianomodellen -diskklavier-maar daardoor zat het mechanisme ook vast aan de bijhorende piano, wat, gezien de hoge prijs, de verspreiding ervan beslist in de weg stond). Het ontwerp van Bösendorf was beslist het beste op de markt naar muzikale mogelijkheden: het had een 12-bit rezolutie voor dynamiek! Helaas echter was het voor komponisten niet te gebruiken, omdat het ontworpen was als 'weergave'- machine gebruik makend van een eigenzinnig opnameformaat... Interfacing met de eigen komputer was zoal niet onmogelijk, toch zeker niet eenvoudig.

 

Het ontwerp en de realizatie zoals we die hier gaan beschrijven, kwam tot stand als samenwerkingsprojekt tussen mijzelf en de Amerikaans-Zwitserse komponist/instrumentenbouwer Trimpin.


Nodige komponenten:

1. Voedingsschakelingen:

 

2. Elektromagneten: (Solenoids)

Wij gebruikten volgend type: Lucas Ledex Inc., Vandalia OHIO, USA . PSCM 81840
De spoelweerstand van deze magneten is 11 Ohm. De maximale stroom tijdens het aanslaan beloopt dus:
-24 -> + 12V = 36V 36V/11Ohm =3,27A
De houdstroom is maximaal: 12 V / 11 Ohm = 1A . De minimale houdstroom is 0.350A.

Er zijn vanzelfsprekend evenveel magneten nodig als we toetsen in te drukken kunnen hebben. Uit de gegeven stroomberekening kan eenvoudig worden afgeleid dat het vermogen nodig in de voeding afhangt van het maximaal aantal tegelijk in te drukken toetsen! Wanneer we alle toetsen tegelijkertijd willen indrukken in een groots fortissimo, dan loopt onze stroombehoefte op tot de repektabele waarde van 287A.... Dergelijke stromen worden enkel door zware booglastoestellen geleverd. Dit is natuurlijk een 'worst case' scenario. De eisen kunnen wel wat gemilderd worden door bvb. de toetsen niet exakt tegelijkertijd in de drukken maar -en dit komt goed uit want ook midi levert de data serieel- met een korte tussenpoze, van minimaal 1 ms. De stroombehoefte voor de aanslag kan daarmee tot zowat één tiende worden gereduceerd. Omdat een goede implementatie van legato-spel vereist dat terwijl een nieuwe toets wordt aangeslagen, de vorige nog ingedrukt blijft, berekenden we de voedingskapaciteit op het dubbele van het gemiddeld aantal tegelijkertijd klinkende noten. Wie het onderste uit de kan wil halen, raden we aan buffering van de voeding met loodakkus te overwegen.

3. Mikrokomputer-systeem:

Dit dedicated system ( cfr.2500) staat in voor de omzetting van binnenkomende midi-informatie via een instelbaar midi-kanaal naar stuurimpulsen voor de schakelhalfgeleiders (Darlingtons, Mosfets o.i.d.).

De gebruikte mikroprocessor (CPU) is hier een 8-bit 6809 type van Motorola. Hij wordt geklokt op 4MHz, wat ons meteen een goede basis geeft voor de Baud-rate van de midi-poort. Het geheugen mag voor hedendaagse PC-normen minuskuul heten: 2kbyte RAM (1 enkele 2016 statische RAM-chip) en -voor de opslag van het programma zelf- een 4kByte EPROM (2532-type), die dan nog niet eens helemaal wordt gebruikt! De assembler kode voor de timing van de aanslagpulsen waarmee hier aanslaggevoeligheid wordt bereikt werd ontwikkeld door Floris Van Manen.

De midi-poort , om aan de ingang te beginnen- werd opgebouwd gebruik makend van een 6850 UART die rechtstreeks op de komputerbus wordt aangesloten. De 6809 pleegt memory-mapped I/O waardoor de midi-poort op een gewoon geheugenadres is terug te vinden.

Een aan de motorola architektuur aangepaste PPI-chip (de VIA 6522) levert ons de nodige poorten waarmee de stuurpulsen kunnen worden uitgestuurd. De PB poort verwerkt de hold-kommandos, terwijl de PA-poort wordt gebruikt voor het in- en uitlezen van het instelbare midi-kanaal en voor het aansturen van het 2-digit LED-display. De data verschijnt gemultiplekst op deze poorten.

Een afzonderlijke latch-chip (74377) wordt gebruikt als C-poort voor de sturing van de velocity informatie. Anders dan we misschien geneigd zouden zijn te denken, wordt de aanslagsterkte hier niet geregeld door sturing van de spanning over de elektromagneten, maar uitsluitend door regeling van de breedte (de duur dus) van de aangeboden stuurpuls. De hold-spanning (12V) staat permanent over de spoelen wanneer deze bekrachtigd zijn. Tijdens het aanslaan wordt de spoel door de schakeling echter niet tussen massa en deze +12V aangesloten, maar tussen deze +12V en de extra voedingsspanning van -24V. Tijdens de aanslag verwerkt de spoel dan ook een potentiaalverschil van 36V.

Een gedetailleerd schema van de drivers hebben we , gezien de meer algemene toepassingmogelijkheden, toegevoegd in 2116.

Wie de precieze werking wil doorgronden, raden we aan het gedetailleerde schema van de hardware te besturen. Het vormt zowat een schoolvoorbeeld van een toepassing voor een uiterst eenvoudig komputersysteempje.

Anno 2004, zouden we natuurlijk andere microprocessoren kunnen gebruiken. Ter studie lag toen een player piano gebruik makend van PIC's van het type 18F252. Dit projekt werd volledig afgewerkt in 2005 en betekent op vele gebieden een substantiele verbetering tegenover het eerste ontwerp. cfr. <pp2>

4. Behuizing

Met alle benodigde schakelende voedingen, is het mogelijk alle elektronika in te bouwen in één enkele 4 units hoge 19-inch rack kast. Eén koncessie dienden we daarbij wel te doen: we monteerden de modulaire 24V voeding in haar geheel in een kooibehuizing aan de buitenkant tegen de achterwand van de kast... Voor het bedienings en aansluitingsgemak monteerden we alle konnektoren, schakelaars (voor elke voedingsspanning één), paneelmeters en displays aan de voorkant van de kast. Het meeste plaats wordt daarbij ingenomen door de konnektoren die naar de spoelen gaan: 4 33- polige Bulgin (Beau) konnektors! Hiervoor konden we immers geen flatcable- konnektors gebruiken, vanwege de grote te verwachten stromen.

Er moet in elk geval voor voldoende ventilatie worden gezorgd. De zaak kan immers flink heet worden en de bouw is erg kompakt...


Opbouw van de mechanika:

Gebruik 50x50x5 gewalst stalen hoekprofiel. Daarvan hebben we twee lengtes nodig van precies 1226mm. Het ene stuk wordt de drager voor de elektromagneten waarmee de zwarte toetsen worden bespeeld. Aangezien de afstand tussen de zwarte toetsen net iets groter is dan 1' (2.54mm) kunnen we de gaten voor de elektromagneten (1' diameter) in register en op een rechte lijn boren. Dit gaten boren wordt wellicht het lastigste werkje van de gehele konstruktie. In totaal zijn er immers 88 gaten te boren met een diameter van 19mm (3/4"). Dit werkje gaat het best gebruik makend van een konische boor in een kolomboormachine. Aangezien konische boren erg duur zijn, is het aangewezen alle gaten -na het zorgvuldig centeren-opeenvolgend voor te boren met gewone HSS boortjes van 4mm - 8mm - 10mm - 13mm en -indien de boorkop het aankan 16mm. Gebruik in elk geval een goede snijolie bij het boren. Een zware kolomboor met lage toerentallen is hiervoor uiteraard het ideale werktuig.

De gaten voor de witte toetsen moeten om en om geboord worden. De afstand tussen de toetsen laat ons hier immers niet toe 'in line' te werken.

De uiteinden van de L-profielen worden tegenoverelkaar vastgelast op 2 stukjes rechthoekig kokerprofiel 100x50x4 van 100mm lengte. Er moet een onderling verschil in hoogteligging zijn van 12mm, overeenkomstig het verschil in hoogteligging tussen de witte en de zwarte toetsen.

Het hele mekanisme is op deze wijze opgebouwd erg kompakt: de diepte beloopt slechts 10cm, waardoor het ontwerp in principe ook voor orgels en klavecimbels geschikt kan worden gemaakt. Aan beide uiteinden rust het op de blokjes links en rechts naast het pianoklavier. Helaas is dit op oude klavierinstrumenten meestal niet mogelijk, omdat het klavier daar vaak wordt ingebouwd in de kast waarbij er links en rechts van het klavier een opstand ontstaat. Voor oude instrumenten beveel ik dan ook de bouw van een letterlijke 'Vorsetzer' aan: een toestel dat aan het klavier wordt gezet en dat zelfstandig op de grond rust.

De elektromagneten worden in de gaten bevestigd met grote platte moeren. Gebruik een 22mm steeksleutel voor de montage. Opdat de moeren niet zouden loskomen door trillingen, gebruik je best een kleefmiddel voor schroefdraad (Loctite) bij de montage. Eén druppel rondom aanbrengen op het draaduiteinde van de elektromagneet volstaat.

Het anker in de magneet moet voorzien worden van stalen veertjes: 9mm diameter, 8 windingen, lengte 14mm.

Op het smalle uiteinde van de ankers komen nylon stootkapjes die je op voorhand moet voorzien van cilindrische viltjes van 10mm x 10mm. Deze viltjes worden gemaakt door het Amerikaanse Schaff Piano Supply Co. (type 330C 'regulating punchings', in zakjes van 100 stuks). Ook in Europa moeten dergelijke viltjes wel te verkrijgen zijn. Je kan ze uiteraard ook helemaal maken. De bevestiging van deze viltjes op de stootkapjes dient beslist het warme lijm (hot-glue) te gebeuren. Gebruik zo'n goedkoop Black & Decker lijmpistool en patronen voor het kleven van textiel of leder.

Legato mechanisme:

Hiervoor worden in mijn ontwerp twee stappenmotoren gebruikt die twee schoefdraadstangen bewegen waarmee de afstand tussen de dragers van de elektromagneten en de toetsen heel precies kan worden gewijzigd tijdens het spelen. Er is een motor voor elk uiteinde nodig. Deze motoren brengen een draadstang met heel fijngetapte draad in beweging. De draadstang kan vrij ronddraaien in een getapte huls die wordt vastgelast op de steunplaatjes.

Pedaal-mechanisme:

Bij gebruikelijke ontwerpen worden ook hiervoor elektromagneten gebruikt. Deze laten echter geen gradueel gebruik van het linker en rechterpedaal toe. In mijn ontwerp worden de pedalen bestuurd door twee stappenmotoren voorzien van een nylon kommawiel. Alleen voor het derde pedaal wordt een elektromagneet toegepast, aangezien dit pedaal steeds diskontinue wordt gebruikt: het is steeds hetzij geheel ingedrukt, of geheel niet ingedrukt.

Het linker -of una-corda pedaal- verschuift het hele toetsenbord een beetje naar rechts. Hiermee moet rekening gehouden worden, opdat de zuigerstangen van de elektromagneten van het speelmechanisme niet van de toetsen zouden afglijden. Het indrukken van dit pedaal wanneer toetsen krachtig ingedrukt zijn kan niet aanbevolen worden!

Cfr. speciale webpage over ons pedaal ontwerp uit 2005..

Elektrische verbinding:

Verbinding speelmechanisme - kontroleschakeling:

Hiervoor gebruikten we 8 speciale lintkabels met elk 16 aders (sektie 1mm2). Het handmatig solderen van deze kabels is een werkje waarvoor je toch een hele werkdag moet uittrekken... De individuele aders worden rechtstreeks aan de draadjes van de magneten gesoldeerd en over elke verbinding wordt een stukje krimpkous geschoven en gekrompen. Trimpin gebruikte hiervoor gewone DIL-raster flatcable, maar hierover ontstaat teveel spanningsverlies door de te kleine draadsektie (0.4mm2). Zijn flatcable- oplossing is echter wel heel wat minder arbeidsintensief...

De lintkabels worden paarsgewijs aan de overeenkomstige aansluitingen van de 33-polige Bulgin konnektors gesoldeerd. De pennen 1-12 gaan naar het lagere oktaaf, de pennen 22-33 naar het hogere. De pennen 13,14,15 vormen de voedings-plus 12V aansluiting voor het lage oktaaf, de pennen 19,20,21, idem voor het hoge oktaaf.

De centrale pen (nr. 17) wordt niet door het playermechanisme gebruikt maar is wel in het toestel verbonden met massa en de gemeenschappelijke nul van alle voedingsspanningen.

Interne bedrading kontroleschakeling:

Gebruik voor alle voedingsaansluitingen meeraderig montagedraad met een sektie van 4mm2.

Netaansluiting:

De player piano verbruikt in werking heel wat meer stroom dan we gewend zijn van muzikale elektronika! De netaansluiting dient voorzien te zijn op een vermogen van 1kW en een piekstroom van 16A bij 220V. De schakeling zoals we die bouwden kan ook op 100V (Japan) en 110V (USA) netspanning worden gebruikt. De voedingsmodules dienen dan wel intern handmatig te worden omgeschakeld.

Gebruik dus een degelijk industrieel netsnoer en zorg vooral voor een deugdelijke aarding. De massa van de kontroleschakeling is verbonden met de netaarde.


Waarschuwingen voor gebruikers en komponisten:

1. WARMTE:

Wanneer een spoel bekrachtigd is en er stroom doorheen loopt, dan gaat dit onvermijdelijk gepaard met warmteontwikkeling. Omdat dit tot smelten van het isolatiemateriaal in de spoelen evenals tot vormveranderingen van de cilinders (waardoor de ankers klem kunnen gaan zitten) aanleiding kan geven, moet tot elke prijs vermeden worden toetsen ingedrukt te laten die niet strikt ingedrukt dienen te zijn. In geen geval mag de software zo worden geschreven dat de funktie van het derde pedaal overgenomen wordt door het voor langere tijd ( > 10 sekonden) ingedrukt laten van bepaalde toetsen.`

2. REPETITIE:

De elektromagneten in de player piano kunnen heel wat snellere repetities aan dan pianisten van vlees en bloed. Weersta aan de verleiding hiervan onoordeelkundig gebruik te maken. Enerzijds stelt de bouw van de piano zelf een grens aan de maximaal toelaatbare repetitiesnelheid, en anderzijds kan ook mechanische resonantie gaan optreden wat steeds destruktief werkt voor het instrument.

3. MIDI-FILES:

Laat nooit zomaar het afspelen van standaard midi-files op de player piano toe. Ze dienen eerst deugdelijk op 'gevaarlijke' toestanden en kombinaties gekontroleerd te worden. In elk geval moet elk note-on kommando gevolgd worden door een note-off kommando. Aan het eind van de file en bij elke pauze in het stuk, moet een all-notes off kommando komen. Hoewel de midi-poort een OMNI-mode instelling kent, moet het gebruik ervan voor het luisteren naar files waarin midi-informatie verspreid over verschillende kanalen (of stemmen) voorkomt ten stelligste afgeraden worden.

Gebruik één enkel midi-kanaal. Het kanaalnummer kan via de drukschakelaar op het frontpaneel vrij worden gekozen.

4. ONBEVOEGDEN:

Verbied radikaal het gebruik van de player-piano door onbevoegden, d.w.z. voor elkeen die niet grondig de werking van het instrument heeft bestudeerd en ermee vertrouwd is.

5. MAATSCHETS voor plaatsing op diverse pianos:

Niet alle nieuwe Steinway modellen hebben voldoende ruimte tussen de vertikale opstanden links en rechts van de blokjes naast de uiterste toetsen!

De Vorsetzer past wel op het koncertvleugel model van Steinway evenals op alle Kawai vleugelpianos. Bij plaatsing op Boesendorf pianos is er vaak een probleem door het extra aantal toetsen. Het volstaat een aanpassingsblokje te zagen waardoor de Vorsetzer bovenop deze toch niet gebruikte toetsen kan worden geplaatst. Op grond van onze ervaring kunnen we zeggen dat Kawai vleugels de beste resultaten opleveren. Hun mechaniek is superieur boven die van Steinway!


Muzikale interpretatieve mogelijkheden en moeilijkheden

We zijn ervan overtuigd dat de player piano een veel hogere gedetailleerdheid van de muzikale interpretatie mogelijk maakt dan enig pianist van vlees en bloed zou aankunnen. Het probleem waarvoor we ons, bij het vastleggen van zo'n interpretatie uitgaand van een partituur of muzikaal koncept, geplaatst zien, is dat we elk detail van pianistieke interpretatie ook zullen moeten expliciteren. Zo vergt een legato-spel bvb. dan elke toets ingedrukt blijft tot een zekere tijd nadat de volgende toets volledig ingedrukt is. De bepaleing van deze 'zekere' tijd vergt een nauwgezette analyse van het pianistieke ambacht. Eveneens moeten we er rekening mee houden, dat de intensiteitswaarden -evenredig met de kracht waarmee de toets wordt ingedrukt- relatief moet worden geinterpreteerd! Immers, om in snelle pp passages een pp te verkrijgen moeten we de notenwaarden wat inkorten terwijl anderzijds de dynamiek proportioneel wat hoger moet worden genomen. Dit is -analytisch gezien- precies wat ook een pianist, wellicht onbewust, doet wanneer hij loopjes goed poogt te artikuleren.

Enkele goede voorbeelden:

- Hans ROELS "Sailing the waves of down below" (1995)

Dit indrukwekkend stuk werd geheel vanaf een 'traditionele' partituur in een midi-file ingebracht (CakePro) en noot per noot werd de interpretatie bepaald.

- Godfried-Willem RAES "Jumpy Variations" (1995)

Deze 'moeilijke' variatiecyclus maakt in tegenstelling tot vorig werk, uitsluitend gebruik van een algoritmische bepaling van de interpretatie. Bovendien wordt hier real-time sturing van de agogiek mogelijk gemaakt door het komputer user interface.

- Godfried-Willem RAES "Fortepiano" (1972)

In dit stuk, oorspronkelijk geschreven voor een pianist van vlees en bloed, wordt een doorlopende afwisseling van pp en ff gebruikt in de toetsaanslagen. Aan het eind van het stuk komen enkele noten voor die 'voorbij' het klavier moeten worden gespeeld. Om dit mogelijk te maken werden enkele extra elektromagneten ingezet die in de piano worden aangebracht.

- Conlon NANCARROW " Studies for Player Piano"

Deze studies gelden als het standaard opus voor de player piano. De partituren werden uitgegeven door 'Soundings' en zijn ter inzage en studie beschikbaar in het archief van Stichting Logos. Opnames gerealiseerd met onze player piano evenals met het ontwerp van Trimpin zijn beschikbaar in het klankarchief. De voor onze player piano gebruikte Nancarrow rollen zijn identieke kopijen van de originele Nancarrow rollen, het zijn geen realisaties van de partituren (die door Nancarrow vaak achteraf werden gemaakt en zelden helemaal overeenstemmen met de rollen zoals hij die minutieus aanmaakte).

Voor koncertuitvoering op onze automaat geschikt gemaakte studies zijn:

  • Study #1
  • Study #3a / #3a1 (Boogie Woogie)
  • Study #3b
  • Study #8
  • Study #10
  • Study #12 (hispanic)
  • Study #15
  • Study #21 ( X-Canon)
  • Study #25
  • Study #36
  • Study #37
  • Study #40a
  • Study #41a
  • Study #41b
  • Study #47
  • Study #48
  • Para Yoko
  • Prelude
  • Toccata

- Godfried-Willem RAES "Fall'95"

- Godfried-Willem RAES "Mach'96"

- Godfried-Willem RAES "Fujisan Ni Nobore" (2001)

- James TENNEY " Spectral Cannon for Conlon Nancarrow"

Voor deze studie dient de piano in just-intonation te worden omgestemd.

- Kris DE BAERDEMACKER "Crash" (1998)

- Sebastian BRADT "Char.leyne" (2001)

Voor verdere informatie: player piano


Filedate: 99-12-16/ updated: 2009-03-02

Terug naar inhoudstafel kursus: <Index Kursus> Naar homepage dr.Godfried-Willem RAES Shepard file demo to circuit details