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Ansteuerung und Mechanik eines automatischen Klaviers

Effmert, Matthias (1995):
Ansteuerung und Mechanik eines automatischen Klaviers.
Technische Universität Darmstadt,
[Seminar paper (Midterm)]

Abstract

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Studienarbeit wird die Entwicklung und Realisierung eines automatisch spielenden Klaviers beschrieben. Der Anspruch hierbei besteht nicht darin, an die alte Tradition des Musikautomatenbaus anzuknüpfen, sondern die Teilprobleme und die sich daraus ergebenen Lösungsmöglichkeiten werden von Grund auf neu hergeleitet bzw. entwickelt.

Das Ziel dieser Arbeit ist neben der theoretischen Bearbeitung auch die Entwicklung und der Aufbau eines praxistauglichen Prototyps. Daher werden mögliche Konzepte und Prinzipien der Automatisierung sowohl unter technischen Gütekriterien als auch unter ökonomischen und praktischen Gesichtspunkten untersucht und miteinander verglichen.

Als Grundlage für den Prototyp diente ein gewöhnliches Hammerklavier, das unter der vollständigen Beibehaltung der klaviereigenen mechanischen Tonerzeugung mit geeigneten elektrischen und elektromechanischen Komponenten zu einem kompletten Musikautomaten ergänzt wurde. Die Musikdatenverarbeitung und Steuersignalerzeugung wird von einem Pascalprogamm mit Abspiel-, Aufnahme- und Bedienfunktionen auf einem 286-PC-Motherboard bewerkstelligt. Die Eingabe der Musikstücke erfolgt im standartisierten MIDI-Format entweder durch eine serielle Schnittstelle oder durch ein integriertes Standarddiskettenlaufwerk, d.h. per Diskette. Die Bedienung und Steuerung des Automaten ist durch ein Tastenfeld und ein LC-Matrixdisplay von außen möglich.

Zum Abspielen werden die Klaviertasten von Hubmagneten bewegt, die vertikal unter den vorderen Tastenenden montiert und mittels eines Kevlarfadens mechanisch angekoppelt sind. Die Ansteuerung der Magnete geschieht durch Übererregung mit 5-facher Magnetnennspannung im reinen Schaltbetrieb. Als Schalter werden Darlington Leistungstransistoren verwendet, die direkt mit TTL-Signalen im 8MHz Rechnertakt angesteuert werden. Die Steuersignale werden von einer eigenentwickelten AT-Bus-Steckkarte über einen 8Bit-Datenbus und einen 8Bit-Adressbus auf 8 Porterweiterungsbausteine (Intel 8255) weitergeleitet und zwischengespeichert. Die Anschlagsdynamik wird unter Ausnutzung der mechanischen Trägheit durch Variieren der Magnetanzugsdauer erreicht. Zum Halten der Tasten wird nach dem Anschlag auf ein diskret erzeugtes, pulsweitenmoduliertes Steuersignal umgeschaltet, das einer Ansteuerung mit 0,25-facher Magnetnennspannung entspricht.

Die Dämpferfunktionen der Fußpedale werden durch zwei entsprechend stärkere Hubmagnete betätigt. Ihre Ansteuerung erfolgt ebenfalls durch kurzzeitige Übererregung und anschließendem Pulsweitensignal zum Halten der Dämpfer.

Zum Aufnehmen von gespielten Klavierstücken wird ein fertig programmierter 8Bit Controller verwendet (Doepfer DD/E510). An jeder Taste sind drei Kontakte angebracht, zwei an den Tastenendlagen und eine am jeweiligem Klavierhammer. Dadurch können Anschlagszeit, Stärke und Dauer bestimmt werden. Alle Kontakte sind als Tastaturmatrix geschaltet an dem Controllereingabeport angeschlossen. Die Datenausgabe erfolgt direkt im MIDI-Format durch den Controller. Aus Zeitgründen konnte die Aufnahmefunktion nicht mehr im Prototyp realisiert werden.

Sämtliche Komponenten wurden so gestaltet, daß der nachträgliche Einbau schnell und leicht möglich ist und daß weiterhin alle Instrumentenfunktionen für das manuelle Spielen des Gerätes uneingeschränkt nutzbar sind. Ebenso ist es möglich, alle Klaviernoten und Spielarten, d.h. sämtliche Musikstücke, die für ein Klavier geschrieben wurden, selbsttätig abzuspielen ohne einen grundlegenden Verlust an Musikinformationen.

Item Type: Seminar paper (Midterm)
Erschienen: 1995
Creators: Effmert, Matthias
Title: Ansteuerung und Mechanik eines automatischen Klaviers
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Studienarbeit wird die Entwicklung und Realisierung eines automatisch spielenden Klaviers beschrieben. Der Anspruch hierbei besteht nicht darin, an die alte Tradition des Musikautomatenbaus anzuknüpfen, sondern die Teilprobleme und die sich daraus ergebenen Lösungsmöglichkeiten werden von Grund auf neu hergeleitet bzw. entwickelt.

Das Ziel dieser Arbeit ist neben der theoretischen Bearbeitung auch die Entwicklung und der Aufbau eines praxistauglichen Prototyps. Daher werden mögliche Konzepte und Prinzipien der Automatisierung sowohl unter technischen Gütekriterien als auch unter ökonomischen und praktischen Gesichtspunkten untersucht und miteinander verglichen.

Als Grundlage für den Prototyp diente ein gewöhnliches Hammerklavier, das unter der vollständigen Beibehaltung der klaviereigenen mechanischen Tonerzeugung mit geeigneten elektrischen und elektromechanischen Komponenten zu einem kompletten Musikautomaten ergänzt wurde. Die Musikdatenverarbeitung und Steuersignalerzeugung wird von einem Pascalprogamm mit Abspiel-, Aufnahme- und Bedienfunktionen auf einem 286-PC-Motherboard bewerkstelligt. Die Eingabe der Musikstücke erfolgt im standartisierten MIDI-Format entweder durch eine serielle Schnittstelle oder durch ein integriertes Standarddiskettenlaufwerk, d.h. per Diskette. Die Bedienung und Steuerung des Automaten ist durch ein Tastenfeld und ein LC-Matrixdisplay von außen möglich.

Zum Abspielen werden die Klaviertasten von Hubmagneten bewegt, die vertikal unter den vorderen Tastenenden montiert und mittels eines Kevlarfadens mechanisch angekoppelt sind. Die Ansteuerung der Magnete geschieht durch Übererregung mit 5-facher Magnetnennspannung im reinen Schaltbetrieb. Als Schalter werden Darlington Leistungstransistoren verwendet, die direkt mit TTL-Signalen im 8MHz Rechnertakt angesteuert werden. Die Steuersignale werden von einer eigenentwickelten AT-Bus-Steckkarte über einen 8Bit-Datenbus und einen 8Bit-Adressbus auf 8 Porterweiterungsbausteine (Intel 8255) weitergeleitet und zwischengespeichert. Die Anschlagsdynamik wird unter Ausnutzung der mechanischen Trägheit durch Variieren der Magnetanzugsdauer erreicht. Zum Halten der Tasten wird nach dem Anschlag auf ein diskret erzeugtes, pulsweitenmoduliertes Steuersignal umgeschaltet, das einer Ansteuerung mit 0,25-facher Magnetnennspannung entspricht.

Die Dämpferfunktionen der Fußpedale werden durch zwei entsprechend stärkere Hubmagnete betätigt. Ihre Ansteuerung erfolgt ebenfalls durch kurzzeitige Übererregung und anschließendem Pulsweitensignal zum Halten der Dämpfer.

Zum Aufnehmen von gespielten Klavierstücken wird ein fertig programmierter 8Bit Controller verwendet (Doepfer DD/E510). An jeder Taste sind drei Kontakte angebracht, zwei an den Tastenendlagen und eine am jeweiligem Klavierhammer. Dadurch können Anschlagszeit, Stärke und Dauer bestimmt werden. Alle Kontakte sind als Tastaturmatrix geschaltet an dem Controllereingabeport angeschlossen. Die Datenausgabe erfolgt direkt im MIDI-Format durch den Controller. Aus Zeitgründen konnte die Aufnahmefunktion nicht mehr im Prototyp realisiert werden.

Sämtliche Komponenten wurden so gestaltet, daß der nachträgliche Einbau schnell und leicht möglich ist und daß weiterhin alle Instrumentenfunktionen für das manuelle Spielen des Gerätes uneingeschränkt nutzbar sind. Ebenso ist es möglich, alle Klaviernoten und Spielarten, d.h. sämtliche Musikstücke, die für ein Klavier geschrieben wurden, selbsttätig abzuspielen ohne einen grundlegenden Verlust an Musikinformationen.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, 8255 I/O Controller PC, AT-Bus Interface, Hubmagnet, Hubmagnet Ansteuerung
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design (dissolved 18.12.2018)
Date Deposited: 04 Oct 2011 12:13
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1240

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 15-11-1994

Ende Datum: 18-08-1995

Querverweis: 17/24 EMKS 1241

Studiengang: Elektrotechnik (ET)

Vertiefungsrichtung: Elektromechanische Konstruktionen (Dipl.)

Abschluss: Diplom (EMK)

Identification Number: 17/24 EMKS 1240
Referees: Baier-Welt, Dipl.-Ing. Christian and Weißmantel, Prof. Dr.- Heinz
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