Piano-Harpe laser

Présentation

Quelle drôle d'idée, en effet... Un instrument qui fait office de piano quand il est disposé horizontalement, et qui fait office de harpe quand il est disposé verticalement. Il ne s'agit donc pas du tout d'un instrument du même type que la Harpe laser de Jean-Michel Jarre, non non non !
- En position Harpe, une harpe en forme de harpe, avec des faisceaux lasers en guise de cordes.
- En position Piano, les faisceaux font office de touches.

L'idée de départ fut la suivante : d'un côté tous les lasers, de l'autre côté tous les capteurs.





Après une discussion fort interressante avec une joueuse de harpe professionnelle et avec son mari (également musicien), il s'est avéré que cette configuration posait pas mal de problèmes de jouabilité. La plupart des harpes possèdent une corde pour les notes non altérée, et un ensemble de clapets (ou pédalier) pour altérer les notes désirées (pour passer de DO à DO# par exemple). D'autre part, la régularité des espaces entre faisceaux n'est pas conforme à la réalité, si l'on décide d'utiliser des faisceaux pour les notes altérées (DO#, RE#, etc). Le risque de toucher deux faisceaux (DO et DO# par exemple) est loin d'être nul. Nous avons donc imaginé un système mécanique horizontal intermédiaire, supportant les capteurs de lumière, et pouvant coulisser de bas en haut. En bas de cet axe intermédiaire, les notes non altérées (DO, RE, MI, etc). Au dessus de cet axe, les notes altérées (DO#, RE#, etc). Cela donnant un truc du genre suivant :



Cette façon de faire présenterait les avantages suivants :
- en mode Piano, cela ressemble physiquement à quelque chose que l'on connait, et les espaces entre "touches" sont standards. Il est possible de déplacer l'axe A-A' afin d'adapter l'ensemble aux mains de l'utilisateur.
- en mode Harpe, l'axe est complètement descendu vers le bas (sur le dessin ci-avant, le haut devient le bas, cf position du pied en mode harpe). Seules les notes non altérées peuvent alors être jouées. Pour les notes altérées, il sera fait appel à un pédalier. Ce pédalier permettra soit d'élever d'un demi-ton chaque note de façon individuelle (7 pédales), ou de rappeler une configuration pré-enregistrée d'une tonalité donnée (par exemple LA majeur).
- dans les deux modes; la présence de leds situées sur l'axe central permet de localiser aisement les notes. Une couleur différente sera affectée aux différentes notes : Rouge pour le DO, Bleue pour le FA et verte pour toutes les autres.
Mais conduirait à ajouter les difficultés de réalisation suivantes :
- l'axe central supportant tous les capteurs sera relié à l'électronique via un nombre de fils important. Ces derniers devront donc être très fins et solides en même temps (ne pas casser lors du déplacement de l'axe).
- Une électronique supplémentaire sera nécessaire afin de gérer les altérations des notes (et les mémoires de tonalité) en mode Harpe. Pas impossible, mais beaucoup de composants en plus.

Lasers utilisés

J'ai commandé un peu plus de cent pointeurs-lasers, que j'ai commencé à démonter afin de ne conserver que la "tête" laser, pour les aligner ensuite sur un socle.

Avertissement : La lumière émise par les lasers, même s'il s'agit de "petits" pointeurs laser de 1mW, est dangeureuse pour les yeux. Ne jamais diriger un laser sur quelqu'un, et ne jamais regarder un laser directement en face, vous vous bruleriez les yeux !!!

Je sais déjà ce que vont rétorquer les adeptes des lasers 1W : "Tu ne verras rien, il faudra plein de fumée pour voir les faisceaux et la fumée obscurcira les capteurs". Et si je voyais les choses autrement, hum ?

Sensibilité à la vélocité

L'instrument sera sensible à la vélocité ! Et oui, produire des notes par simple coupure d'un faisceau me paraissait un peu limite pour un instrument de ce type, dont la réalisation et mise au point me prendront très certainement beaucoup de temps. Tant de temps pour au final obtenir des sons "tout plats" ne m'interresse pas trop. Alors, j'ai pensé à un système tout bête pour ajouter la détection de la "force de frappe" (très drôle, je sais), simple mais nécessitant toutefois le doublement du nombre de faisceaux laser. J'ai bien pensé à une solution alternative moins consommatrice en lasers, mais elle me semble déjà moins fiable en pratique (utilisation de seulement 4 ou 5 faisceaux perpendiculaires aux faisceaux des notes). Le principe repose dans tous les cas sur la mesure du temps séparant la coupure des deux faisceaux d'une même note. Pour la gestion du temps qui s'écoule entre la coupure des deux faisceaux, j'utiliserai la fonction toute prête de l'électronique de mon clavier MK149, voir paragraphe suivant.

Midification

Une personne, sur un forum de AudioFranzine, a un jour avancé l'idée qu'il était sans doute possible d'utiliser l'électronique d'un clavier MIDI bon marché pour avoir la fonction de conversion Capteurs / MIDI toute faite. C'est cette approche que j'ai retenue. Dans un premier temps, j'ai désossé mon petit clavier Evolution MK149 pour voir s'il était à la hauteur, ce qui me semblait être le cas. L'electronique de décodage des touches est confiée à un CI spécialisé, (2ème photo), une diode de commutation classique (style 1N4148) est affectée à chaque touche. Afin d'économiser sur le nombre de liaisons électriques, le constructeur a utilisé le multiplexage, qui consiste à rendre communes certaines broches, sous forme de "tableau croisé". Ici, le multiplexage s'effectue sur 12 colonnes (12 contacts pour 6 notes d'une gamme) et 9 rangées (8 demi-octaves + 1 note). Ce qui signifie que seuls 21 cables de liaison suffisent pour gérer les 98 contacts. Sans multiplexage, le nombre de liaisons nécessaires aurait été de 99 (98 contacts plus le commun). Bon, tout cela pour dire que j'ai confirmation que je peux utiliser l'électronique de ce clavier pour Midifier le Piano-Harpe.



On voit nettement sur la quatrième photo, les deux contacts qui se font quand on appuie sur une touche. Le premier contact (situé à droite sur la photo), est plus "court", c'est celui qui s'établie en premier. Le second contact (situé à gauche sur la photo) est plus "long" et s'établie avec un petit temps de retard. C'est ce temps de retard qui détermine la vitesse d'enfoncement de la touche et par déduction, sa force (vélocité). Chacun de ces contacts (deux par touche donc) sera affecté à une cellule photosensible.

Nouveauté 13/12/2006

Je viens d'acheter pour pas bien cher (un grand merci à Jean-Michel) un clavier MIDI qui sera finalement celui que je sacrifierai. Mon clavier Evolution MK149 a donc obtenu un sursis. Ce nouveau clavier est conçu selon le même principe que mon MK149, si ce n'est qu'il possède plus de commandes peut-être.



Un matriçage à diode est là aussi mis en oeuvre (deux diodes par touches, photo à gauche ci-dessous) pour limiter le nombre de fils de liaison entre les touches et le circuit de codage MIDI (photo à droite ci-dessous), ce dernier circuit étant le seul que je conserverai d'entre tous.



Mais je pense à une chose... Le clavier est doté de potentiomètres pour le pitch-bend et pour la modulation, et de commandes d'accord (Tune et Octave). N'aurais-je point là la possibilité d'utiliser ces entrées du contrôleur MIDI pour la gestion des altérations en mode Harpe ? Moi qui m'étais embêté à concevoir un système de pédalier avec plein de commutateurs analogiques, je crois que je tiens là une solution bien plus simple et bien plus élégante... Je crois bien que finalement les entrées "Touches" du controleur MIDI ne seront pas les seules à être exploitées.

Gestion du sens de coupure des faisceaux

Si en mode Piano le faisceau le plus haut est toujours coupé avant le faisceau d'en dessous, il n'en n'est pas de même en mode Harpe, où le faisceau de droite est coupé en premier si on avance les doigts de la droite vers la gauche, et où le faisceau de droite est coupé en second si on avance les doigts de la gauche vers la droite. Comme le circuit controleur (de codage) MIDI ne fonctionne pas dans les deux sens, j'ai du réaliser un circuit de routage qui oriente correctement les deux infos vers le circuit de codage MIDI. Le circuit suivant assure ce rôle, il sera dupliqué en autant d'exemplaires qu'il y aura de notes.



Possédant quelques transistors FET de type J112, particulièrement adaptés à de la commutation (résistance ON de 50 ohms), je ferai quelques tests pour voir si je peux les utiliser en remplacement des portes analogiques CD4066.

Côté optique...

Placement des lasers

Pas le choix avec la nouvelle orientation prise avec l'axe central. En position Piano, l'épaisseur du socle qui se retrouve à l'avant ne doit pas être trop importante pour ne pas gêner les mains. Je ferai peut-être appel à un dispositif optique (miroir incliné à 45° sur toute la longueur pour dévier les faisceaux) si cela s'avère nécessaire. Côté cellules photosensibles, j'ajouterai certainement un cache transparent fin pour faciliter le nettoyage de la poussière qui ne manquera pas de se déposer à cet endroit. Ben entendu, ce cache ne devra pas diffuser trop la lumière pour ne pas risquer de baver trop à côté.

Choix des cellules photosensibles

Côté réception, on a le choix : cellule photovoltaique, photorésistance, phototransistor, photodiode, et... Led. Une led en récepteur de lumière ? Oui, c'est possible. Une led possède en effet la particularité de générer une tension continue (sous un courant très faible, de quelques uA) quand elle est soumise à un éclairement suffisant. J'explore donc cette voie, sachant qu'il est relativement simple d'avoir une commande de "puissance" par simple adjonction d'un transistor Darlington (amplification de courant) ou d'un AOP (monté en comparateur de tension).

Donc, des leds...

J'ai pour le moment testé une dizaine de leds différentes, seules les rouges bien sûr réagissent au faisceau laser rouge. Toutes celles que j'ai testées délivrent une tension de l'ordre du volt (une ou deux montent à 1,8V).



J'ai acheté en toute confiance une centaine de leds à bout plat, en me disant que la mise au point mécanique serait plus facile (photos ci-avant). Mais malheureusement pour moi, ces leds délivrent au grand maximum 100 mV en plein éclairement (contre 10 mV à lumière ambiante). Je dis malheureusement car le seuil de commutation sera un poil plus difficile à stabiliser, mais ça fonctionne tout de même. [Hors-sujet] Avez-vous remarqué l'apparence de la led prise en photo quand elle est éclairée par le laser ? Ca lui donne un aspect granuleux interressant, on a l'impression qu'elle se désagrège. [/Hors-sujet].

Voilà, j'ai commencé à fixer quelques leds sur un petit bout de circuit imprimé.



Mais je déchante un peu, là... Je me rends compte que ça fait un peu trop "épais" pour les doigts. Du coup, je me demande si je ne vais pas plutôt utiliser des leds miniatures comme je l'avais pensé tout au début :



Bon, j'avoue ne pas comparer le comparable, puisque les leds 3 mm à bout plat sont montées sur support, les miniatures ne l'étant pas. Mais même sans les supports pour chacunes, ça fait une sacrée différence ! J'ai acheté ces leds un peu trop vite, semblerait-il. Ca m'apprendra !!! Pour ce qui est des leds miniatures, je les ai bien sûr essayées, et ça fonctionne très bien. Le seul inconvénient avec ces dernières est que leurs pattes sont toutes espacées de 2,54mm, ce qui rend bien plus compliquée leur implantation sur un CI d'expérimentation à bandes...

05/05/2007 : un gentilhomme vient de me faire don d'une centaine de leds miniatures rouges, pour ce projet de harpe qu'il a découvert par hasard. Un grand merci à toi, Frédéric !

Et l'electronique...

Pour l'instant, j'ai testé les darlingtons inclus dans des CI de type ULN2002 et ULN2003, mais l'amplification en courant n'est pas suffisante (et pourtant...). Il faut dire que ces circuits sont tout de même plus fait pour travailler avec des courants de commande de quelques centaines de uA à quelques mA. J'ai également essayé avec des AOP de type LM318 et LM324, ainsi qu'avec des comparateurs de tension de type LM339 et LM393, ça fonctionne très bien avec ces quatre composants. A ces cent circuits s'ajoutera un autre module qui délivrera la tension de référence. Je pourrai ainsi ajuster celle-ci pour l'ensemble des circuit de réception, à l'aide d'un seul potentiomètre ajustable (multitours).





J'ai cherché à diminuer le nombre de composants pour chaque module de réception, sachant que c'est 100 exemplaires de chaque récepteur qu'il me faudra réaliser... Après divers essais avec des circuits à base d'amplis ou comparateurs intégrés et de transistors FET (qui conviennent très bien aussi pour cet usage), je pense rester sur un des schémas présentés ci-avant, très certainement avec des composants version CMS.

Eblouissement et temps de réponse

L'éblouissement d'une cellule photosensible peut conduire à réduire son temps de réaction (retour à l'état initial retardée après disparition de l'éclairement). Si cela s'avere gênant, j'ajouterai un filtre supplémentaire devant les cellules afin d'atténuer la puissance du flux lumineux, et diminuer ainsi l'effet de "surexposition / saturation" lumineuse. Ceci dit, cette caractéristique est certainement plus gênante pour des fréquences de commutation rapides, ce qui je l'espère ne sera pas le cas ici...

Alors, un circuit imprimé ?

Je vais finalement réaliser un ensemble de circuits imprimés qui supporteront les leds miniatures et les comparateurs de tension LM393 en version CMS (j'en ai acheté un lot de 450 sur internet pour 6 euros). Je dessine actuellement le CI qui supportera tout ça, il y aura quatre blocs de deux circuits imprimés, un par octave. Pour des raisons évidentes de commodité (question circuits imprimés), j'ai décidé de réduire le nombre de notes, qui passe ainsi de 49 à 48 (4 x 12 notes).





Le début de circuit imprimé ci-avant est probablement obsolète. J'avais prévu à l'origine de placer les leds et les circuits intégrés comparateurs sur une même carte, mais je pense que je vais finalement superposer deux cartes distinctes : une supportant les leds et l'autre les comparateurs de tension.