Превращая физическую энергию в музыку

Звук является одним из физических явлений, наиболее естественным образом взаимодействующим с электричеством: были открыты способы преобразования звуковых колебаний в электрические и обратно — прямым, естественным образом, требующим минимума элементов и простых устройств. А колебания электрического напряжения в таких устройствах прямо соответствовали колебаниям звука. Конечно, когда речь идет о громком и качественном звуке, ситуация усложняется. Но понимание того, насколько просто может быть устроен, например, электрический динамик, воспроизводящий музыку со смартфона, часто скрыто от современных детей и взрослых.

Участники направления «Звук» на первом этапе проектной школы получали знания и проводили опыты о базовых свойствах звука и его связи с электрическими явлениями, в частности, изготовили самодельные динамики из бумажной одноразовой посуды, проволоки и магнитов. Особое внимание было уделено цифро-аналоговому преобразованию звука как шагу к современному положению дел в этой области. Когда настало время приступить к созданию технологического артефакта, связанного со звуком, часть участников выбрали электрическую шарманку.

В основе этого устройства лежит простая идея того, что древний принцип — когда механическая энергия вращения ручки приводит к механическому же воспроизведению заранее заданных мелодий, — может получить современное воплощение, если добавить еще один слой превращения энергии — механической в электрическую. Иными словами, сделать основой шарманки ручной электрический генератор. По традиционной схеме ученических проектов ближайшей целью было создать MVP (Minimum Viable Product) – то есть устройство-прототип, демонстрирующее основной функционал с последующей возможностью интересных доработок. Поэтому компонентно базовое устройство такой шарманки может быть довольно простым и иметь в основе набор готовых деталей и устройств, без необходимости изготовления своей электроники. Представляется, что доступные на рынке готовые электрические шарманки используют похожий подход.

Итак, основой устройства стал свободно доступный в продаже ручной электрический генератор китайского производства, заявленной мощностью 20 Вт, со встроенным конвертером напряжений 3–15 В и возможностью снятия «сырого» напряжения непосредственно с выходов самой динамо-машины, что является отдельной важной особенностью, которая может обеспечить шарманке интересную вариативность в работе со звуком. Другие важные компоненты:

• плата стерео MP3-плеера, проигрывающего файлы с SD-карты, например MP3 DFPlayer mini (особенно важно для дальнейшего развития наличие цифрового управления). Недостаток DF mini в том, что он не возобновляет проигрывание с последнего проигранного трека. Для этой функции понадобится внешнее управление;

• сама SD-карта объемом под размер планирующейся музыкальной библиотеки (можно принять 1 минуту звучания MP3 за 1 МБ объема, тогда скажем 8ГБ примерно 130 часов звучания);

• плата стереоусилителя звука, например на базе TDA7297 (15+15Вт), как правило комплектуется ручкой регулятора громкости, что удобно на первых порах эксплуатации;

• как минимум две кнопки, для использования функционала «следующий/предыдущий трек»;

• буферная электрическая емкость на MP3-плеер для упрощения эксплуатации шарманки (в противном случае малейшая погрешность в кручении ручки может приводить к прерыванию мелодии и необходимости начинать заново). Это может быть, например, параллельная сборка 8 конденсаторов 100 мкФ 10В для общей емкости 800 мкФ, что даст буфер на ~0,2 c времени, или ионистор 5.5В 0.33 Ф, где счет уже может идти на минуты;

• конечно же, динамики. По форме и размерам крайне удачно для шарманки подходят отечественные ЗГДШ-2 (см. рис.). Но можно применять любые подходящие. Важно следить, чтобы сопротивление и мощность динамиков подходили под характеристики усилителя, но в целом — главное следить, чтобы реальная выходная мощность звука не превышала возможности оборудования сильно, ограничивая громкость.

• всё остальное, что может понадобиться для коммутации: провода, аудиоштекер для соединения с некоторыми вариантами платы усилителя и т.п.

Если у генератора есть регулятор напряжения, как в нашем случае, его можно выставить на типовое напряжение работы электронных составляющих (MP3-плеер, микроконтроллер), которое обычно составляет 5В. Питание усилителя можно брать нерегулируемое, так как обычно допустимое может быть около 20В, а развить большую мощность тока от ручного генератора такого класса, способную повредить усилитель, скорее всего, будет невозможно. Зато будет очень ощутимая обратная связь громких и интенсивных моментов в музыке и усилия на ручке генератора.

Возможная электрическая схема шарманки представлена на схеме.

Конструктивно это может быть короб из листового материала: фанеры, если предполагается экостиль и использование на природе (как в нашем варианте на о. Кильпола), или листового пластика с пазовым соединением (как в варианте, который был повторен в кружке электроники в Москве). Основными габаритными элементами являются динамики, следом идет генератор, другая электроника может быть размещена по остаточному принципу.

Для доступа к электронике в шарманке можно предусмотреть открывающуюся заднюю дверцу на петлях. Но для MVP мы вовсе не стали делать заднюю стенку.

Настоящая шарманка, конечно, должна иметь возможность использоваться на ходу. На подвес можно использовать ремень с карабинами, а точки зацепления на корпус сделать из зажимов для стального троса.

Шаги по настройке и первым опытам несложные – набирается несколько музыкальных файлов, записываются на SD-карту. Можно провести процедуру нормализации уровня звука во всех файлах для единообразия звучания. Подбирается оптимальный уровень звука регулятором (исполнение громких и долгих композиций может дать большой уровень физической нагрузки, соизмеряйте ее) – и можно играть!

Может возникнуть вопрос: а чем такая шарманка лучше обычной MP3-колонки с аккумулятором и где здесь вообще техноискусство? Наш опыт показывает, что отличия существенны. Это автономное устройство и в походных условиях не требует вообще никаких забот с электричеством. Игра на этой шарманке, безусловно, является актом воспроизведения музыки, как и в случае ее древних предшественников. Для некоторых это может быть вообще первым и единственным, доступным без долгих лет обучения, опытом игры на музыкальном инструменте. Усилие на рукоятке может сильно отличаться для разных произведений, интенсивных или плавных, громких или тихих моментов, и дает ощущение очень живой обратной связи с музыкой. При игре по-разному проявляется темперамент людей, их эмоциональное состояние. У многих складывается ощущение, что они делятся как самой композицией, так и своим исполнением с окружающими, это гораздо более сильное чувство, чем то, что возникает при простом нажатии кнопки и выборе трека на телефоне.

Понимание, что в твоих собственных руках сейчас рождается электричество, которое тут же превращается в звуковой поток, в музыку, для многих служит эмоциональным опытом проживания и понимания физического устройства нашей Вселенной.

Ну и конечно, функционал шарманки можно развивать, все более совершенствуя ее как объект техноарта. Иные интерактивные формы ее использования, конечно, потребуют уже какого-либо микроконтроллера, и для многого хватит чего-то класса Arduino.

Опыт показывает, что даже простой случайный выбор композиции для очередного исполнителя уже повышает интерес и азарт – кому что «выпадет», и это интересный психологический момент, по общему мнению: устройство часто «угадывает» подходящую человеку мелодию. А ведь можно этот процесс и правда сделать более осмысленным, а не просто случайным. Например, записывать BPM (Beats Per Minute – характеристика скорости мелодии) для каждого трека, определять амплитуду и привязывать их при выборе композиции к каким-либо характеристикам, которые можно понять про исполнителя – например, параметры «сырой» генерации тока, показывающие интенсивность кручения ручки, сопротивление участков кожи, данные с акселерометра, который можно разместить в корпусе. Громкость звучания композиции можно также дополнительно варьировать. Все это будет увеличивать эффект и ощущение именно исполнения мелодии. Микрофон может позволить аудитории принять участие в действии – например, при выборе мелодии, в оценке исполнения.

Простейшей модификацией может быть расширение органов управления от просто двух кнопок «вперед/назад» – у многих MP3-плееров есть возможность подключения резистивной клавиатуры с расширенным функционалом. А использование микроконтроллера может позволить ускорить выбор нужного трека (можно предусмотреть и экран для отображения названий), переключение жанров, автоматический эквалайзер, нормализацию уровня громкости и т. д. и т. п. Красивым элементом может быть динамическая светомузыкальная подсветка. Простор для фантазии тут крайне широк. Будет интересно, что получится у наших читателей!