Rivista #231: Tecno ARPA a Laser

Tra i contenuti del fascicolo 231 (Dicembre 2018/Gennaio 2019), attualmente in edicola, ecco la versione ultra-tecnologica dell’antichissimo strumento musicale con raggi laser al posto delle corde. 

L’arpa è uno strumento a corda dal suono tenue, armonioso e rilassante, che ha radici nella storia più remota risalente alle civiltà dei greci e dei latini e forse ancor prima; la ritroviamo anche oggi nelle orchestre sinfoniche ed anche in concerti di musica da camera. Come tutti gli strumenti a corda, produce il suono pizzicando o tendendo e rilasciando un certo numero di corde con le dita, mantenute in tensione dal telaio in cui sono montate: un telaio normalmente in legno, dalla forma caratteristica quasi triangolare.

Senza nulla eccepire allo strumento classico, abbiamo pensato di rivisitarne la struttura andando a sostituire le corde con qualcosa di futuristico, perché parliamo di raggi laser; è nata così la nostra Arpa Laser, che è uno strumento musicale elettronico e altamente tecnologico, nella cui progettazione abbiamo, per così dire, “tirato dentro” l’immancabile Arduino e il suo seguito di hardware, oltre a un pizzico di fantasia per mettere insieme il telaio, ottenuto da un insieme di particolari in plexiglass opportunamente assemblati.

Per dare un tocco scenografico abbiamo inoltre previsto la possibilità di pilotare, quando l’arpa è in funzione, una macchina del fumo che faccia risaltare i raggi laser rossi, dando corpo e consistenza alle corde e facendole sembrare solide come quelle dell’arpa tradizionale.

IL PROGETTO

Passiamo subito a vedere come è composto il nostro tecno-strumento, iniziando dall’elettronica; quest’ultima è composta da una board Arduino UNO rev.3 che si interfaccia a un gruppo di sensori a laser utilizzati per capire quando ne interrompiamo il raggio.

Spiegheremo tra poco come funziona il sistema e perché un laser può trasformarsi in una corda virtuale di un’arpa elettronica. Oltre ad Arduino e alle corde laser, abbiamo uno shield MIDI, che è il generatore di suoni vero e proprio; eh, già, perché l’arpa deve suonare e quindi deve poter generare dei suoni, perciò nel nostro progetto:

• i sensori laser costituiscono i dispositivi di input, ossia di trigger;
• lo shield MIDI genera i suoni richiesti quando riceve il trigger. In mezzo c’è Arduino, il cui compito è triplice:
• acquisisce gli eventi di trigger dai dispositivi di input, vale a dire i sensori laser;
• sulla base di questi indirizza e comanda lo shield MIDI affinché produca i suoni richiesti;
• attiva la macchina del fumo (opzionale).

Lo shield MIDI produce i suoni disponibili su un connettore jack (per un eventuale amplificatore esterno) e in altoparlante, perché, come spiegheremo tra breve analizzandone lo schema elettrico, a bordo abbiamo messo un amplificatore audio stereo 2×3 watt commercializzato dalla Futura Elettronica (www.futurashop.it) con il codice PAM8403POT.

Ma partiamo spiegando in cosa consistono le corde virtuali, implementate da 10 sensori di passaggio a laser, ognuno dei quali è un dispositivo LASERSENSOR della Futura Elettronica.

IL SENSORE A LASER

Il dispositivo, già descritto nel fascicolo n° 209 (il progetto era la Barriera a laser), ci permette di rilevare il passaggio delle dita perché funziona rilevando la presenza e l’attraversamento di un oggetto grazie alla combinazione di un diodo laser che emette un raggio di luce e di un fototransistor che rileva quella riflessa.

Si tratta di una barriera a laser, ma non di tipo a interruzione, dove l’oggetto da rilevare non deve passare tra un emettitore e un fotorivelatore, bensì a riflessione: nel nostro circuito, un laser proietta un raggio di luce concentrata e collimata all’infinito e un oggetto che vi passa davanti ne riflette una porzione, che ritornando viene intercettata da una lente convergente e concentrata sulla superficie sensibile di un componente fotosensibile.

Questo genere di dispositivo presenta il vantaggio di non richiedere il posizionamento a distanza di un sensore, con l’inevitabile cablaggio richiesto, ma di concentrare tutta in un punto l’elettronica richiesta, risultando così l’ideale per sistemi mobili come i robot su ruote o cingoli, ma anche per simulare la corda di uno strumento musicale, che non vibra ma semplicemente rivela il contatto. Così è nella nostra tecno-arpa.

La distanza di rilevamento tipica è di 80 cm ma si può arrivare a un massimo di 1,5 metri ed anche questo fattore ha giocato a favore della realizzazione dell’arpa, perché ci ha permesso di realizzare un telaio abbastanza grande da somigliare a un’arpa vera; la distanza di rilevamento dipende comunque da quanta luce riflette la superficie del corpo da rilevare, ossia da quello che passiamo tra le corde.

Il circuito elettronico impiega un laser come trasmettitore e un modulo optoelettronico basato su fototransistor come ricevitore. Il fascio emesso dal trasmettitore si riflette sulla superficie posta di fronte e colpisce la lente (che serve a concentrare la luce riflessa sul fototransistor) del ricevitore, mandando in conduzione il fototransistor. Il ricevitore rileva solo la luce rossa riflessa ed emessa dal diodo laser, aggirando i disturbi da altre fonti luminose.

Il diodo laser è un piccolo puntatore (cioè un componente che integra un diodo laser raffreddato dall’apposito involucro in alluminio, un regolatore di corrente e una lente collimatrice); il laser viene alimentato attraverso un transistor pilotato da un segnale rettangolare a 180 kHz. Gli impulsi di luce vengono inviati frontalmente e quando colpiscono un oggetto la cui superficie ne riflette almeno una parte, tornano al circuito, dove parte di essi investe la lente del fototransistor, che li fa convergere sulla giunzione esposta.

Quando il fototransistor viene colpito dalla luce l’uscita DOUT (pin 3) della scheda commuta da 0 a 1 logico, mentre lo stesso contatto, in assenza di luce, assume lo 0 logico. Tale linea viene letta da Arduino per rilevare la presenza del dito o della mano sulla corda virtuale. Il LED rosso presente sulla scheda ripete, invertito, lo stato dell’uscita omonima.

Notate adesso che la scelta di pilotare il diodo laser con una forma d’onda rettangolare invece che con un segnale continuo, nasce dalla necessità di immunizzare nei confronti dei disturbi e della luce nell’ambiente il funzionamento del sensore: infatti se il laser fosse acceso costantemente, DOUT presenterebbe (in caso di luce che arriva sul fototransistor dopo essere stata riflessa) una tensione influenzabile dalla luce ambiente, dato che il fototransistor potrebbe andare in conduzione costantemente se venisse illuminato a sufficienza o colpito da altre radiazioni luminose comprese nel suo spettro di sensibilità. Invece emettendo degli impulsi luminosi a una certa frequenza possiamo, adottando un modulo ricevitore dotato di filtro, fare in modo che rilevi solo essi, scartando componenti luminose continue.

Il circuito del sensore laser si alimenta con una tensione che può essere compresa fra 2,5 e 12 Vcc, grazie alla presenza di un regolatore switching integrato basato sull’integrato PT1301.

Il progetto prosegue con:

LO SHIELD MIDI

COME FUNZIONA

IL FIRMWARE

Di questo progetto è anche disponibile un video:

Per quanto riguarda la parte meccanica, siete liberi di realizzarla come vi pare, rammentando però che i sensori laser devono essere disposti in verticale (in alto o in basso) e chiaramente puntati verso l’interno del telaio; l’intento è realizzare delle corde virtuali perfettamente verticali. Come telaio potete utilizzare quello da noi proposto ma nulla vi vieta di costruire un telaio in compensato opportunamente ritagliato.

In ogni caso conviene realizzare una struttura che sul perimetro interno sia scavata o cava così da poterci collocare i 10 sensori laser che realizzeranno le corde virtuali; per questo il nostro telaio è fatto da due fianchi in plexiglass uniti da traverse anch’esse in plexiglass.

Come già spiegato, la generazione del fumo è opzionale, ma se la desiderate, il nostro consiglio è inserire sul lato dritto del telaio un tubo forato i cui fori siano affacciati all’interno, poi chiuso in alto e aperto in basso per connetterlo con un tubo flessibile all’ugello di uscita della macchina delfumo. Nel prototipo abbiamo usato una guaina per cavi elettrici che si introduce in una camera ricavata nella spalla dell’arpa.

Bene, ciò detto abbiamo concluso: non ci resta che augurarvi buon lavoro e soprattutto buon divertimento con la vostra arpa digitale con la quale stupirete chi vedrà suonarla. 

L’articolo completo è pubblicato sul numero 231 (Dicembre 2018/Gennaio 2019), acquistabile in tutte le edicole.