Nederlandse tekst
• English text

<Autosax>

an automated microtonal C-melody saxophone

by Godfried-Willem Raes

Archive file up to version 4.0

the newest version is here.

1989-2012

Autosax

This instrument is an automated and computer controlled acoustical saxophone. It is one of the very first automated instruments we designed and its building history went through four very distinct phases, each realizing a different approach to the problems posed by properly automating a saxophone. In the very first version (1989), the sound production relied on computer controlled acoustical feedback in the bore of the instrument. This version was dropped for the response was sluggish and the pitch produced quite unreliable. Although the concept behind the design was sound, the possibilities for real time processing of the feedback loop were way below the requirements. The second version used a compression driver driven by a frequency synthesizer. This version was evaluated as very reliable, but soundwize, far away from anything like a realistic and convincing saxophone sound. The thirth version (2007) used a quite sophisticated automated reed mechanism. The sound was indeed very good and it was also capable of producing a wealth of multiphonics, slaptongues and other special effects. The sound production was realized through an acoustical but computer controlled two-phase reed mechanism using a compressor for the wind supply and a fast regulating conical valve for expression control. This version was dropped in 2009 mainly because the ambitus was limited to the lowest octave. The range below the 'normal' range actually sounded best and hence we extended it in the Midi support down to midi note 0. However, we never got the instrument to overblow properly and reliably... The new sounds the mechanism could produce were a bonus, but quite unrelated to the saxophone itself. For this reason, we decided to save the sound production mechanism for a future project and a novel instrument. The fourth version took of shortly after our quite successful realizations of brass instruments (<Korn> the cornet, <So> the sousaphone, <Heli> the helicon and <Bono> the trombone) as well as <Ob> the automated oboe, making use of acoustical impedance converters driven by a compression driver and a capillary conduct. For this version we carried out many experiments using acoustic impedance converters. In a first design we made the acoustic impedance converter such as to mimic as well as possible the behavior of the original mouthpiece with reed. Thus, instead of using a circular capillary channel driving the saxophone, we used a small slit. The whole construction was made from massive staff brass material on the lathe, the slit filed out manually. A quite inexplicable side effect of applying this construction to the saxophone, was that it lowered the whole tuning of the instrument by a minor thirth. Thus the C-melody saxophone came to behaves like an A instrument. In the last and most successfull experiment so far, we used a regular capilary again, but with a much reduced traject as compared to the first version. The saxophone now behaves again as a C instrument...

The lightbulbs -clearly visible on the picture- are not just a visual feature but serve as voltage dependent resistors in series with the solenoid valves controlling the keys, thus preventing overheating of the coils when many keys are opened and stay opened for a long time. Different and non standard fingerings can be applied, leading eventually to multiphonics, particularly if the feedback mechanism is in use.

The instrument is controlled via MIDI, but very soon UDP/IP controll will be implemented as well. It uses 3 PIC microcontrollers, one of which is a dsPic30F3010 type used for the reed control, the tuning and the intonation, the other ones taking care of the keys and the third one controls the volume and the feedback levels as well as some visual features of the robot.

The normal note range is 46 to 77, but due the possibilities of the reed mechanism, we provided in an extended range in the low end, descending down to even below midi note 33. Of course users should not expect a realistic C-melody saxophone sound from this range as resonance in the bore of the instrument will be minimal. The sounds produced in this extended range are far too interesting -although not as good as those produced in the thirth version of the robot- to leave them out of the range of possibilities. High notes are implemented up to midi note 93, but again, in this range users should not expect any realism.

The development of this automated saxophone took us some 20 years and <Autosax> has known 4 different working realizations in its history. We are now, 2010, at version 4, and version 5 is coming in 2020...

Midi implementation:

• midi note range 0-93 (normal range 45-72)
• the velocity byte steers the attack expression.
  
• volume control: controller 7 - global volume controller
• wind controller: controller 1 - amount of noisiness in the produced sound
• controller 8 - external injected sound, volume controller (also used for audio feedback control)
• controller 17 - dynamic range controller
• controller 18 - attack time controller
• controller 19 - release time controller
• controller 20 - tuning
• key aftertouch: used for different fingerings during a produced sound.
• pitch bend: range 1 semitone (-50 to + 50 cents)
• controller 65: key power ON/OFF switch (if off, the keys will not be activated) [ will become obsolete in version 5 ]
• controller 66: sound generator on/off switch (if off, no sound will be produced unless externally fed in)
• sys-ex implemented for fingering lookups.
• program change: fingering lookup selection (programs 100 - 127)
• lights: mapped on notes in the range 121-127.
  • note 121: blue light circuitry base left
  • note 122: blue light circuitry base right
  • note 123: yellow LED strip backside
  • note 124: yellow LED strip upper part saxophone
  • note 125: red, to be mounted
  • note 126: red, to be mounted
  • note 127: frontal orange light, velo byte controls strength
• Midi Channel: 4 (1-16) or 3 (0-15)
• Note: Composers wanting to use the feedbackmechanism should make sure they connect the microphone line output to the external audio input with a short mono patchcord. The 1/4" jack sockets are on the back of the instrument. If an external audio signal is used, it can be either balanced (using a 1/4" balanced or stereo jack or unbalanced using a mono jack. The input signal is galvanically isolated from the <Autosax> circuitry since the input is transformer coupled.
  
  Compositions for <Autosax>

• Kristof Lauwers "Sphk", for autosax solo, premiered on august 12th, 2002, M&M concert, Ghent, Logos Tetrahedron
  • in this piece, the instrument is used in audiofeedback mode only. Thus it requires Autosax version 2. Available on CD LPD012.
• Godfried-Willem Raes "Lyrics", for autosax solo, 2001
• Godfried-Willem Raes "GeroSax", for autosax and invisible instrument, 2003 (Autosax, versions 2,3,4)
• Sebastian Bradt "Solosax" (2009)

Compositions where <Autosax> is an important member of the robot orchestra:

• Godfried-Willem Raes "Shifts for M&M"
• Godfried-Willlem Raes "TechnoFaustus: Tekne"
• Godfried-Willem Raes "Technofaustus: Lithos"
• Godfried-Willem Raes "HaviSax", for harma, vibi and autosax, 2002
• Godfried-Willem Raes "Vivoges", 2003
• Jelle Meander "Amorgos", 2004
• Godfried-Willem Raes "TransiTrance", 2005
• Godfried-Willem Raes "Namuda Studies", 2010-2020
• Godfried-Willem Raes "Slones", 2012
  

<Autosax>

Reeds verschillende jaren vormde het ding niets meer dan een dekoratief onderdeel van mijn elektronische werkplaats bij Stichting Logos. Ik had het op een gewone en dus regenachtige zaterdagochtend in 1989 gezien op de Gentse rommelmarkt, en herinner me nog hoe ik het - nog voor ik goed en wel besefte wat het eigenlijk was- reeds goed en wel in mijn bezit had gekregen. Eens thuis onderwierp ik de buit aan een nauwgezet onderzoek. Op het eerste gezicht leek het verraderlijk sterk op een tenorsaxofoon, maar de kleppen waren niet voorzien van plaatjes voor vingers. Alle hefbomen hadden integendeel een klein zijwaarts geboord gaatje. Het kon niet anders dan afkomstig zijn van een of andere grote orkestrion. Het klankopwekkingsmekanisme ontbrak echter, en ik vermoedde toen dat dit uit een pneumatisch gestuurd tongwerk moet hebben bestaan. Hoewel, sommige orkestrions omvatten instrumenten die weliswaar mee bewegen met de muziek, maar helemaal niet klinken en dus een louter vizuele funktie hebben (Decaps's bvb.). Vele jaren later werd dit vermoeden trouwens ook door de historische feiten bevestigd, toen het instrument afkomstig bleek uit een wat dekadent dansorgel van Grymonprez uit Ledeberg bij Gent... Ik herinnerde me nog mijn pogingen er een autentiek tenorsaxofoonmondstuk op gemonteerd te hebben. De toonladder was kromatisch en redelijk korrekt. Er was een klep voor elke kromatische halve toon. De speelbaarheid was evenwel bijzonder problematisch, niet alleen door het ontbreken van de steuntjes voor de vingers, maar bovenal door de onmogelijk te grijpen afstanden tussen de diverse hefbomen onderling. Ik schoof het ding terzijde, wel beseffende dat er wel iets originelers mee aan te vangen zou zijn, dan het terug te brengen tot een of andere vorm van de bekende tenorsax.

Het ding was dus al enkele jaren naar het hinterland van mijn onderbewustzijn verhuisd, toen op een - alweer- bijzonder regenachtig novemberweekend in 1991, ik het ding ter hand nam en begon aan de konstruktie van een volautomatische komputergestuurde saxofoon. Hoewel we het aanvankelijk hadden beschouwd als een tenorsax, bleek bij nadere studie van de voortgebrachte tonen, het toonbereik te beginnen vanaf C (midi 48). Dat maakt dat het instrument eigenlijk volledig gemensureerd is naar de -zeldzame- C-melody saxofoon.

Voor de automatische sturing van de kleppen op het instrument -dat leek me het eenvoudigste deel van het ontwerp- maakte ik dankbaar gebruik van de voorraad elektromagneten die ik ooit kreeg van mijn vriend - overigens ook een uitstekend komponist en instrumentenbouwer - Alec Bernstein. Deze elektromagneten werden oorpronkelijk gemaakt voor gebruik in een piano-'Vorsetzer' van de firma Maranz, die evenwel over de kop ging. Alec was zo slim, de hele fabrieksvoorraad in te kopen..., slim, vooral omdat de hele voorraad op die wijze uiteindelijk bij mij belandde.

De kern van deze spoelen bestaat uit een cilindrisch stuk ferriet met een ingetapt uiteinde. Hiervoor maakte ik aluminium oogjes waardoorheen veerstalen haakjes voor de overbrenging op de kleppen konden aangebracht worden. De werkspanning van de spoelen is berekend op 170Volt D.C. , overeenkomstig rechtstreeks gelijkgerichte en afgevlakte Amerikaanse netspanning. Aan 0.5A per bekrachtigde spoel, betekent een en ander een (teoretisch) maximaal opgenomen vermogen van omstreeks 1kW! Anders dan bij player- pianos immers, worden bij blaasinstrumenten heel normaal veel kleppen tegelijkertijd bekrachtigd. In mijn ontwerp echter kwam het erop neer dat de zaak algauw gloeiend heet liep... Om dit euvel - dat destruktieve gevolgen had kunnen hebben - te verhelpen, bouwde ik een speciale sturing voor de elektromagneten gebruik makend van pulsbreedte-gemoduleerde gelijkspanning. Ook voor de uitsturing van de nodige signalen (spoelen aan/uit en pulsbreedte van de bekrachtigingsspanning), bleek komputersturing een vereiste.

Het klankmechanisme dat ik er aanvankelijk voor bedacht, berust op zuiver akoestische maar komputer-gestuurde feedback in het instrument zelf. Daartoe monteerde ik op de plaats van het mondstuk een luidsprekermotor (een hogedrukkamer of membraankompressor) en in de klankbeker een mikrofoon. Door sturing van de versterkingsfaktor en door toepassing van filters in het tussen beide opgenomen elektronisch netwerk, bleek het mogelijk alle tonen vrij realistisch te produceren. Alleen de aanspreeksnelheid van de diverse noten liet wel nogal wat te wensen. Om dit te verbeteren, plaatste ik dan in de eerste versie 6 verschillende miniatuur elektretmikrofoontjes bij de diverse toongaten. Als nu de mikrofoontjes geschakeld en onderling gemengd konden worden in funktie van de te produceren tonen, dan was het doel virtueel bereikt. Daarvoor moest evenwel noodzakelijkerwijze alweer op komputersturing beroep gedaan worden. Dit, onder meer omdat de feedbackregeling bijzonder snel dient te gebeuren, a rato namelijk van zo'n 100 instellingen en instrukties per sekonde. Traag voor een komputersturing, maar beslist te snel voor de manuele bespelingsmogelijkheden van musici, zeker wanneer die via instelknopjes en schakelaars zou dienen te gebeuren. In een eerste uitvoering bouwden we voor de klankopwekking een behoorlijk komplekse schakeling met 6 bandfilters (een per mikrofoon) gevolgd door VCA's. De VCA's werden opgebouwd met 8-bit DAC's waarvan evenwel slechts 4 bits werden benut, de overige bleven op die wijze vrij voor de kanaalselektie en de adressering. Een enkel byte kon zo volstaan voor de kontrole van de feedback loop en dus van de klankopwekking zelf. Een zekere traagheid in het aanspreken van de diverse noten bleef evenwel ook in dit ontwerp helaas aanwezig, maar m.i. was dit vooral te wijten aan het beperkte vermogen van de gebruikte luidsprekermotor (15 Watt). Met een piekvermogen, gedurende het aanzetten van de toon in de orde van 100 Watt zou allicht een beter resultaat op dit vlak kunnen bereikt worden. Ook kon het nogal eens gebeuren dat een andere noot dan de voorziene werd geproduceerd. Omgevingsgeluid speelde daarbij een belangrijke rol, wat uiteraard de opname in een orkestrale kontekst kompromiteerde. Onbevredigd door de resultaten van versie 1, herbouwden we in 2002 de stuurschakeling voor <Autosax> volgens een geheel nieuw ontwerp, waarbij de feedback sturing geheel in software werd gerealiseerd. De -frekwentieselektieve en aan het toonbereik van de saxofoon aangepaste voorversterker voor de voor het paviljoen gemonteerde elektret mikrofoon kwam eruit te zien zoals op de afbeelding opgenomen in het bouwdagboek. Feedback sturing via een digitaal stuurbare versterker-mixer schakeling bleef ook in deze tweede versie een optie voor deze robot.

Voor de komputersturing had het zo ontstane instrument voldoende aan 2 bytes voor de sturing van de spoelen/kleppen, naast het ene byte voor de feedback-kontrole. Dit kon gemakkelijk geimplementeerd worden via de op zowat alle komputers beschikbare parallel-printerpoort. Hiervoor gebruikten we hetzelfde demultiplex board zoals we dat ook ontwikkelden voor automaten zoals <Klung>,<ThunderWood>, <Troms> enzomeer. Omdat elk individueel bit via software kan gemanipuleerd worden, blijkt het perfekt mogelijk ook mikro-intervallen, vorkgrepen, kleppengerammel, multiphonics door het instrument te laten voortbrengen. Ook 'zingen en spelen' tegelijkertijd is makkelijk te voorzien, door een vokaal (eventueel vanuit een stemsynthesiser ofwel vanuit een sampler) signaal in het mixergedeelte bij de mengen.

Om de responstijd te versnellen, het zwakke punt van het gehele ontwerp, zowel in de eerste versie als ook in de tweede, stuurden we in de tweede versie van <Autosax> bij elke aan te sturen toonhoogte een korte uitstervende sinus in de mixer. Hoewel dit op het eerste gezicht een 'overtreding' lijkt te zijn van het anderszins zo akoestische werkingsprincipe van het instrument, is het toch zo dat ook een speler van vlees een bloed wel degelijk anticipeert op de te spelen noot, wil hij deze tenminste trefzeker en goed aan zijn instrument ontlokken. In dit geval was echter in de komputerimplementatie nood aan het gebruik van het audiosubsysteem: de ingebouwde soundcard van de PC. Aan de hardware hoefden voor dergelijke uitbreiding geen wijzigingen te worden aangebracht. Overigens kon hiervoor ook een externe gewone midi-synthesizer worden gebruikt.

Hoewel Autosax in deze versie verscheidene jaren deel uitmaakte van het <M&M> robotorkest, waren we toch niet echt gelukkig met het voortgebrachte geluid. Het klonk me veel te sintetisch, elektronisch en eendimensioneel. In 2005 en 2006 onderging <Autosax> daarom een derde welhaast volledige herziening (versie 3) , waarbij volledig afgezien werd van het oorspronkelijke feedbackmechanisme, maar waarbij we integendeel poogden het riet zelf onder mikroprocessor kontrole aan het trillen te brengen. Heel wat research staken we in de ontwikkeling van het riet zelf en de aansturing (cfr. bouwdagboek). Uiteindelijk werd het een samengesteld riet, deels uit riet deels uit staal. Het grote probleem bleek de bouw van een riet dan redelijk lineair aan het trillen kan worden gebracht over een breed frekwentiegebied. Een erg lage eigenfrekwentie bleek noodzakelijk. Voor de kontrole daarvan deden we beroep op de DS-PIC microcontroller van MicroChip. Om een redelijk ' menselijke' kontrole mogelijk te maken van de toonvorming ontwikkelden we een speciaal kegelventiel. Hiermee wordt een werkelijke artikulatie van de voortgebrachte klanken mogelijk. De resultaten die we bereikten met dit mechanisme waren werkelijk verbluffend, vooral dan in de laagte, ver onder de tessituur waarvoor het instrument normaal is voorzien. Prachtige slagtongues en multiphonics. Alleen, overblazen naar het eerste normaal oktaaf bleek uiterst onbetrouwbaar en problematisch, zeker wanneer daar ook nog amplitude variatie bij verwacht werd. In 2009 beslisten we dan ook het hier toegepaste mechanisme geheel te verwijderen en opzij te leggen voor gebruik in een nieuwsoortige te ontwikkelen automaat die dan niks met een saxofoon te maken zou hoeven te hebben.

Versie vier, ontwikkeld in 2009, bouwt verder op de positieve ervaringen opgedaan bij de bouw van de koperblaasrobots <Korn>, <Bono> en <Heli> evenals van het dubbelrietinstrument <Ob>, de automatische hobo. Hier werden systematisch akoestische impedantietransformatoren toegepast. In tegenstelling tot die ontwerpen echter, waarvoor een kapilair met ronde doorsnede wordt toegepast voor de koppeling aan het mondstuk, bouwden we hier eerst een konvertor voorzien van een spleet, overeenkomstig de excitatie door een enkelriet. Hierdoor verschoof evenwel de gehele stemming van het instrument met een terts naar omlaag. Ook de efficientie werd wel heel erg klein. Een betere versie werd gebouwd, met een korter kapilair trajekt en weer een ronde opening. De stemming was weer korrekt en de efficientie heel wat beter.

In 2020 begonnen we met versie 5: te verbeteren aspekten waren eerst en vooral het storende geluid van de kleppen en in tweede instantie de kwaliteit van het voortgebrachte geluid. De nieuwe ontwerpen liggen op onze werktafel...

De 'Autosax' zoals ik het instrument heb gedoopt, werd opgebouwd als een vrijstaande ruimtelijke robot-skulptuur: als een saxofoon in speelklare positie, maar zonder speler. Daartoe werd het instrument op een gelast statief voorzien van talloze beugeltjes voor de vele elektromagneten, de elektronische stuurschakelingen en de diverse voedingen en interfaces geplaatst. Het werkende instrument werkt dan ook vizueel bevredigend: alle schakelingen zijn transparant en zichtbaar zodat het niets verhult. Een naakte automaat, de eerste van wat veel later een heel groot orkest zou gaan worden.

Godfried-Willem RAES, 1991-2020

Bouwgeschiedenis en bouwdagboek

Autosax onderging in de loop van zijn ontwikkeling tot nu toe vijf onderscheiden stadia die elk met een werkende robot werden afgesloten. De globale ontstaansgeschiedenis en de technische details daarvan worden in volgend dagboek gedokumenteerd.

• 11.1989: aankoop saxofoon op rommelmarkt. Het instrument bleek later afkomstig te zijn van de afbraak van het Grymonprez dansorgel in de feestzaal aan de Brusselse steenweg in Ledeberg, bij Gent. Onderzoek wees uit dat het weliswaar op het front van het dansorgel was gemonteerd en dat de kleppen bewogen, maar eveneens dat het geen akoestisch geluid voortbracht. Net zoals bij de latere Decap orgels uit de vervalperiode van het bedrijf was dit element dus geheel fake.
• 11.1991: Start bouw <Autosax>. Ontwerp vertikale kolom en selektie Maranz elektromagneten. Laswerk magneetdragers,
• 09.1992: Laswerk onderstel op drie wielen. Montage scheidingstransfo en analoge eindversterker, met een ILP 30W module (HY30). Voeding 2x12V, toroidale transfo..
• 10.1992: bouw en ontwerp mikrofoonvoorversterker- en filterschakelingen. Montage feedback mikrofoon. (Elektret type).
• 02.11.1996: Om de komplexiteit van PWM sturingen te vermijden bedachten we voor de klepsturing een schakeling waarbij de spoelen bij het aanschakelen met een sterke stroomstoot (170V,0.5A) bekrachtigd worden terwijl de spanning daarna op de minimale houdspanning wordt begrensd. Dit kon eenvoudig worden bereikt door de spoelen op te nemen in de ontlaadkarakteristiek van een kondensator, waarbij de laadweerstand zo wordt berekend dat de minimale houdspanning (ca. 60Volt) bij ingeschakelde spanning niet boven de vereiste waarde uitkomt. Berekeningen brachten ons op een weerstandswaarde van 620 Ohm. Het in deze weerstanden te dissiperen vermogen beliep evenwel 20Watt... Met alle spoelen bekrachtigd zou het instrument werken als een soort elektrische kachel. Daarom bedachten we een andere oplossing die bovendien nog een leuk vizueel effekt oplevert: in plaats van de dure gecementeerde vermogensweerstanden gebruikten we uiteindelijk gewone klassieke en goedkope 60Watt - 230Volt gloeilampen. Dit leverde ons bovendien nog een hoogst welkome stroomregeling op. Immers de weerstand van een gloeilamp is een funktie van de temperatuur van de gloeidraad. Zo is de koudweerstand van een 60Watt lamp ca. 70 Ohm, terwijl deze weerstand bij volle spanning oploopt tot 884 Ohm! Een regelbereik van meer dan een decade dus. Bij de in ons ontwerp aangelegde spanning van 170V branden de lampen op een heel wat lagere temperatuur en bleek hun weerstand ca. 640 Ohm te bedragen. Perfekt geschikt dus voor onze toepassing. Als schakelement gebruikten we darlingtontransistoren geschikt voor de hier toegepaste relatief hoge spanning. Aangezien de dissipatie in deze toepassing beperkt is, konden we de koelvinnen geheel achterwege laten.
• 06.11.1996: Bouw feedbackschakeling volgens volgend ontwerp:
• xx.xx.1996: eerste versie van Autosax operationeel en publiek gedemonstreerd. De foto toont deze eerste versie van de werkende <Autosax>. De darlingtons werden vervangen door IRF610 mosfets voorzien van een kleine koelvin..
• 15.08.2002: Toevoeging van een inox beschermkap tevens dienstig als drager voor de besturings notebook komputer.
• 18.02.2002: De sturing van <Autosax> kan nu gebeuren door aansluiting op een standaard printerpoort, via National Instruments DIO cards en PCMCIA kaarten, maar ook via een gewone USB poort op een Wintel laptop PC. De PC moet wel over een ingebouwd audiosubsysteem van een redelijke kwaliteit beschikken.
• 19.02.2002: Sedert het oorspronkelijke ontwerp, teruggaand tot 1989 hoewel de eerste opbouw slechts in 1991 werd uitgevoerd, is de komputer technologie uiteraard niet stil blijven staan. Real time audioprocessing is inmiddels tot de standaard mogelijkheden van een gewone PC gaan behoren. Hierdoor kon het oorspronkelijke ontwerp van de Autosax op hardware vlak aanzienlijk vereenvoudigd worden. De kleppen-sturing werd behouden, maar de mogelijkheden van de PC voor de sturing van de feedbackloop en dus de toonvorming van de autosax zelf, kon nu helemaal in software geimplementeerd worden.
• xx.xx.2002: bouw tweede versie van Autosax, met feedbacksturing volledig in software onder GMT.
• 10.05.2002: Een inschakelbeveiliging met pincode decoder werd opgebouwd en toegevoegd volgens volgend ontwerp:Deze schakeling levert meteen ook de nodige spanningen voor de mikrofoonvoorversterkerschakeling.
• 12.05.2002: Voor de sturing van de membraankompressor, gebruikten we de reeds bestaande ILP30 versterkermodule met een eigen voeding (2x12V, symmetrisch). Ingangen en uitgangen van het audiogedeelte werden allen genormaliseerd voor 0dB signaalnivoos.
• 27.05.2002: eerste publiek koncert met deelname van Autosax in versie 2. De foto werd genomen op dit koncert.<Autosax> wordt er bespeeld met een subnotebook komputer gebruik makend van het USB interface.
• 12.08.2002: premiere van Kristof Lauwers stuk voor autosax, waarbij deze uitsluitend in feedback mode werkt.
• 10.05.2003: problemen met het Windows besturingssysteem duiken op. Het audio systeem werkt niet meer deugdelijk onder de nieuwste versies van Windows...
• 12.07.2004: Onbevredigd door de resultaten van het bestaande en werkende ontwerp, begon ik een hele reeks experimenten rond de bouw en aansturing van een echt riet en saxofoonmondstuk, waarbij het gehele met traagheid geplaagde feedbackmechanisme zou kunnen komen te vervallen. We waren aan versie 3 toe...
• 22.08.2005: uitwerking ontwerp en experimenten rond de bouw van een nieuw automatiseerbaar mondstuk met riet.
• 23.08.2005: Een hele reeks experimenten werd opgezet rond de mogelijkheid en de voorwaarden gesteld aan een automatiseerbaar riet gemonteerd op een origineel monstuk voor een tenorsaxofoon. Om de problemen met de bij normaal menselijk spel noodzakelijke lipdrukregeling op het riet te omzeillen, kwamen we er uiteindelijk toe het gehele werkingsprincipe om te keren. Bij een normaal enkelrietinstrument (klarinet, saxofoon) is er in rust tussen de punt van het riet en het mondstuk , aan het eind van de baan, een vooropening in maat varierend tussen ca. 1mm en 3mm. Wanneer zacht en zonder lipspanning geblazen wordt, krijgen we dan ook een luchtstroom (zonder toon, maar alleen met ruis) doorheen het instrument. Pas wanneer we de lipspanning vergroten, wordt de vooropening verkleind en kan een toon ontstaan, mits voldoende winddruk wordt toegevoerd. In onze uitvoering is het riet in rust nagenoeg volledig tegen de (vlak uitgevoerde) baan van het mondstuk aangelegd. Hoe hoog ook de toegevoerde winddruk is, er zal nooit een luchtstroom doorheen het instrument kunnen ontstaan, integendeel hoe groter de winddruk hoe harder het riet tegen de baan wordt gedrukt. Het riet opent zich pas wanneer het door de elektromagneet wordt aangetrokken. De mate waarin dit gebeurt kan nu elektronisch worden geregeld. Het snel opwekken van de juiste en gewenste toonhoogte eveneens. Opdat dit mogelijk zou zijn, dienden we natuurlijk eerst een rietkonstruktie te bedenken die zich leent voor elektromagnetische aansturing. Experimenten met geheel uit staal gemaakte rieten leverden een weinig overtuigende toon op (leek meer op een klakson...) en zo kwamen we ertoe het riet op te bouwen uit een heel dun stalen blad (gesneden uit 0.1mm dikte, precisie Hassberg meetlint, breedte 25mm) over de gehele rietlengte in kombinatie met een sterk ingekort klassiek riet, dat hier wel degelijk meetrilt en als proportionele aandrukveer fungeert. Belangrijk is de resonantiefrekwentie van het niet (akoestisch gezien een staf ingeklemd aan een uiteinde) zo laag mogelijk te nemen. Aan de ondergrens hebben we de beperking dat een heel lage resonantiefrekwentie een erg dun riet impliceert en dat dit ten koste gaat van de maximaal haalbare geluidsterkte. Het omgekeerde is evenwel ook mogelijk: een resonantiefrekwentie ver boven de hoogste te produceren toon, maar dan hebben we wel heel erg grote hoeveelheden energie nodig om dergelijk dik stalen riet nog te laten over en weer zwiepen. De tekening moge het verschil tussen het normale riet en het mondstuk waartoe wij kwamen voor dit soort automaat illustreren:

  

  De gehele konstruktie werd in een cylinder van polycarbonaat met gelaste inox deksels en aansluitingen voor enerzijds de saxofoon, anderzijds de kompressor en de elektrische aansluitingen, ingebouwd. De elektromagneet werd op een geveerde en verstelbare slede gemonteerd voor een makkelijke mechanische afregeling. De foto hieronder toont twee komponenten van het mechanisme in hun korrekte positionering:

  

  De slede voor de elektromagneet werd gemaakt in spuitgietaluminium. Het diende immers een niet magnetiseerbaar materiaal te zijn. Ze wordt met 2 M5 bouten vastgezet in de polycarbonaat cylinder. Voor de luchtvoorziening maakten we bij deze revizie gebruik van een mini Ventola blazer zoals we die al eerder gebruikten in automaten zoals <So> en <Harma>. De motoren werden omgebouwd en herbedraad om in driehoeksschakeling op driefazenstroom te kunnen werken en daarmee een soepele regeling van het toerental -en daarmee zowel druk als debiet- mogelijk te maken. De onderstaande foto geeft een beeld van de gehele geautomatiseerde mondholte met mondstuk:

• 15.09.2005: verdere uitwerking ontwerp derde versie van de elektronika voor <Autosax>, deze keer met rechtstreekse midi aansturing en onder gebruikmaking van PIC mikrokontrollers.
• 26.04.2006: hertekening van de nieuwe elektronika
• 27.04.2006: Opstelling nieuw specifikaties voor de drie PIC's. Overleg met medewerkers en gebruikers. Specs doorgestuurd naar Johannes Taelman.
• 28.04.2006: Montage PIC board voor de besturing van de kleppen.. Montage en bedrading relais voor de 170V hoogspanning.
• 29.04.2006: Assemblage en montage midi-hub board, tevens de besturingsPIC voor de motor omvattend. Montage motor op trillingsdempers en Siemens motorcontroller.
• 30.04.2006: Konstruktie kegelventiel (conical valve) voor proportionele sturing van de winddruk en de expressie.
• 01.05.2006: Verdere afwerking konstruktie kegelventiel. Een passend gedraaide kegel in teflon zou beter zijn... geen teflon te krijgen op 1 mei..... duizend bommen en granaten. Ventielkegel dan maar uitgevoerd in brons. De totale bouwhoogte van het ventiel komt nu uit op 217mm.
• 02.05.2006: Verdere aanpassing en solderen midi-hub board.. Opstellen nieuwe midi specifikatie en specifikaties voor de PIC implementatie. Doorgestuurd naar Johannes Taelman. Users manual alvast aangepast. Bouw en inbouw 12V / 50VA analoge voeding voor het kegelventiel. Hiervoor gebruikten we een 50VA toroidale tranfo gevolgd door een gelijkrichterbrug, een 4700mF afvlakelko en een 78K12 regulator in TO3 behuizing. De gehele voeding werd gemonteerd op een L vormig stuk gelast inox en met twee M5 inox inbus bouten op de bodemplaat vastgezet.
• 03.05.2006: GMT software aangepast aan de nieuwe versie van Autosax. Konstruktie 24V/1A voeding en opamp voeding (+/- 15V 150mA). Montage op glasvezel versterkt epoxy plaat. Schema toegevoegd aan de service manual.
• 04.05.2006: Montage 24V/1A voeding in de basis van Autosax. Bedrading afgewerkt. De voorversterker werkt nu met een symmetrische voeding van +/-15V en verkrijgt daardoor een wat groter dynamisch bereik. Eerste tentatieve programmering van de motor kontroller.
• 05.05.2006: Programmatie Siemens Sinamics G110 motorcontroller.
• 06.05.2006: Test analoog versterkergedeelte voor sturing elektromagneet riet.
• 09.05.2006: Programmering PIC1 -kleppen- met Johannes Taelman. Voorlopige testkode voor evaluatie. Eerste tentatieve programmering PIC2: motor en kegelventiel besturing.
• 10.05.2006: tests windkontrole. Voorziening controllers in midi implementatie gewijzigd. Bug ontdekt in bedrading motorkontroller. Daardoor werkte het motor on/off kommando niet.
• 12..05.2006: Pic programmeerproblemen uit de wereld geholpen door een upgrade van MPLAB (nu versie 7.31) dankzij Johannes Taelman. Motor on/off werkte niet omwille van een hardware bug: pull-up weerstandjes vergeten op het midihub board... Voor test 100V lijntransfo ingezet voor aansturing rietmagneet vanuit de ILP30 versterker.
• 13.05.2006: meet- en experimenteeropstellingen voor de riet driver. Een dubbelzijdige bekrachtiging kan nodig blijken.
• 14.05.2006: Labowerk rond dubbele rietaktivering met autonoom instelbare duty cycles, zelfde frekwentie en onderling verschuifbare fazerelatie.
• 17.05.2006: Verder labowerk rond rietsturingen.
• 18.05.2006: Windafdichting 5polige bajonet din in polykarbonaat cilinder.Rietmagneten verbonden met resp. pinnen 1-3 (rietbekrachtigingsmagneet) en 4-5 (rietsluitmagneet). Pin 2 is niet verbonden. Definitieve konstruktie en montage rietsluitelektromagneet. Test met tweefazige aansturing van de elektromagneten. Tekening bij 23.08.2006 aangepast.
• 19.05.2006: TIG laswerk drager buis met kegelventiel. Buisbeugel voorzien van M16 schroefdraad.
• 20.05.2006: Nieuwe proefopstelling voor tweefazige aansturing riet. Kegelventiel blokkeert geregeld. Wellicht niet zuiver centrisch gemonteerd of gedraaid. Kegelventiel gedraaid in kurk (vanwege de geringere massa), maar dit blokkeert eveneens.
• 21.05.2006: Nieuwe binnenkegel voor kegelventiel gemaakt, nu in gepolijst inox.. Dit klemt niet, lijkt vlot te werken maar maakt meer lawaai. Flens gelast aan beugelstuk waarmee de luchtpijp wordt vastgehouden. Viltjes gekleefd onder de stoppallen van de kleppen zodat de saxofoonmechaniek wat minder rammelt.
• 22.05.2006: Binnenkegel van het ventiel akoestisch dood gemaakt met blauwe siliconenrubberdichting (Loctite).
• 23.05.2006: Autosax terug in de opstelling van het M&M orkest geplaatst voor onderzoek van de rietsturing met behulp van PD gekoppeld aan GMT.
• 25.05.2006: Ontwikkeling rietsturingskode in PD door Kristof Lauwers.
• 29.05.2006: Verdere ontwikkeling rietbesturing in audio vanuit PD door Kristof.
• 01.08.2006: Overleg met Johannes Taelman m.b.t. de DS-PIC implementatie.
• 22.08.2006: Test-kode voor rietbesturing en tessituur door Kristof Lauwers.
• 19.10.2006: Achterwielen vervangen door degelijker exemplaren met polyuretaanbanden van Blickle.
• 01.11.2006: DS-PIC board is nu geprogrammeerd voor de rietbesturing.
• 09.11.2006: test en evaluatiekode voor de DS-PIC geschreven in GMT module voor de besturing van Autosax.
• 12.11.2006: tests DS-PIC voor rietaansturing.
• 13.01.2007: Verdere ontwikkeling DS-PIC test kode voor de rietbesturing. Alleen in de allerlaagste regionen werkt het riet uitstekend. Zelfs goede slaptongues zijn haalbaar, alleen normale noten voor dit type saxofoon kunnen we nog niet goed produceren.
• 16.02.2007: Selektie dsPIC bepaald op type dsPIC30F3010. Deze heeft komplementaire PWM outputs en kan ook gebruikt worden in <So> en <Hurdy>.
• 10.02.2008: Teorie rond elektromagnetische aansturing van rieten en soortgelijke ferromagnetische materialen verder uitgewerkt in het artikel 'Expression control in automated musical instruments'.
• 19.08.2008: Nieuw ds-PIC board bestukt voor gebruik in Autosax. Eigenlijk is het naar schakeling hetzelfde board zoals we dat ontwierpen voor <Aeio>.
• VERSION 4:
• 02.01.2009: Sound driver mechanisme opnieuw bekeken. Ontwerp van een rietdriver naar model van de bij <Ob> toegepaste techniek, met name de akoestische impedantiekonvertor.
• 13.01.2009: Ontwerp van een nieuw ds-PIC board, met voorzieningen voor amplitude modulatie, externe input en feedback besturing.
• 14.02.2009: Draaiwerk van de nieuwe akoestische impedantiekonvertor uit massieve messingstaaf, diameter 26mm. Evaluatie van de klank en de resonantie in het instrument. Nu passen we een 100 Watt driver toe, hetzelfde type dat we ook gebruikten voor <Heli>.
• 16.02.2009: Verdere detaillering transfo specs voor Sawter Ltd. Uitwerking dsPIC schakeling voor de generator en herziening van de midihub print.
• 17.01.2009: Bestukking van het nieuwe ds-PIC board, met display.
• 18.01.2009: ds-PIC board afgewerkt en eerste elektrische test uitgevoerd. Stroomopname: 140mA, in hoofdzaak te wijten aan de TIL311 displays.Voor de instellingen van de uitsturing naar de motor driver, pasten we twee Preh schuifpotmeters van goede kwaliteit toe. Aangezien het exemplaren zijn voor stereo gebruik, schakelden we beide sekties parallel, waardoor we op de kromme weerstandswaarde van 2k3 uitkomen. De basis kode voor de firmware komt overeen met die voor <Bono>. De golfvorm moet driehoekig zijn.
• 19.01.2009: Bestukking van een nieuw midi-hub board voor Autosax. Ontwerp drager in polykarbonaat voor de uitsturingsmeter (een kleine ronde paneelmeter uit 1942!) en de dsPIC print.De beide antiparallel geschakelde germanium diodes beschermen de meter tegen overbelasting.
• 20.01.2009: Bedrading van de nieuwe elektronika en inpassing in het chassis van Autosax. Nazicht van alle voedingsspanningen. Test werking van het feedback mechanisme.
  21.01.2009: Oranje frontaal licht toegevoegd (12V halogeen, 5W), dimbaar. LED strips aangebracht en bedraad. Blauwe LED's gemonteerd onderin het chassis.
• 22.01.2009: Bedrading verder afgewerkt. Polykarbonaat platen uitgezaagd voor de bescherming van de lampjes en montage daarvan afgewerkt. De afscherming is eenvoudig verwijderbaar.
• 24.01.2009: Polierwerk zijkanten polykarbonaat platen.
• 25.01.2009: We have measured the Padu100 driver component (100W - 16 Ohm nominal) carefully and found the impedances in function of applied frequency as follows:11.4 Ohms @ 100Hz, 23.68 Ohms @ 1kHz, 26.7 Ohms @ 10kHz and 45 Ohms @ 25kHz. The acoustic load does influence the measured impedance at 1kHz over a 1:2 range: with the mouth completely closed it measures 32.8 Ohms and with the mouth completely opened but without any resonator, 15.35 Ohms. This phenomenon does not occur for the very low neither for the very high frequencies. The measurements were performed with our new Hameg LCR meter, model HM8018. The frequency response is 100Hz to 10kHz. The thread for mounting is 1 3/8"-18.
• 30.01.2009: Netschakelaar gemonteerd op het inox bovenblad chassis, onder de polykarbonaat beschermplaat.
  13.03.2009: Wachten op dsPIC firmware...
• 15.03.2009: PIC firmware development session with Johannes Taelman. Autosax plays again, but needs furtther refinements on the tone production as well as a revision of the valve-PIC firmware.
• 16.03.2009: Further testing.
• 18.03.2009: Although the dsPIC ought to be programmed, we cannot make it to sound a note...
• 19.03.2009: Apparently the dsPIC got programmed with the wrong code version...
• 21.03.2009: dsPIC reprogrammed. Now Autosax plays again! The fingering tables still have to be adapted for best resonance. The hub-board , with the controll for external audio injection or microphone feedback still has to be programmed.
• 23.03.2009: First readaptation of the John Coltrane solo file for the new Autosax. The file needs a lot of editing on the expression. As now it sounds dull and rather like the conservatory students (... and teachers) from the jazz department...
• 28.03.2009: Further work on the compression driver waveform. We hope Johannes shows up tomorrow to fix the PIC on the midihub board..
• 12.05.2009: Autosax plays in quite a few pieces in the 'Sacred Robots' concerts. However, the hub board is still not functional.
• 15.05.2009: Conduct repaired on one of the valves. Sebastian Bradt is working on a new solo piece for Autosax.
• 24.05.2010: New acoustic impedance converter made on the lathe and mounted on the robot. The capilary traject is taken much shorter now (3 times diameter, or 12mm) This yields a much better sound.
• 08.06.2010: Conducts silenced a bit using blue silicone gel from Loctite.
• 10.06.2010: Mounting of new impedance converter with a M6 bolt finished.
• 18.06.2010: Midihub board programmed: lights are now functional.
• 19.06.2010: Debug session: the valve PIC firmware needs a revision now: it should not do anything with the valves for notes above the normal range... Also the sysexes still have to be implemented. There also seems to big a problem with ctrl 8 for audio injection. The potentiometer seems not to work...
• 20.06.2010: some wiring mistakes corrected on the dsPIC board. The feedback mechanism works nicely now and we can play multiphonics again. However, the range of control for ctr.8 is way to narrow (works now only with values between 1 and 9). This part of the midihub PIC firmware needs a rescaling. PIC 1 needs a revision, since it moves valves with notes in the range 120-127, the range we implemented for the extra lights.
• 24.01.2011: Photoshoot for Robodies with Autosax.
• 23.11.2011: Glissando playing now fully implemented under GMT.
• 18.09.2012: Reconsidering the compressor driver circuit. Maybe we better use a 32-bit ARM processor, building further on the experiences with <Klar>.
• 23.04.2013: Tracture wire on one of the valves repaired as we found it to be broken.
• 08.01.2015: Amplifier board failure: there is a 14V dc voltage on the amplifier output...
• 09.01.2015: Amplifier board removed for examination in the lab. Effectively the HY30 amp found to be burned out and irreplaceable. Hence we made a new amplifier board using a newer ILP amplifier module, ILP HY2001. Here is the data sheet. The toroidal transformer used for the power supply is rated for 30VA at 2 x 15V secondary. Robot rechecked and found to be healthy again. Here is a picture of the new board before wiring:
• 10.01.2015: Circuit drawing adapted to the new situation:
• 11.03.2020: Thinking of a version 5, exploiting the new discoveries made during the construction of <Flut> and version 3 of the <So> robot. A very first aspect we could improve, with minor changes to existing circuitry, would be to modify the valve boards to this version: As on valve power off, the capacitors will discharge over the coils, this should reduce the substanial noise we had so far from valve-releases. Of course the 220uF caps have to be specified for a voltage of 200V.
• 12.03.2020: Close inspection revealed that Autosax got a serious bump... all the soldered posts for the right-low side keys found to be loose, with none of the return springs functioning properly anymore... Where and when did that happen? Asking around to my collaborators, as usual, nobody knows of anything... Looking in detail to the design of the valve circuitry, we conclude that it would be better to removed all circuitry and start from scratch, using two boards, each serving 8 valves. Once we go this far, it looks like a good occasion to also replace the dSPIC board with something like the newest boards developped for <Flut> and <So>, version3. It looks like version 5 is coming...

Robody pictures with autosax:

Technical notes, wiring and maintenance data:

(not intended for the general public)

Circuit overview:

The 12V analog power supply is straightforward and uses a 50VA toroidal transformer mounted on the bottom plate in the very front of the instrument. To remove this power supply, loosen both stainless steel M5 bolts holding the frame. The hefty 230V/630VA transformer is mounted on the bottom plate next to the 12V supply, followed by the double-diode rectifier and the electrolytic capacitors. Watch out when servicing: high voltage. The analog power supply for the 5V is mounted in a U shaped housing on the backside of the bottom plate. The 24V power supply uses a small 1A transformer and follows the traditional analog design rules. It also houses a small 150mA DC DC converter used for powering the microphone opamp circuitry. The DC DC converter is made by Klaasing Electronics, Power Module type number 7KR24-15D150. Now this type is distributed by Advantec Electronics BV, with the type number D5R24-15D150. (2006)

Valve solenoid boards - schematic:

The hold voltage over the solenoids with the bulbs specified is ca. 60V dc. The circuitry is dangerous to touch! Be carefull when servicing. The valve boards themselves date back from 1991, the PIC board belongs to the 2006 revision (version 3) and was also kept unchanged in version 4..

Circuit for the midi hub board, also containing the PIC microcontroller for the controllers (Version 4):

DS-PIC board and wiring:

Audio transformer specs.: Oxford Electrical Products A262A2E. Primary: 2 150 Ohm windings (if connected in series we obtain 600 Ohms, CT), Secondary: 2 600 Ohm windings (if connected in parallel we obtain 600 Ohms). Primary Rdc= 2 x 10 Ohms, secondary Rdc= 2 x 55Ohms. Power rating: 100mW. Frequency response: 30Hz - 35kHz.

Silonex analog optocoupler: Maximum LED current: 25mA. At If=20mA Vf= 2.5V, R=60 Ohm. For If=5mA, R= 150 Ohm. Rmax = 25MOhm. Risetime: 5ms, falltime: 10ms. Type number: NSL-32SR3.

The frontal orange light holds a halogen bulb rated 12V - 5W, G4 socket. The bulb is secured in the socket with two small screws which must be loosened before removing and replacing the bulb.

The Yellow LED strips are type number LM-FB26Y-12, Farnell order code: 122-8819 (Cost: ca. 20 Euro's for a strip). These magnificent components are going out of production in 2009...

The blue quad LED assemblies come from Conrad and are disassembled from a car 'tuning' kit.

Power switch: A4TN15W04, toggle on-on, Farnell order nr.1629111

Note: the TIL311 7-segment displays with decoder (Texas) are no longer in production. There are no replacements as far as we know.

Audio amplifier board (2015 repair): Using a ILP HY2001 amplifier module and a toroidal 30VA 2x15V secondary transformer for the power supply. Input impedance is 100kOhms and input sensitivity is 500mV. The data sheet for the amplifier can be found here. This is the circuit:

Webpage on <Autosax> Version 3.0 (archival)

Last update: 2020-03-12