Hace ya unos 6 años, en 2006, construí un instrumento musical bastante peculiar: las campanas tubulares automáticas ( Automatic Tubular Bells o ATB ) . Se trataba de un conjunto de campanas tubulares percutidas por un sistema de baquetas controlado por MIDI. El sonido de los tubos era bueno, pero el sistema de control no era del todo preciso, y aunque se podía hacer cosas interesantes con ellas, sus prestaciones no eran suficientemente buenas como para hacer música en condiciones, especialmente porque existía cierta latencia entre los comandos MIDI y la respuesta de las baquetas. Esto me dejó con las ganas de construir una nueva versión que corrigiera los defectos de la primera , pero había invertido mucho tiempo en ellas, y en ese momento ya no disponía de más para comenzar de nuevo otro proyecto de tal envergadura. Así que el tema quedó aparcado a la espera de que las circunstancias me permitieran comenzar de nuevo.

Pero a principios del 2012, unos cambios en mi situación laboral me dieron un poco más de tiempo libre y esto me permitió retomar el proyecto. Enseguida me puse manos a la obra.

En los siguientes párrafos explico el proceso que seguí en el diseño y construcción del nuevo instrumento: las campanas tubulares mejoradas ( Enhanced Tubular Bells o ETB ). El desarrollo , al que dediqué unas 450 horas en total, no fue directo y tuve que realizar algunas correcciones y modificaciones importantes a medida que avanzaba.

 
Comencé revisando y estudiando las diferentes ideas que había acumulado a lo largo de los últimos años, realizando diferentes bocetos y pensando las especificaciones básicas que debería tener la nueva versión del instrumento. Estas especificaciones serian:
- Capacidad para reproducir una octava ( 12 semitonos o lo que es lo mismo 12 campanas ).
- Control de los actuadores mediante solenoides para minimizar los problemas de latencia.
- Sordinas para dar más opciones de expresión al instrumento.
- Control por MIDI.
- Posibilidad de reproducir ficheros MIDI guardados en la SD
- Capacidad de tocar por lo menos 3 campanas simultaneamente para poder tocar acordes triada o quintas.

El principal problema de la primera versión, era la latencia, la cual se debía a la poca precisión de los motores que controlaban las baquetas. Por esta razón, al comenzar el nuevo proyecto tenía claro que en lugar de utilizar motores como actuadores utilizaría solenoides. La idea inicial era reaprovechar los soportes, las estructuras y tubos de la primera versión , sustituyendo sólo los cabezales del sistema de baquetas basado en motores, por los nuevos cabezales con el sistema de baquetas basado en solenoides. También tenía claro que incorporaría algún sistema de sordinas para poder controlar mejor la duración de las notas y dotar así de un poco más de capacidad de expresión al instrumento. La electrónica y firmware también deberian ser completamente nuevos, y no reutilizaría la de las ATB.

Por tanto, la idea inicial era que el nuevo instrumento estuviera formado por las 3 torres de las ATB con cuatro 4 tubos cada una, 12 tubos para los 12 semitonos de una octava. Cada uno de los tubos iría acompañado de un par de solenoides colocados en el cabezal, uno para percutir ( la baqueta, mallet o striker ) y otro para apagar el sonido ( la sordina o damper ). Como explico más adelante, al final cambié el diseño basado en las 3 torres de las originales ATB, por otro basado en un única nueva torre.
 
Una de las principales novedades del instrumento iban a ser los solenoides, y antes de decidir como utlizarlos y montarlos tenía que realizar diferentes pruebas para ver que tal se comportaban, cual era la mejor forma de controlarlos etc. Por esta razón, me hice con un par de unidades de varios modelos de solenoides y realicé diferentes pruebas con estos sobre los tubos. La intención era ver como sonaban mejor y cual era su mejor disposición en las torres. De estas pruebas concluí ( erroneamente ) que lo mejor era situarlos todos era en el centro de la estructura, para percutir y apagar los tubos justo en el centro de cada campana.


Una vez tuve claro como irían montados los solenoides de las baquetas y las sordinas, compré y adapte 24 unidades ( 12 para las baquetas o percutores y 12 para las sordinas ). A los 12 solenoides de los percutores les añadí un eje metálico con una pieza de madera con un poco de latex en su extremo ( la baqueta ) y también algunos elementos internos de acolchamiento para disminuir el sonido de las partes mecánicas. En los solenoides de las sordinas hice modificaciones similares, añadiendo un eje metálico con una almohadilla de fieltro y un soporte para esta en su extremo, que seriviría para amortiguar y apagar el sonido de los tubos. Los elementos de acolchamiento eran básicamente neopreno y fieltro, y en algún caso pequeños trozos de algodón sanitario compactado ( asi se disminuye el 'click' producido por los solenoides y otras piezas del sistema al moverse ).
 
Llegados a este punto ya tenía los 12 solenoides y las 12 sordinas listas. Lo siguiente era construir la electrónica necesaria para controlarlos. La pieza principal de esta electrónica sería la placa de desarrollo Synth Core B que cree un par de años antes, la cual , exceptuando la parte de potencia necesaria para mover los solenoides, disponía de todos los elementos que necesitaba ( microcontrolador , MIDI, lectora SD, LCD, GPIOS para los pulsadores y LEDs etc. ).

Tal como plantee en las especificaciones iniciales, la idea era que el instrumento pudiera ser controlado vía MIDI desde un ordenador personal o desde cualquier otro controlador. También debía disponer de una pequeña interfaz desde la que poder configurar algunos parámetros así como también reproducir ficheros MIDI guardados en la tarjeta SD. La placa Synth Core B ya disponía de casi todos los recursos necesarios para implementar la mayoría de requerimientos , y únicamente tuve que crear de cero la parte de control de los solenoides que consisitiría en transistores de tipo FET conectados al bus de expansión de la placa a través de un par de integrados de expansión de puertos. Una vez hube terminado la electrónica la instale toda en una caja ( placas, pulsadores, LCD, conectores etc.) que más tarde conectaría a las torres mediante 3 mangueras de cables con conectores DB-25. Me costó encontrar cables prolongadores DB-25 con las características que necesitaba y esto me obligo a consturírmelos yo mismo, lo que me consumio un un tiempo considerable si tenemos en cuenta que son 3 mangueras con 25 cables de 2m cada una ( con su funda Flexo Pet TechFlex Expandable )

El siguiente paso fué desarrollar el firmware para controlar la electrónica y solenoides. Para ello aproveché los recursos que me ofrecían las librerias Synth Core Libs que cree tiempo atrás para la placa de desarrollo, y a parte de la propia aplicación de control del sistema, sólo tuve que añadir librerias para controlar los extensores de puertos ylos transistores FET.
 
Una vez tuve las 12 baquetas, las 12 sordinas y la electrónica para controlarlos listas, tocaba montarlos en las torres de las ATB para hacer las primeras pruebas serias. Pero después de darle unas cuantas vueltas al tema, pensé que lo mejor sería no reaprovechar la estructura y tubos de las ATB, y preparar unos tubos nuevos y una nueva estructura de soporte para estos. Esto me permitiría ajustar el diseño del soporte a las peculiaridades de los nuevos actuadores y también incrementar el tamaño de los tubos dando así al instrumento un poco más de presencia.

Después de hacer algún esquema a lápiz y un par de modelos con el “Sketch Up” decidí construir una única torre de 1m de altura que serviría de soporte para los 12 tubos. Justo en el medio de la torre iría el cabezal con las baquetas y sordinas, y en la base, la caja de conexiones y otros conectores hacia la unidad de control.

Con el nuevo diseño del soporte claro, compré los materiales ( madera DM negra y otros componentes de ferretería como barras roscadas, tornillos etc. ) y lo construí. También tuve que preparar los tubos de aluminio de las campanas, cada uno de los cuales debía estar correctamente afinado a la frecuencia de cada una de las notas de la octava ( la preparación y afinación de los tubos es una tarea un tanto compleja que requeriria de una página a parte ) .

Una vez hube construido la nueva estructura, coloqué el cabezal central con los solenoides y sordinas y a continuación colgué los tubos. Revisé las conexiones, lo conecté todo a la caja de control e hice algunas pruebas enviando secuencias de notas vía MIDI desde un PC.
 
El resultado de las primeras pruebas no fué el esperado: cuando activaba las sordinas estas empujaban los tubo hacia adelante de forma que luego al soltarlo este “bailaba”. Esto causaba que luego, en ocasiones, la baqueta no golpeara correctamente. Además la sordina no acababa de apagar del todo el sonido. Estos fallos me llevaron a buscar una nueva ubicación para las sordinas, y después de varias pruebas decidí situarlas en la base de los tubos. Monté las nuevas sordinas en la base de la estructura próximas a los extremos de los tubos y volví a probar. Estas funcionaban bastante mejor y fue su ubiación definitiva, ahora apagaban bastante mejor el sonido y no hacian bailar los tubos.


También tuve que hacer correcciones en el sistema de baquetas, porque con todo montado y tras cambiar la ubicación de las sordinas, vi que no sonaban del todo bien, ya que al golpear los tubos también apagaban un poco las notas. Las rediseñé para que su movimiento e impacto sobre los tubos fuera más similar al de unas baquetas de verdad y tras algunas pruebas con diferentes configuraciones y materiales llegué al diseño definitivo que aparece en las fotos.


Después de construir las nuevas baquetas, las monté en la torre y volví a probar el instrumento. A mi pesar, vi que aunque el diseño de la mecánica y la nueva ubicación de los elementos eran buenos, algunos solenoides no acababan de tener suficiente fuerza para mover las baquetas. Esto me obligó a sustituir los 12 solenoides de las baquetas por 12 solenoides nuevos más potentes capaces de mover el nuevo sistema de baquetas. Una vez sustituidos los viejos solenoides, monté los nuevos sistemas de baquetas en la nueva estructura con las sordinas ubicadas en la base, al extremo de los tubos, y esta vez sí, todo funcionó bastante bien.
 
Llegados a este punto ya tenía la electrónica y mecánica ( torre, tubos, sordinas, baquetas … ) listas y solo me quedaba implementar algunas de las funcionalidades software que dejé pendientes. Me puse manos a la obra y añadi algunas de las siguientes funcionalidades:
- Con uno de los interruptores del frontal se pueden activar o desactivar la sordinas, lo que permite seleccionar el modo en que se apaga el sonido de los tubos. Con las sordinas activadas el sonido se apaga al recibir el evento MIDI Note Off, con estas desactivadas se deja que el sonido de los tubos se apague solo.
- La placa incorpora un reloj RTC y supercap de backup que le permite conservar la hora y utilizar el instrumento como si fuera un reloj de carrillon. La hora, alarmas y modo de marcadao de la hora se configuran mediante las opciones de hora que he incorporado al menu y un fichero .xml contenido en la SD. Se puede especificar el rango de horas en que el reloj esta activo asi com tambien el fichero MIDI y hora del dia en que se ha de tocar.
- Una de las opciones activa secuencialmente los diferentes tubos para validar que el comportamiento de estos es el correcto.
 
El resultado es el que se puede ver en las fotos y videos. En general estoy bastante contento con el nuevo instrumento, pero como no, aún hay cosas que me gustaria mejorar ( una excuas para contruri una tercera versión :) ):
- Conseguir mayor control en el movimiento de los actuadores para regular la intensidad de las notas ( quizas usando servos, o algun tipo de PWM con los solenoides ) . El actual sistema de control de fuerza de los solenoides no es muy preciso y el único control possible es la duración del pulso enviado a los solenoides. Asi por ahora el unico modo eficaz de controlar el volumen de estos es mediante las sordinas, lo que da una capacidad de expresión limitada. Se puede controlar la duración de la nota, pero no tanto el volumen.
- Perfeccionar el sistema de afinado de los tubos, ya que el que he utilizado hasta ahora es bastante laborioso y artesanal, y aunque la frecuencia fundamental de estos es la correcta, en algun caso presentan harmónicos que "enrarecen" un tanto el sonido y hacen que parezca desafinado.
- Mejorar la mecánica de las baquetas, para incrementar la precision y fiabilidad del instrumento.
- A\F1adir la opcion de poder conectar varios equipos ( asociando rangos de notas MIDI a un mismo canal ) y crear una especie de orquesta de ETBs.

  
Videos mostrando las opciones de control MIDI y el comportamiento de las baquetas y sordinas .

 
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A continuación encontrarás los esquemáticos de la placa de control de los solenoides y el firmware del instrumento. El firmware se ejecuta en la placa Synth Core B. La información de la plataforma Synth Core B usada en el instrumento se encuentra en la sección de descargas de la página del proyecto Synth Core B .


Esquemáticos de la placa de control de los solenoides de las baquetas y sordinas.
 
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