Version du 19 février 2018 à 15:35

Présentation générale

• Titre : Tribute to Peter Vogel - musique cybernétique
• Description : Conception et réalisation d'une "oeuvre d'art" interactive sur le modèle des oeuvres de Peter Vogel.

Objectifs

Peter Vogel est un physicien allemand, décédé en mai 2017. Celui-ci consacra sa vie à la réalisation d'oeuvres cybernétiques. il attachait une importance particulière à l'interaction entre l'oeuvre et l'homme. Notre objectif est de rendre hommage a son travail. Pour cela, nous allons construire une sculpture munie de capteurs photo-sensibles qui permettront à l'usager d'altérer une séquence musicale qui serait émise grâce à des haut-parleurs.

Positionnement par rapport à l'existant

L'oeuvre de Peter Vogel est complexe. Nous utiliserons les moyens qui nous sont mis à disposition afin de lui être le plus fidèle. Notre oeuvre, contrairement à celles de Peter Vogel, sera centrée autour d'un micro-contrôleur.

Analyse du projet

Analyse de la concurrence

Notre projet est un hommage à Peter Vogel. Notre but n'est pas d'entrer en concurrence avec ce dernier, mais de construire une oeuvre originale dans laquelle son travail se reflètera.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Deux étudiants passionnés de musique cherchent désespérément un moyen d’allier leur passion pour la musique à leurs connaissances acquises lors de la formation ima à polytech.

Ces derniers tombent par hasard lors de l’une de leur sorties culturelles à Dunkerque sur une exposition rétrospective de Peter Vogel, décédé en début d’année 2017.

Intéressé par ce travail atypique mêlant la dimension de temps représentée par l’interaction de l’utilisateur aux deux dimensions spatiales sur lesquelles se projette l’oeuvre, ils se renseignent sur son travail. Ils décident alors de rendre hommage à cet artiste en réalisant une sculpture interactive à leur manière. Ils décident de réaliser cette structure à l’effigie de l’école qui leur a apportée les connaissances nécessaires à la réalisation de ce projet.

Cette structure utilisera les ombres de l’utilisateur pour son fonctionnement afin d’être fidèle à péter vogel. Elle mêlera électronique musique et automatisme.

Kevin, étudiant dépressif en classe préparatoire sera alors heureux de découvrir aux portes ouvertes de l’école une expérience musicale interactive mettant en valeur la filière Ima. Il décidera alors de s’inscrire dans cette filière après ses concours.

Réponse à la question difficile

Comment assurer la sécurité de l'usager ? ( la structure étant continuellement alimentée)

• perimètre de sécurité.
• placer la structure derrière une vitre.

Préparation du projet

Cahier des charges

Choix techniques : matériel et logiciel

Partie matériel

La description du matériel nécessaire se fait en séparant notre oeuvre en plusieurs bloc fonctionnels :

Structure + Alimentation

• 2* Barres en Aluminium (à déterminer)
• 1* Alimentation PS1220N 12Vcc/2A [1]

Commande 1 : Photorésistances

• 20* Amplificateur opérationnel LM358N [2]
• 15* Résistances 68Kohm [3]
• 15* Photorésistances LDR04 [4]
• 12* Potentiomètres linéaires 100k [5]
• 15* Résistances 4,7Kohm [6]
• 15* Résistances 1Kohm [7]
• 15* Transistors NPN 2N3904 [8]

Commande 2 : Séquenceur Arduino

• 1* Socket Solder Trail [9]
• 1* Atmega 328p [10]
• 1* Led verte [11]
• 1* Résistance 330ohms 1/6th Watt Pth[12]
• 1* bouton poussoir [13]
• 2* Condensateurs découplages 10µF [14]
• 2* Condensateurs céramiques 22pF [15]
• 1* Régulateur de tension [16]
• 1* Cristal 16Mhz [17]
• 3* Female headers [18]

Oscillateurs + Haut parleur(VCO)

• 10* Résistances 1Kohm [19]
• 10* Potentiomètres linéaires 10k [20]
• 10* Résistances 100Kohm [21]
• 10* Condensateurs 10µF [22]
• 10* Transistors NPN 2N3904 [23]
• 70* Leds rouges [24]
• 2* Haut-parleur 2W [25]

Filtre Passe-bas

• 1* Led blanche [26]
• 1* Condensateur 100nF [27]
• 1* Photorésistances LDR04 [28]

Partie mobile

• 2* Petits moteurs [29]

La méthode de contrôle des moteurs et les composants nécessaires sont encore à déterminer. Nous nous concentrerons sur cette partie en dernier. Cette fonctionnalité étant indépendante du reste de circuit, cela ne pose pas de problème.

Partie logiciel

Arduino IDE, Altium Designer, Atmega 328p Programmer

Liste des tâches à effectuer

1. Dimensionnement : Analyse de la puissance totale nécessaire et de la mise en cascade des différentes parties.
2. Simulation logicielle (LTspice) : phase de Test, vérification de l'étude théorique.
3. Réalisation des 8 oscillateurs
4. Réalisation de la commande basée sur les photorésistances
5. Conception de l'arduino Uno
6. Programme de contrôle séquencé des oscillateurs
7. Création du circuit de sélection (Commande manuelle/Commande automatique)
8. Réalisation + test du filtre RC à fréquence de coupure variable
9. Gestion de l'alimentation des LED
10. Alimentation de la partie moteur
11. Alimentation du Haut-parleur
12. Réalisation de la structure métallique
13. Soudure des différents blocs fonctionnels sur la structure + phases de test

Calendrier prévisionnel

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Prologue

Lorsque nous avions choisi le sujet nous ne savions pas exactement dans quoi nous étions en train de nous embarquer. Nous savions que Peter Vogel était un artiste cybernétique mêlant l'électronique à la musique dans le but de créer des œuvres interactives. C'était alors à nous de proposer une oeuvre qui, au-delà de son aspect technique, représenterait l'école.

Très vite notre choix de forme de la structure s'est portée vers le "P", logo officiel du réseau Polytech. Nous avons donc, en vue d'une présentation devant nos tuteurs, commencé à réfléchir aux différentes fonctionnalités qu'aurait notre sculpture. De cette réflexion est sortie une première ébauche de notre oeuvre :

Voici les différentes fonctionnalités que devait avoir notre sculpture selon notre première réflexion :

Les oscillateurs

Les oscillateurs sont la base même de notre oeuvre. En effet, ce sont eux qui vont produire le son lorsqu'ils seront alimentés. Il sont au nombre de 8 (équivalent à une gamme) et répartis tout autour de l'oeuvre. Il existe plusieurs manière de réaliser un VCO pour une une application audio. Notre choix s'est porté vers une solution simple proposée par un artiste anglais (Look Mum No Computer):

En travaillant dans la zone d'avalanche du transistor, il nous est possible de récupérer un signal triangulaire aux bornes de la capacité. Le potentiomètre permet à l'utilisateur de régler la tonalité de chaque oscillateur.

La commande des oscillateurs

Le but premier de notre oeuvre est d'introduire l'interactivité avec l'usager à la manière de Peter Vogel. Pour rappel ce dernier se servait de photorésistances afin d'utiliser l'ombre de l'utilisateur pour activer/désactiver certains sons/mouvements. La présence de photo résistances était donc indispensable.

Nous avons cependant décidé d'introduire un second mode de fonctionnement. Il sera alors possible de changer d'un mode à l'autre à l'aide d'un switch présent sur la structure même.

Commande n°1 : Circuit photo-résistif

Dans ce mode, il sera possible pour l'utilisateur d'activer les notes comme un synthétiseur lorsque son ombre passera sur l'une des photorésistance. Comme vous l'aurez compris, chaque oscillateur aura son propre circuit de commande photo-résistif. Il sera possible en théorie de faire plusieurs notes en même temps. La sculpture se présentera alors comme un clavier sans fil sur lequel le musicien jouera à l'aide de son ombre.

Commande n°2 : Le séquenceur

Un séquenceur (Yamaha QY10, en haut) commandant un synthétiseur (en bas)

En musique, un séquenceur est un outil capable d'enregistrer et exécuter une séquence de commandes (par exemple une partition) permettant de piloter des instruments de musique électronique. Il ne produit aucun son par lui-même, mais sert à automatiser l’exécution d'une séquence musicale.

Notre but dans ce mode de fonctionnement est alors de faire jouer les 8 notes de manière séquencée. La séquence peut prendre plusieurs formes : sens trigonométrique, anti-trigonométrique, aléatoire. Le moyen le plus simple pour faire cela est d'utiliser une micro-contrôleur programmable (type Atmega328p). Ce dernier enverra alors, selon la séquence programmée, une tension de 5v à l'oscillateur concerné afin de l'activer. Il faudra prendre soin de programmer toutes les séquences voulu avant l'installation sur la structure. En effet, comme nous soudons tout les composants à même la structure (comme nous l'impose l'oeuvre de Peter Vogel), il sera difficile voir impossible de retirer l'Atmega pour le reprogrammer.

Une photo-résistance sera présente pour changer le mode de séquençage.

Et les LEDS dans tout ça ?

Les leds présentes sur le schéma (formant les lettres de Polytech) seront commandées en même temps que les oscillateurs. Lorsqu'une note sera active, la lettre correspondante sera illuminée.

Le Filtre RC

Nous n'étions pas certains d'ajouter cette fonctionnalité au départ. En effet le filtre RC est un simple filtre passe-bas permettant de couper les hautes fréquences du son, provoquant alors un effet d'atténuation, d'étouffement. Nous pensions juste inclure ce filtre au circuit et de commander son activation/désactivation à l'aide d'une photo-résistance. Mais cela n'avait pas de grand intérêt, si ce n'est d'ajouter un fonctionnalité.

Puis nous avons pensé à une réalisation différente (encore une fois grâce au site de Look Mum No Computer). En effet, la fréquence de coupure étant définie par la valeur de la capacité et la résistance, celle si peut être modifiée si on change une de ces deux dernières valeurs. Réaliser une capacité variable est possible, mais bien plus compliqué qu'une résistance variable. Pour cette dernière, il suffit de mettre un potentiomètre ou... une photo résistance !

Le principe est simple, à l'aide d'un oscillateur basse fréquence on alimente une led blanche, qui clignotera à la fréquence de l'oscillateur. En mettant cette led en face d'une photorésistance, on récupère une résistance variant à la fréquence de l'oscillateur également. Cela fera "osciller" la fréquence de coupure dans une certaine plage de fréquence, produisant alors sur le son un effet oscillant.

Ce montage permet de faire un usage différent des photorésistances.

Partie Mobile : banderole

Afin d'ajouter la notion de mouvement (présente chez Peter Vogel comme sur l'oeuvre Shadow Orchestra), nous voulions créer une banderole défilante. Nous avons imaginé plusieurs petit panneaux portant des inscriptions défilants à l'aide de deux moteurs. Attachés par des chaines, ils seraient fixés à un système de deux pivots permettant le défilement.

Nous n'avons pas étudié cette fonctionnalité en profondeur, le temps de travail pour le reste étant déjà conséquent. Ce système peut être vu comme un "bonus" qui sera réalisé si l'aspect musical de l'oeuvre est fonctionnel.

Semaine 1

Avant de nous lancer dans les différentes simulations et réalisation, nous devions passer par une phase de réflexion. En effet, afin d'être en mesure de passer les commandes de matériel, il nous fallait réfléchir à chaque bloc fonctionnel et adopter la solution la plus appropriée.

Dans un premier temps nous avons élaboré une vue d'ensemble du système, avant d'étudier les blocs fonctionnels indépendamment :

Le bloc fonctionnel permettant d'alterner entre commande manuelle et commande séquencée est encore à déterminer.

Le choix des oscillateurs étant déjà fait, nous nous sommes donc penchés sur le circuit de commande photo-résistif.

Fonctionnement du circuit de commande photo-résistif

Après avoir analysé plusieurs solutions nous avons retenu celle-ci, de part sa simplicité et son efficacité dans notre application :

Le principe de ce montage est assez simple :

• La cellule photorésistante est associée à une résistance afin de former un pont diviseur résistif qui fournit une tension dont la valeur est fonction de l'éclairement.

• Le potentiomètre, monté en pont diviseur également, fourni une tension dont la valeur est ajustable et permet d'ajuster la sensibilité, c'est à dire de modifier le seuil de luminosité à partir duquel le montage entre en action.

• Nous disposons donc d'une part une tension dont la valeur dépend du taux d'éclairement, et d'autre part d'une tension dont la valeur est déterminée par la position du curseur de P1. Ces deux tensions sont comparées par l'AOP U1. Par exemple, si que le potentiomètre P1 est en position centrale, la tension sur son curseur est donc d'environ 6V par rapport à la masse (la moitié de la tension d'alimentation générale). Lorsque la cellule photo-résistante est dans le noir, sa résistivité est très grande, la tension présente sur l'entrée non inverseuse de l'AOP est donc grande aussi, supérieure à la tension de référence. Ainsi, la sortie de l'AOP est positive et le transistor Q1 conduit.

Si la cellule est éclairée, sa résistance ohmique chute énormément et la tension à ses bornes diminue en conséquence, suffisamment pour passer en-dessous du seuil de commutation. Dans ces conditions, la sortie de l'AOP passe à 0V (à 1V en réalité car le circuit n'est pas parfait), et le transistor se bloque.

Remarques :

• En l'absence de la résistance R4, nous aurions la présence d'une tension suffisante sur la base du transistor pour le mettre en conduction (car l'AOP sort 1V et non 0V). La résistance R4 forme avec R3 un pont diviseur résistif qui divise environ par 5 ou 6 la tension fournie par l'AOP. Quand ce dernier sort 1V, il ne reste qu'environ 200 mV sur la base de Q1, ce qui est insuffisant pour le faire conduire.

• Dans les montages que nous avons étudié, nous avons remarqué la possibilité d'ajouter une boucle de contre réaction. Cette dernière permettrait de gérer la transition passant/bloqué du transistor. En effet en jouant sur le taux de contre réaction on peut faire travailler l'AOP plutôt en mode comparateur (transition brutale) ou en mode amplicateur (transition progressive). Dans notre cas, nous voulons une transition brutale, atteinte à l'aide d'une résistance élevée sur la boucle de contre réaction. Supprimer cette boucle revient à imposer une résistance quasi-infinie, et convient donc dans notre cas.

Semaine 2

La fonction mélangeur

L'objectif avec cette fonction est de créer une petite table de mixage. Celle-ci sera rudimentaire et n'inclura qu'un unique mélangeur. Ce mélangeur a pour but, comme son nom l'indique, de mixer les signaux issus des oscillateurs afin d'être ensuite amplifiés avant d'attaquer l'unique haut-parleur de notre montage. La synoptique du circuit de la figure 3 montre que l'oscillateur est directement relié au haut-parleur. Un tel montage aurait été viable si nous avions un haut-parleur par oscillateur Ce n'est pas le cas d'où l'intérêt de placer un mélangeur entre ces ces éléments de notre circuit.
Voici le schéma de principe du mélangeur que nous utiliserons.

L'équation du montage est la suivante :
Si on souhaite avoir un gain identique pour chaque piste, chaque coefficient aura pour expression: Ainsi, en posant on obtient :

On obtient donc en sortie de notre mélangeur un signal formé par la somme des 8 signaux de nos oscillateurs. Pour l'instant le résultat est assez imprévisible. Il faut choisir judicieusement R et R' de façon à ce que le signal Vs ne soit si trop faible si un seul des oscillateurs est en régime de fonctionnement, ni trop grand si tous les oscillateurs fonctionnent en même temps. Il sera éventuellement nécessaire de placer en sortie de cet étage un autre montage inverseur de gain égal à -1 pour "réinverser" le signal.

La commande manuelle/automatique

Nous l'avons brièvement expliqué dans le prologue du projet. Notre désir est de pouvoir faire fonctionner le circuit soit en mode manuel, à l'aide des capteurs, soit en mode automatique. Pour ce dernier cas, l'Arduino permettra de faire la commande de chaque oscillateur.
Voici le schéma décrivant la commande d'un unique oscillateur :

Les éléments 1, 2 et 3, encore indéterminés pour le moment serviront de dispositifs bloquants les signaux ou les laissant passer. Lorsque le buffer n°1 est passant, le montage est en mode manuel. L'utilisateur peut actionner à sa guise les oscillateurs de son choix à l'aide des photo-résistances. Lorsque le mode automatique est activé, le buffer n°1 est bloquant, le buffer n°2 est alors passant. Précisons que dans ce cas, les 8 buffer n°2 sont passants. L'Arduino doit donc actionner à tour de rôle les 8 oscillateurs du circuit. L'élément 3, pour l'instant un transistor, servira simplement de commande de l'oscillateur. Le transistor doit fonctionner en commutation pour remplir la fonction voulue, en alternant les modes bloquants et passants. Lorsque la tension sur la grille est suffisante, le transistor est passant et inversement lorsque la tension sur la grille est insuffisante.

Semaine 3

Réalisation de l'oscillateur

Nous avons entrepris cette semaine de tester l'oscillateur avec utilisé en mode avalanche. Le schéma ci-dessus refait état du schéma de la figure 1.

A l'oscilloscope, observe en voie A un signal composé d'une tension continu d'environ 10 volts et un signal en dent de scie résultant de la charge et de la décharge brutale du condensateur à travers le transistor.

Nous avons ici choisi des valeurs bien spécifiques pour R et C. On constate qu'en modifiant la valeur de la capacité, le signal devient plus aigu ou plus grave. Plus la capacité a une valeur élevé, plus le son sera grave ( le condensateur se décharge plus lentement : la période du signal est donc plus grande). Inversement, en utilisant un condensateur de plus faible valeur, le son produit est plus aigu. En réalité, en ajustant soit la valeur de R soit la valeur de C, on modifie la constante de temps et concomitamment la période du signal.

Nous pouvons souligné quelques observations qui nous semblent pertinentes :

• Nous ne pouvions faire fonctionner ce circuit avec tous les transistors. Certains ne semblent pas en effet supporter ce genre de traitement.
• Lorsqu'un haut-parleur est placé aux bornes de la capacité, le signal qui l'attaque ne permet pas de produire le moindre son. La composante continue du signal serait-elle responsable ?

Semaine 4

Tests oscillateurs

(à compléter Antoine !) Cette semaine nous avons entrepris de faire les soudures "à la Peter Vogel" pour notre oscillateur. Les tests étaient concluants mais nous nous sommes rendus compte qu'il serait nécessaire un amplificateur de puissance en sortie d'étage ( ou plutôt en sortie de l'étage du mélangeur). Le signal obtenu est trop faible et presque inaudible, d'où la nécessité d'amplifier le signal triangulaire.

Tests circuit de commande

Cette semaine nous avons testé le circuit électronique dont le synoptique est donné à la figure 4. La première étape à réaliser avant de réaliser le circuit fut de tester certains composants. Le composant qui permet d'activer le circuit est la photo-résistance (LDR), dont la résistance équivalente varie selon l'intensité de lumière à laquelle elle est exposée. Le circuit électrique dont nous nous sommes inspirés pour réaliser notre projet considère que la LDR est exposée soit à la lumière du jour, soit à l'obscurité de la nuit. La variation de lumière est donc très importante (quelques centaine d'ohms à plusieurs centaines de milliers.).
Or notre circuit est constamment exposé à la lumière. Il faut simplement qu'une personne passe sa main devant le spot pour que la LDR ne soit plus éclairée. Mais il y a toujours un peu de lumière parasite et la variation de lumière sur la LDR est donc très faible; de façon concomitante la plage de variation de la résistance est relativement réduite.
Par conséquent, le pont diviseur de tension en aval de l'AOP doit être calibré à partir de la plage de variation de la photo-résistance. En première approximation, nous avons constaté que la résistance Rvar de la LDR variait entre 150 et 1000 ohms. La résistance R1 ( voir fig. 4 ) doit donc être suffisamment faible pour que la tension présentée sur l'entrée non-inverseuse de l'AOP puisse être comparable à celle obtenue grâce au potentiomètre.

Si R1 >> Rvar (quelque soit Rvar dans sa plage de variation) alors la tension V+ sur l'entrée non-inverseuse est proche de 0. Ce qui rend la comparaison avec V- impossible.

Pour notre test, nous avons donc choisi une résistance R1 de 390 ohms. Ce qui permet, après calcul, d'obtenir une tension V+ variant entre 3V et 7V selon que la LDR est illuminée ou non. Il faut ensuite régler le potentiomètre de façon à ce que la différence entre V- et V+ soit toujours assez nette. Si la différence n'est pas suffisante, le bruit peut faire basculer successivement l'AOP d'un état de saturation à un autre. On retrouve alors en sortie de l'AOP un signal en créneau, alternant entre 12V et 0V.

La deuxième partie du circuit en sortie d'AOP est composée d'un deuxième diviseur de tension. Nous avons déjà parlé ci-dessus, celui-ci permet de faire en sorte que la tension Vbe soit de 200mV ( transistor bloquant) ou > 1V ( transistor passant). Cependant, nous nous sommes rendus compte que le résultat escompté n'était pas toujours au rendez-vous au fur et à mesure que nous exécutions nos tests. En effet, le circuit fonctionne convenablement lorsque la tension Vcc vaut 10V mais lorsqu'on augmente la tension VCC, le transistor est continuellement passant, et ce quelque soit la valeur de la sortie de l'AOP ( 1V ou 11V). C'est un point qu'il nous faudra éclaircir par la suite.
Autre problème à résoudre : lorsque le transistor est passant, le courant de base Ib est trop important. L'amplification induite par le transistor donne un débit trop important ( 140mA pour un seul circuit de commande alors qu'il nous en faut 8 !). Il faudra donc régler ce problème en veillant à ce que le courant Ib ne soit pas trop important ( et que l'amplification du transistor soit donc assez faible.

Semaine 5

Arduino : multiplexage des sorties pour le mode automatique du circuit

L'Arduino est censé commander un à un chaque oscillateur lorsque le circuit est en mode automatique. Or nous avons 8 oscillateurs à commander. L'Arduino n'a pas suffisamment de sorties pour chaque oscillateur. Il nous faut donc utiliser un multiplexeur de façon à commander notre circuit.

(Schéma à ajouter ici, présentant les entrées et sorties de l'Arduino.)

Il nous faudrait donc 3 sorties pour choisir parmi les 8 oscillateurs lequel alimenter, deux sorties commandant les buffers selon le mode choisi et une entrée qui permet de choisir le mode ( automatique ou manuelle). ( schéma !)

Le CD405xB est un multiplexeur que nous pourrions utiliser. Sa fiche technique est donnée ci-dessous. [30] ( section 9.2 intéressante)

schéma commande LDR et oscillateur

Ci-dessous est présenté le schéma ( avec des valeurs de résistance à revoir ) de commande d'un oscillateur par le biais d'un montage à LDR.

Amplification du signal

Amplificateur hybride LM386

Le signal en dent de scie récupéré en sortie de l'oscillateur se doit d'être amplifier. En effet, lorsque nous branchions un haut parleur en sortie, aucun son n'était produit. Nous avons vérifié la présence effective du signal à l'aide du module TIMS présent dans les salles de TP.

Le but était donc de trouver un montage amplificateur audio simple afin de faire nos test sur une ligne de commande. Après discussion, nous avons convenu que la solution la plus efficace serait d'utiliser un amplificateur hybride audio de type LM386. Le montage réalisé à été inspiré par cette vidéo.

En effet, comme nous devons souder nos composants en dur sur la structure externe, un amplificateur hybride nous permet de réduire le nombre de composants. Le schéma d’amplification se trouve ci dessous, il se situera notamment a la sortie du mélangeur. Ici pour notre prototype de test, nous l'avons mis à la sortie d'un seul ensemble LDR/oscillateur.

Rôle des différents composants :

• La capacité placée entre la broche 7 de l'amplificateur et la masse réalise en quelque sorte un "filtrage". Elle sert à assurer que le bruit provenant de l'alimentation ne passe pas dans le circuit amplificateur.

• La capacité de 1000µF en sortie de l'amplificateur sert à assurer que la composante continue du signal n'aille pas vers haut-parleur. Le cas échéant pourrait endommager ce dernier.

• Sans la capacité de 100nF, le son ne serait pas audible. En effet lorsqu'on enlève celle-ci, on observe à l'oscilloscope (lorsque l'on injecte une source audio quelconque) qu'un bruit important s'ajoute au signal. Ce bruit, ayant une fréquence d'environ 2 Mhz, peut se filtrer grâce à la capacité, permettant d'amener toute les hautes fréquences indésirables à la masse.

Problème : Nécessité du pré-amplifcateur

Documents Rendus