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DESARROLLO DE UN DISPOSITIVO HARDWARE PARA LA SECUENCIA DE RITMOS A TRAVÉS DE UN SET DE BATERIA

DAVID ESTEBAN PIÑEROS HERNÁNDEZ CARLOS ALBERTO POVEDA LINARES

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA DE SONIDO BOGOTA D.C

2011

DESARROLLO DE UN DISPOSITIVO HARDWARE PARA LA SECUENCIA DE RITMOS A TRAVÉS DE UN SET DE BATERIA

DAVID ESTEBAN PIÑEROS HERNÁNDEZ CARLOS ALBERTO POVEDA LINARES

Proyecto De Grado Para Optar Al Título De Ingeniero De Sonido

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA DE SONIDO BOGOTA D.C

2011

Nota de aceptación:

___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________ ___________________________

___________________________ Firma del presidente del jurado

___________________________ Firma del jurado

___________________________ Firma del jurado

Bogotá D.C., Mayo 25 de 2011

DEDICATORIA

Este proyecto está dedicado a nuestras familias, quienes con su inmenso amor y su incondicional apoyo permiten que cada uno de nuestros sueños se haga realidad………….. David Esteban Carlos Alberto

AGRADECIMIENTOS

Queremos agradecer a cada una de las personas que han contribuido en nuestra formación, tanto en el ámbito profesional como en el personal. A nuestros amigos con los que compartimos tantos buenos momentos, así mismo a cada uno de los docentes que participaron de forma directa o indirecta en nuestra formación académica.

CONTENIDO

pág.

INTRODUCCION 16 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18 1.1 ANTECEDENTES 18 1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 21 1.3 JUSTIFICACIÓN 22 1.4 OBJETIVOS 22 1.4.1 Objetivo principal 22 1.4.2 Objetivos específicos 22 1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES 23 1.5.1 Alcances 23 1.5.2 Limitaciones 24 2. MARCO DE REFERENCIA 25 2.1 MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL 25 2.1.1 Síntesis de sonido 25 2.1.2.1 Los componentes de un sintetizador analógico 26

2.1.4 El oscilador Controlado por voltaje (VCO) 26 2.1.5 El oscilador de baja frecuencia (LFO) 27 2.1.6 Filtro controlado por voltaje (VCF) 28 2.1.7 Amplificador controlado por voltaje (VCA) 28

2.1.8 Envolvente del sonido 33 2.1.9 Multiplexor 34 2.1.10 Secuenciador 35 2.1.11 Sampler (Reproducción de muestras) 35 2.1.12 Drum machine 36 2.1.13 Lenguaje de programación 37 2.1.14 Hardware de fuente abierta 37 2.1.15 Arduino 38 3. METODOLOGIA 40

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACION 40 3.2 / CAMPO DEL PROGRAMA 40 3.3 TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN 40 3.4 HIPÓTESIS 41 3.5 VARIABLES 41 3.5.1 Variables Independientes 41 3.5.2 Variables Dependientes 41 4. DESARROLLO INGENIERIL 42 4.1 Construcción de los circuitos para la sonoridad de los Instrumentos de un set de batería, a partir de síntesis análoga 42 4.1.1 Elementos Hardware 43 4.1.1.1 Generador de sonidos complejos SN 76477 43 4.1.1.2 Socket de 28 pines 45

4.1.1.3 Resistencias, condensadores y potenciómetros 45 4.1.1.4 Interruptores 45 4.1.2 Bombo (Bass Drum) 47 4.1.2.1 Oscilador controlado por voltaje VCO 48 4.1.2.2 Generador de ruido / filtro 48 4.1.2.3 Ataque y decaimiento (Attack / Decay) 49 4.1.2.4 Resistencias 50 4.1.2.6 Circuito 50 4.1.3 Redoblante (Snare Drum) 52 4.1.3.1 Oscilador controlado por voltaje VCO 52 4.1.3.2 Generador de ruido / filtro 53

4.1.3.3 Ataque y decaimiento (Attack / Decay) 54

4.1.3.4 Resistencias 54

4.1.3.6 Circuito 55

4.1.4 Hi-Hat (Charles) 57

4.1.4.1 Oscilador controlado por voltaje VCO 57

4.1.4.2 Generador de ruido / filtro 58

4.1.4.3 Ataque y decaimiento (Attack / Decay) 59

4.1.4.4 Resistencias 59

4.1.4.6 Circuito 60 4.1.5 Hi-Hat Abierto (Open Hi-Hat) 62

4.1.5.1 Oscilador controlado por voltaje VCO 62

4.1.5.2 Generador de ruido / filtro 63

4.1.5.3 Ataque y decaimiento (Attack / Decay) 64 4.1.5.4 Resistencias 64 4.1.5.6 Circuito 65 4.1.6 Platillo (Cymbal) 67 4.1.6.1 Oscilador controlado por voltaje VCO 67 4.1.6.2 Generador de ruido / filtro 68 4.1.6.3 Ataque y decaimiento (Attack / Decay) 69 4.1.6.4 Resistencias 69 4.1.6.6 Circuito 70 4.2 Programación del micro controlador para la recepción del patrón rítmico y posterior envió de la señal de activación de los instrumentos. 71 4.2.1 Plataforma de desarrollo 71 4.2.2 Software de programación 72 4.2.3 Código de programación 73 4.2.3.1 Steps 73 4.2.3.2 Inclusión de step 73 4.2.3.3 Arreglo para guardar 74 4.2.3.4 Configuración de pines (I/O Setup) 74 4.2.3.6 Asignación de los sonidos a un step 74 4.2.3.7 Ubicación del step en la línea de tiempo 76 4.2.3.8 Almacenamiento del sonido en el step 76 4.2.3.9 Reproducción 76 4.2.3.10 Diagrama del código 77

4.2.4 Circuito 78 4.3 Programación para la reproducción de los patrones predeterminados 81 4.3.1 Patrón rítmico Nº 1 82 4.3.2 Patrón rítmico Nº 2 82 4.3.3 Patrón rítmico Nº 3 83 4.3.4 Patrón rítmico Nº 4 83 4.4 Desarrollo y construcción de la interfaz hardware de usuario 84 4.4.1 Construcción y ergonomía 85 4.5 Diseño y construcción de una página Web que contenga la información del proyecto 87 4.5.1 Diseño de la página web 87 5. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 90 6. CONCLUSIONES 104 7. RECOMENDACIONES 105 BIBLIOGRAFÍA 106 GLOSARIO 107 ANEXOS 108

LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A. Código de programación primera parte 108 Anexo B. Código de programación segunda parte 109 Anexo C. Código de programación tercera parte 115

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Selección de envolvente 45 Tabla 2. Selección salida del mixer 46 Tabla 3 Valores de resistencias necesarias para el montaje del circuito 50 Tabla 4. Valores de resistencias necesarias para el montaje del circuito 55 Tabla 5. Valores de resistencias necesarias para el montaje del circuito 60 Tabla 6. Valores de resistencias necesarias para el montaje del circuito 65 Tabla 7. Valores de resistencias necesarias para el montaje del circuito 70

LISTA DE FIGURAS

pág. Figura 1. Onda de sierra (Sawtooth) 11 Figura 2. Onda cuadrada 11 Figura 3. Onda de triangulo 12 Figura 4. Ruido 12 Figura 5. Componentes de un sintetizador análogo (Diagrama de bloque) 15 Figura 6. Envolvente del sonido 18 Figura 7. Diagrama de bloques. (Funcionamiento) 27 Figura 8. Pines del SN 76477 27 Figura 9. Análisis espectral de un bombo 47 Figura 10. Circuito de montaje sonido del Bombo 50 Figura 11. Foto del montaje del circuito para la sonoridad del instrumento 51 Figura 12. Análisis espectral de un Redoblante 52 Figura 13. Circuito de montaje sonido del Redoblante 55 Figura 14. Foto del montaje del circuito para la sonoridad del instrumento 56 Figura 15. Análisis espectral de un Hi-Hat 57 Figura 16. Circuito de montaje sonido del Hi-Hat 60 Figura 17. Foto del montaje del circuito para la sonoridad del instrumento 61 Figura 18. Análisis espectral de un Open Hi-Hat 62 Figura 19. Circuito de montaje sonido del Hi-Hat abierto 65

Figura 20. Foto del montaje del circuito para la sonoridad del instrumento 66 Figura 21. Análisis espectral de un Platillo (Cymbal) 66 Figura 22. Circuito de montaje sonido del Platillo 67 Figura 23. Foto del montaje del circuito para la sonoridad del instrumento 67 Figura 24. Imagen frontal de la Arduino Uno 68 Figura 25. Configuración del NTE 4051 68 Figura 26. Diagrama de bloques del código de programación 27 Figura 27. Circuito de recepción del patrón rítmico y posterior envío de la señal de activación 69 Figura 28. Fotos del montaje del circuito para la recepción del patrón rítmico, y posterior envío de la señal de activación 83 Figura 29. Diagrama de bloque de la programación de patrones 81 Figura 30. Secuencia rítmica del patrón predeterminado Nº 1 82 Figura 31. Secuencia rítmica del patrón predeterminado Nº 2 82 Figura 32. Secuencia rítmica del patrón predeterminado Nº 3 83 Figura 33. Secuencia rítmica del patrón predeterminado Nº 4 83 Figura 34. Boceto de la interfaz hardware de usuario 86 Figura 35. Cortes para e Inicio de construcción del dispositivo 86 Figura 36. Distribución de perforaciones en el panel frontal del dispositivo 87 Figura 37. Disposición de botones pulsadores 88 Figura 38. Realizando las perforaciones para el ensamble de la caja 89 Figura 39. Ubicación de los PCB´s 89 Figura 40. Capturas de pantalla pagina web (Home) 90

Figura 41. Mapa del sitio web 91 Figura 42. Muestra generada por el circuito 91 Figura 43. Muestra real del Bombo (Bass Drum) 92 Figura 44. Envolvente de la señal generada por el circuito (Bass Drum) 93 Figura 45. Muestra generada por el circuito 93 Figura 46. Muestra real del redoblante (Snare) 94 Figura 47. Envolvente de la muestra generada por el circuito (Snare) 95 Figura 48. Muestra generada por el circuito 95 Figura 49. Muestra real del Hi hat. Figura 50. Envolvente de la muestra generada por el circuito (Hi Hat) 96 Figura 51. Muestra generada por el circuito 97 Figura 52. Muestra real de un Open Hi hat 97 Figura 53. Envolvente de la señal generada por el circuito (Open Hi hat) 98 Figura 54. Muestra generada por el circuito 99 Figura 55. Muestra real del Platillo (Cymbal) 99 Figura 56. Envolvente de la señal generada por el circuito (Cymbal) 100

INTRODUCCIÓN Las herramientas disponibles en el marco de la producción musical, para el procesamiento de señales digitales y análogas son diversas tanto en hardware como en software, cada vez adquieren un rol más importante estos dispositivos, que desempeñando el trabajo de generación y procesamiento de sonidos mediante una arquitectura a base de algoritmos representan una de las áreas más importantes de la ingeniería de sonido. Mediante la tecnología musical se han desarrollado diversos instrumentos musicales acústicos dentro de un sintetizador; es común encontrar pianos, trompetas, guitarras y varios instrumentos más que pueden ser generados a partir de circuitos eléctricos. Además de sintetizadores el secuenciador es la herramienta principal de composición, programación y control sobre los equipos de instrumentación electrónica musical (sintetizadores, samplers, cajas de ritmo, procesadores de señal, etc.). A diferencia de un secuenciador convencional, la caja de ritmos se basa en la programación de patrones, que son grupos limitados de compases que se reproducen de forma cíclica. Esto significa que una vez puesta en marcha, la caja de ritmos reproducirá el mismo patrón en bucle (loop) hasta que no se dé la orden de pasar a otro. La programación puede realizarse en tiempo real o bien por pasos, introduciendo las notas una a una sobre una gráfica de patrón, dividida en compases y subdividida según una cuantización prefijada por el usuario (negras, corcheas, semicorcheas, etc.). Otra diferencia es que en la caja de ritmos no existe el concepto de duración de nota, ya que siempre se reproduce la totalidad de cada sonido. Los sonidos están almacenados en forma de librería y se agrupan en forma de sets según su tipología (baterías acústicas, percusiones latinas, percusiones étnicas, electrónica, etc.). La capacidad de edición de éstos varía según las prestaciones del aparato, existiendo modelos muy potentes que se pueden considerar como verdaderos sintetizadores de percusión. La implementación de hardware libre en el desarrollo de este proyecto obliga acotar su significado y su filosofía. Es conocido por este nombre a los dispositivos cuyas especificaciones y diagramas esquemáticos son de acceso público, la filosofía es semejante a la de de software libre (las ideas sobre la libertad del conocimiento). Cabe recordar en todo momento que libre no es sinónimo de gratis.

La creación de recursos electrónicos destinados al procesamiento y manipulación de señales sonoras o musicales, acota y suministra los recursos necesarios para llevar a cabo la ejecución de este proyecto.

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 ANTECEDENTES El primer paso que se dio para la generación de formas de onda periódicas, fue por medio de las Series de Fourier que descompone la forma de una onda periódica en la suma de formas de ondas más sencillas, posteriormente esta teoría dio paso a uno de los primeros conceptos de síntesis aditiva[1]. Los primeros sintetizadores eran analógicos. Ellos se desarrollaron en varios momentos de pruebas con equipos electrónicos usados en laboratorios (generadores de señales, filtros, etc.) que fueron usados para producir la primera música electrónica. La idea importante era poner todos los módulos en una caja grande (o una serie de cajas), proporcionando un medio de conectar los módulos juntos y manteniendo un mecanismo normal para controlarlos. El resultado fue el sintetizador de voltaje controlado. El avance tecnológico que ha acogido a la electrónica en los últimos años, ha hecho posible que esta disciplina se haya introducido en todos los ambientes, asignaturas profesionales y hasta en nuestras casas. El campo de la tecnología musical no ha sido esquivo a los beneficios electrónicos, dándole el paso a nuevas maneras de generadores de sonido y equipos para su manipulación y grabación. Sin embargo el desarrollo de estos instrumentos se remota a 1964 cuando Robert Moog hace la presentación de su primer sintetizador llamado “Moog Modular Synthesizer, durante la Convención de la Ingeniería de Audio (Audio Engineering Society) celebrada en Los Ángeles”[2], esta fue una de las primeras máquinas análogas diseñadas para el procesamiento de señal sonora, basada en síntesis aditiva y sustractiva para la modificación de la misma. Entonces se da inicio al movimiento impulsor del proceso de globalización de los equipos electrónicos de audio, aplicados en el campo de la producción musical. El primer intento de crear un compositor de ritmos automático fue llevado a cabo entre 1930 y 1931 por el compositor estadounidense Henry Cowell y el ingeniero ruso Léo Theremin (inventor del conocido instrumento electrónico que lleva su

[1] ACEVEDO, RICARDO. TORRES, MANUEL. OCHOA, EDER. Banco de instrumentos musicales de viento colombianos emulados por síntesis de sonido, 2006. [2] GARCIA MARTÍNEZ, MAURICIO ALBERTO, RODRÍGUEZ GUEVARA, JUAN PABLO. Diseño e implementación de un Vocoder hardware digital, 2008.

nombre). Éste consistía en un complejo aparato electromecánico llamado Ritmicón. La secuencia rítmica era introducida por medio de un pequeño teclado musical y quedaba “grabada” en unos discos metálicos perforados. Al girar éstos permitían o interrumpían el paso de luz a través de unas células fotoeléctricas conectadas al generador de sonido. Los sonidos eran muy simples y se basaban en la adición y sustracción de un número limitado de armónicos generados por un oscilador de onda senoidal mediante tubos de vacío. El Rhythmicon pronto fue anulado por Cowell y fue prácticamente olvidada durante décadas, la próxima generación de máquinas de ritmo jugó sólo ritmos pre programados como mambo, tango, o similares. En 1947, California Harry Chamberlain construyó un bucle de cinta de máquina de percusión llamado Rhythmate Chamberlain, tenía 14 loops con una cabeza móvil que permite la reproducción de pistas diferentes en cada pedazo de cinta adhesiva, o una mezcla entre ellos, contenía un volumen y un tono / control de velocidad y también había un amplificador con graves, agudos, y controles de volumen, y un conector de entrada para una guitarra, un micrófono u otro instrumento. Los lazos de cinta eran de jazz acústico real, kits de batería estilo de juego diferentes ritmos, con algunas adiciones a las pistas, como los bongos, clave, castañuelas, etc. En 1959, Wurlitzer publicó una máquina electro-mecánica de tambor, la llamada Sideman, que fue la primera caja de ritmos comercialmente producida. El Sideman fue concebido como un acompañamiento de percusión para la gama del órgano Wurlitzer, esta caja de ritmos ofrecía una selección de doce patrones predefinidos de ritmo con ritmos variables generados electrónicamente. La fuente de sonido fue una serie de tubos de vacío que creaba diez sonidos predefinidos de batería electrónica, los sonidos de batería eran "secuenciados" por un disco giratorio con contactos de metal en toda su cara, espaciadas en un patrón determinado para generar partes de un ritmo particular. En 1960 Raymond Scott construyó el Rhythm Synthesizer[3], y en 1963 una caja de ritmos llamado Bandido del artista Bongo. Estas máquinas de Scott se utilizaron para la grabación de su infame serie “Soothing Sounds for Baby” (1964). Las primeras máquinas ritmo ampliamente disponibles en el comercio se incluyeron en los órganos en la década de 1960, y fueron destinadas a acompañar el organista.

[3] RUSS, MARTIN. Sound Synthesis and Sampling, tercera edición, 2009

En el caso de Ace Tone (más tarde llamado Roland), su primer éxito con caja de ritmos con patrones pre programados era el Rhythm Ace FR1 apareció en 1967. La respuesta positiva fue inmediata, y la FR1 fue adoptada por el órgano Hammond de la empresa para su incorporación dentro de su línea más reciente de los órganos. El Ace Rhythm era el único con un preset establecido, y no era posible para el usuario alterarlo o modificarlo. Una diferencia fundamental entre esas primeras máquinas y equipos más modernos, es que utiliza la síntesis de sonido analógica en vez de toma de muestras digitales a fin de generar sus sonidos, por ejemplo, un tambor o sonido de maracas, se tratará de crear con una filtración de ruido blanco mientras que un bombo de sonido se hará utilizando ondas sinusoidales o formas de onda básicas. Esto significa que mientras que el sonido resultante no era muy cercano a la del instrumento real, cada modelo tendía a tener un carácter único por esta razón, muchas de estas primeras máquinas han alcanzado un cierto "estatus de culto" y ahora son buscados por los productores para su utilización en la producción de música electrónica moderna. En 1978 la compañía japonesa Roland lanza la CR-78 que al igual que los sintetizadores de la época generaban el sonido de forma analógica. A la CR–78 le siguió la famosa serie TR que influyó de forma decisiva en la evolución de la música electrónica y el dance. Cabe destacar el célebre modelo TR–909 como un híbrido analógico y digital, ya que su generación de sonido aplicaba ambas tecnologías, además de implementar interfaz MIDI en lugar del control por voltaje (CV/Gate) que usaban sus predecesoras. Curiosamente esta caja de ritmos fue muy rechazada al principio ya que su sonido no era ni completamente electrónico ni completamente acústico, aunque hubo multitud de grupos, incluso rock, que la usaron como sustituto real a una batería acústica. Con el avance de la tecnología digital a mediados de los años 80 el sonido de las cajas de ritmo cambió radicalmente, al permitir trabajar directamente sobre muestras de sonido real, además de ofrecer la posibilidad de añadir nuevos sonidos mediante tarjetas de expansión. Algunos aparatos de última generación eran tan sofisticados que daban la posibilidad de añadir sutilmente el “error humano” en las secuencias, así como las diferencias que se producen al golpear los instrumentos en distintas zonas de su superficie. En la actualidad existen múltiples sistemas con características mucho más avanzadas y sofisticadas, encontramos herramientas de tipo software como el

Redrum, usado en Reason, desarrollado por la casa Propellerheads Software[4] o el FL Studio desarrollado por Imagine Line. En Colombia el desarrollo de la tecnología vía hardware es minimo ya que no existen muchos antecedentes productivos e investigativos que soporten la evidencia de gestión frente al tema. En la Universidad de San Buenaventura, no se han desarrollado proyectos de este tipo, pero si algunos cercanos o que tienen alguna afinidad con el tema. 1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA El proyecto busca implementar un sistema electrónico de audio que sea útil para el campo de la producción musical, obviamente sin excluir aquellas áreas de la ingeniería de sonido que requieran de su uso, por medio de la actividad con dispositivos de tipo hardware especializados en este campo. Además de esto busca construir un dispositivo electrónico de audio que a partir de un secuenciador y síntesis análoga nos permita crear patrones rítmicos, sin la necesidad de utilizar un computador. Esto es de vital importancia ya que el sonido análogo que se obtiene de este tipo de dispositivos posee matices diferentes al obtenido de la utilización de software y es por esta razón que este tipo de instrumentos es preferido por productores de diferentes géneros musicales tales como el pop, el hip hop y la música electrónica. Lastimosamente estas máquinas de ritmos han sido desplazadas por programas de producción musical e instrumentos virtuales VST`s, debido a que en Colombia su distribución es muy limitada y para acceder a estos dispositivos es necesario realizar importaciones, las cuales aumentan el precio, que de por sí ya es bastante elevado. De este modo formulamos la siguiente pregunta: ¿Cómo desarrollar un dispositivo hardware para la secuencia de ritmos a través de un set de batería, basado en la programación de patrones que se reproducen de forma cíclica? Interviniendo como ingenieros en la solución de este problema, se adquiere la capacidad de entender y manejar los aspectos técnicos referentes a la producción

[4] http://www.propellerheads.se/products/reason, Visitada el 05 de septiembre del 2009.

de este tipo de instrumentos, necesarios para enriquecer nuestra industria musical. 1.3 JUSTIFICACIÓN El diseño y construcción de este instrumento, amplia la perspectiva tecnológica relacionada a la producción musical existente en Colombia, donde es necesario alcanzar cierto nivel de innovación y tecnología, para la creación de empresa y sano desarrollo competitivo. Este proyecto se desarrolla con el fin de fomentar el diseño y la creación de dispositivos especializados en la composición, programación y reproducción de patrones rítmicos mediante un secuenciador interno y un generador de sonidos de percusión. Además de esto el trabajo es de interés para todas aquellas personas que busquen una forma diferente de realizar sus interpretaciones musicales mediante el uso de dispositivos electrónicos. Este trabajo generará impacto tecnológico en la ingeniería de sonido en el país, exactamente en las ramas de electrónica y síntesis de sonido; además pretende impulsar iniciativas de diseño y desarrollo en el campo del software y hardware dentro de la industria musical. 1.4 OBJETIVOS 1.4.1 Objetivo principal Desarrollar un dispositivo para la secuencia de ritmos a través de un set de una batería, implementando hardware libre. 1.4.2 Objetivos específicos

Generar a través de síntesis análoga la sonoridad de instrumentos de un set de batería.

Realizar la programación del microcontrolador para la recepción del patrón rítmico y posterior envió de la señal de activación de los instrumentos.

Desarrollar la interfaz hardware de usuario mediante la cual se programarán los patrones rítmicos.

Realizar la configuración de cuatro patrones rítmicos predeterminados para diferentes géneros musicales.

Desarrollar una página Web que contenga planos, y especificaciones del dispositivo.

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES 1.5.1 Alcances Con este proyecto se pretende generar un aporte importante en cuanto al diseño y desarrollo de elementos útiles de tipo hardware que contribuyan de manera significativa en la producción de audio profesional. Mediante este proyecto se aspira a mostrar las posibilidades en cuanto a diseño y construcción de sistemas para la aplicación de la síntesis análoga mediante la aplicación de circuitos electrónicos, además fomentar la investigación en el diseño de sistemas de sonido que puede convertirse en una importante herramienta de desarrollo tecnológico de nuestra industria musical. Implementar un dispositivo que sirva como herramienta de fácil uso y configuración para el control de señales generadas mediante síntesis análoga. Demostrar las posibilidades en cuanto diseño y construcción de sistemas para la aplicación de la síntesis análoga. Aportar al desarrollo de elementos útiles de tipo hardware que contribuyan en la producción de audio.

1.5.2 Limitaciones Las posibles limitaciones que se pueden presentar en este proyecto están relacionadas con la disponibilidad de los componentes para llevar a cabo el desarrollo del dispositivo. También los costos de la tecnología y herramientas para la implementación del proyecto.

2. MARCO DE REFERENCIA 2.1 MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL 2.1.1 Síntesis de sonido La síntesis de sonido, consiste en la obtención de sonidos a partir de medios no acústicos, como variaciones de voltaje, en el caso de la síntesis analógica o por medio de programas de computadora, en el caso de la síntesis digital, existen varios métodos de síntesis, entre ellos: 2.1.1.1 Síntesis aditiva La síntesis aditiva es una técnica de síntesis de sonido para crear timbres. Los timbres están formados por cantidades variables de armónicos o parciales que cambian a lo largo del tiempo con respecto a un tono o frecuencia fundamental. Los parciales son las ondas que complementan a la onda fundamental para crear un timbre, si las frecuencias de los parciales son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental son denominados parciales armónicos, y si son múltiplos reales son denominados no armónicos. En la síntesis aditiva es muy importante la utilización diferentes envolventes que se encargan del manejo la amplitud sobre cada parcial y es lo que estructura el comportamiento del sonido en el tiempo. Para realizar el proceso se hace necesario disponer de un banco de osciladores para que generaran las diferentes ondas que complementan la onda fundamental cada una con amplitudes y frecuencias diferentes además de su propia envolvente configurable de volumen, creándose un sonido dinámico y realista. 2.1.1.2 Síntesis sustractiva Es un método de síntesis donde una señal es generada por un oscilador y después filtrada. Esta señal puede tener diferentes tipos de forma, por lo tanto varia en su contenido armónico.

Anteriormente se lograba gracias a los circuitos electrónicos de los sintetizadores analógicos. Con el paso del tiempo la técnica se ha ido sofisticando y actualmente en prácticamente cualquier ordenador se puede realizar este procedimiento. Las formas de ondas base son: Onda diente de sierra (Sawtooth): Esta es una forma de onda muy 'brillante' (contiene todos los armónicos impares e iguales de la frecuencia original). Es muy bueno para triplicar sonidos y los barridos del filtro Figura 5 Onda de sierra (Sawtooth).

(http://slack.codemaniacs.com/blog/category/demoscene/) Onda cuadrada: Es mejor que una onda de sierra para los sonidos profundos del bajo, porque hay menos armónicos presentes para disimular la frecuencia real. A menudo usted puede modular la anchura del pulso que usa un LFO que estará constantemente cambiando, como el efecto del pie. Figura 6 Onda cuadrada.

(http://slack.codemaniacs.com/blog/category/demoscene/)

Onda de triangulo: Esta es muy cercana a una onda seno qué contiene sólo la frecuencia fundamental y ningún armónico. Es una forma de onda pura en el sonido, produciendo un sonido como el de una flauta. El filtro tendrá efecto pequeño en este tipo de onda. Figura 3 Onda de triangulo.

(http://slack.codemaniacs.com/blog/category/demoscene/) Ruido: Es una mezcla al azar de todas las frecuencias. Parece la clase de siseo que se oye en una radio cuando no se sintoniza bien una estación. Hay dos tipos de ruido: ruido blanco y ruido rosa en los que las frecuencias más bajas consiguen más énfasis. El ruido es bueno para los sonidos de los generadores de percusión como las baterías y las palmadas, para simular viento o el mar (cuando se pone a través de un filtro modulado por un LFO) y para los efectos de respiración en flauta y otros sonidos de instrumentos de viento. Figura 4 Ruido.

(http://4.bp.blogspot.com/s400/ruido.jpg)

La síntesis substractiva depende de los filtros, justamente a través de estos se produce un cambio en la señal. Las características de los filtros se determinan por su función de transferencia y su orden. La primera determina la forma en que la señal aplicada cambia en señal y amplitud al pasar por el filtro, la segunda describe el grado de aceptación o rechazo de frecuencias por encima o por debajo de la respectiva frecuencia de corte. En la práctica, para poder conseguir gamas más o menos amplias de sonidos mediante la variación del filtrado, es necesario que la onda de base sea rica en armónicos. En el caso de las formas de onda mencionadas, la que contiene más armónicos es la cuadrada, por lo que con frecuencia es la más empleada en este tipo de síntesis. Las ondas cuadradas y diente de sierra producen sonidos ásperos y agresivos, pero la aplicación de un filtro paso bajo consigue sonidos de diferentes colores. La mayoría de los sonidos electrónicos que imitan conjuntos de metales o cuerdas son generados mediante este método, variando, según el caso, la frecuencia de corte del filtro para conseguir sonidos con más o menos brillo. Los tres tipos de filtros más conocidos y utilizados son: Paso bajo (Low Pass): Permite el paso de frecuencias bajas y atenúa las frecuencias altas. Paso alto (High Pass): Permite el paso de frecuencias altas y atenúa las frecuencias bajas. Paso banda (Band Pass): Permite pasar solo un rango determinado de frecuencias. 2.1.1.3 Síntesis por modulación Comprende los métodos en los que se altera algún parámetro de una onda en razón de otra onda, para producir ondas con espectros complejos. En esta categoría podemos notar dos métodos bastante usuales: Síntesis por modulación de amplitud (AM) y síntesis por modulación de frecuencias (FM). 2.1.1.4 Síntesis por modulación de amplitud (AM): Es un tipo de modulación lineal y consiste en hacer variar la amplitud de la onda portadora de forma que esta cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal moduladora, que es la información que se va a transmitir.

AM es el acrónimo de Amplitude Modulation (Amplitud modulada), la cual consiste en modificar la amplitud de una señal de alta frecuencia, denominada portadora, en función de una señal de baja frecuencia, denominada moduladora, la cual es la señal que contiene la información que se desea transmitir. Entre los tipos de modulación AM se encuentra la modulación de doble banda lateral con portador. Representación matemática de la modulación en AM Al considerar la señal moduladora (señal del mensaje) como:

(1) Y señal portadora como:

(2) La ecuación de la señal modulada en AM es la siguiente:

(3) y(t) = Señal modulada xn(t) = Señal moduladora normalizada con respecto a su amplitud = ys(t) / As m = Índice de modulación (suele ser menor que la unidad)=As / Ap Básicamente, se trata de multiplicar el mensaje a transmitir x (t) por la portadora cosenoidal y, a su vez, sumarle esa portadora cosenoidal. El espectro en frecuencias de la señal quedará trasladado a wp radianes por segundo, tanto en la parte positiva del mismo y en la negativa, su amplitud será, en ambos casos, el producto de la señal moduladora por la amplitud de la portadora, sumado a la amplitud de la portadora, y dividido por dos. 2.1.1.5 Síntesis por frecuencia modulada (FM): En la síntesis de FM un oscilador es usado para modular el tono de otro oscilador llamado portador. Ambos osciladores son múltiplos del mismo tono, y dependiendo de los múltiplos, se obtienen distintos conjuntos de armónicos. La amplitud de onda del modulador determina cuán brillante será el sonido.

La frecuencia modulada sigue siendo usada para producir sonidos interesantes, la síntesis por modulación permite evitar unos de los problemas más graves de la síntesis aditiva, que es la necesidad de producir una gran cantidad de datos para generar timbres que sean suficientemente ricos y complejos. La síntesis sonora por modulación ofrece una alternativa interesante, ya que permite generar espectros ricos de forma económica, tanto por la especificación de los datos de control como por el tiempo de cálculo necesario para generar el sonido sintético. 2.1.2 Los componentes de un sintetizador analógico El diagrama de abajo muestra los componentes principales de un sintetizador analógico (el controlador de voltaje) y cómo ellos están (normalmente) conectados juntos. Figura 5 Componentes de un sintetizador análogo. (Diagrama de bloque)

(Tomada del trabajo “Sintetizador Análogo” ,Instituto Profesional AIEP)

2.1.3 El oscilador Controlado por voltaje (VCO) VCO son las siglas en inglés para Oscilador Controlado por Voltaje (Voltage Controller Oscillator). Es un dispositivo electrónico que usa amplificación, realimentación y circuitos resonantes, y que da a su salida una señal eléctrica de frecuencia proporcional al voltaje de entrada. Típicamente esa salida es una señal sinusoidal. El módulo que realmente produce sonidos se llama oscilador. Esto produce un sonido constante …El tono (o nota) de este sonido es determinado por el valor de un voltaje de control enviado desde el teclado del sinte - normalmente él más alto de la tecla tocada, a más alto el voltaje enviado, más alto el sonido. A causa de que el tono (frecuencia alta) del oscilador está directamente determinado por un voltaje, nosotros podemos variar este para producir varios efectos… …Por ejemplo, moviendo el control de voltaje de arriba abajo un poco, a una frecuencia relativamente baja (aprox. 5 veces por segundo, o 5 ' el Hertzio') nosotros podemos producir vibrato - el mismo efecto que cuando mueve su dedo en un traste de la guitarra. Este efecto es producido usando el módulo LFO…[5] 2.1.4 El oscilador de baja frecuencia (LFO) LFO son las siglas en inglés para Oscilador de Baja Frecuencia (Low Frequency Oscillator). Los LFO's son primariamente usados como moduladores para otras señales, y no para generar audio en sí, en el mundo de los osciladores se considera "baja frecuencia" cualquier frecuencia por debajo de los 20 Hz, que es la frecuencia más baja que puede escuchar un humano. Aunque los LFO's no están destinados para ser usados como fuente de sonido, en algunos sintetizadores pueden operar a frecuencias mas allá de los 20 Hz o incluso ser parte de la señal de audio.

[5] GARZO, HECTOR. CARRASCO, CRISTIAN. Sintetizador Análogo. España:

Instituto Profesional AIEP, 2002.

Los LFO's no son exclusivos de los sintetizadores. Algunos efectos como el chorus, vibrato, y tremolo, usan LFO's para generar la forma de onda que produce la variación en el sonido. LFO's en los sintetizadores: Cada sintetizador tiene formas diferentes de asignar a qué destino va a afectar un LFO. En el caso de un pedal de guitarra pues ya sabemos que la señal que se va a afectar es el sonido de la guitarra. Pero en términos generales un LFO tiene los siguientes parámetros ajustables. La velocidad, es la frecuencia de la onda o señal generada por el LFO. La frecuencia a la que un LFO puede funcionar varía de sintetizador a sintetizador, pero generalmente va de unos 5 Hz a alrededor de 20 a 35 KHz. Tiene la etiqueta de "Rate" en la mayoría de sintetizadores. Profundidad, es la amplitud de la forma de onda generada por el LFO. Entre más amplitud tenga la forma de onda generada por el LFO más drástico será el efecto en la señal que esté modulando. Por ejemplo se podría pasar de un sutil tremolo, a apagar y encender el volumen de la señal (estilo mute) con cada ciclo del LFO por ejemplo. Tiene la etiqueta "Depth" en la mayoría de sintetizadores. Las ondas más comunes producidas por un LFO son las mismas que para un oscilador de audio de un sintetizador: Cuadrada, triangular, diente de sierra y sinusoidal. Para una velocidad, y amplitud determinada el efecto de un LFO puede ser muy diferente dependiendo la forma de onda utilizada. ...El LFO produce una frecuencia de rendimiento, como hace el VCO. Sin embargo, mientras el VCO produce una frecuencia audible (diga, 20 Hz a 20 KHz), el LFO produce una señal con una frecuencia relativamente baja - puede ir de 1 ciclo un minuto a quizá 10 veces por segundo (10 Hz). El waveform normalmente es un seno u onda de triángulo, aunque algunos synths permitieron variar esto. El LFO no se usa para generar una señal que puede oír, pero se usa para modular las otras partes del synth para generar efectos...[6]

[6] GARZO, HECTOR. CARRASCO, CRISTIAN. Sintetizador Análogo. España:

Instituto Profesional AIEP, 2002.

2.1.5 Filtro controlado por voltaje (VCF) VCF son las siglas en inglés para Filtro Controlado por Voltaje (Voltage Controller Filter). Este filtro es un elemento que permite el paso de unas determinadas frecuencias de la señal de entrada, y es el equivalente eléctrico de los resonadores acústicos de los instrumentos tradicioneles, como la caja del violín, que da el sonido característico del instrumento. Este filtro se puede configurar en varios modos, paso bajo, paso alto, pasa banda y rechaza banda, según sea el efecto que

deseamos resaltar o atenuar de la onda básica generada por los VCO.   Los parámetros característicos de un filtro son la frecuencia de corte, a partir de la cual la respuesta es la mitad, y la pendiente del filtro, que determina la atenuación de los sucesivos armónicos de la señal de entrada. 2.1.6 Amplificador controlado por voltaje (VCA) VCA son las siglas en inglés para Amplificador Controlado por Voltaje (Voltage Controller Amplifier). La combinación de un generador ADSR (Attack, Decay, Sustain, Release) y un VCA imparte a los sonidos que modifica unas determinadas características de ataque y decaimiento en su intensidad, de modo que permite la simulación de la dinámica de diversos instrumentos. También es posible modular en amplitud la señal que se procesa para añadir trémolos y otros efectos que dependerán mucho de la frecuencia de la señal moduladora. 2.1.7 Envolvente del sonido Constituye una manera de definir, en términos de cuatro parámetros globales, la evolución temporal en amplitud de cualquier sonido.

Está determinado por cuatro principales parámetros: Ataque: Es el tiempo de entrada. Lo que tarda en escucharse el sonido después de haber sido ejecutado el instrumento. Decaimiento: Es el tiempo que tarda la amplitud en reducirse a la de sostenimiento, después de haber alcanzado la amplitud máxima, sin despegar la tecla o punto de inducción vibratoria. Sostenimiento: Después del decaimiento, es la amplitud que se mantiene constante hasta despegar la tecla o punto de inducción vibratoria. Relajación: El tiempo que tarda el sonido en perder toda su amplitud después de despegar la tecla o punto de inducción vibratoria. Figura 7 Envolvente del sonido.

(http://i258.photobucket.com/albums/ADSR) 2.1.8 Multiplexor Los circuitos multiplexores son sistemas combinacionales, formados por un cierto número n de puertas AND conectados a una única puerta OR, que poseen m entradas de selección E (tal que 2m = n).

Cada combinación binaria presente en la entradas de selección produce la apertura de una puerta AND únicamente, de tal manera que la información presente en la entrada D correspondiente puede pasar a la salida Z de la puerta OR. Cambiando la combinación binaria presente en las entradas de selección se logra que en las salidas Z aparezca la información presente en cualquiera de las entradas D y el circuito actúa como un conmutador electrónico. Estos circuitos poseen una entrada de inhibición que cierra todas las puertas AND y fuerza la salida Z al estado lógico cero independientemente de la información aplicada a las entradas de selección E y a las entradas de información D. 2.1.9 Secuenciador Es un dispositivo que permite almacenar y después reproducir una determinada secuencia de datos. De esta forma es capaz de controlar diversos instrumentos electrónicos para hacerles tocar de forma simultánea, según las instrucciones que se hayan registrado. El secuenciador realiza las funciones de una especie de “hombre orquesta”, facilitando la grabación y mezcla de varias pistas para elaborar un producto final perfecto. La excesiva perfección del secuenciador, interpretando de forma exacta las instrucciones programadas para hacer sonar distintos instrumentos, ha llevado a la introducción de factores aleatorios de error que puedan producir interpretaciones mas “reales” y menos monotonas. 2.1.10 Sampler (Reproducción de muestras) En la década de 1980 se empezó a implementar con gran auge otra forma de generar sonido con dispositivos basados en reproducir muestras previamente grabadas en lugar de generar sonidos con osciladores convencionales, esto permite controlar por medio de un teclado dicho sonido como en un sintetizador común, con la gran ventaja que se puede reproducir cualquier sonido que sea previamente grabado. …Los sintetizadores basados en la reproducción de muestras hoy en día usan tecnología digital, los sonidos grabados son digitalizados y estas muestras son almacenadas en la memoria para asignarlas a un teclado, así cuando se pulsa una

tecla la muestra es reproducida, en este caso el oscilador lee la muestra de la memoria y la envía al resto del sintetizador. Este tipo de oscilador tiene una ventaja ante la síntesis con formas de onda análogas, y es el realismo y complejidad de los sonidos luego son de origen real, pero no todo puede ser perfecto, la ejecución de muestras a través del teclado hacia octavas mayores o menores de la nota asignada a la muestra se verán seriamente afectadas...[7] Suelen contar con conectores MIDI para ser manipulados desde otros dispositivos electrónicos, como ordenadores o secuenciadores. Permiten transformar las muestras con efectos (eco, reverberación, flanger FGD y otros), cambiar el tono, el volumen, estructura, color la intensidad, etc., y posteriormente almacenar estas muestras en disquetes, discos duros, u otros dispositivos similares. 2.1.11 Batería electrónica Es una variante del sintetizador que produce el sonido al golpear con una baqueta determinados sensores. Está constituido por piezas planas, de escaso grosor y con diversas formas, que producen una gran variedad de sonidos. Frente a las tradicionales baterías acústicas, integradas por multitud de elementos que requieren de un gran número de micrófonos para su amplificación, la batería electrónica posee un reducido tamaño, con pocos elementos, y no necesita micrófonos para su amplificación. Estas ventajas han hecho que la batería electrónica haya sustituido a la tradicional batería acústica en gran parte. 2.1.12 Drum machine Puede considerarse como una evolución de la batería electrónica. Apareció inicialmente como complemento de los órganos electrónicos que facilitaba, accionando distintos controles, diversos tipos de ritmos a modo de acompañamiento. En la actualidad, las cajas de ritmos, en forma de caja de reducidas dimensiones y capaces de reproducir sin necesidad de intérprete todo tipo de ritmos, se utilizan

[7] ACEVEDO, RICARDO. TORRES, MANUEL. OCHOA, EDER. Banco de instrumentos musicales de viento colombianos emulados por síntesis de sonido, 2006.

como un elemento imprescindible en muchos grupos de pop y, especialmente, en la música disco. [8]

. 2.1.13 Lenguaje de programación Un lenguaje de programación está formado por un conjunto de símbolos básicos (alfabeto) y un conjunto de reglas que especifican como manipularlos. También debe darle significado a las cadenas formadas al manipular los símbolos básicos. Los lenguajes de programación pueden clasificarse de acuerdo a su semejanza con el lenguajes maquina o a su semejanza con el lenguaje humano (generalmente inglés). Los lenguajes que tiene mayor semejanza con el lenguaje humano se les llama lenguajes de alto nivel, mientras que los lenguajes más parecidos al lenguaje de maquina son conocidos como de bajo nivel. 2.1.14 Hardware de fuente abierta La definición de hardware de fuente abierta (open-source), mantiene la siguiente postura [9]: El codigo fuente debe distribuirse con el software o ponerse a disposición de otra manera por no más que el costo de distribución. Cualquiera podrá redistribuir gratis el software, sin pagar regalías o derechos de licencias de autor. Cualquiera podrá modificar el software o derivar de él otro programa y luego distribuir este modificado bajo las mismas condiciones. Los dispositivos hardware libre son aquellos, cuyas especificaciones y diagramas esquemáticos son de acceso público, ya sea bajo algún tipo de pago o de forma gratuita. La filosofía del software libre (las ideas sobre la libertad del conocimiento) es aplicable a la del hardware libre. Se debe recordar en todo momento que libre no es sinónimo de gratis. El hardware libre forma parte de la cultura libre.

[8] RODRÍGUEZ, ALICIA. CUETO, SOLEDAD. GALENDE, OSKAR. Música 4º

Educación Segundaria Obligatoria, 2002. [9] NACIONES UNIDAS. Conferencia de las Naciones Unidas sobre el comercios

y desarrollo, “Informe sobre el comercio electrónico y el desarrollo”, 2003.

...Su objetivo es crear diseños de aparatos informáticos de forma abierta, de manera que todas las personas puedan acceder, como mínimo, a los planos de construcción de los dispositivos. Lejos de ser una novedad, esta corriente enlaza directamente con década de los años 70, cuando los primeros aficionados a los ordenadores construían sus propios equipos en los garajes con piezas compradas a diferentes fabricantes y creaban sus propias implementaciones...[10] 2.1.15 Arduino Arduino es una herramienta para hacer que los ordenadores puedan controlar el mundo físico a través de un ordenador personal. Es una plataforma de desarrollo de computación física (physical computing) de código abierto, basada en una placa con un sencillo microcontrolador y un entorno de desarrollo para crear software (programas) para la placa. Se puede usar Arduino para crear objetos interactivos, leyendo datos de una gran variedad de interruptores y sensores, controlando multitud de tipos de luces, motores y otros actuadores físicos. Los proyectos de Arduino pueden ser autónomos o comunicarse con un programa (software) que se ejecute en un ordenador (ej. Flash, Processing, MaxMSP). La placa puede ser montada por el usuario mismo o comprarla ya lista para usar, y el software de desarrollo es abierto y se puede descargar gratis. El lenguaje de programación de Arduino es una implementación de Wiring, una plataforma de computación física parecida, que a su vez se basa en Processing, un entorno de programación multimedia. …Otra de las iniciativas nacidas bajo el concepto de hardware libre es el proyecto Arduino. Esta plataforma consiste en una placa con diversas entradas y salidas que permite el desarrollo de infinidad de proyectos para el control de objetos interactivos autónomos, al mismo tiempo que sirve de plataforma para estudiantes como iniciación al mundo de la electrónica. Una de las opciones más utilizadas de la plataforma Arduino es la del diseño y construcción de instrumentos musicales electrónicos en combinación

[10] DELGADO, ANTONIO, Consumer Eroski, Nº 5, 2007.

con el software libre de audio Pure Data, que permite crear experiencias sonoras y visuales en tiempo real por parte de artistas digitales...[11]

[11] DELGADO, ANTONIO, Consumer Eroski, Nº 5, 2007

3. METODOLOGIA 3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACION El proyecto tiene un énfasis en los aspectos técnicos de los objetos de investigación, encaminado a la interpretación y transformación del mundo material, es decir; tiene un enfoque empírico-analítico, acorde con la definición dada en el documento marco del sistema integrado de investigación bonaventuriano. 3.2 LINEA DE INVESTIGACION / SUB LINEA DE LA FACULTAD / CAMPO DEL PROGRAMA La línea por la cual el proyecto está encaminado es la de tecnologías actuales y la sociedad. La sociedad necesita de conocimientos técnicos y científicos de desarrollo, que faciliten los procesos de mejoramiento de la calidad de vida de las personas que pertenecen a un grupo social determinado. Por ello, se hace necesaria la actualización constante de los conocimientos tecnológicos en diferentes áreas. Con el fin de poder efectuar las aplicaciones y adaptaciones requeridas en la solución de los problemas y en la satisfacción de las necesidades, por esta razón el proyecto va encaminado a la línea de tecnologías actuales y la sociedad. El proyecto está orientado en la sub línea de procesamiento de señales digitales y/o analógicas, pues está sub línea abarca una pregunta general, ¿Qué diseños responderán a los requerimientos del procesamiento de señales digitales y/o analógicas en los diversos ámbitos disciplinares? Para este proyecto es importante destacar que dicho ámbito es el diseño de sistemas de sonido, ya que los proyectos desarrollados abordarán el diseño y construcción de dispositivos que garanticen un adecuado control de señales, teniendo en cuenta las necesidades que se presenten en el sector electrónico. 3.3 TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN La recolección de información se fundamenta en la búsqueda de conceptos y procesos tanto teóricos como prácticos en medios gestores de la misma como bibliotecas, Internet y manuales de operación de los programas y elementos involucrados en el desarrollo del proyecto.

3.4 HIPÓTESIS Desarrollar un dispositivo que logre secuenciar sonidos en tiempo real mediante la programación de un microcontrolador permitirá realizar un mecanismo de recepción de datos digitales y su posterior transmisión según la especificación, con el fin establecer una comunicación entre este hardware y el software. 3.5 VARIABLES 3.5.1 Variables Independientes

Las características tímbricas de cada instrumento de un set de batería.

Calidad de los elementos electrónicos.

Disponibilidad de elementos electrónicos. 3.5.2 Variables Dependientes

Funcionalidad del producto.

Aceptación del mismo.

Calidad del producto.

4. DESARROLLO INGENIERIL El desarrollo del dispositivo se realizó en 5 etapas:

Construcción de los circuitos para sonoridad de los instrumentos de un set de batería, a partir de síntesis análoga.

Realización de la programación del microcontrolador para la recepción del patrón rítmico y posterior envió de la señal de activación de los instrumentos.

Creación la programación de los patrones predeterminados.

Desarrollo de la interfaz hardware de usuario mediante la cual se pueden programar los patrones rítmicos.

Diseño y construcción de una página Web que contenga la información del proyecto.

4.1 Construcción de los circuitos para la sonoridad de los instrumentos de un set de batería, a partir de síntesis análoga. El sistema electrónico utilizado para producir cajas de ritmos ha sido ampliamente disponible, para muchos usuarios el funcionamiento interno de una caja de ritmos sigue siendo un buen punto de partida para aprender sobre secuenciadores, aunque en realidad el diseño básico y el hardware ha cambiado sólo en detalle desde la década de 1980. Para la construcción de los sonidos necesarios en el desarrollo de esta etapa del proyecto, se investigaron los distintos circuitos integrados generadores de onda, para así darle paso al proceso de síntesis. El objetivo de este proceso fue determinar cual circuito generador de onda es el más adecuado para el desarrollo de los sonidos. Los requerimientos para la elaboración de los sonidos de batería son los siguientes:

Un circuito que permita generar diferentes formas de onda:

Un generador de ruido.

Herramientas para el procesamiento de la onda generada o ruido filtrado.

Conocimiento de síntesis análoga. De acuerdo a estos requerimientos se eligió la implementación del circuito integrado SN 76477 Complex Sound Generator. Diseñado por Texas Instruments®. Este circuito genera ruido, tonos y sonidos de baja frecuencia, o combinaciones de estos; los sonidos son definidos por el usuario mediante componentes externos. Requiere de bajo consumo y es compatible con sistemas de microprocesador. El proceso y elementos necesarios para la implementación de este circuito es el siguiente: 4.1.1 Elementos Hardware 4.1.1.1 Generador de sonidos complejos SN 76477 Es una de las partes principales de esta etapa ya que produce los tonos, ruido o sonidos de baja frecuencia necesarios, este un chip usa la combinación de circuitos análogos y digitales, los cuales incluyen un generador de ruido, un oscilador controlado por voltaje (VCO) y un oscilador de baja frecuencia (LFO), así como un filtro de ruido, mezclador, control de ataque y decaimiento, amplificador de audio, y circuitos de control.

Figura 8 Diagrama de bloques. (funcionamiento)

(SN 76477 Datasheet) Otra característica importante de este chip es que su programación se lleva a cabo a través de entradas de control, y el usuario es quien define los componentes externos que le permiten una gran variedad de sonidos que se crean y adaptan para distintas aplicaciones. La distribución de pines del SN 76477 es la siguiente: Figura 8 Pines del SN 76477. (SN 76477 Datasheet)

4.1.1.2 Socket de 28 pines En este caso el Socket corresponde a una base que se coloca en la placa del circuito impreso antes de colocar el chip esto trae varias ventajas como facilitar la colocación del chip de manera que se pueda retirar cuando sea necesario sin necesidad de desoldar, además el SN 76477 no es expuesto a altas temperaturas que pueden dañarlo ya que no se suelda directamente sobre él, sino que se suelda sobre el Socket. Se usa un Socket de 28 pines debido a que el chip posee 28 pines. 4.1.1.3 Resistencias, condensadores y potenciómetros El valor de estos elementos será dado a medida que se explique el montaje de cada sonido. 4.1.1.4 Interruptores Permiten controlar o seleccionar la manera de trabajo del chip, tanto en el mixer como en la selección de envolvente. Tabla 1 Selección de envolvente.

SELECCIÓN DE ENVOLVENTE (Pin 1) (Pin 28)

FUNCION SELECCIONADA

E E E A A E A A

VCO Únicamente mixer Un disparo VCO con ciclos aleatorios

E= Encendido. A= Apagado.

Tabla 2 Selección salida del mixer.

SELECCION ENTRADA MIXER A B C (Pin 27) (Pin 25) (Pin 26)

SALIDA DEL MIXER

A A A A A E A E A A E E E E A E A E E E A E E E

VCO SLF RUIDO VCO/RUIDO SLF/RUIDO VCO/SLF/RUIDO SLF/VCO IN-HIBIT

E= Encendido. A= Apagado. 4.1.1.5 Condensadores Se utilizaron condensadores de 100 nf para el montaje de todos los sonidos, a excepción de los que se usaron en la etapa del amplificador, para la cual se

colocaron con un valor de 10 f. 4.1.2 Análisis Espectral Cinco muestras correspondientes a los diferentes instrumentos de un set de batería incluidas en el Factory Sound Bank, de la versión del software Reason Adapted For Digidesign versión 4.0, fueron extraídas con el fin de realizar un análisis espectral, para así obtener las diferentes características de tipo frecuencial y de envolvente de cada uno de estos instrumentos. Este proceso se llevo a cabo utilizando la versión demo del software Smart Live de Eaw versión 5.4.

4.1.3 Bombo (Bass Drum) El Bombo, también conocido como Bass drum, es un tambor de tamaño relativamente grande que produce tonalidades graves. Al realizar el análisis espectral, el resultado fue el siguiente: Figura 9 Análisis espectral de un bombo.

(Análisis espectral realizado en Eaw Smart Live Demo versión 5.4) En el análisis espectral realizado al bombo pudimos observar que este instrumento tiene un alto contenido energético en frecuencias bajas el cual disminuye constantemente a medida que la frecuencia supera los 150 Hz, encontramos el ataque en 60 Hz que posteriormente decae hacia los 80 Hz, con un sostenimiento que va hasta los 300 Hz para posteriormente tener una liberación en más o menos 8 KHz. Para lograr dichas componentes es necesario calibrar los parámetros como el oscilador controlado por voltaje (VCO) y el generador de ruido para generar el pulso dentro de las frecuencias establecidas.

4.1.3.1 Oscilador controlado por voltaje VCO De acuerdo con lo anterior, el rango de frecuencia que se quiso obtener con el oscilador controlado por voltaje (VCO) fue de 20 Hz a 200 Hz, y se calculó mediante esta ecuación. (4) Al igual que en la ecuación anterior asumimos un valor de 100nf para el condensador CVCO, y así hallar el valor de la resistencia RVCO. (5) (6) (7) El valor de la frecuencia máxima estará dado por: (8) (9) (10) 4.1.3.2 Generador de ruido / filtro El generador ruido es un dispositivo que produce ruido blanco aleatorio y que pasa a través de un filtro pasa bajo antes de ser enviado al mixer, el ancho de banda variable del filtro pasa bajo es -3 dB nominal del punto definido por la ecuación numero 11:

(11) Al igual que en el ejercicio anterior asumimos un valor de 100 nf para el condensador CNF, y una frecuencia de 8000 Hz, y así hallar el valor de la resistencia RNF. (12) (13) (14) 4.1.3.3 Ataque y decaimiento (Attack / Decay) El control de estos parámetros esta dado por el valor del condensador CA/D y el valor de RA y RD respectivamente. Mediante la siguiente expresión: (15) (16) El valor de CA/D es de 100 nf, además se decidió dejar estos parámetros no ajustables para el usuario, empleando resistencias de 50 K y 1 M. Dando como resultado un tiempo para cada uno. (17) (18) (19) (20)

4.1.3.4 Resistencias Los valores de las resistencias calculadas han sido cambiados al valor comercial más cercano. Se necesitan los siguientes valores de resistencias. Tabla 3 Valores de resistencias necesarias para el montaje del circuito.

Cantidad Valor ( ) Descripción

2 330 K Control del oscilador de voltaje controlado (VCO). Control duración del pulso (one-shot).

1 1.5 K Control del filtro pasa bajo del generador de ruido.

2 47 K Control de la amplitud; Resistencia feedback

1 3.9 K Resistencia para el amplificador.

4.1.3.5 Circuito Figura 10 Circuito de montaje sonido del Bombo.

(Montaje del circuito en PCB Wizard Demo Version)

Figura 11 Foto del montaje del circuito para la sonoridad del instrumento.

(Montaje en protoboard del circuito)

4.1.4 Redoblante (Snare Drum) El redoblante es un instrumento de percusión de sonido indeterminado, pertenece a la familia de los membranófonos. Es un tambor, usualmente de poca altura, con hebras llamadas bordones dispuestas diametralmente en la membrana inferior, las cuales le proporcionan su característico timbre más estridente y metálico que el del tambor común. Se realizó un análisis espectral para determinar la frecuencia fundamental de este instrumento y sus componentes, el resultado fue el siguiente: Figura 12 Análisis espectral de un Redoblante.

(Análisis espectral realizado en Eaw Smart Live Demo versión 5.4) En el redoblante encontramos un alto contenido energético en frecuencias medias bajas con una frecuencia fundamental en 300 Hz, el ataque lo encontramos en 200 Hz que posteriormente decae hacia 380 Hz, con un sostenimiento un poco largo que termina en 6.7 KHz. para que inicie su liberación hasta 9 KHz. 4.1.4.1 Oscilador controlado por voltaje VCO El oscilador controlado por voltaje (VCO) se calculó a en un rango de frecuencias de 50 Hz a 500 Hz, para obtener las frecuencias mencionadas en el análisis, de acuerdo con lo anterior se obtuvo:

http://es.wikipedia.org/wiki/Tambor_(instrumento_musical)

(20) Al igual que en la ecuación anterior asumimos un valor de 100 nf para el condensador CVCO, y así hallar el valor de la resistencia RVCO. (21) (22) (23) El valor de la frecuencia máxima estará determinado por: (24) (25) (26) 4.1.4.2 Generador de ruido / filtro Definido por la ecuación numero 27: (27) Al igual que en los procesos anteriores asumimos un valor de 100nf para el condensador CNF, y una frecuencia de 9000 Hz, para así hallar el valor de la resistencia RNF. (28) (29)

(30) 4.1.4.3 Ataque y decaimiento (Attack / Decay) El control de estos parámetros esta proporcionado por el valor del condensador CA/D y el valor de RA y RD respectivamente. Mediante la siguiente expresión: (31) (32) El valor de CA/D es de 100 nf, además se decidió dejar estos parámetros ajustables para el usuario, empleando resistencias de 50 K y 1M. Dando como resultado un tiempo para cada uno. (33) (34) (35) (36) 4.1.4.4 Resistencias Los valores de las resistencias calculadas han sido cambiados al valor comercial más cercano.

Se necesitan los siguientes valores de resistencias. Tabla 4 Valores de resistencias necesarias para el montaje del circuito.


1 120 K Control del oscilador de voltaje controlado (VCO).

1 1.5 K Control del filtro pasa bajo del generador de ruido.

1 330 K Control de la duración del pulso.



4.1.4.5 Circuito Figura 9 Circuito de montaje sonido del Redoblante.


4.1.5 Hi-Hat (Charles) El Hi-Hat también llamado Charles es una de las piezas bases de la batería, consistente en dos platillos de metal con un mismo tamaño que se pueden hacer sonar con un pedal, obteniendo un sonido de gran energía en frecuencias altas, se realizó un análisis espectral y se obtuvo lo siguiente: Figura 11 Análisis espectral de un Hi-Hat.

(Análisis espectral realizado en Eaw Smart Live Demo versión 5.4) En el Hi-Hat encontramos a un instrumento con alto contenido en frecuencias medias altas con una frecuencia fundamental en 5.7 Hz, con un ataque en 4.7 Hz, un decaimiento bastante rápido en 7 KHz. para tener un sostenimiento hasta 15.2 KHz, donde comienza su liberación hasta los 18 KHz. 4.1.5.1 Oscilador controlado por voltaje VCO Para este caso, el oscilador controlado por voltaje (VCO) debe estar en un rango de frecuencias medias altas, se avaluó entre 1500 Hz a 15000 Hz, para obtener las frecuencias mencionadas en el análisis, de acuerdo con lo anterior se calculó: (37)

Al igual que en la ecuación anterior asumimos un valor de 100nf para el condensador CVCO, y así hallar el valor de la resistencia RVCO. (38) (39) (40) El valor de la frecuencia máxima estará dado por: (41) (42) (43) 4.1.5.2 Generador de ruido / filtro Es fundamental para este instrumento, ya que filtrando un ancho de banda determinado por el análisis se consigue la sonoridad. Está establecido por la ecuación numero 44: (44) Al igual que en los procesos anteriores asumimos un valor de 100 nf para el condensador CNF, y la frecuencia de 15000 Hz, para que el generador de ruido trabaje en las frecuencias obtenidas en el análisis, tenemos que hallar el valor de la resistencia RNF.

(45) (46) (47) 4.1.5.3 Ataque y decaimiento (Attack / Decay) El control de estos parámetros esta dado por el valor del condensador CA/D y el valor de RA y RD respectivamente. Mediante la siguiente expresión: (48) (49) El valor de CA/D es de 100 nf, además se decidió dejar estos parámetros ajustables para el usuario, empleando resistencias de 50 K y 1 M. Dando como resultado un tiempo para cada uno. (50) (51) (52) (53) 4.1.5.4 Resistencias Los valores de las resistencias calculadas han sido cambiados al valor comercial más cercano.



1 4.7 K Control del oscilador de voltaje controlado (VCO).

1 820 Control del filtro pasa bajo del generador de ruido.




4.1.5.5 Circuito Figura 12 Circuito de montaje sonido del Hi-Hat.


4.1.6 Hi-Hat Abierto (Open Hi-Hat) En los secuenciadores de ritmos es común encontrar variaciones de un mismo instrumento, en este caso será el mismo Hi-Hat pero esta vez abierto, el cual genera una sonoridad muy similar al anterior pero con un decaimiento más largo, lo hallado en el análisis fue: Figura 14 Análisis espectral de un Open Hi-Hat.

(Análisis espectral realizado en Eaw Smart Live Demo versión 5.4) Para el caso particular del open Hi-Hat tenemos menos energía al comenzar que al finalizar, mostrando un comportamiento inverso al de los sonidos analizados anteriormente, obtenemos una frecuencia fundamental en 4.9 KHz. con un ataque en 3.6 KHz. y un decaimiento en 4.4 KHz., que se sostiene hasta los 14.7 KHz. para su posterior liberación en 17.8 KHz. 4.1.6.1 Oscilador controlado por voltaje VCO El oscilador controlado por voltaje (VCO) estará en el mismo rango de frecuencias empleado en el sonido anterior, entre 1500 Hz a 15000 Hz, para obtener las frecuencias mencionadas en el análisis, de acuerdo con lo anterior se calculó:

(54) Al igual que en la ecuación anterior asumimos un valor de 100nf para el condensador CVCO, y así hallar el valor de la resistencia RVCO. (55) (56) (57) El valor de la frecuencia máxima estará determinado por: (58) (59) (60) 4.1.6.2 Generador de ruido / filtro No cambia ya que, tenemos componentes muy parecidas al instrumento anterior y está establecido por la ecuación numero 61: (61) Al igual que en los procesos anteriores asumimos un valor de 100nf para el condensador CNF, y la frecuencia de 15000 Hz, para que el generador de ruido trabaje en las frecuencias obtenidas en el análisis, por consiguiente hallar el valor de la resistencia RNF.

(62) (63) (64) 4.1.6.3 Ataque y decaimiento (Attack / Decay) El control de estos parámetros esta dado por el valor del condensador CA/D y el valor de RA y RD respectivamente. Mediante la siguiente expresión: (65) (66) El valor de CA/D es de 100 nf, además se decidió dejar estos parámetros ajustables para el usuario, empleando resistencias de 50 K y 1 M. Dando como resultado un tiempo para cada uno. (67) (68) (69) (70) 4.1.6.4 Resistencias Los valores de las resistencias calculadas han sido cambiados al valor comercial más cercano.








4.1.6.5 Circuito Figura 15 Circuito de montaje sonido del Hi-Hat abierto.


4.1.7 Platillo (Cymbal) El platillo o también llamado cymbal es un instrumento de percusión, consistente en un disco circular cóncavo de metal, es un instrumento de sonido indeterminado, lo que significa que las notas no tienen una altura definida. El tamaño de los platillos influye directamente en la sonoridad, a mayor tamaño o grosor mayor potencia sonora, su análisis: Figura 17 Análisis espectral de un Cymbal.

(Análisis espectral realizado en Eaw Smart Live Demo versión 5.4) Este instrumento tiene la particularidad de comenzar con un poco de energía en frecuencias medias y terminar con un alto contenido energético en frecuencias altas, con una fundamental ubicada en 7.2 KHz., con un ataque en 5.4 KHz. que decae hacia los 9.5 KHz. y se sostiene hasta los 15 KHz. que se libera en 18 KHz. 4.1.7.1 Oscilador controlado por voltaje VCO En este caso, el oscilador controlado por voltaje (VCO) estará en un rango de frecuencias entre los 1800 Hz a 18000 Hz. Para obtener las frecuencias mencionadas en el análisis, de acuerdo con lo anterior se calculó: (71)

Al igual que en la ecuación anterior asumimos un valor de 100 nf para el condensador CVCO, y así hallar el valor de la resistencia RVCO. (72) (73) (74) El valor de la frecuencia máxima estará dado por: (75) (76) (77) 4.1.7.2 Generador de ruido / filtro Está establecido por la ecuación numero 78: (78) Al igual que en los procesos anteriores asumimos un valor de 100 nf para el condensador CNF, y la frecuencia de 18000 Hz, para que el generador de ruido trabaje en las frecuencias obtenidas en el análisis, por consiguiente hallar el valor de la resistencia RNF. (79)

(80) (81) 4.1.7.3 Ataque y decaimiento (Attack / Decay) El control de estos parámetros esta dado por el valor del condensador CA/D y el valor de RA y RD respectivamente. Mediante la siguiente expresión: (82) (83) El valor de CA/D es de 100nf, además se decidió dejar estos parámetros ajustables para el usuario, empleando resistencias de 50 K y 1 M. Dando como resultado un tiempo para cada uno. (84) (85) (86) (87) 4.1.7.4 Resistencias Los valores de las resistencias calculadas han sido cambiados al valor comercial más cercano.








4.1.7.5 Circuito Figura 18 Circuito de montaje sonido del Platillo.

(Montaje del circuito en PCB Wizard Demo Version )


(Montaje en protoboard del circuito) 4.2 Programación del microcontrolador para la recepción del patrón rítmico y posterior envió de la señal de activación de los instrumentos. 4.2.1 Plataforma de desarrollo Arduino Uno es una plataforma de hardware libre basada en una sencilla placa de entradas y salidas, y un entrono de desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring. Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o puede ser conectado a software del ordenador. (Ej. Macromedia Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data). La plataforma Arduino Uno[12] está basada en el microcontrolador Atmega328, cuenta con catorce entradas digitales/ pines de salida, de los cuales 6 pueden ser usados como salidas PWN ( ), 6 entradas análogas, un oscilador de cristal de 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación un encabezado ICSP y un botón de reinicio.

[12] Referirse a : http://arduino.cc/es/

Contiene todo lo necesario para apoyar el microcontrolador, simplemente se conecta a un ordenador mediante un cable USB o a una fuente de alimentación para empezar. Figura 20 Imagen frontal de la Arduino Uno.

(http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno) 4.2.2 Software de programación La plataforma Arduino Uno se programa mediante el uso de un software propio llamado Arduino, basado en el lenguaje de programación Processing. Sin embargo, es posible utilizar otros lenguajes de programación y aplicaciones populares en Arduino, (Ej. C, C++, Java, Pure Data, Max/MSP, etc.). Esto posible debido a que Arduino se comunica por medio de transmisión de datos en formato serie, es algo que la mayoría de lenguajes anteriormente citados soportan. Para los que no soportan el formato serie de forma nativa, es posible utilizar software intermediario que traduzca los mensajes enviados por ambas partes para permitir una comunicación fluida.

4.2.3 Código de programación A continuación se explican las características principales del código realizado en lenguaje C, dentro del entorno Arduino para la programación de este mismo. Existen dos funciones especiales que son parte de cada programa de Arduino: Setup()[13] y Loop()[14]. La función Setup() es llamada una vez, cuando comienza el programa. Se establece cuando se inicia un programa y se emplea para iniciar variables, establecer el estado de los pines, inicializar librerías, etc. Esta función se ejecuta una sola vez después de que se conecte la placa a una fuente de alimentación o cuando se presione el botón de reset en la placa. Luego de crear la función Setup(), la cual inicializa y prepara los valores iniciales, la función loop() hace justamente lo que su nombre sugiere, por lo tanto se ejecuta consecutivamente, permitiéndole al programa variar y responder. 4.2.3.1 Step El step es un espacio creado para guardar de uno a cinco sonidos, además es la subdivisión de la línea de tiempo, en total son dieciséis. 4.2.3.2 Inclusión de step El código comienza con una estructura llamada “Inclusión de step”, esta estructura lo que hace es crear un espacio donde se almacenarán los sonidos, es decir un step como tal.[15]

[13] Referirse a: http://arduino.cc/es/Reference/Setup [14] Referirse a: http://arduino.cc/es/Reference/Loop [15] Referirse a: ANEXO A.

4.2.3.3 Arreglo para guardar En seguida se presenta “Creación de arreglo para guardar”; el objeto de esto es ser una memoria, en donde se encuentra el bloque de los dieciséis steps, y los patrones predeterminados.[16] 4.2.3.4 Configuración de pines (I/O Setup) Posteriormente, se determina la “Configuración de pines (I/O Setup)”, entradas y salidas de pines esto de hace por medio de una figura llamada PinMode()17, configura el pin especificado para comportarse como una entrada (Input) o una salida (Output). Para esto fue necesario utilizar tres multiplexores en serie, ya que la placa no da abasto. El proceso fue el siguiente: Usamos el NTE 4051, como multiplexor de ocho canales, lo empleamos de la siguiente manera: Se puede elegir entre ocho diferentes entradas y seleccionar sólo uno quiere leer en el momento. Para seleccionar el pin que debemos leer, tenemos que usar los tres pines de selección (S0, S1 y S2). Cada uno de estos pines tiene que ser conectados a un pin de salida digital en el Arduino. Cada pin representa un número (S0 = 1, S1 = 2, S2 = 4). Si se pone uno de estos pines a 5 V, el número del pin representado se transmitirá al 4051.

[16] Referirse a: ANEXO B. [17] Referirse a: http://arduino.cc/es/Reference/PinMode

Figura 21 configuración del NTE 4051.

(NTE 4051 Datasheet) Por ejemplo: Si S0 y S1 están con 5 V. (HIGH) y S2 esta a con 0 V. (LOW), estará seleccionado el pin Y3 . (1 +2 +0 = 3). Si S0 y S2 están con 5 V. (HIGH), y S1 está con 0 V. (LOW), estará seleccionado el pin Y5 . (1 +0 +4 = 5). No es posible leer y escribir más de un pin a la vez en el 4051, porque sólo se puede seleccionar uno de los pin

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DESARROLLO DE UN DISPOSITIVO HARDWARE PARA LA SECUENCIA DE ...bibliotecadigital.usbcali.edu.co/bitstream/10819/... · desarrollo de un dispositivo hardware para la secuencia de ritmos