KATOサウンドBOXをDSairで操作する(続々)

ブレッドボードで組んでいた回路をユニバーサル基板上に組みました。
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真ん中が、Aruduino Nano(中華製互換品)で、左が倍圧整流回路、DAコンバーター(0-5v)と12V電圧増幅用オペパンプ、右がKATOサウンドBOXのファンクションボタン動作用のリードリレーです。

DCCの電圧が12Vでは、OPアンプからのDC出力が±10V程度しかでないのでDCC電圧を15Vにします。
そのためNano搭載のLDOの規格(12V)外となるため、別に5V電源用に三端子レギュレーターを取付けました。


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汽笛について(3) サンプリング音の加工

その後 メールなどでたくさんのご意見いただきました。
汽笛の音の周波数も鳴っている間、ずっと変化していくのではなく、最初蒸気で笛を吹き始めてから安定するまでの間は音が不安定で周波数も変化するが、ある程度時間が経って安定すると変化しなくなるのではないか。また最初の不安定な間の音色が汽笛のイメージとって大きいのではないか!ということでした。
というわけでD51の汽笛の最初の部分に真ん中の安定した部分と後半の音をつないで、長く鳴ったように合成してみました。
ソフトはマックのAudacityを使いました。縦の黒線がつないだ場所です。
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実際の加工した音はここをクリックです。

汽笛の吹鳴時間は、オリジナルの6秒から12秒と二倍になっています。
やはり合成音より実物っぽく聞こえます。

汽笛音はシンセサイザー合成より、サンプリング音を加工した音源をメモリに入れて、ボリュームを調整して鳴らすのがよさそうな気がしてきました。


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汽笛について(2)   音階と周波数

汽笛音を合成しようと思うとまずその音階を知らねば、話がはじまりません。

そこで知り合いの音楽家Tさんにご相談させていただいたところ、音楽をされている物理専門家のI先生をご紹介いただきました。
その方にスペクトラムアナライザーで汽笛音のパワースペクトルのピーク周波数をみれば、含まれてている音階がわかるということを教えていただきました。
スペクトラムアナラーザーといっても、特殊な機器をつかわなくても普通のパソコン上で動くソフトがあります。
今回はefuさんのフリーウェア WaveSpectra を使わせていただきました。
http://efu.jp.net/soft/ws/ws.html

これをつかって、youtubueの汽笛音ビデオ
SL蒸気機関車 音量注意! 圧巻の汽笛集 Steam locomotive whistle Collection
から サウンドトラックのみを dirpyというサイトで、mp3ファイルにダウンロードしました。
https://dirpy.com/
参考 https://allabout.co.jp/gm/gc/475872/
これからocenaudioというサウンドファイル編集のフリーソフトを使って最初のD51の汽笛の部分を切り出してwavファイルに変換して、
 WaveSpectraで音のパワースペクトルをみたのが下図です
51
これでみると、5つのパワースペクトルの山があるので、D51の汽笛は5音室で五和音だったというのにも一致します。
近似した音階ということになると
370Hz(F#4) 440Hz(A4) 570Hz(C5) 622Hz(D#5) 740Hz(F#5)
ということになります。 ここを参考にしました。
これをやはりefuさんのWaveGeneというテスト信号発生ソフトで合成してみました。
この5周波数の正弦波にホワイトノイズをくわえています
D51汽笛の合成音(1)
ただこれではまだ実物音っぽくありません。
周波数スペクトルをみると高周波域の音もたくさん含まれているので、もう少し高い周波数の音を足したのが次のファイルです。
D51汽笛の合成音(2)
まあ多少マシにはなったと思いますが、まだ実物の音とは違います。

実感もとめるなら、やはり実物のサンプリング音使うしかないと思いますが、自分の思うようにレバースイッチで鳴らそうとすると合成音つかわざるをえないので、その点は割り切るしかないと思います。

私も音楽や音響学の専門家ではありませんので、音に関して見識ある方のコメントお待ちしております。


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汽笛について(1)

汽笛音も合成しようと思っていろいろとやっていますが、YMZ294で出せるような方形波の合成では、汽笛のような音色をだすのはむずかいしそうです。
汽笛と同じ原理の、リコーダー(楽器の笛)から出る音は ほぼ純粋な一定周波数の正弦波らしいです。というわけで、汽笛を合成するならいくつかの周波数の正弦波を合成すればそれらしい音になりそうです。
また汽笛は鳴っている途中で多少周波数が変化しているとのことです。
これは操作する汽笛の引棒の微妙は引き加減の操作のためなのか、高温蒸気で笛吹くため温度で汽笛の笛の特性が変わるためなのか、いろいろ原因はあるようです。
出力にローパフフィルターかけるか、正弦波を出せるサウンドICもあるようなので検討してみます。
アドバイスいただきました音楽家TさんとIさんに深く御礼申し上げます。

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合成ブラスト音について

この週末は上京して、軽便祭にいくつもりでしたが、台風のため中止せざるをえませんでした。
午後は飛行機も東海道山陽新幹線もすべて止まったようなので、行かなくてよかったと思いました。

今日はサウンドシステムのブラスト音などの効果音について検討していました。
最初は、TIのSN76477というサウンドICを使おうと思っていたのですが、実際触ってみるとなかなか思うような音が出せませんでした。結局ストックしていたヤマハのYMZ294という音源ICを使うことにしました。
ブラスト音はツェナーダイオードを使ったホワイトノイズ音源も考えたのですが、音がキツく感じたので、このICの疑似ランダムノイズ発生回路のほうが心地よい音になりました。エンベロープ機能もついているので、音の減衰効果が得られるのもよいです。
とはいっても実物のブラスト音とは少し感じが違いますね。
ただ合成音だと、カットオフなど、音の操作が自由になるので、自分はその方がメリットがあると考えています。
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まだブレッドボード上の仮組み状態です。
以前作った動輪コンタクト検出回路につないで、なんとか機関車の速度にあわせて手もとのスピーカ-からブラスト音がでることころまでたどり着きました。
汽笛もこの音源でいろいろトライしたのですが、難しいですね。数種類の方形波を組み合わせて、実感的な汽笛音をつくるのはなかなか難しいようです。音楽に詳しい人に相談してなんとかしようと思います。

汽笛は実感的ということでは実物のサンプリング音がよいですが、自由に鳴らせるいうことなら合成音しかないと思います。優劣はつけがたいので今回は両方対応しようと思います。
ちなみにPBLのフォアグランドサウンドシステムも両方鳴らせたようです。

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サウンドシステムの汽笛などの効果音について

 DCCコントローラー以外では、PFM/SL1互換のサウンドシステムも開発中です。ブラスト音発生部分は何とか目途が立ちそうなので、次は効果音部分を考えています。
 まずは汽笛です。これも実物のサンプリング音を使うか、電子合成音を使うかという問題に突き当たります。前者であれば、音は非常に実感的ですが、汽笛の長さは調整出ません。後者は疑似音なので実物ファンの方には不満が残るようですが、汽笛の長さや鳴らし方も自由に調整することができます。
 また汽笛の音など効果音で困るのが音源です。線路際で採った音は車両から流すのには向かないようですが、車両上で採った公開されたフリーのサウンドデータというのもあまりないようです。
 お手軽なのは、DCCサウンドデコーダーをつないでその音声出力を流す方法です。一台ごとに搭載することを考えると高価ですが、効果音が予め入力されたメモリモジュールと考えるとコスパはあまり悪くないと思います。
 電子合成音では、汽笛専用のサウンドICも発売されているようですし、ヤマハのシンササイザーICを搭載したモジュールの利用も考えられます。
SL1は、タイマIC555?を3個使って発振させた音をミキサで混ぜて使っているようですが、今はいろいろな音源があるようです。

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KATOサウンドBOXをDSairで操作する(続)

DSair純正でうまく作動しなかったのは、結局倍圧整流の入力に使ったコンデンサーの突入電流にモータードライバーTB6643KQの過電流保護機能が反応して出力シャットダウンするためでした。入力に直列に30Ωの抵抗をいれたら問題なく動作するようになりました。

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ついでにサウンドボックスを改造したコントローラー部分のアルミ板が露出していた部分に黒のカッティングシートを貼ったら高級感?が出ました。

またもう一度分解したので、基板表面の写真をお目にかけます。

なお分解すると製品保証がなくなるらしいので、分解はおすすめしません。分解される方は自己責任でおねがいします。


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左下の丸型のパターン部分がスイッチ部分です。この部分はゴムスイッチになっていて、パネル上の黒色スイッチをおすと、導電性ゴムが当たって導通する仕掛けらしいです。従ってこの部分にジャンパー線をつけて短絡させると音が鳴るようです。現在オーダーしているリードリレーが着いたら、加工してみようと思います。

最近まとまった時間がとれず電子工作ばかりでしたが、そろそろ車両工作に戻ろうと思います。
といっても今日は9850を塗ろうと思っていましたが、天気が悪くて延期しました。

※話がゴチャゴチャになるので、記事を分割しました。

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KATOサウンドBOXをDSairで操作する

KATOサウンドBOXですが、メーカーは通信ポートの仕様を公開するつもりは、まったくないようです。そこで通信ポート経由の外部からの操作は諦めて、DUMP端子に電圧をくわえて外部から操作することを考えました。
Nanoを使ったスマイルでコーダーに、I2CでDAコンバーターのMCP4726をつないで、速度出力をPWMではなく、0-5Vの直流として取り出しました。それをオペアンプNJM741で-10から10Vの電圧に変換しました。オペアンプは正負両電源が必要ですが、DCCは交流なので、倍圧整流の仕組みを使って取り出しました。これは、ひろでんさんのドッチーモアダプターをみていて思いつきました。
まだブレッドボード上の仮組み状態ですが、DCCコントローラーつなげば作動します。
もちろん、DSairをつなげば、ワイヤレスで操作できるはずなのですが、三段重のメーカーエディションでは動きますが、純正DSairとNORAeditionでは動きませんでした。ハードの差というより メーカーズエディションは古いスケッチのままですが、純正とNORAは最新のスケッチなので、ソフトバージョンの差異によるものかもしれません。ちょっと検討が必要なようです。追記 NORA刺していた新しいスケッチインストールしたUNOにメーカーエディションのSDカードシールド+DSシールド刺したら動きました。スケッチの違いではなさそうです。

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またサウンド機能の方は、しいのみ鉄道さんに教えていただいた情報では、スイッチ短絡すれば音が鳴るようなので、デコーダーにリードリレーをつけて、このデコーダーのファンクションで動作させる予定です。

なおサウンドBOXでの通信ポートですが、UARTではなくて、RS485、432のような差動入力のようです。自分の技術・知識や手持ちの機器では通信規格の解析は難しいので諦めました。

なおLenzのXpressNetは、RS485規格らしいですね

 

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KATOサウンドBOXを改造する

KATOのサウンドBOXは、運転用パワーパックを別に用意してjump端子に接続する必要があります。
これが煩わしいので、コントローラーを本体に組み込むことにしました。本体スピーカーから音が出るのは興ざめなので、私は外部スピーカーを使うか、Bluetoothで車両のスピーカーに音を飛ばしています。そこで右の内蔵スピーカーを撤去して、この部分にコントローラーを組み込みました。
電気回路としてはjump端子に接続する電圧コントローラーを内部に組み込んだけです。
なお内部にモニター用にバッフル付きの小さなスピーカーをいれていますが、結構良い音がします。
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サウンドBOXの回路がよくわからないので、サウンドBOXと電圧コントローラーの電源を共通にすると回路内部でショートするかもしれないと思いました。同様な改造をされた方で別電源にされている方もおられるようですが、ネットでみつけた絶縁型のDCDCコンバーターを使用して電源は共通にしました。今回使用したのは、3W級絶縁型DC-DCコンバーター(±12V±125mA) MCWI03-12D12で秋月電子で購入しました。
左のアルミ板のボリュームの下の黒い素子がこのDC-DCコンバーターです。
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また今回は一捻りして、±12Vの電圧がDC-DCコンバーターを使用し、通常の方向スイッチによる前後進切替操作と、スロットルのみで前後方向を切り替える(中間位置で停止)操作の両方のモードで使えるようにしています。スロットル上のスイッチAが前後方向の切替スイッチで、左手のスイッチBが操作モードの切り替えスイッチです。
jump端子のインピーダンス(入力抵抗値)はかなり高く、外部のパワーパックから流れる電流を測定してみると、10mA以下なのでトランジスタによる増幅回路は必要ないようです。なお回路図は下図のとおりです。
Sbc

なお実用上は問題ありませんが、コントロール部分のアルミ地肌の銀色が少し安っぽい感じがします。黒色塗装など考えた方がよさそうです。

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蒸機サウンドシステムの比較

所属するクラブの会誌に3つのシステムの比較記事を投稿したので、
比較表を私のブログにも掲載しておきます。


3sound
クリックで拡大します。

*1 クマタなどが、ESUのサウンドデコーダーに日本型音源を入れて販売
     永末から9600用デコーダーが発売されている
*2、3 PFMマークⅡでは外部音源も使えた
*4 Tsunami2では、モーター回転を検出して同期
*5 Tsunami2ではでは3段階に切替可能

優劣はつけがたく、図らずも3種の異なったサウンドシステムついた機関車を保有しています。
どれかひとつのシステムにに統一するように改造する気力と時間もないです。
まあ適材適所ということで、車両ごとのシステム選択していくことになると思います。


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