Лазерная арфа

Лазерная арфа — на редкость крутой по своей идее концепт музыкального инструмента, придуманный в 80-х годах не менее крутым музыкантом Жан-Мишель Жарром, с тех пор с успехом использующим её в своих выступлениях. Идея очень проста: берём лазерные лучи, формируем из них подобие реальной струнной арфы, после чего отслеживаем пересечение рукой музыканта какого-либо из лучей. Когда луч прерывается, фотодатчик шлёт сигнал на контроллер, который формирует звуковой (или MIDI) сигнал нужного вида (длительности, громкости и частоты).

Лазерные арфы бывают двух видов: открытые и закрытые. Закрытая арфа обязательно требует полной рамы, в которой расположены снизу излучатели (лазеры), а сверху фотоприёмники.

Здесь всё просто и понятно, когда все лучи попадают в фотодатчики — арфа молчит, когда какой-либо перестаёт попадать — издаём нужный звук. Открытая арфа гораздо интереснее, поэтому мы делали именно её. По сути, это мощный лазер, который светит в зеркало стандартного гальванометра, формирующего развёртку лучей в виде «струн» арфы. Рядом с точкой выхода лучей находится фотодатчик, который ловит отражённый свет от пересекающей луч руки. Обработка такого сигнала требует массу заморочек с фильтрацией лишнего мусора в виде боковой засветки, отражёнки лучей от стен и потолка, а также от летающей пыли.

no images were found

Главная проблема — понять, какой именно луч был перекрыт. Из того, что удалось придумать, лучшим решением оказалось следующее: лазер по питанию промодулирован с частотой около 40 килогерц, и при этом развёрткой гальво и обработкой сигнала с фотодатчика рулит один и тот же контроллер. Модуляция отсекает любую лишнюю засветку (при помощи настроенного на её частоту фильтра сразу за фотодатчиком), и, поскольку контроллер всегда знает какой луч перекрыт, с выдачей звука правильной тональности не остаётся никаких проблем.

После некоторого размышления было решено делать выход арфе по MIDI-стандарту, хотя бы для того, чтобы подключать в дальнейшем её прямо к катушке. Как выяснилось, MIDI в своём простейшем варианте это просто-напросто три сырых байта, из которых первый байт — сервисный и задаёт конкретное действие, например включение ноты, второй байт определяет высоту тона (7 бит, 0-127), а третий — скорость нарастания (убывания) ноты (тоже 7 бит). То есть, простейшая миди-команда выглядит так: 0х90 0х3C 0х7F. Ничего более. Разобраться с миди помогла очень годная статья http://www.avrfreaks.net/modules/FreaksArticles/files/19/Midi%20and%20the%20AVR.pdf, которую всем желающим понять MIDI-протокол и рекомендую. Таким образом, на выходе арфы стоит простой 5-контактный MIDI-разъём, который можно подключить уже куда угодно, хоть к компу, хоть к синтезатору, хоть напрямую к DRSSTC.

В накачке арфы стоит изготовленный под заказ нашим хорошим другом зелёный лазер выходной мощностью примерно 2100 мВт по зелени и 2450 вместе с остатками ИК. По стоимости он оказался примерно вдвое выше, чем аналогичные китайские, но, по некоторому размышлению, было решено переплатить за гарантию, техподдержку и общую заведомую надёжность. Поскольку зелёный лазер такого класса в обязательном порядке требует сборки в сверхчистом помещении, шансов слепить его самостоятельно практически нет. Заодно этот же друг сделал отвечающий вышеупомянутым нужным требованиям по модуляции (40 кГц) источник питания к лазеру, и кучу обратных связей — по температуре кристалла ванадата иттрия, по температуре диода, по току диода, по температуре удвоителя, и так далее.

Для тех, кто забыл, напоминаю: зелёный лазер — сложная модульная конструкция, состоящая из по крайней мере двух последовательных преобразователей длины волны. Вначале ИК-диод на 808 нм накачивает кристалл обычно ванадата иттрия (YVO4), который излучает далее на 1.064 мкм — это обычный DPSS-лазер. Далее эти 1.064 мкм попадают в кристалл удвоителя частоты (раньше использовали КТP, калий-титанил-фосфат, сейчас в моде LBO — литий триборат), который удваивает эти 1064 нм до 532 нм, то есть до зелёного, каковой и выходит наружу через пропускающее только этот самый зелёный выходное зеркало резонатора. Интересующихся подробностями отсылаю далее на вики и в профильную литературу.

no images were found

Лазер этот невероятно крут, даже несмотря на то, что оптическая мода у него не TEM00 (скорее TEM01 или даже 02) и луч отчётливо размазан по вертикали.

Но нас и не интересует чистота моды, а вот выходная мощность интересует весьма. Внесённая в луч спичка моментально загорается даже без игр с формированием перетяжки луча линзой. Картонная коробка прожигается насквозь. Дерево моментально начинает дымить и обугливаться даже на расстоянии нескольких метров. Если сделать перетяжку, то в попавшем в неё чёрном предмете начинается локальный ад и израиль — из поверхности вырываются мелкие клубы дыма от мгновенно испаряющегося материала.

Вообще, игры с лазерами такого класса заслуживают отдельной статьи про них, которая, может быть, когда-нибудь даже и появится. Но вернёмся к арфе.

Для формирования развёртки необходим гальванометр. Поскольку в качестве единственного приемлемого по деньгам варианта есть только китайские стандартные гальво, на них и остановились.

По той же финансовой причине из всего ассортимента остановились на 20 kpps: они стоят всего-навсего 50-80$, в то время как 30 kpps стоят уже 250+$, а цена на 40kpps начинает всерьёз нервировать. По сути, гальво это просто моторчик с зеркалом, каковой моторчик отклоняется туда-сюда в зависимости от подаваемого на него напряжения, и делает это довольно-таки быстро. Если взять два таких зеркала с моторчиком, расположить под углом друг к другу и запустить в них лазерный луч, то можно, последовательно меняя углы и положения зеркал, отрисовать некоторую двумерную картинку. Именно так и работают все лазерные проекторы, используемые в лазерных шоу. Но поскольку у нас задача невероятно примитивна, и нам нужна одномерная развёртка в лучи арфы, второе зеркало можно просто снять.

К сожалению, как показала практика, 20 килоточек недостаточно для обеспечения равномерного и чёткого луча-струны, и в результате наблюдается отчётливо видимое глазом мигание. Устранить это можно лишь выбором более быстрого гальво, но для прототипа сгодится и так.

Чтобы превратить арфу в законченное устройство, ей необходимы корпус, MIDI-синтезатор и динамики. Ни на то, ни на другое, ни на третье времени уже не оставалось, поэтому арфа получила корпус в виде фанерной, оббитой кожзаменителем коробки от какого-то советского прибора, ноутбук и Microsoft General MIDI в качестве синтезатора, и дешёвые, валявшиеся за кроватью колонки в качестве источника звука. Но даже с таким убогим обвесом она успешно работает и издаёт забавные звуковые эффекты. На снимках ниже — демонстрация работы лазерной арфы посетителям Гик Пикника.