SoundLab

Uvod

Sound Lab je projekt u kojem izrađujemo mali digitalno-analogni instrument: Arduino stvara zvuk, potenciometri upravljaju njegovim karakterom, a LM386 pojačalo ga pretvara u signal dovoljan za zvučnik. Time se na jednom projektu susreću programiranje, analogna elektronika i osnove obrade zvuka.

U ovoj verziji projekta koristimo rotacijske potenciometre, kojima možemo intuitivno podešavati parametre zvuka okretanjem kontrola kao na pravom audio uređaju. Naglasak nije samo na tome da uređaj proizvodi tonove, nego i na tome da se razumije zašto audio sklopovi traže pažljivije napajanje, urednije mase i bolji raspored komponenti nego obični LED ili tipkalo projekti.

Cilj projekta

• Objasniti kako Arduino očitava više analognih ulaza s potenciometara i pretvara te vrijednosti u parametre zvuka.
• Razlikovati signal male amplitude na izlazu mikrokontrolera od signala dovoljnog za pogon zvučnika.
• Opisati osnovnu funkciju LM386 pojačala, uključujući ulaz, izlaz, napajanje, kondenzator na izlazu i opcionalno podešavanje pojačanja.
• Prepoznati tipične audio probleme kao što su šum, brum, izobličenje i nestabilnost zbog lošeg napajanja ili lošeg rasporeda vodova.

Istraživanje i analiza

Zadatak 1: Analiza funkcionalnih blokova

• Nacrtaj blok dijagram sustava:
  tipke ili kontrole ⇒ Arduino ⇒ generiranje audio signala na D9 pinu ⇒ volumen ⇒ LM386 ⇒ zvučnik.
  U izvornom Soundlab projektu osam potenciometara je spojeno na A0–A7, a audio izlaz ide s D9.
• Opiši razliku između upravljačkog dijela i audio dijela sklopa.

Više o dijagramima

Zadatak 2: Analiza rotacijskih potenciometara

• Za svaki potenciometar označi tri priključka, +5 V, GND i klizač prema analognom ulazu. U izvornom projektu se koriste potenciometri od 1 kOhm do 100 kOhm za upravljanje audio parametrima, a dodatni 10 kOhm potenciometar koristi se za glasnoću.
• Objasni što Arduino zapravo vidi na srednjem pinu potenciometra.

Zadatak 3: Analiza LM386 pojačala

• Identificiraj osnovne pinove LM386, ulaz, masu, napajanje, izlaz i gain pinove.
• Usporedi dvije konfiguracije pojačanja, osnovnu bez kondenzatora između pinova 1 i 8 i pojačanu s kondenzatorom koji znatno povećava gain.
• Analiziraj zašto veliko pojačanje nije uvijek dobro.

Zadatak 4: Analiza napajanja i stabilnosti

• Označi koje komponente služe za stabilnost i smanjenje šuma.
• Diskutiraj o tome zašto audio sklop nije sretan kad digitalni vodovi, napajanje zvučnika i analogni ulazi prolaze kako stignu po breadboardu.
• Usporedi napajanje preko USB-a i vanjskog 5 V izvora. Izvorni Soundlab može raditi s USB-a ili vanjskim 5 V napajanjem, ali kvaliteta audio dojma jako ovisi o tome koliko je napajanje čisto i stabilno.

Eksperimenti

Eksperiment 1: Utjecaj volumenskog potenciometra

• Spoji 10 kOhm rotacijski potenciometar na ulaz LM386 kao kontrolu glasnoće i slušaj kako se mijenja razina zvuka. U LM386 projektima se takav potenciometar tipično koristi upravo na ulazu za volumen.
• Zapiši zaključak.

Eksperiment 2: Gain 20 naspram gain 200

• Prvo koristi LM386 bez kondenzatora između pinova 1 i 8, a zatim dodaj kondenzator i ponovno poslušaj izlaz. Time se gain mijenja s osnovne vrijednosti 20 na mnogo višu vrijednost, do 200.
• Zabilježi razlike u glasnoći, šumu, izobličenju i osjetljivosti na dodir vodova ili breadboarda.
• Zapiši zaključak.

Eksperiment 3: Bypass kondenzator i šum

• Usporedi rad sklopa s kondenzatorom na pinu 7 LM386 i bez njega.
• Poslušaj postoji li razlika u pozadinskom šumu ili prljavosti zvuka kad nema korisnog signala ili kad je glasnoća pojačana.
• Zapiši zaključak.

Eksperiment 4: Raspored vodova i breadboard šum

• Napravi dvije verzije spoja, jednu urednu s kratkim vodovima i jasnim razdvajanjem audio i digitalnih putova, drugu namjerno razvučenu po breadboardu.
• Usporedi koliko se čuje brujanje, pucketanje ili digitalni šum kod obje izvedbe.
• Zapiši zaključak.

Eksperiment 5: Potenciometri kao kontrola parametara zvuka

• Svaki od rotacijskih potenciometara dodijeli jednom parametru sinteze ili zvučnog efekta u programu. U izvornom Soundlabu osam potenciometara upravlja s osam parametara zvuka.
• Zabilježi koji potenciometri najviše mijenjaju karakter zvuka, a koji samo suptilno mijenjaju envelope ili teksturu tona.
• Zapiši zaključak.

ADSR ovojnica opisuje kako glasnoća zvuka mijenja oblik kroz vrijeme.
ADSR je kratica za Attack, Decay, Sustain, Release – četiri faze kroz koje prolazi glasnoća jedne note ili zvuka.

- Attack (napad) – koliko brzo zvuk naraste od tišine do maksimuma nakon što pritisneš tipku.
- Decay (raspad) – koliko se brzo glasnoća smanji s tog maksimuma na neku nižu, stabilnu razinu.
- Sustain (držanje) – razina glasnoće dok držiš tipku pritisnutu; tu se zvuk održava.
- Release (otpust) – koliko se brzo zvuk utiša kad pustiš tipku.

Grafički, ADSR ovojnica je krivulja koja opisuje kako se amplituda (glasnoća) razvija kroz vrijeme – zato se zove ovojnica, jer ovija stvarni valni oblik zvuka. U sintesajzerima se ADSR često koristi da bi se oblikovala glasnoća (VCA), ali se ista ideja može primijeniti i na druge parametre, npr. filter.

Primjer:
- kratki attack i release → zvuk bubnja, klik
- duži attack i release → zvuk gudača koji se polako otvara i zatvara

FM modulacija opisuje kako mijenjamo frekvenciju signala pomoću drugog signala.
FM znači frekvencijska modulacija: informaciju prenosimo tako da mijenjamo frekvenciju nekog osnovnog, nosećeg signala.

U općenitoj telekomunikaciji FM znači da se trenutna frekvencija nosioca mijenja proporcionalno trenutnoj vrijednosti modulirajućeg signala, dok amplituda nosioca ostaje (uglavnom) ista. Najpoznatija klasična primjena je FM radio u UKV području, gdje se zvuk (govor, glazba) pretvara u promjene frekvencije radio vala.

U sintesajzerima FM modulacija radi istu stvar, ali na audio-frekvencijama: jedan oscilator (modulator) mijenja frekvenciju drugog oscilatora (carrier), pa nastaju novi tonski sastojci (sidebands) i kompleksni zvukovi. Tako se dobivaju metalni, električni, zvonki zvukovi, tipični za FM sintetizere.

Pojednostavljeno: ADSR opisuje kako zvuk diše kroz vrijeme, a FM opisuje kako ljuljamo frekvenciju da bismo dobili bogatije i zanimljivije tonove.

Pitanja

• Zašto audio signal s Arduina nije dovoljan da direktno napaja zvučnik bez pojačala?
• Zašto LM386 s većim gainom može zvučati glasnije, ali i lošije?
• Zašto je bypass kondenzator na pinu 7 koristan u audio sklopovima?
• Zašto isti program može zvučati bolje ili lošije samo zbog drugačijeg rasporeda žica i mase?
• Zašto su rotacijski potenciometri dobar izbor za ovakav edukativni instrument?

Dijagrami i sheme