Petrophon-2: Elektronische Klänge aus Betonziegeln, Fensterscheiben und Bratpfannen

Dieses Projekt ist ein Beispiel für den Schaltungsentwurf mit dem L-Culator: Elektromagnetische Aktoren und Sensoren.
Letzte Änderung an dieser Seite: 26.8.2018

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Eine gusseiserne Bratpfanne - wie diese auf dem Prüfstand .hat weitaus mehr musikalische "Reserven" als man glaubt.

Sound is in everything


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Sound is in everything ?

Musizieren kann man auf vielfältige Weise und mit allen möglichen Gegenständen. Man muß dazu kein Musiker sein. Schon durch das Anschlagen bestimmter Gegenstände: Metallfässern, Trinkgläsern, Pfannen usw. läßt sich manchmal ein harmonischer Klang erzielen. Das ist ganz elementar und war sicher schon unseren ersten musizierenden Vorfahren in der Steinzeit bekannt.

Warum aber klingen nur ganz bestimmte Gegenstände beim Anschlagen eindrucksvoll ? Weshalb klingt etwa ein Ziegelstein, ein Plastikeimer oder eine Fensterscheibe nicht besonders ?

Nun, dieser erste Eindruck von diesen simplen Gebrauchsgegenständen aus Beton- oder Plastik besteht zu Unrecht. Auch sie haben ganz spezifische muskalische Qualitäten. Das Bastelprojekt "Petrophon-2" hat dies eindrucksvoll demonstriert.

Die Lösung: der elektrisch angetriebene Resonator

Alle festen Gegenstände besitzen gleich ein ganzes Spektrum von mechanischen Eigenschwingungen. Problem: diese verlieren ihre Schwingungsenergie zum größten Teil sehr schnell. Beim Anschlagen mit einem Trommelstock klingen sie daher dumpf und damit musikalisch uninteressant. Das kann man aber ändern.

Die Lösung ist einfach: man statte den betreffenden Gegenstand an zwei Stellen mit Permanentmagneten aus und montiere darunter jeweils einen Elektromagneten. Die beiden Elektromagneten verbinde man mit Ein- und Ausgang eines Audioverstärkers, am besten eines solchen mit viel Leistung. Wenn man den Lautstärkeregler nur weit genug aufdreht, wird es irgendwann eine heftig einsetzende Rückkopplung über mechanische Eigenschwingungen geben und das mit Magneten ausgestattete Teil in heftige Schwingung versetzen. Das Prinzip ist im Bild rechts gezeigt.



Das Prinzip: der schwingende Gegenstand (hier ein Stab) ist an zwei bzw. drei Punkten gelagert. An den Enden sitzen zwei starke Magnete, die in passende Spulen eintauchen. Diese werden an den Verstärker angeschlossen. Die Schwingungen erzeugen in den Spulen durch magnetische Induktion Spannungen, bzw. übt der Spulenstrom auf die Enden des Stabs Kräfte aus.

Elektromagnetische Energiezufuhr

Als Aufnehmersspule (recording coil) habe ich eine alte 220-V-Relaisspule aus einem Schaltschütz verwendet. Wichtig ist, dass der Eisenkern komplett entfernt wird. Die Spule hat genügend Windungen, damit selbst bei kleinen Schwingungsamplituden von nur wenigen µm relativ hohe Indusktionsspannungen entstehen. Der Permanentmagnet ist ein zylindrischer Neodym-Eisen-Bor Supermagnet mit 1 cm Durchmesser und 5 mm Länge, der für wenige 10 Cent im Versandhandel erhältlich ist. Dieser hier passte gerade ziemlich genau in die ebenfalls zylindrische Spulenöffnung.

Die Antriebsspule (driving coil) kommt aus dem Wasserzulauf-Magnetventil einer alten, ausgemusterten Waschmaschine. Ich habe hier den gleichen Magnettyp verwendet wie bei der Aufnehmerspule. Gegebenenfalls kann man auch zwei solche Magneten aufeinandersetzen.

Die Magneten habe ich einfach mit selbstklebender Magnettafelfolie an besonders weit ausgelenkten Punkten des Gegenstandes befestigt, den ich damit zum Schwingen bringen möchte. Hierzu wird an den jeweiligen Punkten ein etwa 2 x 2 cm großes Stück dieser etwa 50 - 100 µm dicken Eisenfolie aufgeklebt und der Magnet daraufgesetzt. Reicht zur Befestigung völlig aus.



Hier die Aufnehmerspule mit dem Permanentmagneten, der an dem Betonziegel befestigt ist. Die Spule wird durch Unterlegen einer kleinen Holzscheibe noch höher gelegt, so dass der Permanentmagnet knapp in die Öffnung eintaucht.


Verstärker für mechanische Resonatoren mit speziellen Einstellmöglichkeiten

Neben der Verstärkung ("Gain") kann man hier den Ruhestrom der Endstufe einstellen ("idle current adjust"). Dadurch läßt sich das Verhalten des Schwingers manipulieren:
Niedriger Ruhestrom (ca. 0-20 mA) = nichtlinearer Betrieb. Die Verstärkung wächst mit der Aussteuerung. Man kann nun den Schwinger wie ein Xylophon mit dem Schlagstock anschlagen, bzw. durch Dämpfen mit der Hand zum Schweigen bringen. Er behält dann diesen Zustand bei, ohne dass der "Gain" verändert werden muss..
Hoher Ruhrestrom (30 - 60 mA) = linearer Betrieb, Verstärkung bei zunehmender Aussteuerung konstant oder leicht abnehmend. Ideal zum Erzeugen stabiler, zeitlich konstanter Schwingungen und zur Visualisierung mittels Chladni-Figuren (siehe Video).

Dieser Verstärker ist natürlich nicht die einzige mögliche Schaltung. Ein paar mehr Schaltungsvarianten gibt es hier

Die Verstärkerschaltung

Zum Betrieb der Elektromagnete benötige ich hohe Spannungen. Es können Spitzen bis 1 kV auftreten. Habe einen dreistufige Verstärkerschaltung mit Elektronenröhren gewählt, wie sie früher auch im Ablenkverstärker von Fernsehgeräten verwendet wurden. Die Auswahl der Röhrentypen, hier eine PCF 82 für die Vorstufen und eine PL 508 als Endstufe, ist aber an und für sich nicht kritisch. Ich hatte diese beiden gerade da. Zusätzlich habe ich noch einen Glimmstabilisator 85A2 eingebaut, um die Rückwirkung von starken Impulsströmen, wie sie eine Zeilenendröhre vom Typ PL 508 aufzubieten vermag, auf die Versorgungsspannungen der Vorverstärkerstufen zu vermindern. Die Spannungsversorgung erfordert hier zwei Spannungsquellen. Habe hier zwei Labornetzgeräte für 100 V und 200 V verwendet. Aber ein Trafo mit passenden Gleichrichtern und dickem Ladeelko genügt auch.

Das Signal von der Aufnehmerspule wird vom Triodensystem der PCF 82 zunächst einmal vorverstärkt und gelangt über das 100-k-Poti in ihrem Anodenkreis zum Steuergitter des Pentodensystems. An dem Poti wird später die Rückkopplung so eingestellt, daß die Schwingungen eben einsetzen. Das Pentodensystem der PCF 82 verstärkt das Signal nunmehr soweit, dass es zur Vollaussteuerung der PL 508 ausreicht. Hier werden etwa 30 - 40 Vss benötigt. Auf die Zwischenschaltung eines Koppelkondensators, wie er in vielen Röhrenverstärkern üblich ist, habe ich verzichtet. Das hängt mit der möglichen Aufladung des Koppelkondensators bei starker Aussteuerung zusammen, die zu zeitweisen Veränderungen im Verstärkerverhalten führt, wenn nämlich in der PL 508 Gitterstrom fließt. Das hat komplizierte Folgen. U.a. ist es dann schwierig, die Amplitude der Schwingungen zu kontrollieren.

Der Ruhestrom der PL 508 wird am Stellpoti im Katodenkreis der PCF 82 eingestellt ("idle current adjust"): Habe hier im Ruhezustand meist Werte von etwa 5 - 30 mA Anodenstrom der PL 508 gewählt. Je nach Einstellung lassen sich hier bestimmte Klangeffekte erzielen. Das sollte man je nach der Art des schwingenden gegenstandes ausprobierten. Maximal zulässig wären hier etwa 60 - 70 mA möglich, ohne die Röhre zu überlasten. Im schwingenden Betrieb sind hier bis zu 200 mA möglich. Ein Amperemeter in der Anodenleitung ist jedenfalls zweckmäßig.

Schaltungsaufbau mittels Steckbrett

Hier noch ein Foto vom Steckbrett-Aufbau des Verstärkers. Habe größtenteils Bauelemente aus einem alten Kosmos-Experimentierkasten wiederverwendet. Das dort verwendete Klemmensystem ist für schnelle Umbauten sehr praktisch. Die Röhrenfassungen habe ich mit selbst auf kleine Brettchen montiert und mit entsprechenden Kontaktklemmen ausgestattet. Die Bauteile habe ich mit Klebeband auf einem ausreichend großen Holzbrett befestigt und mit isoliertem Schaltdraht verbunden. Auch ein Elektronik-Klemmbrett ist da nützlich, um zusätzlich Bauteile unterzubringen.

Das System ist sehr flexibel und auch für andere Elektronikversuche außerordentlich nützlich.





Noch ein Hinweis zum Schluß: Ein gewisser Lärmpegel ist hier nun einmal nicht zu vermeiden. Wenn Sie längere Versuche planen, schenken Sie Ihrem Wohnungsnachbarn eine Kinokarte !

Eigenschwingungen eines Betonziegels

Auch der 80 cm lange und 8 kg schwere Betonziegel links im Bild macht Töne. Diese beruhen auf verschiedenen Biegeschwingungen. Die niedrigsten Frequenzen liegen bei 270, 475 und 722 Hz. Je nach Position der Magnete, der Auflager und der Polung der Spulen können verschiedene Schwingungsformen angeregt werden. Die folgende Skizze deutet die Auslenkung der Ziegels in den verschiedenen
Bi
egemoden an:

An einer Glasscheibe konnte ich Schwingungsfrequenzen zwischen 10 Hz und etwa 1,5 kHz anregen. Teilweise so heftig, dass ich die Gegenstände über den Tisch "gewandert" sind. Durch bestreuen der Gegenstände mit feinem Sand oder Salz lassen sich Chladnische Klangfiguren sichtbar machen: durch die Vibration werden die Körner in die Schwingungsknoten befördert, wo sie je nach Art der Schwingung typische Muster bilden (siehe Video)

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