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Physik | Technik
Mischa Weiss, 2004 | Sent, GR
Als Maturitätsarbeit habe ich meine Marimba in eine Hybrid-Marimba umgebaut. Jeder Ton der nun gespielt wird, wird auch digital (über MIDI) weitergeleitet und kann externe Samples oder Synthesizer triggern, ähnlich wie bei einem E-Piano. Nach ausgiebigen Tests mit unterschiedlichen Aufnahmesystemen, konnte ich mit dem Bau beginnen. Viele Stunden habe ich dabei in meiner Werkstatt mit Löten verbracht. Einige Dutzend Kabel habe ich erfolgreich als Hardware verlötet. Die Grundlage für die Erfassungs-Software war gebaut und ich konnte mich deren Programmierung widmen. Schnell wurde mir bewusst, dass ich noch Zeit und Potenzial hatte. Daher konnte ich mich noch mit Zusatzaufgaben beschäftigen, wie mit einer LED-Matrize zum Anzeigen von Texten und Farbverläufen oder einem Bedienfeld am Instrument selbst. Entgegen meinen Erwartungen, wurde aus der Hybrid-Marimba ein eigenständiger Computer.
Fragestellung
„Wie lässt sich eine Marimba in ein Hybrid-Instrument umwandeln?“, war die zentrale Fragestellung meiner Arbeit. Da ich keine Vorarbeiten in diesem Bereich fand, musste ich alle Teilfragen selbst erarbeiten: (I) «Welche Sensoren ermöglichen eine verlässliche Digitalisierung des Schlags ohne das Spielgefühl zu trüben?», (II) «Wie kann ich die Signale schnell und verlässlich digitalisieren?», (III) «Welches ist das beste Austauschformat?», (IV) «Wie kann die Bedienung durch ein Bedienfeld erleichtert werden?» und (V) «Wie können optische Elemente, wie eine LED-Matrize, in das Konzept integriert werden?»
Methodik
Während meiner Arbeit habe ich mich mit der Digitalisierung einer Marimba beschäftigt. Bei der Wahl der Sensoren habe ich mich auf Piezos konzentriert, da sich diese in Tests als robust und zuverlässig erwiesen hatten. Nach einigen Tests habe ich die Digitalisierung der Signale zu MIDI mit dem Mikrokontroller Teensy 4.0 aufgrund seiner hohen Prozessorgeschwindigkeit vorgenommen. Um schnell unterschiedliche Konfigurationen von Messparametern testen zu können, wurde auch ein Bedienfeld entwickelt. Schlüsselaspekte in den Tests waren dabei, wie sich der Klang und das Spielgefühl durch die digitale Aufnahme der Sensoren verändern. Ebenfalls habe ich mit einem Oszilloskop untersucht, welche externen Faktoren einen Einfluss auf das Signal der Sensoren haben.
Ergebnisse
Das Endprodukt meiner Maturitätsarbeit ist eine Hybrid-Marimba. Diese ist jetzt ein MIDI-Instrument, welches man mit Aufnahmesoftware und Synthesizern verbinden kann. Zudem hat das Instrument eine grosse LED-Matrize an seiner Vorderseite, welche von einzelnen Pixeln über Farbverlauf-Animationen bis hin zu ganzen Texten alles projizieren kann. Durch einen Cross-Trigger Untersuch mit dem Oszilloskop, konnte ich wichtige Ergebnisse über das Verhalten der Piezos gewinnen und damit die Messreihenfolge optimieren. Auch wenn gewisse Aspekte noch nicht optimal sind (z.B. gemessene Überspannungen), so ist die Optimierung der Hybrid-Marimba auf gutem Weg. Da es noch keine Hybrid-Marimbas auf dem Markt gibt, habe ich abgeklärt, ob dieses Konzept patentierbar ist. Nach positiver Prüfung mit Hilfe des IGE, habe ich die Patentanmeldung geschrieben und am 18. Januar 2023 eingereicht.
Diskussion
Das Endprodukt entspricht meinen anfänglichen Vorstellungen. Die Marimba kann durch die verbauten Sensoren und der integrierten MIDI-Kommunikation nun externe Samples triggern und ist somit hybrid bespielbar. Auch sehr interessant ist die Verbindung zwischen Ton und Licht, welches durch die LED-Matrize in verschiedenster Form erzeugt werden kann. In diesem Projekt habe ich zum ersten Mal mit Elektronik gearbeitet. Nicht nur habe ich viel über Elektronik und Programmieren gelernt, sondern auch, wie man durch Experimentieren allmählich vorankommt. Und da ich viele mögliche Problemquellen nicht auf dem Radar hatte, brauchte es viel Ausdauer, um beim Ziel anzukommen.
Schlussfolgerungen
In dieser Arbeit wurde die Konzeption, der Bau und die Charakterisierung einer Hybrid-Marimba beschrieben. Ich werde mich auch in Zukunft weiter mit dem Projekt beschäftigen, da einige Aspekte noch nicht optimal sind. Obschon ich durch Experimente und Messungen zum Thema Sensor und Cross-Triggering schon einiges optimieren konnte, hat das Projekt noch Verbesserungspotential. Den Code, welchen ich geschrieben habe, werde ich immer wieder erneuern und erweitern können. Für den Anfang bin ich jedoch zufrieden damit: Denn ab sofort habe ich ein neues Instrument in meinem Sortiment, mit welchem ich auftreten kann und welches meiner musikalischen Kreativität keine Grenzen setzt.
Würdigung durch den Experten
Philipp Schütz
Die Arbeit von Mischa Weiss beschreibt die Entwicklung einer hybriden Marimba, die ermöglicht, das Spiel auf dem Instrument zu digitalisieren, in MIDI-Dateien zu exportieren und optische Elemente wie LED-Panels anzusteuern. Da kaum Vorarbeiten auf diesem Gebiet zur Verfügung standen, musste Mischa Weiss sich die Grundlagen in Sensoren, Elektronik, aber auch Programmierung selbst beibringen, um diese interdisziplinäre Aufgabe lösen zu können. Durch grossen Einsatz ist es gelungen ein neuartiges Instrument zu bauen und dieses so zu optimieren, dass es nun für Konzerte zur Verfügung steht.
Prädikat:
sehr gut
Sonderpreis «Summer School of Science» gestiftet von der Metrohm Stiftung
Evangelische Mittelschule Schiers
Lehrer: Andreas Möckli