Posiadanie organów piszczałkowych w domu to marzenie, które może być trudne do zrealizowania zarówno ze względu na koszty, jak i przestrzeń, którą trzeba by przeznaczyć na tak duży instrument. Organy piszczałkowe to instrument o znacznych wymiarach, wymagający dużej ilości miejsca, a ich cena może sięgać nawet milionów złotych, zwłaszcza w przypadku większych modeli. Kilku głosowy pozytyw można zbudować stosunkowo tanio, jednak nie każdy dysponuje przestrzenią warsztatową i odpowiednimi narzędziami. Gotowe elementy można zakupić w polskich firmach organmistrzowskich lub zamówić z Organ Supply, ale wiąże się to z wyższymi kosztami.

GrandOrgue to darmowy, open-source’owy sampler służący do odtwarzania sampli (próbek dźwiękowych) organów piszczałkowych. Program umożliwia użytkownikom grę na wirtualnych organach, wykorzystując próbki dźwiękowe zebrane z rzeczywistych instrumentów. Jest to najtańszy sposób, aby cieszyć się brzmieniem organów piszczałkowych w zaciszu domowym. Niestety to rozwiązanie ma swoje ograniczenia, które wpływają na realizm brzmienia. GrandOrgue jest wyłącznie samplerem i nie oddaje realistycznie takich aspektów jak artykulacja, system zasilania w powietrze czy model fizyczny szafy ekspresyjnej. Tylko ostatni z tych elementów można częściowo zmodyfikować bez ingerencji w samo oprogramowanie GrandOrgue, wykorzystując dodatkową aplikację pośredniczącą między wyjściem dźwięku programu a kartą dźwiękową. Niestety nie znam dokładnych wartości latencji dźwięku, ale w obecnej konfiguracji sprzętowo-programowej jest ona wyczuwalna, co wpływa na doznania dotykowo-słuchowe.

Obecny zestaw składa się jedynie z cyfrowego pianina pełniącego funkcję manuału. Wbudowane funkcje, takie jak połączenie manuał/bas czy manuał/melodia, są niewystarczające. Rozwiązaniem pośrednim jest tworzony przeze mnie programowalny interfejs MIDI GrandBridge, który implementuje zaawansowane modyfikowanie komunikatów MIDI oraz dodatkowe sterowanie. Oprócz włączników głosów dostępne są lub będą włączanie dzielonych połączeń manuałów, połączenia w wskazanym interwale, również połączeń Bas/Pedał, Mel/Man, adaptacja komunikatów Bx – Control Change pedałów pianina cyfrowego do obsługi szafy ekspresyjnej. Sterownik niczym komputer w nowoczesnych organach piszczałkowych. Obecnie skupiam się na tworzeniu oprogramowania GrandBridge oraz projektowaniu elektroniki do obsługi klawiatury pedałowej.

Klawiatura pedałowa

Klawiaturę pedałową w domowych warunkach można wykonać z bukowych lub dębowych kantówek, zachowując przy tym minimalne kompromisy względem standardu BDO, zgodnie z katalogiem Laukhuff – firmy, która produkowała prefabrykaty organowe. Niestety już ona nie istnieje. Katalogi tej firmy można znaleźć w archiwach, takich jak archive.org, czy na specjalistycznych forach. Tymczasowo udostępniam kopie znalezioną na archive.org.

Najbardziej rozpowszechnionym typem klawiatury pedałowej w Polsce jest klawiatura płaska. Projekt takiej klawiatury jest prosty. Inaczej się ma sytuacja, gdy klawiatura jest wklęsła lub wklęsła promienista. Wykonanie takiej klawiatury bez bardziej zaawansowanych narzędzi takich jak frezarka jest trudniejsze, ale nie niemożliwe do wykonania. Odpowiednio przygotowana tabela wymiarów wraz ze współrzędnymi, myślę że będzie wystarczająca, aby wykonać wycinek okręgu – łuk zakrzywienia. Wzorniki można wydrukować i nakleić na obrabianą część i/lub stworzyć proste narzędzie do strugania wzdłuż łuku.

Poprzednio w tym miejscu znajdował się obraz strony z katalogu z podstawowymi wymiarami, jednak nie zawierał on wszystkich informacji. Rysunek techniczny nie zawierał wszystkich informacji. Niestety trzeba je opracować samodzielnie. Gdy skompletuje wszystkie umieszczę je w tabeli. Nie planuję wykonywania rysunku technicznego gotowych elementów.

Interface MIDI-USB i elektronika

Elektronikę postanowiłam oprzeć na płytce prototypowej STM32 NUCLEO-F439ZI z mikrokontrolerem ARM Cortex-M4. Kluczowym parametrem przy wyborze tej płytki była liczba dostępnych wejść/wyjść GPIO, która wynosi maksymalnie 114. Taka liczba pozwala na podłączenie każdego klawisza bez konieczności stosowania ekspanderów. Taka implementacja jest wysoce nie optymalna i nigdy nie wykorzystywana w implementacji. Oryginał kosztuje ok. 150 zł. Sam interface MIDI-USB dla klawiatury pedałowej można oprzeć o STM32 BluePill (klon) z mikrokontrolerem STM32F103C6T6. Koszt ok. 20 zł. Do prototypownia idealna.

Włączniki głosów można zrealizować na wiele sposobów: przyciski podświetlane lub przyciski i diody. Finalnie chciałabym mieć zautomatyzowane wyciągane włączniki (z ang. knobs) – takie jak w nowoczesnych konsolach.

Co dalej?

W przyszłości zestaw zostanie rozbudowany o przynajmniej dwie klawiatury sterujące MIDI np. Nektar Impact GX61 – być może bez obudowy producenta, tak aby posiadać dwa manuału plus klawiaturę pedałową. Model tej klawiatury nie posiada wielu dodatkowych kontrolerów MIDI, co w tym przypadku jest zaletą – łatwiej wypatroszyć elektronikę. Klawiatury sterujące zazwyczaj mają inną konstrukcję a niżeli klawiatury organowe. Nie ma to większego znaczenia. Uzyskanie nachylenia II manuału pod kątem 2° nie jest żadnym problemem.

Organy idealne

Najprostszą odpowiedzią było by stwierdzenie organy piszczałkowe – takie z prawdziwymi piszczałkami. Cuż 🙍. Nie mam tyle pieniążków. Nawet gdybym miała to rodzice nie pozwoliliby, abym umieściła je w salonie. „Organowi świrzy” w brew pozorom spełniają swoje marzenia o posiadaniu instrumentu piszczałkowego. Pod frazą Home Pipe Organ można znaleźć organy posiadające od kilku głosów po posiadające ponad sto głosów.

Jeśli nie organy piszczałkowe to jakie?

Tak jak nie każda piszczałka ma duszę, tak nie każdy człowiek jest człowiekiem choć człowiekiem niby jest.

Niedokładna parafraza słów Arkadiusza Popławskiego

Omawiając wcześniej GrandOrgue wspominałam o różnicach pomiędzy OpenSource’owym GrandOrgue a komercyjnym Hauptwerk. Wymienione braki mają implementację w Hauptwerk. Pokrótce przypomnę: brak modelu wiatru, brak tłumienia częstotliwości dźwięku szafy ekspresyjnej.

Sampling jest jedną z technik syntezy dźwięku. W domenie cyfrowej można go modyfikować, zanim trafi na wyjście karty dźwiękowej. Podstawową modyfikacją nagranej próbki jest wyznaczenie punktu końca ataku dźwięku, gdy dźwięk się ustabilizuje, odnalezienie pętli – dwóch punktów o zbliżonych parametrach, tak aby po zapętleniu odtwarzania sprawiało wrażenie, że jest to ciągłe nagranie dźwięku, oraz wyznaczenie punktu zwolnienia, od którego kończy się odtwarzanie próbki po zwolnieniu klawisza. Oczywiście nikt nie robi tego ręcznie – proces ten przeprowadza program, który wyszukuje odpowiednie punkty i zapisuje je jako punkty cue w pliku dźwiękowym próbki. Dodatkowo trzeba wprowadzić korektę stroju, jeśli próbki nie stroją.

Sam sampling dość wiernie oddaje brzmienie rzeczywistych instrumentów. Newralgicznymi miejscami są wyznaczone punkty cue, w których i/lub występują zniekształcenia. Gdy zastanawiałem się nad rozwiązaniem tego problemu (zajęło mi to kilka minut, bez zagłębiania się w literaturę), w mojej głowie pojawiło się kilka pomysłów na zniwelowanie tych zniekształceń. Ten wpis nie dotyczy jednak samplingu, więc nie będę wchodzić w szczegóły.

W fizyce istnieje pojęcie modelu, czyli uproszczonego opisu rzeczywistości. Model wiatru uwzględnia rozstrajanie się piszczałek przy spadku ciśnienia powietrza oraz zmianę barwy dźwięku. Wartość ta jest dynamiczna. Większe piszczałki zużywają więcej powietrza niż mniejsze. Muzyk ma swobodę w wybieraniu włączonych głosów organowych jak i ilości naciągniętych klawiszy. Rozstrajanie jaki i zmiana barwy i głośności są współczynnikami nieliniowymi – nie da się wyznaczyć funkcji liniowej opisującej zmianę tych parametrów względem wartości ciśnienia. Dla uproszczenia przyjmijmy że spadek ciśnienia jest taki sam dla każdej grającej piszczałki. Przy takim założeniu dostosowujemy działanie filtra przy wystąpieniu komunikatów NOTE ON i NOTE OFF według wyznaczonej krzywej filtra.

Problemy z implementacją modelu wiatru przy wykorzystaniu samplingu jako metody syntezy dźwięk

Tworząc model wiatru należy się przyjrzeć kilkoma czynnikami: artykulacji dźwięku oraz wpływu ilości granych dźwięków na zachowanie rozstrajania się dźwięków już granych.

Sposób artykułowania dźwięku wpływa na parametry dźwięku, które odbieramy za pomocą zmysłu słuchu. W organach zmiany te są subtelne, zakładając że jest to muzycznie akceptowalna artykulacja. Pominmy przypadek bardzo wolnego naciskania klawisza. W klawiaturach MIDI dochodzą jeszcze dwa ograniczenia. Nie jest możliwe bez specjalnych komunikatów przekazać prędkości naciskania klawisza w czasie rzeczywistym. Wartość velocity odpowiedzialną za głośność dźwięku należało by przekonwertować tak, aby zmieniać parametry szybkości uzyskania stabilnego dźwięku piszczałki. Tylko taki scenariusz jest możliwy na podstawie wcześniejszych założeń i ograniczeń. W innym przypadku mogłaby wystąpić sytuacja, że nigdy nie zostanie uzyskany stabilny dźwięk.

Model szafy ekspresyjnej

Szafa ekspresyjna (inaczej zwana żaluzją) to wydzielona obudowa z uchylnymi żaluzjami. Jej zadaniem jest kontrolowanie głośności oraz barwy jako efekt towarzyszący. Z fizycznego punktu widzenia jest to skrzynia rezonansowa (Helmholtza) ze zmienna geometria otworu.

W przypadku modelowania szafy ekspresyjnej w syntezie opartej na samplingu, wystarczy zaimplementować zestaw regulowanych filtrów częstotliwości. Jednym z problemów jakie można napotkać jest dobór parametrów filtrów. Przy zamykaniu żaluzji wysokie częstotliwości szybciej są tłumione niż niskie.

Jak widać na załączonym wykresie w większości przypadków wystarczy zastosować zestaw trzech filtrów dolnoprzepustowych, aby modelować szafę ekspresyjną.

Architektura GrandOrgue

Szczerze mówiąc nie zapoznałam się jeszcze z dokładną architekturą GrandOrgue. Kod źródłowy podzielony jest na moduły. Kolejnym wyzwaniem będzie sam język programowania. Nie znam C++, w którym napisany jest GrandOrgue. Tworząc fork przy każdej aktualizacji nie zmodyfikowanego GrandOrgue musiałabym modyfikować kod i go dostosowywać, aby wprowadzone modele były dostępne. Istnieje sposób, aby raz napisana implementacja modeli nie powodowała takich problemów. Zespół twórców GrandOrgue musiałby wprowadzić tą funkcjonalność do oryginalnego GrandOrgue.

Idealnym rozwiązaniem byłoby posiadanie w pełni modelowanego fizycznie instrumentu, takiego jak Viscount Physis (Plus). Patent na tę technologię jest dostępny, jednak brakuje jego pełnej implementacji. Jeszcze innym podejściem może być prostszy model syntezy niekoniecznie oparty na modelowaniu fizycznym.