Author: Johannes Kölbl

Das Main-Board meiner Kalimba bildet ein Raspberry Pi Zero W2, der einen Pure Data Patch ausführt. Dieser Patch wird automatisch beim Hochfahren des Systems gestartet, was eine nahtlose Integration und Benutzererfahrung ermöglicht. Der Pd Patch auf dem Raspberry Pi wird über MIDI-USB vom Teensy-Board gesteuert, welches alle Buttons und Steuerungen des Instruments umfasst. Diese Konfiguration ermöglicht eine vielseitige und dynamische Steuerung der musikalischen Ausgabe, wobei die physische Interaktion mit der Kalimba in digitale Signale umgewandelt wird, die den Pd Patch steuern.

Vor der Entscheidung für den Raspberry Pi Zero experimentierte ich mit verschiedenen anderen Plattformen, darunter einem Bela-Board. Obwohl das Bela-Board für musikalische Projekte vielversprechend ist, stieß ich auf Schwierigkeiten, meinen spezifischen Pure Data Patch, der diverse Externals benötigt, darauf zum Laufen zu bringen. Ein weiterer Kandidat war der Raspberry Pi 4 in Kombination mit einer PiSound-Karte. Diese Konfiguration bot zwar eine starke Leistung, erwies sich jedoch für das kompakte Design meiner Kalimba als zu groß.

Letztendlich erwies sich der Raspberry Pi Zero W2 in Kombination mit der AudioInjector Zero Soundkarte als die ideale Lösung. Diese Kombination bietet nicht nur die notwendige Rechenleistung und Soundqualität, sondern passt auch perfekt in das kompakte Design der Kalimba. Die AudioInjector Zero Soundkarte erweitert die Audiofähigkeiten des Raspberry Pi Zero erheblich, was eine hochwertige Audio Ein- und Ausgang ermöglicht, die für ein Musikinstrument unerlässlich ist. Das akustische Signal der Kalimba wird mithilfe eines Pickup Mikrofons abgenommen, das an den Eingang der Soundkarte angeschlossen ist.

Die Wahl fiel auf den Teensy-Mikrocontroller wegen seiner kompakten Größe und der Vielzahl an Eingängen, die eine flexible Steuerung aller interaktiven Elemente der Kalimba ermöglichen. Der Teensy ist für dieses Projekt besonders geeignet, da er eine effiziente Verarbeitung und Übertragung der Steuersignale an den Raspberry Pi ermöglicht. Diese Hardware-Konfiguration bietet eine robuste Plattform für die Erstellung eines einzigartigen musikalischen Instruments, das traditionelle Klänge mit moderner Technologie verbindet.

Der Einbau der elektronischen Komponenten in die interaktive Kalimba war ein entscheidender Schritt, um das Instrument zum Leben zu erwecken. Dieser Prozess verlangte nicht nur technisches Know-how, sondern auch eine Menge Geduld und Präzision. Die Herausforderung begann bereits in der Designphase, als ich die Platzierung der elektronischen Bauteile im CAD-Programm grob skizzierte. Trotz sorgfältiger Planung offenbarte die Realität des physischen Raums im Inneren der Kalimba, dass die exakte Positionierung der Komponenten eine komplexe Aufgabe sein würde, vor allem wegen des begrenzten Platzangebots.

Im Inneren der Kalimba, an der Oberseite, sollten alle interaktiven Controller wie Buttons, Joystick und Potentiometer untergebracht werden. Diese mussten nicht nur für den Benutzer zugänglich und ergonomisch platziert sein, sondern auch in einer Weise, die eine effiziente Übertragung der Signale ermöglicht. Die Unterseite war für das Mainboard vorgesehen, einschließlich des Raspberry Pi Zero mit einer AudioInjector Zero Soundkarte und einem Power Management-System. Die Integration dieser Komponenten stellte eine Herausforderung dar, da sie eng zusammenpassen mussten, ohne die Funktionalität oder die Klangqualität des Instruments zu beeinträchtigen.

Das Löten der Komponenten und das Kabelmanagement waren anspruchsvolle Aufgaben, insbesondere in einem so kompakten Raum. Jede Lötverbindung musste sorgfältig ausgeführt werden, um eine zuverlässige Signalübertragung zu gewährleisten, und gleichzeitig musste darauf geachtet werden, Kurzschlüsse oder Schäden an den empfindlichen Bauteilen zu vermeiden. Das Kabelmanagement erforderte eine durchdachte Planung, um Interferenzen zwischen den Signalen zu verhindern und die innere Ordnung des Instruments zu bewahren.

Trotz der Herausforderungen war der Einbau der elektronischen Komponenten eine lohnende Erfahrung. Es war faszinierend zu sehen, wie das Instrument Form annahm und die verschiedenen Teile zusammenkamen, um eine einzigartige musikalische und interaktive Erfahrung zu schaffen. Dieser Prozess unterstrich die Bedeutung von Flexibilität und Problemlösungskompetenz beim Bau moderner Musikinstrumente. Letztendlich ermöglichte die erfolgreiche Integration der Elektronik in die Kalimba, dass das Instrument nicht nur die traditionellen Klänge erzeugt, sondern auch eine breite Palette von digital erweiterten Sounds und Interaktionen bietet, was es zu einem wahren Zeugnis innovativen Designs macht.

Die Fertigung meiner interaktiven Kalimba war ein Prozess, der sowohl handwerkliches Können als auch technische Präzision erforderte. Inspiriert von der traditionellen Kalimba und dem Wunsch, sie mit moderner Technologie zu erweitern, entschied ich mich für massives Walnussholz als Material für den Korpus. Walnussholz wurde wegen seiner ästhetischen Schönheit und akustischen Eigenschaften ausgewählt, die es ideal für Musikinstrumente machen. Der Fertigungsprozess begann mit den CAD-Dateien, die ich während des Entwurfs der Benutzeroberfläche in Fusion 360 erstellt hatte. Diese Dateien dienten als Blaupause für die Bearbeitung der oberen und unteren Teile des Instruments mit meiner CNC-Maschine.

Der erste Versuch, die Teile zu fertigen, stellte sich als Lernkurve heraus. Obwohl die CNC-Maschine die Teile mit hoher Präzision schnitt, offenbarte der Zusammenbau, dass die Konstruktion nicht ausreichend widerstandsfähig war, um die Spannung der Metallzungen der Kalimba zu bewältigen. Diese Metallzungen, die essenziell für den Klang des Instruments sind, erfordern eine solide Basis, die nicht nur den physischen Druck beim Spielen aushalten kann, sondern auch die Schwingungen effektiv überträgt.

Aus diesem Grund musste ich den Fertigungsprozess überdenken und Anpassungen an den CAD-Dateien vornehmen, um die Struktur zu verstärken. Dies beinhaltete die Anpassung der Dicke der Holzteile und die Optimierung der internen Verstrebungen, um eine bessere Unterstützung zu gewährleisten. Mit diesen Änderungen führte ich den zweiten Fertigungsdurchlauf durch, der erfolgreich war. Die modifizierte Konstruktion bot die benötigte Festigkeit und Resonanz, die für die Metallzungen erforderlich ist, ohne dabei die ästhetische Qualität des Walnussholzes zu beeinträchtigen.

Dieser Prozess unterstreicht die Bedeutung von Prototyping und iterativer Entwicklung in der Herstellung. Es war nicht nur ein technisches Unterfangen, sondern auch ein kreativer Prozess, der ein tiefes Verständnis für die Materialien und die Funktionsweise des Instruments erforderte. Durch das Überwinden dieser Herausforderungen konnte ich eine interaktive Kalimba herstellen, die nicht nur schön aussieht, sondern auch einen reichen, vollen Klang bietet. Der Fertigungsprozess hat mich gelehrt, dass Geduld und Präzision entscheidend sind, um ein Musikinstrument zu schaffen, das sowohl in seiner Funktion als auch in seiner Form überzeugt.

Der Prototyping-Prozess meiner interaktiven Kalimba war ein entscheidender Schritt, um die Vision eines vollständig integrierten, elektronischen Musikinstruments in die Realität umzusetzen. Dieser Prozess begann mit der detaillierten Zeichnung des Prototyps in der Fritzing-Software, einem beliebten Tool für Elektronikenthusiasten, das hilft, Schaltkreise visuell zu entwerfen. Hier legte ich die elektronische Architektur der Kalimba fest, einschließlich der Platzierung des Teensy-Boards, der LEDs, der Tasten und des Joysticks. Ziel war es, eine klare Vorstellung davon zu bekommen, wie die Komponenten im Inneren des Instruments zusammenarbeiten würden.

Nachdem der Entwurf in Fritzing abgeschlossen war, ging ich zum Bau auf einem tatsächlichen Breadboard über. Diese physische Umsetzung war entscheidend, um die Funktionalität jeder Komponente zu testen und sicherzustellen, dass alles wie geplant zusammenarbeitet. Das Breadboard-Setup enthielt das Teensy-Board, das als Gehirn des Instruments fungiert, und erlaubte mir, die Interaktion zwischen den Steuerelementen (LEDs, Tasten und Joystick) und der elektronischen Schaltung zu prüfen.

Ein kritischer Teil des Tests war zu verifizieren, dass die LEDs korrekt funktionieren und dass die Tasten und der Joystick die richtigen Steuerbefehle senden. Diese Tests waren unerlässlich, um die Benutzererfahrung zu optimieren und sicherzustellen, dass das Instrument nicht nur reagiert, sondern auch eine visuelle Rückmeldung durch die LEDs bietet, was für die Performance und das Lernen gleichermaßen wertvoll ist.

Der Teensy-Board empfängt alle Steuersignale und die BMC-Software darauf ist verantwortlich, diese Signale in MIDI-Daten umzuwandeln. Diese MIDI-Daten werden dann via USB an einen Raspberry Pi Zero gesendet, der als Brücke dient, um die Pure Data (Pd) Software zu steuern. Dieser Teil des Prototypings war entscheidend, um eine nahtlose Integration zwischen der physischen Interaktion mit dem Instrument und der digitalen Klangsynthese und -steuerung zu gewährleisten.

Der gesamte Prototyping-Prozess, von der ersten Zeichnung in Fritzing bis zum praktischen Aufbau auf dem Breadboard, war eine tiefgreifende Lernerfahrung. Er ermöglichte es mir, die technischen und designbezogenen Herausforderungen zu verstehen und zu überwinden, die mit der Schaffung eines neuen musikalischen Instruments verbunden sind. Durch diesen Prozess konnte ich ein funktionierendes Modell der interaktiven Kalimba erstellen, das nicht nur technisch robust ist, sondern auch eine inspirierende neue Art und Weise bietet, Musik zu erleben und zu erschaffen.

Beim Design der Benutzeroberfläche meiner interaktiven Kalimba stand im Mittelpunkt, eine intuitive und ansprechende Schnittstelle zu schaffen, die die einzigartige Verbindung zwischen Musiker und Instrument verstärkt. Die Entwicklung begann mit der Erstellung von Prototypen unter Verwendung von TouchOSC, um eine fundierte Entscheidung darüber zu treffen, wie viele Tasten und Steuerungen benötigt werden und wo diese platziert werden sollen. Diese erste Phase war entscheidend, um ein Gefühl für die physische Interaktion zu bekommen und sicherzustellen, dass die Steuerungselemente ergonomisch und logisch angeordnet sind.

Ein wesentlicher Aspekt war die Zuordnung dieser Steuerelemente zu den Parametern, die sie in einem Pure Data Patch steuern. Diese Zuordnung ermöglichte es, die direkte Auswirkung jeder Interaktion auf den Klang zu verstehen und zu testen, wie intuitive die Steuerung ist. Die Arbeit mit TouchOSC bot eine flexible Plattform, um verschiedene Konfigurationen auszuprobieren und sofortiges Feedback darüber zu erhalten, wie sich Änderungen auf die Spielbarkeit und den musikalischen Ausdruck auswirkten.

Der zweite Schritt bestand darin, diese Interaktionen in einer Software namens BMC zu übertragen, die auf einem Teensy-Mikrocontroller läuft und alle Tasten und den Joystick steuert. Dieser Übergang von einem prototypischen Tool zu einer Hardware-Software-Lösung war entscheidend für die Feinabstimmung der Benutzererfahrung. BMC erlaubte eine präzise Steuerung über jedes Element der Benutzeroberfläche und bot gleichzeitig die Flexibilität, Anpassungen vorzunehmen, um die Interaktion so reaktionsschnell und musikalisch wie möglich zu gestalten.

Diese iterative Entwicklungsphase, von TouchOSC Prototypen bis hin zur Implementierung mit BMC und Teensy, hat es mir ermöglicht, eine Benutzeroberfläche zu gestalten, die nicht nur funktional, sondern auch tief mit dem musikalischen Erlebnis verwoben ist. Das Ergebnis ist eine interaktive Kalimba, deren Bedienung so natürlich und fließend ist, dass sich Spieler voll und ganz auf die kreative Entfaltung ihrer Musik konzentrieren können.

Die Gestaltung eines interaktiven Musikinstruments, das traditionelle Elemente mit innovativer Technologie verbindet, stellt eine einzigartige Herausforderung und Belohnung dar. In meinem jüngsten Projekt habe ich mich darauf konzentriert, eine interaktive Kalimba zu entwickeln, die wie ein Joystick gespielt werden kann. Diese Kombination aus dem taktilen, beruhigenden Charakter dieses afrikanischen Instruments mit den interaktiven Fähigkeiten moderner Technologie war ein Weg voller Kreativität und technischer Problemlösungen.

Eine der anfänglichen Herausforderungen bestand darin, die Essenz und Klangqualität der traditionellen Kalimba zu bewahren, während interaktive Komponenten integriert wurden. Die Kalimba, bekannt für ihre resonanten, gezupften Töne, hängt stark von Material und Form ihrer Zungen und des Resonanzkörpers ab. Sensoren und elektronische Bauteile einzuführen, die Bewegungen in Musik umwandeln, ohne die Klangintegrität zu beeinträchtigen, erforderte umfangreiche Forschung und Experimente.

Der Entwurfsprozess selbst war iterativ und umfasste zahlreiche Zeichnungen und Modelle in Fusion 360. Jede Überarbeitung zielte darauf ab, die Ergonomie und Reaktionsfähigkeit des Instruments zu verfeinern, um sicherzustellen, dass es sich intuitiv und ansprechend als Joystick anfühlt, ohne die Musikalität zu opfern. Die ästhetische Anziehungskraft mit Funktionalität und Haltbarkeit in Einklang zu bringen, stellte ebenfalls bedeutende Herausforderungen dar, insbesondere bei der Auswahl von Materialien, die wiederholter Nutzung standhalten konnten, während sie die akustischen Eigenschaften für einen reichen Kalimba-Sound beibehielten.

Eine weitere erhebliche Hürde war die technische Integration von Software und Hardware, um physische Bewegungen in musikalische Ausgabe umzuwandeln. Dies erforderte die Entwicklung einer nahtlosen Schnittstelle, die die Nuancen der Spielerinteraktion genau erfassen und in schöne, harmonische Klänge umwandeln konnte. Das bedeutete, tief in die Welten der Sensortechnologie, Klangsynthese und Programmierung einzutauchen, um sicherzustellen, dass das Instrument nicht nur spielbar, sondern auch ausdrucksstark und vielseitig war.

Durch dieses Projekt habe ich gelernt, dass das Design eines Musikinstruments wie dieser interaktiven Kalimba nicht nur darum geht, technische Probleme zu lösen; es geht darum, eine Erfahrung zu schaffen, die Menschen auf neue und aufregende Weise mit Musik verbindet. Der Weg von den ersten Skizzen bis zum endgültigen Design war voller Herausforderungen, aber jede davon brachte mich näher an die Schaffung eines Instruments, von dem ich hoffe, dass es Freude und Kreativität in seinen Benutzern wecken wird.