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Bellemin-Laponnaz Valentin Gueib-Picard Paul Knobloch Romain

Concours C.Génial Lycée 2016

Le Pianocktail

LycéeMarieCuriedeStrasbourg:

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Sommaire

Introduction

Etapesdeconceptiondupianocktail

1) Commentdélivrerunvolumedonnéd’unliquide?2) Commentalimenternotresystèmedemanièresécuritaire?3) Commentcontrôlernotresystème?4) Commentanalyserlanotejouéeparlepianoetcommander

l’ouverturedel’électrovannecorrespondante?5) Commentagencerastucieusementlesdifférentsélémentsde

notrepianocktail?

ConclusionetPerspectives

Remerciements

Résuméduprojet

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Introduction Lepianocktailestunobjetimaginairequirelèvedelasynesthésie(miseenrelationdedeuxsens)etquiestdécritdansleromanL’EcumedesJoursdeBorisVian.C’estuninstrumentdemusiquequi créeun cocktail en accord avec lamusique jouée sur le clavier d’unpiano. L’objectif denotreprojetestderéaliserunpianocktail,telqu’ilestdécritdansunpassagedulivreL’Ecumedesjours.

Nous avons choisi de réaliser une version électronique du pianocktail, alimentée sur lesecteur. Pour nous aider dans la réalisation de ce projet, nous avons composé un diagramme enpieuvre,quirécapitulelesfonctionsprincipales(FP)etlesfonctionsdecontrainte(FC)dupianocktail.

FP1:Analyserlanotejouéeparl’utilisateur

FP2:Fairecorrespondrelanotejouéeàunliquide

FP3:Déverserunvolumedonnéd’unliquidedonné

FC1:Protégerl’utilisateur

FC2:Etreesthétique

FC3:Coûtabordableduprojet

FC4:Limiterlaplacedusystèmeetpermettresontransport

FC5:Alimentationsurlesecteur

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Etapesdeconceptiondupianocktail

1) Commentdélivrerunvolumedonnéd’unliquide?En premier lieu, nous avons cherché à trouver un système permettant de résoudre la

troisième fonction principale: nous cherchons un système capable de délivrer une quantité d’unliquidedonné.

Nousavonspenséàmettreaupointunbras robotiséqui tourneautourd’unaxeetaspireunequantitédéfiniedeliquidedansunebouteilledonnée.Nousavonsfinalementabandonnél’idéed’untelsystèmecarils’avèretropcomplexeettropcouteuxàmettreenœuvre.

Nousavonsensuitepenséàunsystèmedécentralisé,oùchaque liquideseraitassociéàunmoyen de prélèvement. Nous avons essayé d’utiliser des pompes. Or, le seul modèle assez bonmarchéquenousavionstrouvén’étaitpassuffisantpourpréleverunequantitéminimaledeliquide.

Nousavonsalorspenséàutiliserdesélectrovannes,ouvannecommandéeélectriquement(cf. fig. 1). Lorsque l’électrovanne est alimentée (fig. 2), la bobine se comporte alors comme unaimantetattireunpointeaumétallique.Lepassagedel’eauestdoncrendupossible.

Schémaencouped’uneélectrovannenonalimentée(fig.1)

Schémaencouped’uneélectrovannealimentée(fig.2)

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2) Commentalimenternotresystèmedemanièresécuritaire?Lesélectrovannesquenousavonsachetéesnécessitentd’êtrealimentéesencourantcontinu

de24Vavecuneintensitéde0,20000A.Nouscalculonsalorslapuissancedemandéelorsqueles8électrovannesserontouvertesaumêmemoment:

La puissance enWatts est égale à U*I (U=tension en Volts et I=intensité en Ampère). Lapuissancedemandéeparuneélectrovanneestdoncde:

PElectrovanne=24*0,2=4,8W

Lapuissancedemandéepar8électrovannesouvertessimultanémentestde:

Ptotale=PElectrovanne*8=4,8*8=38,4W

Nous avons donc choisi d’alimenter les 8 électrovannes avec un transformateur d’unepuissance de 60W et délivrant un courant continu de 24V. Ce transformateur est suffisammentpuissantpouralimenterles8électrovannes,mêmequandellessontouvertessimultanément.

Afinderendre,lesystèmesécuritaire,nousavonsutilisédesfusibles.Lesfusiblespermettentd’ouvrir le circuit en casde trop forte intensitédemandée. L’intensitémaximaledemandéeestde8*0,2=1,6A.Nousavonsdoncchoisiunfusiblede2A,placéàlasortiedutransformateur.

3) Commentcontrôlernotresystème? Nouscherchonsunsystèmecapabledecontrôlerl’ouverturedesélectrovannesenfonctiondelanotejouée.

Dans un premier tempsnous avons eu l’idée de créer un circuit entièrement analogiqueconnectéàunpiano.Nouspensionsintégreruninterrupteuràchaquetouchedupiano.Cedernierpermettrait de fermer le circuit de l’électrovanneet actionner le systèmede libérationdu liquide.Ainsi, iln’yauraitaucunrecoursàunsystèmedeprogrammation.Cetteidéeaétéabandonnéecarplusdifficileàmettreenœuvre.

Nous avons alors acheté un clavierMIDI (Musical InstrumentDigital Interface), instrumentélectronique utilisé dans laMusique assistée par Ordinateur ouMAO (voir partie suivante). Nouscherchionsunsystèmecapabled’analyserlesignalMIDIetdedéterminerlanotejouée.Pourcefairenousavonsdécidéd’utiliserunmicrocontrôleurdemarqueArduino.

CemicrocontrôleurdisposedeportsUSB(cf.fig.3)etseradonccapablederecevoirettraiterle signal MIDI envoyé par le piano. Il dispose également de broches digitales et analogiques quipeuvent être utilisées à la fois comme des sorties ou bien comme des entrées, et qui peuventdélivreruncourantde3.3Voude5V.Dansnotrecas,nouslesutiliseronscommedessortiesdigitalesdélivrantuncourantde5V.Cessortiescontrôlerontl’ouverturedesélectrovannes.

L’Arduinovadoncnouspermettredecommanderlesélectrovannesàpartirdusignalenvoyéparlepiano.LesignalMIDI,quiestunsignalbinaire(composéd’octets)vaêtretransmisàl’ArduinoparunportUSB.Unprogrammeprésentsurlemicrocontrôleurvaanalysercesignaletdéterminerlahauteur de la note. Il va ensuite faire correspondre cette note à une des 8 électrovannes. Pourdéverser le liquide correspondant, le microcontrôleur alimentera la sortie pendant une duréedéterminée.L’électrovanne,alorsalimentée,s’ouvrira,etleliquides’écoulera.

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Photographiedel’Arduino(fig.3)

Un autre problème s’est ensuite posé: Comment est-il possible de commander lesélectrovannesquinécessitentd’êtrealimentéesen24Vavecunmicrocontrôleurquinedélivrequ’uncourantcontinude5V.

Nous avons alors pensé à utiliser des relais électromécaniques (cf. fig.5), qui sont descomposantsélectriquesutiliséspoursépareruncircuitcommande(courantcontinu5Vdel’Arduino)d’uncircuitdepuissance(courant24Vdesélectrovannes). Il fonctionnedemanièremécanique: lecourant de commande alimente une bobine électrique (cf. fig. 4), qui va donc générer un champmagnétique à travers la palette. Celle-ci va déplacer une fine lamelle de cuivre, qui entrera encontact avec une autre lamelle. De ce fait, le circuit puissance sera fermé. Ce composantélectroniqueesttrèsperformantdans l’amplificationd’unsignalélectrique.Nousavonstrouvéuneseulelimiteauxrelais:àl’inversedestransistors,ilnetiennentpascomptedelatensionducourantàamplifier.Eneffet, ilne joueque le rôled’interrupteursur lecircuitpuissance.Cependant,cettefonctionsuffisaitpournotreutilisation.

Schémadefonctionnementd’unrelais(fig.4)

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Schémad’utilisationdurelaisdansnotrepianocktail(fig.5)

4) Commentanalyserlanotejouéeparlepianoetcommanderl’ouverturedel’électrovannecorrespondante?

NotrepianoenvoieunsignalMIDI(MusicInstrumentDigitalInterface).

LanormeMIDIesttrèsutiliséeenMAO.Ellepermetdedissocierlesondelamélodie.Celapermetd’enregistrerlamélodiedansunpremiertempspourensuitetravaillerlesonenchoisissantuninstrumentdansle logiciel,commeparexempleunsondepiano,trompette,ouviolon.Lorsquenousappuyions surune touchedupiano, cedernier envoieune informationMIDI. LeMIDI estunprotocole de communication numérique. Lorsque que l’on appuie sur une touche, trois octetsd’informationssontenvoyés.

! CommandByte(Octetdecommande)! NoteByte(Octetdehauteur)! VelocityByte(Octetdevélocité)

Le premier octet (Command Byte) informe sur le type d’information qui est envoyé. Parexemple, lorsqu’une note commence à être jouée, le piano envoie un octet de commanderenseignantqu’unenotecommenceàêtrejouée.

Ledeuxièmeoctet (NoteByte)donneune informationsur lahauteurde lanote jouée.Cetoctet peut prendre une valeur variant de 0 à 127. Ainsi, le signalMIDI permet de jouer les notescomprisessurles10octavesd’unpiano.Parexemple,lanoteDOdelatroisièmeoctavecorrespondàoctetdehauteurégaleà60.

Letroisièmeoctet(VelocityByte)envoiel’informationdelaforceaveclaquellelatouchedupianoaétéfrappée.Cetoctetpeutprendreunevaleurcompriseentre1et127.Silepianisteappuiefaiblementsurlatouche,l’octetauraunevaleurprochede1.Enrevanche,s’ilappuiefortement,lavaleurserapprocherade127.

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Nousavonsensuitecherchéunmoyendefaireparvenirl’informationMIDIdupianojusqu’ànotre Arduino, tout en reproduisant le son de la mélodie jouée. Nous avons choisi d’utiliser unordinateur portable (cf. fig. 6) en tant qu’intermédiaire. Il permet à la fois d’alimenter lemicrocontrôleurviauncâbleUSBetdereproduirelesondupianoparlebiaisdeshautsparleurs.LesignalMIDIseraensuiteenvoyéàl’Arduinopourêtreanalysé.

SchémadutrajetdusignalMIDIdansnotrepianocktail(fig.6)

Afinded’analyserlesignalMIDIenvoyéparlepiano,etdefairecorrespondreàchaquenotel’ouverture d’une électrovanne, nous avons dû créer un programme à partir de l’Arduino. Ceprogramme doit être capable d’extraire l’information de la note du signal MIDI et de fairecorrespondreàchaquenotel’ouvertured’uneélectrovanne.

Nousavonschoisidereprésenterl’organigrammesimplifié(pour3notes)duprogramme(cf.fig.7)

Organigrammeduprogrammedel’Arduino(fig.7)

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Dansunpremiertemps,l’ArduinoexécuteenbouclelafonctionSerial.Available,quiregardeentempsréelsiuneinformationMIDIluiaétéenvoyée.Sic’estlecas,leprogrammevaregarders’ils’agitd’unenoteégaleà60,ainsielleallumeralapompen°1.Sinon,elleregarderasic’estunenoteégaleà61,etallumeralapompen°2,etc.Leprogrammeattendra1secondeavantdefermertoutesles sorties et stopper l’écoulement du liquide.Notre pianocktail ne fonctionnequepour les notesallant de60 à 68, c’est à direpour l’octave3d’unpiano. Si la notene correspondà aucunenotecompriseentre60et68,leprogrammereprendàlafonctionSerial.Available.

5) CommentagencerastucieusementlesdifférentsélémentsnotrePianocktail?

La forcequi permet au liquidede s’écouler dans le verre est la forcedepesanteur. Il fautdoncqueleliquidepossèdedel’énergiepotentielledepesanteurparrapportauverredecocktail.Ilfautpourcelaquelabouteillesesitueplusenhauteurqueleverre.

Nous avons par la suite cherché l’agencement qui permettrait le meilleur débit desélectrovannes.Ainsi,laduréed’ouverturedel’électrovanneseralapluscourtepossibleetlecocktailseracrééavecuneduréelaplusprochepossibledeladuréependantlaquellelamélodieestjouée.Nousavonsdoncmesurél’évolutiondudébitd’écoulementenfonctiondedifférentsparamètres(cf.fig.8).Pourmesurerledébit,nousavonsmesurélevolumeenmLdeliquideécouléen60secondes.Nousavonsensuitedivisécettevaleurpar60pourobtenirledébitenmL/s.

Schémadudispositifexpérimental(fig.8)

Nousavonspremièrementtestél’évolutiondudébitenfonctiondelaviscositéduliquidequi

s’écoule.Pourcelanousavonsréalisédessolutionsdeviscositédifférentes.

Afindequantifier la viscositéd’une solution,nousavons crééuneéchelleadaptéeànotreexpérience.Noussommespartisdedeuxliquidespursdeviscositédifférente: l’eauet lenectardefruits.Afindetester laviscositédecesdeux liquides,nousavons faitcoulerunegouttedechaqueliquidesurunplaninclinéde32,2°surunedistancede30cm.Lagoutted’eaueauestdescendueen28secondesetlenectaren53secondes.Nousavonsdoncpudéduirequelenectarestunfluideplusvisqueuxquel’eau,puisquelesfrottementsavecleplaninclinésontplusimportants.L’eauétantleliquide lemoins visqueuxquenous avonsutilisé, nous lui avonsdonnéune valeurde0UA (UnitéArbitraire)surnotreéchelle.Al’inverselenectarétantleliquideleplusvisqueuxdeceuxquenousavonsutilisé, il correspondà lavaleur1UA.Pour lesvaleurs intermédiairesdecetteéchelle,nousavonsconsidéréqu’unesolutioncomposéed’unvolumedenectaretd’unvolumed’eaupossédait

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uneviscositéde0,5UA.Delamêmefaçon,nousavonsréalisédessolutionsdeviscosité0,25UAet0,75UA.

Nousavonsmesuré ledébitdansnos tuyauxen fonctionde laviscositédu liquideetnousavonsobtenulegraphiquesuivant:

Évolutiondudébitd’écoulementenfonctiondelaviscositéduliquide(fig.9)

Paramètresfixesdel’expérience:Hauteurélectrovanne-bouteille:47cmHauteurélectrovanne-verre:5cmTuyauxcomplètementverticaux

Nous avons tracé la courbe de modélisation, qui est une droite d’équation y=-0,1533x +0,8467. Nous pouvons donc en déduire que le débit diminue lorsque la viscosité du liquideaugmente.Parexemple,lorsquelaviscositépassede0,5UAà1UA,ledébitdiminuede12%(ilpassede0,77mL/Sà0,68mL/s)

Nousavonsensuiteétudiél’évolutiondudébitenfonctiondelahauteurentrel’électrovanneetlabouteille.Pourcela,nousavonsréalisédesmesuresdedébitavecdeshauteursdetuyauliquidedifférentesentrelesélectrovannesetlesbouteilles.

Nousavonsobtenulegraphiquesuivant:

y=-0,1533x+0,8467

0,650,670,690,710,730,750,770,790,810,830,850,870,89

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

Débit(mL/s)

Viscosité(UA)

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Nousavonsobtenulegraphiquesuivant:

Évolutiondudébitenfonctiondel’inclinaisondutuyauentrelabouteilleetl’électrovanne(fig.13)

Paramètresfixesdel’expérience:Hauteurbouteille-électrovanne:40cm Hauteurélectrovanne-verre:5cm Liquideutilisé:eau

Nousenavonsdéduitquel’écoulementestmaximallorsqueletuyaureliantlabouteilleàl’électrovannen’estpascoudé.

Grâce à toutes ces expériences, nous avons pu déterminer les critères nécessaires à unécoulementoptimalduliquidedansl’électrovanne.

Nous avons remarqué que la hauteur entre l’électrovanne et le verre est un paramètreimportantpourquel’écoulementsoitmaximal.Nousavonstestéceparamètreendeuxexpériencesdistinctes.Cerésultats’expliqueparlefaitquelorsquelahauteurentrel’électrovanneetleverreestimportante, lahauteurde lacolonnede liquideaugmente, toutcomme ledébitde l’électrovanne.Surnotrepianocktail,nousavonsdoncchoisiunehauteurmaximaleentrel’électrovanneetleverre.Pourdessoucisdefabrication,cettehauteurn’estpasconstantepourtouteslesélectrovannes,maislesdifférencesnesontpassignificatives.Lahauteurentrel’électrovanneestleverreestenmoyennede80cm.

Nous avons également remarqué que la viscosité du liquide utilisé influe sur le débitd’écoulementde l’électrovanne.Ledébitestplus important lorsqueles liquidessontpeuvisqueux.Nousavonsdoncchoisidediminuer laviscositédes liquidesutilisés:dans lamesuresdupossible,nousn’utilisonspasdejusavecdesrésidus.Lorsquelesboissonssemblenttropvisqueuses,nouslesdiluons avecde l’eau.De ce fait, nouspréservons l‘état des électrovanne, car celles-ci s’obstruentsouventsuiteaupassagederésidus.

Finalement,nousavonsremarquéqueletrajetdutuyauentrelabouteilleetl’électrovanneinfluesurledébitd’écoulementdel’électrovanne.Ledébitestmaximallorsqueletrajetdutuyauestrectiligne. Nous avons ainsi conçu une structure en forme de mât permettant un écoulementoptimal. En effet, les tuyaux sont rectilignes. De plus, notre structure présente l’avantage d’êtrefacilementtransportableetdémontable.

0,54

0,56

0,58

0,6

0,62

0,64

0,66

0,68

0,7

1 2 3

Débit(mL/s)

Trajetentrel'électrovanneetlabouteille(n°posi?on)

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ConclusionetPerspectives EnnousinspirantduromanL’écumedejourdeBorisViannousavonsréussiàconcevoiretconstruirelepianocktail.Finalement,l’instrumentrépondànosattentes.Eneffet,ilestbienpossibled’obteniruncocktailenaccordaveclamélodiejouéesurlepiano,commeenparlaitBorisViandansL’Ecumedesjours.

Afinderendrenotresystèmeplusperformantnousgardonsentêtequelquesmodificationsquipourraientluiêtreapportéestellesque:

• L’utilisation d’une Rasbperry Pi (nano-ordinateur) pour remplacer l’ordinateur etl’Arduino.

• Ledéveloppementd’un interrupteurpermettantde lancerunprogrammedepurgedupianocktail.

• L’extension de notre pianocktail aux autres octaves du clavier en utilisant un nombreplusimportantd’électrovannes.

• En enfin, la création d’un programme capable d’analyser les harmonies de lamélodiejouée,afindepousserlasynesthésieàsonparoxysme.

Remerciements Nous tenons particulièrement à remercier Mr Chauvel, professeur de physique au lycéeMarieCurie,quiacruennotreprojetetquinousaaccompagnés,tantparsonsupportqueparsesconseilstoutaulongdesaconception.

Ce projet également a reçu le soutien deMario Bolcato, ingénieur chez Thompson et deBenoîtHeinrich,ingénieurderechercheauCNRS.

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Résuméduprojet

Lepianocktailestun instrumentdemusique imaginéparBorisViandansson livreL’Écumedes jours. Cet instrument apparenté à un piano permet de créer un cocktail en accord avec unemélodiejouée.LaproblématiquedeceprojetestderéaliserunpianocktailsurlemodèledécritparBorisVian,systèmefaisantcorrespondreàunenotejouéeuneboissondéfinie.Nousavonspourcefaire utilisé un piano électronique. Celui-ci envoie un signal MIDI comprenant l’information de lanote,àunordinateur,quireproduit leson.Cedernierretransmet immédiatementcesignalMIDIàunmicrocontrôleurArduino,quil’analysegrâceàunprogramme.Lemicrocontrôleurimpulseensuiteunsignalélectriqueà l’unedeshuitélectrovannes, reliéesàdes récipientscontenant lesboissons.Pendant cette durée, le liquide correspondant à la note jouée s’écoule dans un verre. Ainsi, lesystèmeconçupermetlacréationd’uncocktailàpartirdelamélodiejouéesurunpiano.