Музыка, инженерия и математика: как создавали самый легкий электронный баян

Сергей Антонович — специалист в области встраиваемых систем, инженер беспилотного транспорта. Днем он создает сенсорные системы для роботов-доставщиков и автономных машин в американской компании Avride. А вот по ночам он проектирует и воплощает новые и необычные музыкальные инструменты, умеющие то, что было недоступно их предшественникам.

Знать проблему как музыкант и решать ее как инженер

Как у человека из такой индустрии дело дошло до принципиально нового музыкального инструмента? В детстве Сергею предложили заняться музыкой и записали в музыкальную школу по классу баяна. Инструменты тогда были самыми обычными. В то же самое время электронное звучание интересовало Сергея больше народного. Обучение на баяне и тяга к электронному звучанию навсегда сформировали интерес к цифровой музыке.

Сергей играл на баяне в качестве хобби. Параллельно именно строгая математическая логика клавиатуры этого инструмента по-настоящему увлекла его инженерный ум. В отличие от фортепиано, где для смены тональности нужно учить новые положения пальцев, клавиатура баяна изоморфна. То есть геометрический «рисунок» (то, на какие конкретно места нужно ставить пальцы) мелодии сохраняется всегда — достаточно просто сместить руку на нужную кнопку. Левая же клавиатура показалась Сергею образцом оптимизации: готовая система Stradella, следуя логике квинтового круга, позволяет брать аккорды нажатием всего одной кнопки. Это была буквально «зашитая» в механику теория музыки.

По мере того как на рынке появлялись цифровые модели баянов, Сергей увидел возможность объединить музыку и технологии так, как это не делал еще никто. Для этого в любимый инструмент можно и нужно интегрировать современную электронику.

В свободное от основной работы время он начал разработку собственного электронного инструмента. Самый первый прототип был еще похож на существующие аналоги. Но инженеру хотелось куда большего: предложить музыкантам функции, которые не предлагал никто. На этом пути сперва появилась система Partymaker — развитое электронное дополнение для классического баяна, гармони или аккордеона. Уже затем на его основе возник Digital Flex Accordion — полностью электронный, самый компактный и легкий баян в мире.

Эти проекты Сергей развивал параллельно со своим профессиональным становлением. Будучи выпускником МИФИ, он глубоко погружался в тему встроенных систем, работая с Windows Embedded (ныне Windows IoT). Всего он посвятил отрасли, в России и за рубежом, 18 лет жизни. Успехи в этой области и активные выступления на международных конференциях принесли заслуженное признание: в 2015 году Сергей получил престижную награду Microsoft Most Valuable Professional (MVP) — «Самый ценный профессионал в Microsoft».

Путь от 10 килограммов к одному

Инженер проделал огромную работу по превращению крупного народного инструмента в компактный. Чтобы понять, о чем речь, оценить масштаб задачи, стоит вспомнить, что такое баян. Это по-настоящему сложный язычковый инструмент (несколько тысяч деталей) из семейства ручных гармоник, в англоязычном мире его называют «кнопочным аккордеоном».

Он весит примерно 10 килограммов и состоит из двух половинок прямоугольного корпуса, в которых расположена система голосовых планок с гибкими язычками. Соединяет корпус мех-гармошка, растягивая и сжимая которую баянист создает движение воздуха внутри системы. Затем воздух колеблет звучащие язычки. На корпусе, под правой и левой руками, расположены кнопки, с помощью которых музыкант выбирает, какие ноты и как будут звучать. 

Из этого ясны как плюсы инструмента — широкие музыкальные возможности, — так и его узкие места. Одно из них — большие сложности с созданием его электронных версий. Что имеется в виду?

Коммерчески доступные цифровые баяны с внешним подключением к компьютеру и другим устройствам до работ Сергея имели ряд практических проблем, которые становятся заметны только в процессе реальной игры. Исполнителю приходится как-то раскладывать вокруг себя кабели питания и связи. Они тянутся от инструмента к оборудованию и не только мешают музыканту свободно двигаться по сцене, но и портят впечатление от выступления для зрителей.

Это еще не все. Если музыканту нужны автоаккомпанемент (о нем подробнее расскажем позже), драм-машина, внешние динамики или другие модули, приходится где-то размещать дополнительные новые устройства и провода. Исполнитель оказывается в переплетениях проводов и устройств, каждое из которых может дать сбой в самый ответственный момент. Музыкант буквально заперт, только не в башне из слоновой кости, а в целой баррикаде из коробочек и кабелей. О свободном перемещении по сцене не может быть и речи.

Еще одна непростая история: перевозка классического баяна — хоть с электронной начинкой, хоть без нее. Вспомним сказанное выше: тысячи деталей, требующие тонкой настройки. Многие из них выходят из строя от легкого удара. Известны случаи, когда один оркестр при перелете сдал 15 баянов в багаж. Восемь из них вышли из строя: как тогда выступать?

В итоге путешествующим музыкантам либо приходится платить за дополнительное место рядом с собой в салоне и везти на нем свой баян (или аккордеон), либо мириться с риском срыва гастролей. Конечно, перевозчики регулярно повреждают любые музыкальные инструменты. Из-за этого даже появилась отдельная индустрия особых кейсов, чемоданов и сумок. Но чем тяжелее и массивнее то, на чем вы играете, тем ниже его шансы перенести полет.

Глубокое понимание проблем и самого инструмента, и музыкантов позволило Сергею создать Digital Flex Accordion, который помогает преодолеть большинство трудностей, характерных для классического баяна. Это настоящая разработка полного цикла: дизайн, механические части, электроника, прошивка, обработка звука в реальном времени — здесь все сделано им самим. В устройстве применены инженерные практики из робототехники: тщательно разделены аналоговая и цифровая части, глубоко проработаны выбор датчиков, схема питания и теплоотвода.

Сергей смог поместить всю электронную часть в корпус устройства: микроконтроллер, память, динамики, система питания и контроллер дыхания, заменяющий мех баяна, — примерно в один килограмм веса нового инструмента. Его удобно хранить и при перелете можно просто взять в ручную кладь. От одного заряда батареи Digital Flex Accordion работает 13 часов со звуком в наушниках или пять часов при работе встроенных динамиков.

Что под капотом

На уровне «начинки» Digital Flex Accordion устроен как компактный микрокомпьютер. Внутри — микроконтроллер с программой управления, аккумулятор с системой питания и интерфейсы, связывающие клавиатуры, дисплей и датчик давления. Вместо раздуваемого меха обычного баяна музыкант использует небольшой мундштук. Встроенный датчик измеряет давление воздуха, идущего в мундштук от музыканта, а контроллер дыхания по этим данным управляет громкостью и характером звучания. Вся логика работы инструмента и обработка сигналов сосредоточены в программном обеспечении микроконтроллера.

Основную плату управления Сергей разработал сам. Она постоянно опрашивает клавиатуры и датчики, фиксируя действия музыканта, и отвечает за всю логику работы инструмента. Аудиомодуль, он же — блок цифрового синтеза, генерирует звук и при этом для компактности встроен в основную плату.

«Я спроектировал „мозг“ инструмента так, чтобы сам инструмент помогал и вдохновлял играть. Возможности Digital Flex Accordion поддерживают именно в тот момент, когда начинающим обычно хочется все бросить: инструмент помогает звучать „как целая группа“, даже если ты пока умеешь совсем немного. Для опытных музыкантов эти функции расширяют выразительные средства. Инструмент буквально влюбляет в себя новичков и остается полноценным рабочим инструментом для профессионалов», — уточнил возможности инструмента разработчик.

У Digital Flex Accordion та же раскладка, что и в классическом баяне: справа B- или C-гриф, слева — готовая раскладка (Stradella) или активируемый выборный баян (Free Bass). Раскладки переключаются из меню инструмента. Он полностью электронный, без характерной для классического баяна или аккордеона сложной механики: внутри нет ни меха, ни язычков, ни движущихся узлов. Создатель инструмента спроектировал электронику так, чтобы обходиться без вентиляторов и других средств активного охлаждения: хватает естественного теплоотвода, и компоненты не перегреваются.

Сделать это было непросто. Если отклик электронного инструмента на нажатие превышает 10-20 миллисекунд, на нем становится невозможно играть. Для быстрого отклика (а у цифрового баяна он не более пяти миллисекунд) желательна высокая производительность электроники. Но слишком производительная электроника неизбежно потребует вентиляторов охлаждения, шумы от которых помешают музыкантам в студийной записи (и не только). Поиск баланса производительности и теплоотвода занял немало времени.

Но результат того стоил: инструмент не создает ни механический шум, ни шум от системы охлаждения. Музыкант получает чистый и мощный звук, который прекрасно подходит и для студийной записи, и для живых выступлений.

Отказ от типичной для баяна механики кнопок еще означает, что инструмент не нужно регулярно обслуживать и настраивать. Это не только экономит время и ресурсы, но и убирает необходимость искать мастера и не оставляет музыканта без инструмента на дни или недели регулярного обслуживания.

Как не быть похожим на кирпич

Конструкция и схема платы прошли несколько модификаций. После производства на фабрике Сергей выполняет монтаж ее компонентов в домашней лаборатории. Для этого необходимы паяльная станция, микроскоп, мультиметр, осциллограф, несколько 3D-принтеров и лазерный гравер. Сергей купил первый 3D-принтер, чтобы напечатать колпачки для кнопок другого своего проекта, MIDI-клавиатуры, поскольку качество всего, что можно было заказать, инженера не устраивало. Чтобы добиться нужной точности, пришлось производить деталь самому.

Эта MIDI-клавиатура была важным шагом в развитии цифровых музыкальных инструментов Сергея. Первая ее версия, потребовавшая покупки не только 3D-принтера, но и ЧПУ-станка, получила в комментариях на ютьюбе отзыв: «Как-то на кирпич похоже».

В своей домашней лаборатории Сергей собрал MIDI-клавиатуру, Digital Accordina (электронный духовой инструмент, основанный на раскладке баяна), электронное дополнение-синтезатор для классического баяна, гармони или аккордеона Partymaker и свой флагман — Digital Flex Accordion.

Играть как профи, даже когда ты начинающий

Но вернемся к прорывному Digital Flex Accordion. Одно из наиболее изящных решений в этом цифровом баяне — датчик вибрации на каждую клавиатуру (и левую, и правую, ведь у баяна их две). Сергей придумал способ измерения интенсивности вибрации от легких ударов по кнопкам при игре. В момент легкого удара пальцем об кнопку, когда ее шток доходит до конца, возникает вибрация платы, на которой установлены эти кнопки. На выходе датчика вибрации платы при этом возникает электрический сигнал. Специальная электронная схема выделяет его амплитуду, и математический алгоритм в инструменте оценивает скорость нажатия кнопки (так называемый параметр MIDI velocity). Чем энергичнее был нажим, тем сильнее сигнал с датчика и тем более динамично затем синтезатор озвучивает ноту: она может звучать громче, ярче либо «звонче» в зависимости от выбранного музыкантом тембра.

Отдельно реализован электронный аналог меха баяна. Набирающая воздух область классического баяна заменена на датчик давления, адаптированный для работы с мундштуком. Чем больше воздуха музыкант «продувает» через мундштук, чем большее давление регистрирует датчик. Он устойчив к конденсату выдоха музыканта и имеет дренаж для его отвода.

Для исполнителя этот опыт по ощущениям ближе к электронному духовому контроллеру, чем к какому-то акустическому инструменту. Ведь у него нет сопротивления трости и резонанса корпуса мундштука, как, например, в саксофоне. В электронном инструменте в зависимости от создаваемого дыханием давления воздуха меняются в первую очередь динамика и громкость, а иногда еще и тембр. Кстати, у Digital Flex Accordion датчик при желании можно отключить и играть без него.

Удачное сочетание и «железа», и программного кода позволило получить отлично работающий автоаккомпанемент. Поясним, что это такое. Обычно так называют функцию продвинутого синтезатора, позволяющую создавать автоматическое музыкальное сопровождение для исполняемой мелодии.

«Представьте: Digital Flex Accordion, который весит килограмм. Вот ты нажимаешь одну кнопку, аккорд в левой руке, и он такой: о, ми минор. Значит, басист вот эту партию играет, ударник — вот эту, пианист — такую, клавишник — другую, гитарист — четвертую», — рассказал разработчик.

Раньше для человека, играющего на классическом баяне, подобное было недоступно в принципе.

«Мой Digital Flex Accordion убирает барьеры между человеком и музыкой: новичок нажал одну кнопку — и уже звучит музыкально. Программное обеспечение распознает нажатую кнопку левой руки, понимает контекст этого звука и подстраивает аккомпанемент и басы. Начинающий баянист сразу звучит как группа, а продвинутый получает гибкий инструмент без компромиссов в звуке. Ради этой встречи инженерии с музыкой я и делаю свои инструменты», — поделился мыслями о своем изобретении инженер

Как реагируют музыканты и те, кто делает для них инструменты

Digital Flex Accordion Сергея получил признание как в профессиональном сообществе музыкантов, так и среди разработчиков техники для них. В 2024 году этот инструмент вошел в число финалистов международной премии MIDI Innovation Awards, посвященной наиболее инновационным музыкальным инструментам и технологиям. Участие в финале крупного конкурса, где представлены проекты со всего мира, убедительно продемонстрировало, что разработка Сергея заметно выделяется на фоне других решений в этой области.

В 2024 году Сергей участвовал в престижной международной выставке изобретателей Maker Faire Bay Area в Калифорнии, где показывал Digital Flex Accordion и другие свои инструменты в живой игре. За то, как эффектно эти инструменты вовлекали публику и превращали стенд в точку притяжения, организаторы отметили его экспозицию наградой Editor’s Choice Blue Ribbon — синей ленточкой «Выбор редакции», которой удостаиваются наиболее яркие и инновационные проекты выставки. Это знак особого признания, а для участников — подтверждение, что их разработка выделяется даже на фоне сотен других проектов со всего мира.

«Я подался на MIDI Innovation Awards, будучи уже в Техасе, без особых ожиданий, а когда неожиданно прошел в финал, понял, что нужно демонстрировать мой цифровой инструмент, который остался в Москве. Привезти его за две недели было нереально. Тогда я купил на Amazon баян за тысячу долларов, за пару вечеров полностью обмерил его внутренности, продумал, как встроить датчики, и убедился, что конструкция это выдержит. Я спроектировал плату датчиков, заказал ее в Китае, и через несколько суток платы были у меня. Успел собрать инструмент, откалибровать и привести его в рабочее состояние. В итоге получился гибридный баян, в котором сохранились и акустические голоса, и электронные», — рассказал Сергей об опыте участия в международных выставках.

MIDI Association, организатор премии MIDI Innovation Awards, пригласила финалистов и победителей представить свои проекты сначала на Music China 2024 в Шанхае — одной из крупнейших музыкальных выставок в Азии, а затем на NAMM Show 2025 в Анахайме (США) — крупнейшей мировой выставке музыкальной индустрии.

На обеих площадках Сергей демонстрировал в живой игре и Digital Flex Accordion, и другие свои разработки, включая систему Partymaker. Это позволило показать инструмент как готовое сценическое решение, а не некий лабораторный прототип. Понятно, что такое приглашение от организации, стоящей за развитием стандарта MIDI, стало важным подтверждением профессионального признания его разработки.

«Помимо Digital Flex Accordion, я привез на выставку в Китае гибридный баян, который собирал за пару недель для MIDI Innovation Awards. Там ко мне подошла директор фабрики, выпускающей оригинальную модель, на основе которой я и собрал тогда этот баян. Она попросила открыть инструмент, увидела внутри мою систему датчиков и встроенную микрофонную схему, полностью меняющие его возможности. Директор откровенно удивилась, как сильно был доработан их серийный инструмент, и предложила обсудить вариант сборки такой версии прямо на фабрике, если я передам техническую документацию», — не без гордости отметил Антонович.

Кому пригодится сверхкомпактный полностью цифровой баян?

Гастролирующие и сессионные профессиональные музыканты оценят реализацию концепции «все в одном». Электронный баян позволит им репетировать в дороге, проводить саундчек за минуту, быстро и просто подключаться через линейный выход на сцене. Те же плюсы поймут и путешественники, и уличные артисты.

Кнопки Digital Flex Accordion не требуют большого усилия при нажатии, поэтому на инструменте комфортно играть и детям, и тем взрослым, которым классические тяжелые баяны даются физически сложно в силу размера и веса. Чувствительность контроллера «дыхания» настраивается: можно подобрать такую кривую отклика, при которой инструмент сохраняет выразительную динамику, но не требует большой нагрузки на дыхание, что важно для длительных занятий.

Для преподавателей удобен и «цифровой» характер инструмента: параметры звучания и автоаккомпанемента можно заранее настроить под учебные задачи. Несложно проводить тихие занятия в наушниках и при необходимости подключать инструмент к компьютеру или записывающему устройству, чтобы фиксировать прогресс ученика. В режимах с автоаккомпанементом Stradella-бас позволяет буквально одним нажатием запускать гармонию и сопровождение, наглядно показывая роль аккордов в структуре музыки.

Создатель инструментов уже работает над будущими улучшениями: кнопками с магнитами, sensor fusion и калибровкой с использованием алгоритмов машинного обучения. Это должно помочь инструменту передавать больше нюансов тихой атаки и повысить повторяемость между экземплярами. Данные для обучения системы Сергей набирает сам, помогают ему в этом и другие музыканты.

Сейчас разработчик ведет подготовку к серийному выпуску изделия. В то же самое время целый ряд действующих профессиональных музыкантов уже используют его цифровой баян в своих выступлениях:

Отзывы от них не просто дают бесценную обратную связь разработчику, но и подтверждают высокую заинтересованность музыкального сообщества в новом инструменте.

Digital Flex Accordion не единственный, хотя и флагманский эксперимент Сергея с цифровыми инструментами. В своей лаборатории он разработал и собрал кнопочную MIDI-клавиатуру с раскладкой баяна, электронный духовой инструмент Digital Accordina, тоже с раскладкой баяна, и уже упомянутую систему Partymaker — электронное дополнение для классического баяна. Его электронная визитная карточка — миниатюрная драм-машина, исходный код которой открыт на GitHub.

В портфолио разработчика есть и модуль синтеза звука с открытым исходным кодом на базе мини-компьютера Raspberry Pi под управлением Linux. Этот модуль стал значимым вкладом в сообщество создателей цифровых музыкальных инструментов. Синтез звука — одна из самых сложных и важных задач в разработке электронного музыкального инструмента. Именно от качества звука зависит восприятие инструмента слушателями. Предоставив готовое, работающее решение на широкодоступных компонентах (отмеченное, в частности, публикацией в Raspberry Pi Official Magazine), Сергей Антонович значительно упростил тысячам инженеров и энтузиастов создание собственных высококачественных музыкальных инструментов.

Все эти проекты показывают, что история Digital Flex Accordion — не финальная точка, а один из важных шагов в длинной цепочке экспериментов Сергея с тем, каким может быть современный электронный баян.

Кирилл Отавин

20 статей

Автор Naked Science. Пишет о науке, технологиях, открытиях и их влиянии на общество. Интересуется актуальными исследованиями и старается объяснять сложные вещи просто.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram