把海邊的廢棄物
變成能進Mac DAW 的樂器

在動手做任何樂器之前,先記住一個觀念:無論是敲、撥、還是量植物,所有電子樂器走的都是同一條路。差別只在「最左邊用什麼感測器」跟「中間要不要先放大」。把這條鏈記熟,後面每一章都只是在替換其中一塊。

要看懂後面所有電路,只需要先建立三個量的直覺:電壓、電流、電阻。用水管比喻最快。

1.1水管比喻

電壓 (V,伏特) 是水壓——推動水流的力量。電流 (I,安培) 是水流量——單位時間流過多少水。電阻 (R,歐姆) 是水管的粗細——管子越細越難流。三者的關係就是整個電子學的第一條定律:

這條式子之後會一直出現。例如後面要「把高電壓降低保護晶片」,靠的就是用電阻去「擋掉」一部分電壓——因為電流流過電阻時,電壓會被消耗掉。

1.2類比與數位:兩種看待訊號的方式

樂器產生的是類比訊號——電壓隨時間連續變化,像聲波一樣平滑。但電腦只認得數位訊號——一格一格的數字。微控制器的工作,就是把連續的類比電壓「切成一格一格的數字」,這個動作叫做取樣 (sampling),第 2 章會細談。

在挑感測器之前,要先決定「訊號用什麼方式進電腦」,因為這個決定會影響你後面所有的零件選擇。基本上有三條路。

2.1三條進 DAW 的路

2.2微控制器:訊號鏈的大腦

微控制器 (microcontroller) 是一顆小電腦,負責讀感測器電壓、做運算、再輸出 MIDI 或音訊。做樂器最推薦 Teensy 4.x:它插上 Mac 就直接被認成 USB-MIDI / USB 音訊裝置,免裝驅動;而且內建的 Audio Library 已經幫你寫好了 FFT、包絡偵測、合成器模組。你熟悉的 ESP32 也能用,但要走 USB-MIDI 得選 ESP32-S3,否則就改走藍牙 BLE-MIDI 或 WiFi OSC。

2.3取樣:把連續變成數字

微控制器靠內建的 ADC（類比數位轉換器) 來「取樣」——每隔固定一小段時間,量一次當下的電壓並記成數字。取樣有兩個關鍵:多快量一次(取樣率)、量得多細(解析度)。

這一章是全書的骨幹。我們拿海邊的鐵罐當鼓,把一片壓電片黏在背後當感測器,然後走完整條訊號鏈——你會在這裡第一次碰到「保護電路」與「箝位」,也就是你最想搞懂的那個波形變化。

3.1壓電效應:敲擊為什麼會產生電

壓電片裡是一片壓電陶瓷。這種材料有個神奇特性:當它被擠壓或彎曲時,內部會瞬間產生電壓,這叫壓電效應。所以你一敲鐵罐,鐵罐震動 → 壓電片被反覆彎折 → 它就吐出一串電壓訊號。我們要做的,就是把這串電壓讀進微控制器。

3.2問題來了:危險的電壓尖波

壓電片有個麻煩:你用力一敲,它會在極短時間內噴出非常高的電壓尖波——輕敲幾伏特,重敲可以衝到 40 伏特以上。而微控制器的輸入腳通常只能承受 3.3V 或 5V,超過就會把晶片燒壞。下圖就是壓電片原始輸出的樣子。

3.3第一道防線:分壓電阻

第一步是用兩顆電阻組成分壓器 (voltage divider),把整體電壓按比例縮小。回想歐姆定律——電流流過串聯的兩顆電阻時,電壓會依電阻比例分配。我們從中間「抽」出一個比較低的電壓給晶片:

3.4核心:箝位電路與它對波形的改變

分壓能縮小一般訊號,但壓電那種「瞬間爆衝」的尖波還是可能穿過去。這時需要箝位 (clamping)——它像一道電壓天花板:訊號低於上限時讓它自由通過,一旦超過上限就強制「壓平」在安全值。負責這件事的零件是齊納二極體 (Zener diode)。

齊納二極體為什麼能當天花板?

一般二極體只讓電流單向通過。齊納二極體特別的地方在於:當反向電壓超過它的「崩潰電壓 (Vz)」時,它會突然導通並把電壓鎖死在 Vz。換句話說,選一顆 Vz = 4.7V 的齊納,任何超過 4.7V 的部分都會被它「吃掉」並導到地。看它的特性曲線最清楚:

箝位前 vs 箝位後:你最想看的對比

把齊納二極體(加上一顆 1MΩ 洩流電阻)並聯在訊號與地之間後,同一個敲擊尖波會發生這樣的變化:

3.4.1深入:洩流電阻到底怎麼洩流?

要懂洩流,先要知道一件事:壓電片本質上就是一顆電容。它的結構是兩片金屬電極夾著一層陶瓷——這正是電容器的構造。敲擊時陶瓷產生的電荷,就被「存」進了這顆電容裡。

電容的麻煩在於它會「記住」電荷。你敲一下,電荷灌進去;敲完之後這些電荷沒有路可以離開,電壓便卡在高點不歸零。下一擊疊上來,基線(baseline)越墊越高,ADC 讀到的值就整個亂掉。

洩流電阻的工作,就是在電容兩端並聯一條「會漏的縫」:殘留電荷順著這顆電阻慢慢流向地,電壓沿著一條指數曲線衰減回 0。這個「慢慢流光」的過程,就是洩流。

3.4.2為什麼偏偏是 1MΩ?

放電的快慢,由一個叫 RC 時間常數 的東西決定。每經過一個 τ,電壓會掉到原本的 37%;約 5 個 τ 之後幾乎完全歸零:

壓電片的電容大約 10–20 nF。搭配 1MΩ:

意思是敲完約 15 毫秒電壓掉到 37%、約 75 毫秒(5τ)幾乎歸零——這剛好短於兩次鼓擊之間的間隔,所以每一擊都能從乾淨的基線重新開始。下圖把太小、剛好、太大三種電阻疊在一起比較:

3.5從波形到音符:峰值偵測與力度

訊號安全進晶片後,程式要做兩件事。第一是峰值偵測:抓出這個尖波的最高點,峰值越高代表敲得越用力,這個高度直接對應 MIDI 的力度 (velocity)——所以你輕敲小聲、重敲大聲。第二是去彈跳 (debounce)。

3.6接線:壓電觸發電路

把前面所有保護元件組起來,就是這張經典的「壓電觸發」電路。核心是一個節點(我們叫它 A 點),它同時接三樣東西:壓電片、洩流/箝位元件、以及通往 Teensy 的線。先看用標準符號畫的電路圖:

同樣的電路插在麵包板上會長這樣。麵包板讓你免焊接就能反覆嘗試,是原型階段必備:

到這裡,你已經完整走過一遍訊號鏈:壓電片 → 分壓 + 箝位保護 → ADC 取樣 → 峰值偵測 → MIDI 音符 → DAW。後面兩章只是替換最前面那一塊。

把釣魚線、鐵絲繃在海廢框架上撥弦,你會遇到打擊沒碰過的新問題:訊號太微弱。這一章的主角是運算放大器——它負責把微弱訊號放大到能用。

4.1兩條路:保留原音,還是觸發合成器

第一條路是用壓電片當接觸式拾音器(原理同第 3 章,只是這次貼在共鳴箱上聽振動)。它收到的是真實的撥弦聲,但訊號非常微弱。第二條路是把弦做成觸控感應,撥到就觸發合成器發音——這條走 MIDI,下面 4.3 會講。

4.2運算放大器:為什麼非放大不可

拾音器吐出的訊號可能只有幾十毫伏,ADC 根本量不清楚,雜訊還會把它淹沒。運算放大器 (op-amp) 做兩件關鍵的事:把小訊號放大到足夠大;以及做阻抗緩衝——讓微弱的訊號源不會因為「被後面電路吸走電流」而垮掉。

4.3電容觸控:把海廢金屬變成琴鍵

另一種做弦/鍵的方式是電容觸控。原理是:任何導體(海廢的金屬片、鋁箔)本身都有微小的「電容」,而人的手指靠近時會讓這個電容值變大。微控制器透過量測「對這個導體充電要花多久」就能偵測到手指——充電變慢,就代表被碰到了。

4.4光感:做一把光弦

還有一種有趣的玩法是用光敏電阻 (LDR) 做「光弦」:用一道光照著 LDR,手撥動時遮住光,電阻隨之變化。LDR 的特性是光越強、電阻越小,把它接成分壓器就能把「光的明暗」變成「電壓的高低」讀進晶片。

最後這章最像魔法:在一片葉子上夾兩個電極,把植物內部緩慢的電變化轉成旋律。它的挑戰是訊號極微弱又極緩慢,所以需要不同的量測手法。

5.1我們到底在量什麼

植物的葉片表面、組織含水量會隨著生理活動(水分輸送、氣孔開合)微微改變,這會反映成兩個電極之間電阻的緩慢漂移。我們量的不是「美妙的訊號」,而是這種漂移的波動,再把波動對應到音階上——所以同一株植物每次「演奏」都不一樣。

5.2經典低成本做法:555 弛張振盪器

不想用昂貴的儀表放大器,有個很聰明的老方法:用 555 計時器接成弛張振盪器,把植物本身當成電路裡的一顆電阻。它的運作是讓一顆電容反覆充放電,在 ⅓ 與 ⅔ 電源電壓之間來回,輸出一連串方波。關鍵在於:充放電的快慢由電阻決定,而那顆電阻就是植物——植物電阻一變,振盪頻率就跟著變。

5.3從頻率漂移到旋律

微控制器持續測量這個頻率,先做平滑把雜訊濾掉,再把頻率的高低量化(對齊)到某個音階上的音符——例如五聲音階,這樣不論植物怎麼漂移,出來的音都會好聽。最後一樣透過 USB-MIDI 送進 DAW,交給你選的音色去發聲。

採購時,認得出實物比記得名字更重要。這裡把每個元件畫成帶標示的圖鑑——它長什麼樣、怎麼一眼認出、關鍵規格是什麼。(真實照片我已在對話中附給你對照。)

不是每件海廢都適合做樂器。挑選的關鍵,在於你想要它「發聲」還是「當骨架」,以及它的材質會怎麼影響音色。

7.1先理解:材質如何決定聲音

一個物體被敲擊時的音高與音色,主要由三件事決定:剛性(硬度)、質量、以及阻尼(會不會把振動吸掉)。又硬又輕的東西振得快 → 音高、明亮;又重又軟、阻尼大的東西振一下就被吸住 → 低沉、悶。下圖把常見海廢放在這張地圖上:

7.2三類樂器的選材原則

7.3處理與安裝:海廢的三個前置步驟

前面把原理和接線都走過了。這一章把圖 3.8 的電路接上 Teensy、寫一段程式,讓「敲一下海廢罐 → Logic 響一聲鼓」真的發生。這是整本書的終點,也是你所有後續樂器的起點。

8.1環境準備

8.2程式碼:壓電觸發 → USB-MIDI

這段程式做四件事:讀 A0 的電壓、抓出敲擊的峰值、把峰值換算成 MIDI 力度、送出音符;並用鎖定窗忽略餘震(去彈跳)。對應的正是第 3 章每一個觀念。

// 海廢壓電鼓 → USB-MIDI（Teensy 4.x）
// 工具選單：開發板選 Teensy、USB Type 選「MIDI」

const int PIEZO_PIN  = A0;     // 壓電片（經保護電路）接 A0
const int MIDI_NOTE  = 38;     // 38 = General MIDI 軍鼓
const int MIDI_CHAN  = 10;     // 第 10 軌 = 打擊樂

const int THRESHOLD   = 60;    // 觸發門檻（依壓電片調）
const int MAX_READING = 700;   // 最用力敲時的峰值讀數
const unsigned long MASK_MS = 30;  // 鎖定窗：忽略餘震（毫秒）

unsigned long lastHit = 0;

void setup() {
  analogReadResolution(10);    // 讀值範圍 0–1023
}

void loop() {
  int v = analogRead(PIEZO_PIN);

  if (v > THRESHOLD && (millis() - lastHit) > MASK_MS) {
    // 抓峰值：5ms 內持續取樣，留住最大值
    int peak = v;
    unsigned long t0 = millis();
    while (millis() - t0 < 5) {
      int r = analogRead(PIEZO_PIN);
      if (r > peak) peak = r;
    }

    // 峰值 → MIDI 力度（1–127）
    int velocity = map(peak, THRESHOLD, MAX_READING, 1, 127);
    velocity = constrain(velocity, 1, 127);

    usbMIDI.sendNoteOn(MIDI_NOTE, velocity, MIDI_CHAN);
    usbMIDI.sendNoteOff(MIDI_NOTE, 0, MIDI_CHAN);
    usbMIDI.send_now();

    lastHit = millis();        // 開始鎖定窗
  }

  while (usbMIDI.read()) {}    // 清掉接收佇列，保持穩定
}

8.3三個要自己調的數字

• THRESHOLD(觸發門檻):太低會被雜訊誤觸發、太高要很用力才響。先設 60,邊敲邊用序列繪圖器看 A0 讀值來微調。
• MAX_READING(最大力度讀值):你「最用力」敲時的峰值。設準了,力度 1–127 才會對應得剛好。
• MASK_MS(鎖定窗):忽略餘震的毫秒數。太短會一敲變連擊、太長會漏接快速連打,30ms 是不錯的起點。

8.4在 DAW 裡測試

想邊看邊練接線,我另外做了一個互動式麵包板模擬器:可以把元件一個個裝上模擬麵包板、透視它內部怎麼連通,再把訊號從海廢一路送到 DAW。

A.1該認識的元件一覽

A.2建議的學習順序