E-Drum Technik-Thread (für Elektrotechnik- und Informatik-Interessierte)

Nachdem in letzter Zeit immer wieder so einige Threads in (übrigens sehr interessante!) ziemlich technische Diskussionen abschweifen, diese dann dort aber komplett off-topic und außerdem schwer wiederzufinden sind, starte ich hiermit einfach mal einen Sammelthread für technische Diskussionen zum Thema E-Drums.
Das Interesse am Thema ist ja offenbar da, und ich hoffe, dass die Mods den Diskussionen hier in diesem Thread einen Raum lassen, und andere Threads im Gegenzug hoffentlich ein bisschen verschont bleiben.

Es soll in diesem Thread im Grunde also um alles technische gehen, was mit dem "Innenleben" von E-Drums zu tun hat, wie z.B. Funktionsweise, verwendete Technik, Messwerte oder sonstige Analysen usw., auch als Links zu bestehenden Threads und dann hier evtl. fortgesetzter Diskussion.
Worum es möglichst NICHT gehen soll sind rein anwenderbezogene Dinge, also beispielsweise wie man eine bestimmte Drum-Software benutzt oder wie man sein Modul mit den Pads oder mit dem PC verkabelt etc.

Ich hoffe auf interessante Diskussionen!

Ich mache dann auch gleich mal den Anfang mit ein paar Messwerten zum TD-12: In einem anderen Thread ging es letztens um die genauen Latenzwerte verschiedener Module, ich habe sie für das TD-12 auch nochmal nachgemessen:
[Edit/Ergänzung: Die Messungen erfolgten mit einem Becken-Pad an einem Becken-Eingang und mit einer Scantime von 1,6ms. Messwerte für den Snare-Eingang weiter unten im Thread]

Einmal am Kopfhörerausgang: und einmal am Midi-Out:
Ein Kästchen entspricht hier 0,5ms, die Midi-Latenz liegt also bei ca. 3ms (+ca. 1ms für die Übertragung des Midi-Signals; 100 Extrapunkte für den, der das Signal entschlüsselt!), und die Latenz am Kopfhörer, so weit man es durch das Rauschen erkennen kann, etwa bei 3,2ms
Da fragt man sich schon, warum Roland bei den neuen Modulen so stolz auf die 2,9ms Latenz hingewiesen hat, das TD-12 ist ja offenbar auch nicht viel schlechter (nur bei der Midi-Übertragung durch das fehlende integrierte USB-Interface leider langsamer)

Spaßeshalber noch ein Edge-Shot auf ein Becken-Pad (1 Kästchen = 1ms):

Auf dem Ring liegen bei den Triggereingängen 3,3V (unabhängig davon, welches Pad eingestellt ist), beim Schließen des Edge-Schalters wird dann auf Masse kurzgeschlossen. Habe mal gehört, dass es an den älteren/kleineren Modulen wie TD-3/TD-4 usw. 5V sind, überprüfen kann ich das aber leider nicht.

Ich muss ehrlich gesagt zugeben, dass ich die Scantime gar nicht so auf dem Radar hatte, da ich sie soweit ich weiß überall auf den Standardwerten belassen hatte. Weil ich die Messungen mit einem Becken-Pad am Becken-Eingang gemacht hatte[*], stand die Scantime dort auf 1,6ms (denke zumindest, dass das dort der Standardwert ist).

Deswegen hier nochmal eine Messreihe mit einem PD-125 am Snare-Eingang mit 2.0ms Scantime.

Die Midi-Latenz schwankt zwischen ca. 3,5ms und 4ms (meist ziemlich genau mittig dazwischen) und liegt damit also doch in dem "allgemein bekannten" Bereich für das TD-12:

Die Latenz am Kopfhörerausgang schien etwas weniger stark zu schwanken und liegt auch bei den bekannten 4ms:

Mit einer Scantime von 1.6ms am Snare-Eingang lande ich interessanterweise trotzdem bei einer höheren Latenz als am Becken-Eingang, vielleicht ist das dem größeren Rechenbedarf der Positionserkennung geschuldet.
An den Midi-Signalen vom Snare-Eingang erkennt man auch gut, dass die Übertragungszeit durchaus nicht zu unterschätzen ist. Durch die Positionserkennungs-Daten dauert die gesamte Übertragung doppelt so lange wie bei einem Becken-Pad, und erst nach ca. 2ms und damit insgesamt etwa 6ms nach dem Anschlagen des Pads ist das gesamte Signal übertragen. Über USB könnte man in einem Bruchteil der Zeit damit fertig sein.

[*] Ursprünglich wollte ich eigentlich gar nicht die Latenz messen, sondern schauen, ob von einem CY-15R mit den bekannten Bell-Problemen wirklich überhaupt kein Signal kommt, oder ob das Bell-Signal einfach zu kurz/zu schwach ist um für das Modul brauchbar zu sein. Tatsächlich scheint da nicht mal das kleinste Signal messbar. Die zusätzliche Latenzmessung hatte sich dann einfach angeboten.

Wo ich grad eh alles verkabelt hatte, hier noch eine anschauliche Animation zur Positionserkennung mit dem PD-125 (die Wellen von acht verschiedenen Schlägen, erster Schlag ganz außen, letzter Schlag genau in der Mitte), Augenmerk auf die Zeit bis zum ersten Nulldurchgang:

[1 Kästchen = 0,5ms / 0,5V]

Ergänzung zur Positionserkennung beim TD-12:

Das Modul wertet anscheinend neun verschiedene Positionen aus.
Nach CCs gefilterter Output von MIDI-OX bei Schlägen von außen nach innen (doppelte Werte habe ich dann entfernt):

TIMESTAMP IN PORT STATUS DATA1 DATA2 CHAN NOTE EVENT               
 000BC073   1  --     B9    10    7F   10  ---  Control Change        
 000BCEA3   1  --     B9    10    6F   10  ---  Control Change        
 000BD6C4   1  --     B9    10    5F   10  ---  Control Change        
 000BEC99   1  --     B9    10    4F   10  ---  Control Change        
 000BFA8A   1  --     B9    10    3F   10  ---  Control Change        
 000C02D1   1  --     B9    10    2F   10  ---  Control Change        
 000C2066   1  --     B9    10    1F   10  ---  Control Change        
 000C31F2   1  --     B9    10    0F   10  ---  Control Change        
 000C37DD   1  --     B9    10    00   10  ---  Control Change

Der Positionswert steht in DATA2, 0x7f ist dabei außen, 0x00 innen.

Vergleicht man dazu die Zeit bis zum ersten Nulldurchgang des Signals vom Pad (s.o.), dann stellt man fest, dass sich die Auswertung in einem recht engen Bereich abspielt. Bei einer Dauer von ca. 1,5ms und darunter liefert das Modul 0x7f (also ganz außen) und ab 2,0ms und darüber 0x00 (also Mitte/innen), innerhalb des Intervalls dann eben die Werte dazwischen.

Piezos sind sicher eine interessante Geschichte, und wenn man durch andere Piezos noch was verbessern kann ist das bestimmt nicht falsch. So extrem schlecht finde ich die Signale die jetzt vom PD-125 kommen aber gar nicht. Wenn man mal genau schaut, liegt das erste Extremum immer unter 1ms, und wenn einen nur die Schlagstärke interessiert, muss man eigentlich gar nicht länger warten. Nur für die Positionserkennung interessiert es dann, ob später noch ein Nulldurchgang kommt, und für so ein Feature noch 1ms mehr zu warten scheint mir nicht unverhältnismäßig. Ich denke, wenn das Signal am Ende innerhalb von 3ms der Anwendersoftware im PC zur Verfügung steht, dann ist das schon ganz gut, denn 2ms Ausgabelatenz sind machbar, so dass man am Ende 5ms Gesamtlatenz hat. Von beiden Latenzwerten noch je 0,5ms weg zu optimieren wäre wahrscheinlich auch nicht absolut unrealistisch, dann wäre man bei einem wie ich finde sehr guten Wert.

Gibt es denn Details, welche Piezos man genau nehmen sollte, um die Schwingungsdauer zu verkürzen? Also welche Werte diese genau haben sollten? Der Triggerkegel bleibt gleich? Finde es immer schade, wenn es nur allgemeine Aussagen und nichts konkretes gibt. Auch welchen Einfluss die anderen Komponenten genau haben (Triggerkegel, Triggeraufhängung, Mesh-Head usw.) und welche Veränderungen was genau bewirken wäre sehr spannend, das spielt ja am Ende alles zusammen.

Ich weiß gar nicht, ob überhaupt schon mal irgendjemand die Roland-Piezos vernünftig ausgemessen hat... ich hab das jetzt einfach mal gemacht, jedenfalls so gut ich es mit meinen Möglichkeiten konnte (sollte eigentlich weitestgehend stimmen, aber keine Garantie auf korrekte Werte... bei der Impedanz musste ich wegen Schwierigkeiten mit dem Messgerät etwas improvisieren, die Werte sind also am ungenausten. Muss ich bei Gelegenheit noch mal zuverlässiger messen). Falls jemand anders die Piezos auch mal vermessen hat, bitte gerne die Ergebnisse posten zum Vergleich.

PD-125 Head-Piezo:
Durchmesser Messingscheibe: 27 mm
Dicke Messingscheibe: 0,25 mm
Durchmesser Keramikscheibe: 18,2 mm (mit dem "Rand" 19,7 mm)
Dicke Keramikscheibe: 0,25 mm
Durchmesser Klebepunkt: 22 mm
Dicke Klebepunkt: 1,2 mm
Spannung (Gnd<->Spitze): ca. 40 V (kein aussagekräftiger Wert, einfach so stark auf das nackte Piezo geschlagen, wie ich mich getraut habe (ohne Kegel). In Datenblättern ist normalerweise die erlaubte Eingangsspannung Spitze<->Spitze angegeben, den Wert kann man hieraus wohl leider nicht ableiten. Falls jemand einen Tipp hat, wie man den Wert zuverlässig herausfinden kann, bitte melden)
Kapazität: ca. 15,3 nF (Nennkapazität wahrscheinlich 16 nF)
Resonanzfrequenz: ca. 4600 Hz
Resonanzimpedanz: ca. 800 Ohm (ist zwar nicht unrealistisch, aber relativ hoch. Bitte mit Vorsicht genießen, könnte durchaus ein Messfehler sein)

PD-125 Rim-Piezo:
Durchmesser Messingscheibe: 35 mm
Dicke Messingscheibe: 0,25 mm
Durchmesser Keramikscheibe: 23 mm (mit dem "Rand" 25 mm)
Dicke Keramikscheibe: 0,25 mm
Durchmesser Klebepunkt: 22 mm
Dicke Klebepunkt: 1,2 mm
Spannung (Gnd<->Spitze): ca. 50 V (wie oben, so stark drauf geschlagen, wie ich mich getraut hab)
Kapazität: ca. 23 nF (Nennkapazität wahrscheinlich 24 nF oder 25 nF)
Resonanzfrequenz: ca. 3000 Hz
Resonanzimpedanz: ca. 400 Ohm (ebenfalls mit Vorsicht zu genießen, da ungenau und evtl. Messfehler)

Die Keramikfläche beider Piezos hat NICHT diesen abgetrennten, vom Rand zur Mitte verlaufenden länglichen Bereich, den man manchmal bei Piezos sieht. (spätes Edit: Rückkopplungs- bzw. Feedback-Elektrode wird das wohl genannt)

Zitat von phanaton

Die Schwingungen haben ja zunächst "nichts" mit dem Piezo zu tun, dieser nimmt jene nur ab. Die entscheidenden Teile dafür sind, an erster Stelle natürlich das Meshhead, bzw. die Oberfläche, die angeschlagen wird. Der Kegel hat sicher auch noch ein wenig Einfluss darauf(durch die zusätzliche Masse).

Eben darum meine Nachfrage, weil ja die Aussage im Raum steht, dass man mit geeigneten Piezos kürzere Wellenlängen erreichen können soll. Ich hätte jetzt auch eher gedacht, dass Mesh-Head und Triggerkegel die größte Rolle dabei spielen. Aber der erste intuitive Gedanke muss ja nicht zwangsläufig der richtige sein, deswegen bin ich einfach mal ganz unvoreingenommen auf die Details gespannt.

PS: Ja, die Daten stammen von einem digitalen Oszilloskop, die Daten kann man dann entsprechend exportieren und am PC noch ein bisschen aufarbeiten.

Verschiedene Trigger kann ich leider nicht anbieten, aber verschiedene Mesh-Heads hab ich mal probiert. Wirklich glücklich bin ich mit der Messung eigentlich nicht, und halte sie nicht für besonders aussagekräftig, aber ich stelle sie trotzdem mal rein. Ich hab probiert, die Fellspannung bei allen Fellen gleich einzustellen, aber ohne die Fellspannung tatsächlich zu messen ist das ein bisschen Glücksspiel (beim ddt brauchte man z.B. erheblich mehr Umdrehungen, um eine ähnliche Spannung zu erreichen). Wirklich Grundlegend haben sich die Wellenformen aber bei anderen Fellspannungen nicht geändert (dafür aber durch einen anderen Einfluss, siehe weiter unten). Alle Felle wurden auf ein Roland PD-105 aufgezogen (also alles 10-Zoll-Felle).

Alle Bilder sind gif-Animationen, die größeren Unterschiede zeigen sich häufig erst bei den Schlägen weiter in der Mitte (also später in der Animation). Zur Besseren Übersichtlichkeit stelle ich hier mal nur Thumbnails rein, einfach drauf klicken, um die Animationen zu sehen.

1) ist ein weißes, doppellagiges Drum-Tec Design
2) ist ein ein doppellagiges ddt
3) ist ein einlagiges, schwarzes Mesh-Head ohne Aufschrift, Hersteller weiß ich leider auch nicht mehr
4) ist ein Roland-Mesh

1) 2) 3) 4)

Interessanter wurde es dann, als ich das Pad zuletzt noch mal an das Modul angeschlossen hatte, um zu testen, ob der Bereich für die Positionserkennung auch mit dem PD-105 zwischen 1,5 und 2ms liegt (tut er in etwa, evtl bis 1,25ms runter): Das anschließen an das Modul verändert die Wellenform doch einigermaßen signifikant, und wie ich finde in einer Weise, die für die Signalerkennung wahrscheinlich positiv ist. Ein Bild bzw. eine Animation sagt vielleicht mehr als tausend Worte, einfach mal mit den vorherigen Messungen vergleichen:

1) 2) 3) 4)

Die erste Halbwelle wird kürzer, die positive Halbwelle größer, und der Nulldurchgang ist immer recht steil, während er vorher teilweise recht flach war (ausgerechnet in dem Positionserkennungs-Bereich). Dafür ist das Signal bei gleicher Schlagstärke geringfügig schwächer (geht aus den Bildern nicht hervor, habe ich unabhängig davon getestet). Das zeigt für mich, dass es tatsächlich doch noch andere wichtige Einflussgrößen auf das Signal gibt außer Mesh-Head und Triggerkegel.
Die Veränderung stellt sich übrigens unabhängig davon ein, ob das Modul ein- oder ausgeschaltet ist, und ist auch durch an- und abstecken jeweils reproduzierbar, also kein einmaliger Messfehler. Wahrscheinlich werden die Kapazitäten und Widerstände am Eingang den Effekt hervorrufen, und vielleicht ist das mal ein Anstoß, in der Richtung genauer nachzuforschen.

Edit: Messungen für die anderen Mesh-Heads eingefügt. Die Fellspannung stimmt nur beim Roland genau überein, bei den anderen leider nur so in etwa, weil die zweiten Messungen später gemacht wurden. Positionserkennung geht übrigens mit allen gut (auch mit dem einlagigen).

Noch ein Edit: Ich hab jetzt mal auf gut Glück einen Kondensator und einen Widerstand in Reihe mit dem Head-Piezo geschaltet (Koppelkondensator und Widerstand zur Masse scheint an den Triggereingängen ja nicht vollkommen unwahrscheinlich), und damit sieht das Ergebnis tatsächlich so ähnlich aus wie das bei den an das Modul angeschlossenen Pads. Und das, Obwohl ich rein zufällig irgendeinen Widerstand und Kondensator aus der Bauteilkiste gezogen habe (stellten sich dann als 47nF und 100kOhm heraus).