Новые тембры в Терменвоксе

История электромузыки — этой интереснейшей отрасли музыкального искусства, началась более пятидесяти лет назад, когда 23 июля 1921 года молодой советский ученый Лев Сергеевич Термен получил патент на созданный им электромузыкальный инструмент.

Первый серьезный экзамен терменвоксу — так журналисты назвали новый аппарат — пришлось держать в зале Политехнического музея, где проходили заседания восьмого Электротехнического съезда. Вот как писала об этом событии газета Правда: Эта демонстрация явилась неожиданным праздником русской технической мысли, она показала одно из блестящих достижений, какими обогатилась наука и техника республики в последние годы, несмотря на полную оторванность от источника материальной и технической культуры Запада.

Но наибольший след в памяти изобретателя первого ЭМИ оставило не это ответственное выступление перед представительной аудиторией, а маленький конце рт в Кр емле, иа котором присутствовал В. И. Ленин.

Я почувствовал,— вспоминает Термен,— что Владимир Ильич с интересом слушает голос нового инструмента. Это придало мне силы и я с вдохновением играл под аккомпанемент Л. Фотиевой. Когда приемная опустела, Владимир Ильич поднялся со своего места: Позвольте мне, товарищ изобретатель. Я взял руку Ленина и провел ею перед антенной, показывая приемы игры. Владимир Ильич быстро освоил правила игры и самостоятельно довел мелодию до конца.

— Очень хорошо, что это найдено у нас!—с казал на прощание Ленин.

Изобретение первого ЭМИ вызвало небывалую сенсацию в музыкальном мире и привлекло внимание к электромузыке многих талантливых инженеров.

Большой вклад в дело популяризации терменвокса внес музыкант К. И. Ковальский. Он отдал термеивоксу почти 50 лет. Аккомпанировал выдающимся мастерам советской сцены.

Новый инструмент построен на базе терменвокса, опубликованного в журнале Радио 1972, № 9. Для расширения тембровых возможностей терменвокса наряду с гармоническим в нем применен формантный способ темброобразования, характеризующийся усилением гармоник (обертонов) в определенных полосах частот музыкального диапазона инструмента, называемых формантами. Для реализации формантного способа темброобразования Л. Королев ввел в свой инструмент импульсные преобразователи, позволяющие получить импульсы определенной формы и длительности, и соответствующие формантные фильтры, усовершенствовал схему манипулятора и узла формирования амплитудных характеристик. Новый инструмент, наряду с тембром звучания человеческого голоса, позволяет получить тембры, напоминающие звучание гобоя, трубы, валторны, скрипки и виолончели.

Особенности схемы

Структурная схема нового терменвокса показана на рис. 1. По сравнению с инструментом, опубликованным в журнале Радио, 1972, № 9, он содержит пять новых узлов. Это импульсные преобразователи напряжения 6, формантные фильтры 7, усовершенствованный манипулятор 9, переключатель тембров 8, устройство формирования амплитудных характеристик 10. В инструменте имеется, кроме того, встроенный усилитель НЧ с громкоговорителем и устройство подключения внешней акустической системы. Однако эти узлы выполняют вспомогательные функции и в данной статье не описываются. Каждый радиолюбитель сможет их выполнить, исходя, из своих желаний и возможностей. В генераторную основу инструмента внесены небольшие изменения. Так параллельно конденсаторам С 4, С9 включены дополнительные конденсаторы емкостью 22— 30 пф, улучшающие равномерность частотной характеристики инструмента на низких звуковых частотах. Для расширения диапазона терменвокса увеличена связь между катушками L2И L3. Катушка L4 исключена. Емкость конденсатора С18 снижена до 5100 пФ. Введена дистанционная установка частоты опорного генератора, что позволяет подстраивать инструмент перед игрой с помощью ручки на пульте управления. И, наконец, нагрузка R17 детектора биений разбита на две части: 2,4 (у коллектора транзистора) и 4,3 кОм. Принципиальная схема новых узлов терменвокса приведена на рис. 2.

Рис. 1. Структурная схема терменвокса : 1 — штырь; 2 — неуправляемый генератор; 3 — управляемый генератор; 4 — контур гармонического синтезу; 5 — детектор биений; 6 — импульсные преобразователи; 7 — формантные фильтры; 8 — переключатель тембров; 9 — манипулятор; 10 — устройство формирования амплитудных характеристик; 11 — регулятор громкости; 12 — согласующий усилитель; 13 — внутренний усилитель.

Преобразователи импульсного напряжения собраны на транзисторах Т1—Т6. Напряжение биений с полной нагрузки детектора поступает на, базу первого транзистора преобразователя через цепочку L1C1R1, фильтрующую высокочастотные составляющие сигнала. С нагрузки транзистора Т1 усиленное напряжение подается на триггер Шмитта, выполненный на транзисторах Т2, Т3, где преобразуется в прямоугольные импульсы положительной полярности со скважностью порядка четырех. С коллекторной нагрузки транзистора Т2 через конденсатор С13 прямоугольные импульсы триггера поступают на формантные фильтры, а с эмиттерной нагрузки транзистора Т3 через развязывающий делитель R11, R12 на устройство формирования прямоугольных импульсов оптимальной длительности.

Это устройство состоит из каскада запуска триггера на транзисторе Т 4 и триггера оптимальной длительности импульсов на транзисторах Т5 и Т6. Каскад запуска представляет собой обычный усилитель. В коллекторную цепь транзистора Т 4 включен детектор Д1—Д2 и дифференцирующая цепочка C3C4R15. Напряжение с нагрузки детектора через фильтр R18C7R20 и резистор R19 поступает в базовую цепь транзистора Т о триггера оптимальной длительности импульсов, запуск которого производится импульсами, поступающими через конденсатор С5 с коллекторной нагрузки транзистора Т4. Длительность импульса определяется элементами, триггера, режимом, транзистора Т5, а также напряжением, поступающим на его базу с выхода детектора.

На самых низких частотах напряжение смещения мало, длительность импульсов триггера постоянна и определяется номиналами элементов C8, С9, R23 и режимом транзисторов по постоянному току. С повышением частоты отрицательное напряжение на выходе детектора, а следовательно, и напряжение на базе транзистора Т5. увеличивается, и длительность импульса сокращается. Триггер следует отрегулировать таким образом, чтобы зависимость отношения длительности к периоду повторения импульсов от частоты была близкой к кривой 1 (рис. 3) и не выходила за пределы области, ограниченной кривыми 2 и 3.

С выхода триггера оптимальной длительности импульсов возбуждающее напряжение поступает на формантные фильтры.

В формантный фильтр валторны входит контур L5C21, настроенный на частоту 400 Гц, гобоя — контур L2C12, настроенный на частоту 1300 Гц, трубы — контур L3C14, настроенный на частоту 2200 Гц, и скрипки — контур L4C17, настроенный на частоту 1500 Гц. Для реализации тембра виолончели параллельно конденсатору С18 формантной цепи скрипки подключается дополнительный конденсатор С23, что ослабляет высокочастотные составляющие спектра сигнала скрипки.

Переключатель тембров — шестикнопочный В1—В6. При нажатии каждой из его кнопок включается соответствующий тембр инструмента. Ранее установленный тембр при этом выключается. Кнопкой В 1 напряжение с части нагрузки детектора биений подается непосредственно на манипулятор, минуя формантные фильтры. Дополнительные контакты тембрового переключателя используются для подключения резисторов к соответствующим цепям формирования атаки и затухания звука.

Устройство формирования амплитудных характеристик состоит из конденсаторов С25—С28, резисторов R43—R61, диодов Д5—Д9 и переключателя амплитудных характеристик В7—В10. Работа устройства формирования атаки и затухания звука подробно описана в журнале Радио, 1972, №9.

Ручная установка требуемых атаки и затухания звука (нажата кнопка В8) производится соответственно переменными резисторами R55 и R47. Эта кнопка на схеме не показана, она не имеет электрических соединений с элементами схемы и служит лишь для возврата других кнопок переключателя в исходное положение. В режиме постоянной атаки и затухания звука (нажата кнопка В 7 ) атака и затухание определяются сопротивлениями соответствующих постоянных резисторов R56—R61, R49—R54. В режиме продолжительного затухания (нажата кнопка В 9 ) параллельно конденсатору С27 подключается конденсатор С28, и постоянная времени цепи формирования затухания значительно увеличивается. В формировании огибающей пиццикато (нажата кнопка В10) участвуют элементы С25, С26, R43, Д5-Д7. Диоды Д 6, Д5 пропускают на манипулятор отрицательный импульс и задерживают положительный, диод Д7 обеспечивает быстрый разряд конденсатора С26 после снятия напряжения с делителя R44—R46. Манипуляция осуществляется не одной, а тремя кнопками Кн1—Кн3, что расширяет исполнительские возможности инструмента.

Жесткая атака и непродолжительное затухание, свойственные колебаниям трубы, гобоя, а также скрипичного пиццикато, определяют повышенные требования к манипулятору инструмента в отношении переходных процессов, которые воспринимаются как щелчки при атаке и затухании звука. В связи с этим, в терменвоксе рекомендуется использовать усовершенствованный манипулятор, схема которого показана на рис. 4.

Питаются импульсные преобразователи от того же стабилизированного источника, что и генераторная основа инструмента. Потребляемый ток 17 мА. Манипулятор питается от отдельного стабилизатора, собранного по аналогичной схеме и подключенного к выходу общего выпрямителя. Потребляемый ток при замкнутых кнопках Кн1—Кн3 около 80 мА.

Детали и конструкция

В терменвоксе применены в основном резисторы МЛТ-0,25, исключение составляет резистор R46, мощность которого 1 Вт, Переменные резисторы желательно использовать с кривой изменения сопротивления типа В. Конденсаторы формантных цепей БМ и МБМ, остальные конденсаторы любых типов, желательно с малым ТКЕ. Катушки индуктивности намотаны проводом ПЭВ-1 0,1 и размещены в сердечниках Б18М1500НМЗ с внутренним зазором 0,05 мм и подстроечным сердечником 600НН. Данные катушек приведены в таблице.

Переключатели тембров В1—В6 и амплитудных характеристик В 7 — В10 — кнопочные, П2К. Могут быть применены и обычные галетные переключатели, однако это снижает исполнительские возможности инструмента. Кнопки Кн1—Кн3— самодельные, с усилием срабатывания не более 20 г. Во избежание повторного срабатывания при резком отпускании пальцев, необходимо предусмотреть демпфирование кнопок, например, с помощью поролоновых прокладок.

Импульсные преобразователи выполнены на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита размерами 126X52x2 мм. Детали генераторной основы инструмента можно смонтировать на печатной плате, показанной на 2-й странице вкладки журнала Радио, 1972, № 9. В нее, однако, следует внести изменения, перечисленные в начале статьи и связанные с использованием нового манипулятора.

Пульт управления смонтирован на гетинаксовой панели размерами 175Х 200x5 мм и установлен в общем корпусе инструмента размерами 500Х220Х125 мм (см. обложку). Для уменьшения влияния пальцев левой руки на частоту инструмента пульт управления на 25—30 мм утоплен внутрь корпуса. Расположение органов управления на пульте показано на рис. 5. Здесь показаны и органы управления инструментом, отсутствующие на принципиальной схеме (рис. 1), такие как выключатель сети 2, неоновая индикаторная лампочка 3, ручка переменного резистора точной установки частоты опорного генератора 4, ручка регулировки громкости внутреннего усилителя НЧ 5, кнопка отключения входа внешнего усилителя 6, выключатель входа внешнего усилителя 7. Расположение органов управления на пульте должно быть индивидуально подобрано в соответствии с размерами кисти и пальцев левой руки музыканта-исполнителя. При этом следует исходить из следующих соображений: левая рука музыканта при исполнении музыкального произведения должна лежать на поворотной подставке 1, расположенной под третьей фалангой большого пальца левой руки. Кнопки Кн1—Кн3 следует разместить точно под подушечками безымянного, среднего и указательного пальцев. Переключение тембров, амплитудных характеристик, регулировка атаки и затухания, регулировка громкости внутреннего усилителя НЧ и отключение выхода внешнего усилителя должно производиться без снятия левой руки с подставки. Пульт управления электрически соединен с остальными элементами схемы инструмента с помощью проводов, уложенных в жгут длиной 25 см.

Для настройки темброобразующих цепей инструмента необходим осциллограф и звуковой генератор. Сначала при выключенном инструменте следует настроить контуры формантных фильтров. Для этого звуковой генератор с малым выходным сопротивлением (не более 200 Ом) подключают к резистору развязки (например, к точке соединения R29, ДЗ), а осциллограф— к выходу формантного фильтра (в данном случае к конденсатору СП). Во избежание насыщения ферритовых сердечников сигнал звукового генератора должен быть таким, чтобы амплитуда на выходе формантного фильтра не превышала 0,5 В.

Настроив формантные контуры, приступают к налаживанию импульсных преобразователей. Прежде всего необходимо убедиться в четкой работе триггера Шмитта : колебания триггера не должны срываться в диапазоне частот от 20 Гц до 6—8 кГц. При этом высшие гармоники, выделяемые контуром гармонического синтеза инструмента, должны быть подавлены. Скважность колебаний триггера Шмитта, начиная от частоты 300 Гц и выше, должна быть порядка четырех, а ниже частоты 300 Гц — несколько увеличиваться. Далее следует проверить параметры дифференцированных импульсов в точке соединения диодов Д3, Д4. Длительность положительного импульса должна быть около 0,2 мс на уровне половины от максимальной амплитуды.

Налаживание

Для настройки триггера оптимальной длительности импульса отключают конденсатор С24. Частоту инструмента устанавливают порядка 65 Гц. Подбирая конденсатор С8, добиваются, чтобы отношение длительности импульсов триггера к периоду их повторения было равным 0,08. Затем, подбирая конденсатор С3 и резисторы R16, R19, стремятся получить такую зависимость отношения длительности импульса к периоду повторения, которая наиболее приближается к оптимальной кривой 1 (рис. 3). После этого подключают конденсатор С24 и, подбирая его емкость, устанавливают отношение длительности импульса к периоду повторения на частоте 150 Гц равным 0,25.

Балансировку манипулятора производят, подбирая резистор R9 (рис. 4), соответствующий минимуму переходных процессов при манипуляции для наиболее, крутых переднего и заднего фронтов огибающей звукового сигнала (резисторы R55, R47 выведены). После балансировки манипулятора устанавливают уровни сигналов на его входе. Для этого, изменяя соотношение частей нагрузки детектора биений, добиваются получения общего размаха колебаний (сумма амплитуд положительной и отрицательной полуволн) сигнала на входе манипулятора примерно 0,2 В. Затем, подбирая резисторы R26, R33, R36 и R41 формантных цепей, устанавливают такие уровни сигналов, при которых громкость звучания сигналов каждого тембра примерно одинакова. Желаемую мягкость тембра устанавливают, подбирая емкости конденсаторов интегрирующих ячеек формантных цепей.