Как устроен терменвокс

Скетч

p040_thermenvox.ino

// даём имена для пинов с пьезопищалкой (англ. buzzer) и фото-
// резистором (англ. Light Dependent Resistor или просто LDR)
#define BUZZER_PIN  3
#define LDR_PIN     A0
 
void setup()
{
  // пин с пьезопищалкой — выход...
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
 
  // ...а все остальные пины являются входами изначально,
  // всякий раз при подаче питания или сбросе микроконтроллера.
  // Поэтому, на самом деле, нам совершенно необязательно
  // настраивать LDR_PIN в режим входа: он и так им является
}
 
void loop()
{
  int val, frequency;
 
  // считываем уровень освещённости так же, как для
  // потенциометра: в виде значения от 0 до 1023.
  val = analogRead(LDR_PIN);
 
  // рассчитываем частоту звучания пищалки в герцах (ноту),
  // используя функцию проекции (англ. map). Она отображает
  // значение из одного диапазона на другой, строя пропорцию.
  // В нашем случае  -> . Так мы получим
  // частоту от 3,5 до 4,5 кГц.
  frequency = map(val, , 1023, 3500, 4500);
 
  // заставляем пин с пищалкой «вибрировать», т.е. звучать
  // (англ. tone) на заданной частоте 20 миллисекунд. При
  // cледующих проходах loop, tone будет вызван снова и снова,
  // и на деле мы услышим непрерывный звук тональностью, которая
  // зависит от количества света, попадающего на фоторезистор
  tone(BUZZER_PIN, frequency, 20);
}

История создания

Изобретатель терменвокса – Лев Сергеевич Термен – музыкант, ученый, родоначальник электроники, оригинальная личность, окруженная множеством слухов. Его подозревали в шпионаже, уверяли, что созданный музыкальный инструмент настолько странный и мистический, что сам автор боялся на нем играть.

Лев Термен принадлежал дворянскому роду, появился на свет в Петербурге в 1896 г. Учился в консерватории, стал виолончелистом, продолжил образование на физико-математическом факультете. В период Первой мировой войны Лев Сергеевич трудился инженером-связистом. В послевоенный период занялся наукой, изучением электрических свойств газов. Тогда и началась история музыкального инструмента, получившего название от фамилии создателя и термина «vox» – голос.

Изобретение увидело свет в 1919 г. В 1921-ом ученый представил инструмент широкой публике, вызвав всеобщий восторг и изумление. Льва Сергеевича пригласили к Ленину, тот немедленно приказал отправить ученого с музыкальным изобретением в гастрольный тур по стране. Ленин, в тот период поглощенный электрификацией, в терменвоксе увидел инструмент популяризации политической идеи.

В конце 1920-х Термен отправился в Западную Европу, затем в США, при этом остался советским гражданином. Ходили слухи, что под видом ученого и музыканта его отправили шпионить, выведывать научные разработки.

Лев Термен со своим изобретением

Необычный музыкальный инструмент за границей вызвал восторг не меньше, чем на родине. Парижане раскупили билеты в театр за несколько месяцев до выступления ученого-музыканта. В 1930-е в США Термен основал компанию «Teletouch» для производства терменвоксов.

Сначала бизнес ладился, но вскоре покупательский интерес иссяк. Оказалось, что для успешной игры на терменвоксе нужен идеальный музыкальный слух, даже профессиональные музыканты не всегда справлялись с инструментом. Чтобы не обанкротиться, фирма занялась производством сигнализаций.

Для этого урока нам понадобится:

1. Arduino uno: http://ali.ski/gC_mOa
2. Макетная плата: http://ali.ski/rq8wz8
3. Контактные провода: http://ali.ski/Exjr3
4. Диоды и резисторы: http://fas.st/KK7DwjyF
5. Пьезоизлучатель: http://ali.ski/9mNnRi
6. Фоторезистор: http://ali.ski/5GDvP7

Для начала узнаем что такое терменвокс:

Терменво́кс (theremin или thereminvox) — электромузыкальный инструмент, созданный в 1920 году российским изобретателем Львом Сергеевичем Терменом в Петрограде.

Классическим считается терменвокс, сконструированный наподобие первых терменвоксов, созданных самим Львом Терменом. При игре на таких инструментах управление звуком происходит в результате свободного перемещения рук исполнителя в электромагнитном поле вблизи двух металлических антенн. Исполнитель играет стоя. Изменение высоты звука достигается путём приближения руки к правой антенне; громкость звука управляется приближением другой руки к левой антенне.

Но у нас световой терменвокс.

В этом уроке мы подключим к ардуино фоторезистор и пьезоизлучатель – таким образом мы соберем простейший имитатор музыкального инструмента терменвокса. Только при игре на нашем терменвоксе “музыкант” будет подносить руки не к антенне, а к фоторезистору.

Фоторезистор: Сопротивление фоторезисторов уменьшается под воздействием света и увеличивается в темноте. Фоторезисторы просты в использовании, но достаточно медленно реагируют на изменение уровня освещенности и имеют весьма низку. точность. Как правило, сопротивление фоторезисторов может варьироваться от 50 Ом при дневном освещении до более чем 10 МОм в темноте.

Следовательно изменяя освещенность над фоторезистором, у нас будет появляться разная мелодия.

После подключения всех необходимых элементов Скетч ниже нужно скопировать и залить в ардуино

int sVal;//Значение на фоторезисторе
int sLow=1023; //минимальное значение фоторезистора
int sHigh=0;//максимальное значение фоторезистора
int ledPin=13;//встроенный светодиод
 
void setup(){
  pinMode(ledPin,OUTPUT);
  digitalWrite(ledPin,HIGH); //начало калибровки
  while(millis()<5000) { //калибруем в течении 5 секунд sVal=analogRead(A0); if (sVal>sHigh){
      sHigh=sVal;
    }
    if(sVal<sLow){
      sLow=sVal;
    }
  }
  digitalWrite(ledPin,LOW);//окончание калибровки
}
 
void loop(){
  int freq;
  sVal=analogRead(A0);//считываем значение с фоторезистора
  freq=map(sVal,sLow,sHigh,50,4000);//приводим значение
  tone(8,freq,20);//извлекаем звук
  delay(10);
}

Демонстрация работы данного терменвокса можно увидеть в видео ниже.

Конечно танный терменвокс уступает оригиналу, но для простейшей демонстрации возможностей ардуино. Вполне себе сойдет, и если принаравиться, то можно будет даже сыграть какую нибудь мелодию. Музыканты и не на таких штуках создавали мелодии.

Описание и схема работы зуммера

Зуммер, пьезопищалка – все это названия одного устройства. Данные модули используются для звукового оповещения в тех устройствах и системах, для функционирования которых в обязательном порядке нужен звуковой сигнал. Широко распространены зуммеры в различной бытовой технике и игрушках, использующих электронные платы. Пьезопищалки преобразуют команды, основанные на двухбитной системе счисления 1 и 0, в звуковые сигналы.

Пьезоэлемент “пищалка”

Пьезопищалка конструктивно представлена металлической пластиной с нанесенным на нее напылением из токопроводящей керамики. Пластина и напыление выступают в роли контактов. Устройство полярно, имеет свои «+» и «-». Принцип действия зуммера основан на открытом братьями Кюри в конце девятнадцатого века пьезоэлектрическом эффекте. Согласно ему, при подаче электричества на зуммер он начинает деформироваться. При этом происходят удары о металлическую пластинку, которая и производит “шум” нужной частоты.

Устройство пьезодинамика пищалки

Нужно также помнить, что зуммер бывает двух видов: активный и пассивный. Принцип действия у них одинаков, но в активном нет возможности менять частоту звучания, хотя сам звук громче и подключение проще. Подробнее об этом чуть ниже.

Модуль пищалки для Ардуино

Если сравнивать с обыкновенными электромагнитными преобразователями звука, то пьезопищалка имеет более простую конструкцию, что делает ее использование экономически обоснованным. Частота получаемого звука задается пользователем в программном обеспечении (пример скетча представим ниже).

Другие типы терменвокса

Терменвокс CLASSIC

Терменвокс CLASSIC, разработанный Андреем Смирновым, построен по классической схеме терменвокса. Благодаря использованию современной элементной базы инструмент отличается малым весом, высокой стабильностью и линейностью рабочего диапазона, надежностью и выносливостью. Использование оригинальной схемотехники позволило, оставаясь в рамках классического дизайна, решить проблему стаккато и быстрой динамики. Эффективный рабочий диапазон инструмента — 6 октав. Плавная регулировка тембра.

Терменвокс Etherwave

Терменвокс Etherwave, разработанный Робертом Мугом, является самым популярным в мире терменвоксом-конструктором. Можно легко построить собственный Etherwave из специального набора деталей. При этом не требуется никаких специальных знаний из области электроники. Кроме того, Moog Music поставляет и собранные инструменты серии Etherwave различных модификаций.

Основная плата собрана и настроена на фабрике. В комплект входят также никелированные антенны, деревянный корпус и внешний блок питания.

Терменвокс системы Ковальского

В терменвоксе системы Константина Ковальского (первого исполнителя и ассистента Льва Термена) высота звука по-прежнему регулируется правой рукой, в то время как левая рука управляет общими характеристиками звука при помощи кнопочного манипулятора, громкость звука регулируется педалью. Исполнитель играет сидя.

Сам Константин Ковальский виртуозно владел техникой игры на этом типе терменвокса.

Эта модель не получила столь широкого распространения, как классический терменвокс, тем не менее, традиция продолжается благодаря ученикам и коллегам К.Ковальского — Л.Королеву и З. В. Раневской, создавшим в Москве свою школу.

Конструктор Лев Королев в течение многих лет развивал и совершенствовал терменвоксы этой системы. Им же был создан инструмент-разновидность терменвокса — «Тершумфон», звук которого представлял собой узкополосный шум, с ярко выраженной звуковысотностью.

Экскурс в историю

При первом взгляде и на терменвокс, и на играющего на нем человека создается впечатление, что перед глазами слушателя происходит какая-то магия. И это не удивительно, ведь при игре на терменвоксе не требуется никакого физического воздействия на инструмент. Влияние на инструмент происходит путем движений рук в электромагнитном поле на некотором расстоянии от терменвокса. Эти движения немного напоминают движения дирижера перед оркестром.

Электромагнитное поле создают два генератора высокой частоты, которые встроены в инструмент. Один из генераторов имеет постоянную частоту, второй — переменную. Генератор с переменной частотой имеет антенну, которая реагирует на изменение расстояния между рукой музыканта и инструментом, и меняет частоту генератора. По итогу, из одной частоты вычитается вторая — и нашему слуху предстают чудесные звуки терменвокса.

Появился инструмент, как было замечено в начале статьи, практически случайно — при исследовании той области науки, которая к звуку и музыке отношения не имеет.

Лев Термен в те годы трудился в Петрограде, в физико-техническом институте. Занимался разработкой способов измерения диэлектрической постоянной газов при различных температурах и давлениях. Тогда же, пытаясь увеличить чувствительность своей измерительной аппаратуры, Термен случайно обнаружил, что, когда разница между частотами двух генераторов попадает в звуковой диапазон — наблюдатель может слышать необычные звуки.

Инструмент оказался очень чувствительным и реагировал на малейшие колебания магнитного поля. Вдохновленный своим открытием, Термен сконструировал небольшой музыкальный инструмент и назвал его «Этерон» (ether — «эфир»). Но сообщество ученых, которым Термен представил свой инструмент, окрестило его в честь изобретателя — «терменвокс» (vox – «голос» на латыни).

Не прошел данный инструмент и мимо внимания правительства. В скором времени терменвокс был представлен в Кремле. Кстати, на инструменте пробовал сыграть и вождь мирового пролетариата — В.И. Ленин. Ходят слухи, что Ленину, не обладая какими-либо навыками игры на терменвоксе, удалось почти точно воспроизвести «Жаворонка» композитора Глинки.

Вскоре после этого терменвокс приобрел всемирную известность. Сам Термен со своим инструментом выступал в Лондоне, Нью-Йорке, Париже и многих других городах и странах, находя там единомышленников и будущих учеников. В США Термен основал крупную музыкальную студию, которая внесла весомый вклад в популяризацию терменвокса.

Отличия активного и пассивного зуммера

Главное отличие активного зуммера от пассивного заключается в том, что активный зуммер генерирует звук самостоятельно. Для этого пользователь должен просто включить или выключить его, другими словами, подав напряжение на контакты или обесточив. Пассивный зуммер же требует источника сигнала, который задаст параметры звукового сигнала. В качестве такого источника может выступать плата Ардуино. Активный зуммер будет выдавать более громкий звуковой сигнал в сравнении с его конкурентом. Частота излучаемого звука активного зуммера составляет значения 2,5 кГц +/- 300Гц. Напряжение питания для пищалки варьируется от 3,5 до 5 В.

Активный пьезоизлучатель предпочтительней еще из-за того, что в скетче не потребуется создавать дополнительный фрагмент кода с задержкой, влияющий на рабочий процесс. Также для определения того, что за элемент находится перед пользователем, можно измерить сопротивление между двумя проводами. Более высокие значения будут указывать на активный зуммер ардуино.

По своей геометрической форме пищалки никак не различаются, и отнести элемент к тому или иному виду по данной характеристике не представляется возможным. Визуально зуммер можно идентифицировать, как активный, если на плате присутствуют резистор и усилитель. В пассивном зуммере в наличии только маленький пьезоэлемент на плате.

Терменвокс и музыка

Изначально терменвокс позиционировался самим Львом Терменом как инструмент для исполнения классической музыки. Но с развитием музыкальной культуры его стало можно услышать практически во всех жанрах и стилях.

В 1947 году Гарри Равель выпустил свой альбом «Music of the Moon», где под аккомпанемент джазового оркестра Самюэль Хоффман с помощью терменвокса погрузил слушателя в космические глубины, которые на тот момент казались такими далекими. В будущем Нил Армстронг взял эту музыку с собой, в полет на Луну.

Не обошли стороной этот удивительный инструмент и всем известные Led Zeppelin — с его помощью они создавали для своих композиций неповторимую атмосферу.

Терменвокс и другие инструменты, сконструированные на его основе, хорошо вписались во многие направления музыки. Звуки, которые при должной сноровке можно было извлечь из терменвокса, использовались для создания различных эффектов а-ля «ангельское пение», пение птиц или даже ошеломляющего рева мотора.

Из представителей современной музыки можно привести в пример коллектив IWKC (I Will Kill Chita).

Неким апогеем популярности этого инструмента стало событие, которое произошло в 2001 году. Неутолимая жажда человечества познакомиться с себе подобными (или, может, совсем не подобными) формами жизни, не утихающая уже достаточно долгое время, заставила ученых отправить послание к далеким звездам с помощью мощного радиотелескопа, находящегося недалеко от города Евпатория.

В одной из частей послания содержалась музыка, которая, по мнению ученых, способна передать эмоциональную составляющую жизни человечества. И музыка эта была исполнена с помощью того самого терменвокса! В путешествие отправился фрагмент из «Времена года» Вивальди, «Вокализ» Рахманинова, романс в исполнении Е. Шашиной «Выхожу я на дорогу» на слова Лермонтова и другие композиции.

На сегодняшний день терменвокс тоже не забыт. Продолжает его популяризировать Петр Термен — правнук Льва Термена. Он же является руководителем школы терменвокса в России и одним из ведущих исполнителей на терменвоксе в мире.

Терменвокс, обладая такой впечатляющей биографией, безусловно, своим звучанием привнес в нашу жизнь долю тайны и загадки, хотя многие люди даже и не подозревают об этом.

Принцип

Звук создается из электрического сигнала, генерируемого гетеродином генератора на электронные лампы . Два высокочастотных сигнала (один фиксированный на 170  кГц , другой переменный от 168 до 170  кГц ) объединяются, чтобы сформировать биение и обеспечить звуковой сигнал от 20 до 20 000  Гц .

Эффект емкости, создаваемый телом игрока рядом с антеннами, влияет на генерируемую частоту, так же как человек, перемещающийся по комнате, может влиять на качество приема радио или телевидения. Эта характеристика находит хорошее применение в терменвоксе, а комбинация двух рук, одна из которых регулирует громкость, а другая — высоту ноты, создает необычные звуковые эффекты.

Терменвокс с одним осциллятором — это монодический инструмент . Его тембр, который нельзя изменить, напоминает человеческий голос или музыкальную пилу .

История

Леон Терменвокс.

Терменвокс, один из первых изобретенных инструментов, Музей Глинки , Москва

Изобретение Леона Терменовича следует за русской революцией 1917 года . Получив возможность убедительно продемонстрировать Ленину , его орудие сразу же было продвинуто новой властью. Ленин брал уроки терменвокса и заказал 600 экземпляров для распространения по всему СССР . Вдобавок Термен был отправлен в мировое турне, как посол новых советских технологий.

Успех был встречен в Европе , а затем в США , где инженер поселилась и получила американский патент , тем28 февраля 1928 г.. Он передал права на производство инструмента фирме RCA . Это не имело большого коммерческого успеха, но Термен продолжил свои исследования и изобрел новые инструменты:

• rhythmicon , первый ритм — машина  ;
• terpsitone , звуковой генератор управляется перемещением танцоров , которые , чья антенна была скрыта под танцполем использовали тот же принцип, что и терменвокс , но;
• клавиатуры терменвокс  ;
• терменвокс виолончель .

В году Терменвокс внезапно вернулся в Советский Союз . В то время причины его возвращения были неясны; одни утверждали, что он просто тосковал по дому , другие считали, что его похитили советские агенты. Берил Кэмпбелл, одна из танцовщиц терменвокса, сказала, что его жена Лавиния «позвонила, чтобы сказать, что его похитили из ее студии», и что «приехали какие-то русские», и она чувствовала, что его собираются привезти за пределы страны .

Спустя несколько лет стало известно, что Термен вернулся на родину из-за налоговых и финансовых проблем в США. Однако, как сообщается, Термен сказал Булату Галееву (физику, художнику и музыковеду), что он решил уйти, потому что он беспокоился о надвигающейся войне. Вскоре после возвращения в Ленинград он был заключен в Бутырскую тюрьму в Москве , а затем депортирован на восемь лет на золотые прииски Колымы под предлогом того, что спланировал с группой астрономов убийство Сергея Кирова во время запланированного им убийства. посещение Полковской обсерватории .

Хотя слухи о его казни были широко распространены, Термен оставался в трудовом лагере только в течение года, а затем зимой 1940 года был переведен в Омск в чарашке (лаборатория, контролируемая тайной полицией в системе лагерей ГУЛАГ ). вместе с Андреем Туполевым , Сергеем Королевым и другими учеными и инженерами. Его заставили работать над другими предметами исследования в области электроники, такими как шпионские устройства или глушители связи: Леон Термен изобрел систему прослушивания Буран (предшественник лазерного шпионского микрофона), используя на расстоянии маломощный инфракрасный луч для обнаружения звуковые колебания в оконном стекле. Берия , глава секретной полицейской организации НКВД (предшественник КГБ ), будет использовать устройство « Буран», чтобы шпионить за европейскими и американскими посольствами ( The Thing ) в Москве. В году Леон Термен получит Сталинскую премию за свое изобретение и эту передовую технологию советского шпионажа и будет реабилитирован в 1956 году .

С 1961 года Роберт Муг создал транзисторную версию терменвокса, многие из которых были проданы и продолжают находить покупателей. Бренд Moog продолжает совершенствовать и производить терменвоксы, в частности, с выпуском Claravox Centennial в конце 2020 — начале 2021 года, представленного французским терменвоксом Грегуаром Бланом .

Основные сведения

Терменвокс (англ. theremin или thereminvox) — электронный музыкальный инструмент, созданный в 1919 русским изобретателем Львом Сергеевичем Терменом.

Игра на терменвоксе заключается в изменении музыкантом расстояния от его рук до антенн инструмента, за счет чего изменяется емкость колебательного контура, и, как следствие, частота звука. Вертикальная прямая антенна отвечает за тон звука, горизонтальная подковообразная — за его громкость.

Для игры на терменвоксе необходимо обладать практически идеальным слухом, так как во время игры музыкант не касается инструмента и, поэтому, может фиксировать положение рук относительно него, полагаясь только на свой слух.

Терменвокс предназначен для исполнения любых музыкальных произведений в профессиональной и самодеятельной музыкальной практике, а также для создания различных звуковых эффектов (пение птиц, свист и др.), которые могут найти применение при озвучивании кинофильмов, в театральных постановках, цирковых программах.

Сам Лев Термен считал, что самое удачное произведение для демонстрации возможностей терменвокса — «Вокализ» С.Рахманинова.

Существует несколько разновидностей терменвокса, различающихся конструкцией.

В настоящее время существуют как серийные так и мастеровые терменвоксы, а также существуют школы игры на нём.

Приложения

Библиография

• (en) Альберт Винсет Глински и Анн-Арбор, Терменвокс в возникновении электронной музыки , изд. UMI, 1992.
• (ru) Альберт Глински, Терменвокс: эфирная музыка и шпионаж , Урбана, Иллинойс, University of Illinois Press, 2000, ( ISBN  0-252-02582-2 ) .
• (ru) Марк Бренд, Странные звуки: необычные инструменты и звуковые эксперименты в поп-музыке , Сан-Франциско, Backbeat, 2005 г. ( ISBN   ) .
• (en) Каролина Эйк, Искусство игры на терменвоксе , Берлин, SERVI Verlag, 2006 г. ( ISBN  3-933757-08-8 ) .
• (en) Т.Дж. Пинч и Фрэнк Трокко, Аналоговые дни: изобретение и влияние синтезатора Moog , Издательство Гарвардского университета, 2009 г. ( ISBN  978-0-674-04216-2 ) .
• Корали Эхингер и Джимми Вирани, Руководство по инициированию терменвокса , Éditions des Sentiers, 2012 г. (второе издание, исправленное и исправленное в 2014 г.), переведено на английский и японский языки.

Обратите внимание

• В данной схеме мы используем резистор нового номинала, посмотрите , чтобы найти резистор на 10 кОм или воспользуйтесь мультиметром
• Полярность фоторезистора, как и обычного резистора, не играет роли. Его можно устанавливать любой стороной

• В данном упражнении мы собираем простой вариант схемы включения пьезодинамика

• Полярность пьезопищалки роли не играет: вы можете подключать любую из ее ножек к земле, любую к порту микроконтроллера
• На Arduino Uno использование функции мешает использованию ШИМ на 3-м и 11-м портах. Зато можно подключить ее к одному из них
• Вспомните как устроен делитель напряжения: фоторезистор помещается в позицию R2 — между аналоговым входом и землей. Так мы получаем резистивный фотосенсор.

Примеры мелодий для зуммера

Для того, чтобы разнообразить работу с новым проектом, добавить в него «развлекательный» элемент, пользователи придумали задавать определённый набор частот звука, делая его созвучным некоторым знаменитым композициям из песен и кинофильмов. Разнообразные скетчи для таких мелодий можно найти в интернете. Приведем пример мелодии для пьезопищалки для одного из самых узнаваемых треков «nokia tune»из ставших легендарными мобильников Nokia. Файл pitches.h можно сделать самим, скопировав его содержимое так, как указано в этой статье на официальном сайте.

Скетч

При написании собственных мелодий пригодится знание частот нот и длительностей интервалов, используемых в стандартной нотной записи.

Частота нот для пищалки Ардуино

Подключения зуммера к Arduino

Подключение модуля пьезоэлемента к Ардуино выглядит достаточно простым. Потребляемый ток маленький, поэтому можно просто напрямую соединить с нужным пином.

Подключение пищалки к Ардуино (порт 12)

Электрическая схема подключения пьезоэлемента без сопровождающих модулей выглядит следующим образом.

Схема подключения зуммера

На некоторых вариантах корпусов зуммера можно найти отверстие для фиксации платы при помощи винта.

Зуммер arduino имеет два выхода

Следует обратить внимание на их полярность. Темный провод должен быть подключен к «земле», красный – к цифровому пину с PWM

Один вывод настраивается в программе как «вход». Arduino отслеживает колебания напряжения на выводе, на который подаётся напряжение с кнопки, резистора и датчиков.

Пищалка Арудино с названиями контактов

Напряжение на «вход» подается различное по значениям, система четко фиксирует только два состояния – вышеупомянутые 1 и 0 (логические ноль и единица). К логической единице будет относиться напряжение 2,3-5 В. Режим «выход» – это когда Arduino подает на вывод логический ноль/единицу. Если брать режим логического нуля, тут величина напряжения настолько мала, что ее не хватает для зажигания светодиода.

Схема подключения пищалки к Ардуино

Обратите внимание, что входы довольно чувствительны к внешним помехам разного рода, поэтому ножку пьезопищалки через резистор следует подключать к выводу. Это даст высокий уровень напряжения на ножке