Терменвокс по-русски

Мы постоянно добавляем новые материалы на сайт и мы постоянно нуждаемся в вашей помощи.

Пожалуйста, помогите нам с переводом материалов на русский язык.

Переведите пару абзацев >>

Формантный способ темброобразования в терменвоксе

Л. Королев. Журнал: «Радио», №4, 2007 год, стр. 48-51

В этой статье известный автор ряда практических конструкций отечественного терменвокса – электромузыкального инструмента, изобретенного в начале прошлого века русским инженером Л. Терменом, – рассказывает о некоторых проблемах темброобразования.

Как известно, существуют два основных способа формирования тембров в электромузыкальных инструментах – гармонический и формантный. Гармонический способ характерен постоянством амплитудного спектра звуковых колебаний в музыкальном диапазоне. Будучи традиционным для терменвокса, этот способ находит применение до сих пор, хотя и определяет сравнительно небольшую группу голосовых тембров, напоминающих пение человека с закрытым ртом.

Формантному способу присуще усиление обертонов в относительно узких частотных полосах, называемых формантами. Классические музыкальные инструменты формантами обязаны своей конструкции, содержащей набор резонаторов с определенными значениями частоты. В электромузыкальных инструментах (ЭМИ) форманты создают искусственно, с помощью электрических контуров (формантных фильтров), возбуждаемых периодической последовательностью импульсов напряжения определенной формы с развитым спектральным составом. Очевидно, что только формантный способ темброобразования может обеспечить ЭМИ высококачественную имитацию звучания классических инструментов.

Мастер выразительной игры на терменвоксе К. Ковальский, отдавая должное голосовым тембрам терменвокса как традиционным, в то же время считал необходимым введение в ЭМИ определенного ассортимента инструментальных тембров. Не требуя точного копирования тембров, он указывал лишь на обязательность подчеркивания характерности звучания инструментов.

Впервые формантный способ темброобразования в терменвоксе был применен в начале семидесятых годов прошлого века [1]. Тогда "прописку" в набор тембров получили представители основных групп инструментов симфонического оркестра с возможностью реализации таких важных музыкальных исполнительских приемов, как вибрато, пиццикато, трель, стаккато [2], органически свойственных школе игры на терменвоксе Ковальского.

Наиболее полное развитие формантный способ получил в [3], где наряду с традиционными голосовыми тембрами введены и инструментальные, передающие звучание скрипки, виолончели, гобоя, трубы и валторны. Этот инструмент находит применение и в настоящее время при обучении школьников игре на терменвоксе в московской школе № 1159.

Поставленная выше задача формирования инструментальных тембров в терменвоксе при максимальной простоте схемотехнического решения и приемлемых пределов их "живучести" решена путем тщательного формирования импульсов, возбуждающих формантные цепи, и применения для каждого тембра одноконтурной формантной цепи пониженной добротности. Так, для формирования тембра валторны наиболее подходят импульсы прямоугольной формы со скважностью 4…5. Соответствующий фильтр должен иметь выраженную форманту в области 350…400 Гц. Для гобоя и трубы оптимальное возбуждающее напряжение должно иметь форму экспоненциальных импульсов длительностью 0,1…0,2мс и форманты в области

1200…1500 Гц и 2000…2500 Гц соответственно. Тембрам смычковых инструментов характерно подавление амплитуды гармоник в области 1500 Гц, а приемлемая форма импульсов возбуждения – прямоугольные короткие с изменяемой в музыкальном диапазоне длительностью.

Все формантные цепи в [1,3] построены на низкочастотных LC-контурах с ферритовыми магнитопроводами. Однако целый ряд общеизвестных недостатков ферритов, в частности таких, как невозможность обработки сигналов большого уровня и чувствительность к внешним магнитным полям, накладывают существенные ограничения на дальнейшее развитие терменвокса. Попытки конструирования малогабаритных, например, устройств такого рода заставили искать другие технические решения.

Активные же фильтры свободны от указанных и многих других недостатков. Единственный упрек активным фильтрам выражается, пожалуй, в повышенной сложности настройки, поскольку они состоят из сравнительно большого числа деталей, влияющих на выходные параметры фильтра. Однако при современной оснащенности радиолюбителя приборами этот недостаток не столь существенен.


Рис. 1. Принципиальная схема устройства формирования пяти тембров.

На рис. 1 показана принципиальная схема устройства формирования пяти тембров, соответствующих звучанию смычковых, флейты, гобоя, трубы и валторны. Импульсные преобразователи, собранные на ОУ DA1, таймере DA2 и транзисторах VT1–VT3, вырабатывают три последовательности – прямоугольных импульсов с варьируемой длительностью для возбуждения формантной цепи смычковых, состоящей из элементов R23–R28, С7, С13–С16, экспоненциальных импульсов для возбуждения формантных цепей флейты

R29–R31, С17, С18, гобоя R32–R38, С19–С22, VT4, трубы R39–R45, С23– С26, VT5 и прямоугольных импульсов со скважностью 4…5 для возбуждения формантной цепи валторны R46–R52, С27–С30, VT6.

Устройство может быть применено для работы в составе инструмента, описанного в [2]. Большое входное сопротивление (около 30 кОм) позволяет подключить импульсные преобразователи непосредственно к выходу фильтра детектора биений терменвокса. Соединять формирователь с терменвоксом следует экранированным кабелем. Операционный усилитель DA1 включен по схеме триггера Шмитта с однополярным питанием. Искусственную нулевую точку создают резисторы R4, R5.

Последовательный фильтр L1C2 дополнительно подавляет составляющие входного напряжения с собственной частотой генераторов терменвокса. Эти составляющие вызывают крайне нежелательные интерференционные помехи в виде "шорохов" и "щебетания", сопровождающие звучание. На таймере DA2 выполнен одновибратор. Его запускают минусовые перепады напряжения с выхода триггера Шмитта. Одновибратор формирует положительные импульсы с автоматически изменяющейся в музыкальном диапазоне длительностью – по мере повышения высоты звука длительность импульсов прогрессивно уменьшается.


Рис. 2. Оптимальная зависимость длительности импульсов от высоты звука.

Прямоугольные импульсы с выхода триггера Шмитта, близкие по форме к "меандру", дифференцирует цепь R17C10. Частотный детектор на транзисторе VT2 реагирует на положительные дифференцированные импульсы и вырабатывает напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна частоте (высоте тона). Цепь R20C12 сглаживает до необходимой степени пульсации этого напряжения. Транзистор VT3, подключенный к внутреннему образцовому делителю напряжения таймера DA2, – управляющий. По мере увеличения положительного напряжения на базе транзистора его проводимость увеличивается, напряжение на выводе 5 таймера уменьшается и длительность импульсов на выходе таймера в соответствии с режимом его работы сокращается. Оптимальная зависимость длительности импульсов от высоты звука представлена на рис. 2.

Диод VD1 выделяет положительные экспоненциальные импульсы, которые затем поступают на формантные цепи трубы, гобоя и флейты. Усилитель-ограничитель VT1 формирует последовательность прямоугольных импульсов, возбуждающих формантную цепь валторны.

Формантный фильтр смычковых выполнен на двойном Т-мосте и имеет минимум коэффициента передачи на частоте 1500 Гц. Пассивная цепь флейты не имеет резонансов и выполняет функции сглаживания экспоненциальных импульсов. Формантные фильтры гобоя, трубы и валторны выполнены по одинаковой схеме полосового активного RC-фильтра. Режим работы транзистора, например VT4, определен сопротивлением резистора R35, а коэффициент передачи и добротность фильтра – соответственно резисторов R32 и R36. К выходу фильтра подключен частотозависимый делитель напряжения R37R38C22, с помощью которого устанавливают требуемый размах выходного напряжения и желаемую мягкость тембра.

Выходные сигналы с формантных контуров подают на переключатель выбора тембров (на схеме он не показан), куда поступают также и сигналы голосовых тембров терменвокса. Этот переключатель должен иметь еще два независимых направления для переключения элементов формирования атаки и затухания, поскольку их значения для каждого тембра различны.

В устройстве можно использовать постоянные резисторы С2-23, С2-33, МЛТ. Резисторы R4, R5 должны иметь допуск по сопротивлению не хуже ±5 %; их следует подобрать по возможности одинаковыми. Подстроечные резисторы – СП3-19а, СП3-38а, РП1-63М. Конденсаторы С5, С10, С11, а также в формантных фильтрах (кроме С17, С21, С25, С29) с ТКЕ не хуже М1500. Остальные – малогабаритные любого типа. Налаживание формантных фильтров существенно упростится, если элементы С13 и С15, R24 и R25, С19 и С20, С23 и С24, С27 и С28 подобрать попарно с точностью не хуже ±3 %.

Помимо указанного на схеме, можно применять другие ОУ, но обязательно с большим входным сопротивлением. Таймер КР006ВИ1 заменим его зарубежным аналогом NE555. Вместо КТ201БМ подойдет любой кремниевый транзистор с максимально допустимым напряжением эмиттер–база и коллектор- база не менее 10 В. Рекомендуемый коэффициент передачи тока базы транзисторов VT4–VT6 – 180…200. Дроссель L1 – серийный, КИГ0,1-10000 мкГн, но может быть применен и самодельный индуктивностью 5…10 мГн.


Рис. 3. Печатная плата импульсных преобразователей.

Импульсные преобразователи и формантные цепи смонтированы на двух печатных платах из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертежи плат показаны на рис. 3 и 4 соответственно. Поскольку размеры дросселя и его конструкция могут быть различными, контур L1C2 вынесен за пределы платы. На места микросхем в плату впаяны панели, в которые устанавливают микросхемы.


Рис. 4. Печатная плата форматных цепей.

Предварительное налаживание устройства формирования тембров начинают до установки плат в инструмент. Потребуются осциллограф и генератор ЗЧ. Для наблюдения за динамикой автоматического уменьшения длительности импульсов лучше использовать генератор, перестраиваемый переменным конденсатором как обеспечивающим плавное изменение частоты без амплитудных и частотных скачков выходного напряжения.

Платы соединяют между собой согласно принципиальной схеме рис. 1. На вход подают напряжение частотой 30…4500 Гц и размахом около 5 В. На выходе ОУ DA1 должны быть устойчивые прямоугольные импульсы, по форме близкие к "меандру", напряжением 8.. .9,5 В. На коллекторе транзистора VT1 отрицательные прямоугольные импульсы размахом около 11 В и скважностью 4…4,5 должны сохраняться при увеличении входной частоты до 700 Гц. Этого добиваются подборкой резисторов R12, R13.

Длительность положительных импульсов в точке соединения диода VD1 с резистором R16, измеренная по уровню одной трети от их амплитуды, должна быть равной 120…150 мкс, а амплитуда в частотном интервале 60…1000 Гц – около 7 В. Необходимую коррекцию выполняют подборкой резистора R17. Указанные значения не должны существенно изменяться при уменьшении в два раза входного напряжения.

После этого резистор R18 устанавливают в положение минимального сопротивления, a R22 – максимального. На вход подают напряжение размахом около 5 В частотой 130 Гц и резистором R9 устанавливают длительность положительных импульсов на выходе таймера DA2 (вывод 3) равной 800…900 мкс, напряжение импульсов должно быть близким к 10 В. Повышают входную частоту до 170 Гц и вращают ручку резистора R18 до такого положения, при котором начинается сокращение длительности импульсов. При дальнейшем увеличении входной частоты длительность импульса должна плавно, без скачков, уменьшаться до определенного предела.

Далее повышают входную частоту до 2090 Гц и резистором R22 устанавливают длительность импульсов 180…210 мкс. Если это не удается, заменяют транзистор VT3 другим, с большим коэффициентом передачи тока. Проверяют весь интервал перестройки и в конечном счете указанными тремя подстроечными резисторами добиваются зависимости длительности импульсов от частоты, наиболее близкой к оптимальной, показанной на рис. 2. Одновибратор следует отрегулировать так, чтобы он устойчиво работал при повышении входной частоты до 4,4…5 кГц.

Основные операции по настройке формантных контуров выполняют также до установки платы в инструмент. На вход формантной цепи смычковых подают сигнал с генератора частотой 220…300 Гц с такой амплитудой, чтобы на выходе цепи (на конденсаторе С16) было напряжение размахом около 1 В. Подборкой резистора R26 (в первую очередь) и конденсатора С14 добиваются минимума выходного напряжения на частоте 1500 Гц. Выходное напряжение на частоте 220…300 Гц не должно измениться более чем на 5 %.

Настройку активного фильтра рассмотрим на примере цепи гобоя. Сначала подборкой резистора R35 устанавливают постоянное напряжение на коллекторе транзистора VT4, равное половине напряжения источника питания. Затем на вход фильтра подают напряжение с генератора и, контролируя напряжение на выходе, подборкой резистора R33 (а возможно, и конденсатора С20) настраивают фильтр на частоту 1300 Гц. Снимают частотную характеристику и вычисляют добротность как отношение резонансной частоты к полосе пропускания, измеренной по уровню 0,7 от максимума. Добротность должна быть равной 1,6. Аналогичным образом настраивают фильтры трубы (VT5) и валторны (VT6). Резонансная частота для них – 2200 и 400 Гц соответственно, а добротность – около 1,5.

После установки плат в инструмент проверяют параметры импульсов в режиме реального запуска, при этом на вход преобразователей подают напря

жение размахом 5 В с выхода фильтра детектора биений. Скважность импульсов на выходе ОУ DA1, определяемая отношением периода к длительности положительных импульсов, меняется незначительно – от 3,5 на частоте 60 Гц до 2 на частоте 4000 Гц. Корректировку выполняют подборкой резистора R2. Подбирают конденсатор С2 заградительного фильтра L1C2 по минимуму помех, наблюдаемых в виде своеобразной "ряби" на перепадах импульсов на выходе триггера Шмитта в высокочастотной части рабочей полосы.

Манипулируя звук, определяют для каждого тембра значения резисторов формирования атаки и затухания манипулятора [2]. Требуемый размах выходного напряжения формантных контуров устанавливают, подбирая резисторы выходных цепей. Желаемую мягкость тембров устанавливают подборкой конденсаторов на выходе формантных цепей.

В заключение – несколько важных соображений в части практического применения инструментальных тембров в исполнительской школе игры Ковальского.

Гибкая выразительная динамическая линия исполнения, разумеется, вместе с совершенным владением техникой интонирования, возможна только при использовании совершенной ножной педали управления громкостью. Она должна иметь динамический диапазон регулирования не менее 66 дБ, ход платформы 70…80 мм и обеспечивать без малейших акустических и электрических помех быстрые движения платформы.

Сходство со звучанием скрипки повысится, если, например, при исполнении напевных мелодий, при плавном переходе от звука к звуку временами

применять легкое глиссандирование; мягкие атаку и затухание здесь создают с помощью педали.

Хорошее приближение к звучанию трубы легче получить при перкуссионном характере атаки, создаваемом резким нажатием на педаль в такт с нажатием на манипуляционную кнопку; вибрато в начале звука должно отсутствовать и плавно появляться к концу.

Для валторны характерно неглубокое вибрато частотой 2…4 Гц, порой сходящее на еле заметное "качание" высоты звука.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Королев Л. Новые тембры в терменвоксе. – Радио, 1974, № 9, с. 48–50.
  2. Королев Л. Терменвокс. – Радио, 2005, № 8, с. 48–51; № 9, с. 48–51.
  3. Королев Л. Многотембровый концертный электромузыкальный инструмент типа Терменвокс. – Сборник докладов III Всесоюзной научно-техн. конференции "Состояние и перспективы развития ЭМИ в СССР". – г. Житомир, 1976.

Л. КОРОЛЕВ, г. Москва
Редактор – Л. Ломакин,
графика – Л. Ломакин