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 >>

Бесконтактное управление громкостью в терменвоксе

Л. Королев. Журнал: «Схемотехника», №07, 2004 год, стр. 40-43

В статье рассмотрено возможное функциональное построение канала бесконтактного управления громкостью звука в терменвоксе, приведены два варианта схемотехнического решения и рассказано о том, какие изменения следует внести в инструмент, описанный в нашем журнале, чтобы получить универсальный терменвокс для обеих исполнительских школ игры.

О бесконтактном управлении высотой звука в терменвоксе много говорилось на страницах отечественной печати. Неудивительно – этот способ управления объединяет обе исполнительские школы игры [1] и является одним из главных признаков терменвокса как электромузыкального инструмента, независимо от того, каким способом производится управление громкостью звука в нем – не прикасаясь к инструменту или с помощью ножной педали. Напомним, что управление громкостью звука в исполнительской школе игры “неприкасаемым способом” производится движениями левой руки исполнителя в пространстве над антенной, конструктивно выполненной, например, в виде полукольца из металлической трубки. Таким образом, наряду с пространственным грифом управления высотой звука здесь существует и второй пространственный гриф – гриф управления громкостью звука. О конкретных технических решениях канала управления громкостью звука в литературе не сказано ни слова. Цель нашей статьи – ликвидировать этот пробел и рассказать читателю о возможных схемотехнических и конструктивных решениях канала управления громкостью, о том, какие изменения следует внести в инструмент для игры исполнителя в положении сидя [1], чтобы получить универсальный терменвокс для обеих исполнительских школ игры.

Один из вариантов схемотехнического решения указанной задачи основан на использовании эффекта изменения коэффициента передачи колебательного контура при его расстройке относительно фиксированной частоты генератора. Функциональная схема канала управления громкостью показана на рис. 1.


Рис. 1. Функциональная схема канала управления громкостью

Генератор Г настроен на фиксированную частоту выше частоты опорного генератора терменвокса не менее чем на 20 кГц во избежание возникновения их взаимного влияния и появления интерференционных помех. Выходное напряжение генератора подается на колебательный контур К, в цепь которого включена также антенна управления громкостью АГ. Переменная емкость левая рука – антенна расстраивает указанный контур. Напряжение с контура детектируется амплитудным детектором АД, отфильтровывается и через согласующую цепь СЦ подается на переключатель исполнительских школ игры ПШ, на который поступает также управляющее напряжение с пульта управления инструментом ПУ. Выбранное управляющее напряжение, соответствующее той или иной школе игры, подается на манипулятор М инструмента, а затем через выключатель звука ВЗ на усилитель мощности звуковой частоты УМЗЧ. Выключатель звука является принципиально необходимым узлом инструмента. Это орган высокой оперативности. Он включает звук непосредственно перед исполнением музыки и выключает его после окончания пьесы, либо при отходе исполнителя от инструмента. Установка максимальной длины грифа, соответствующей определенному уровню громкости, производится по генератору ИГГ.

В качественном виде управление громкостью можно представить в виде параллельно идущих процессов:

  • изменение расстояния рука – антенна громкости;
  • изменение электрической емкости рука – антенна;
  • смещение настройки контура относительно фиксированной частоты;
  • изменение напряжения на контуре в такт с движениями руки;
  • формирование управляющего напряжения на манипулятор;
  • формирование напряжения звуковой частоты, определяющего громкость звука.

Таким образом, в формировании громкости звука (в нашем случае – уровня напряжения звуковой частоты на выходе инструмента) участвуют три функциональные зависимости. Первая характеристика – зависимость электрической емкости левая рука – антенна от расстояния руки до антенны является нелинейной. Она определяется конфигурацией общего электрического поля рука – антенна, тело исполнителя – корпус инструмента, которая зависит от размеров кисти руки музыканта, ее формы при исполнении музыки, размеров и конфигурации антенны, расстояния корпус инструмента – корпус исполнителя. Из всего перечисленного ясно, что точной аналитической зависимости, пригодной для практических расчетов, от расстояния рука – антенна не существует.

Вторая характеристика – зависимость напряжения с выхода амплитудного детектора от емкости рука– антенна, введенной в расстроенный контур. Эта характеристика также нелинейна, т. к. емкость входит в формулу расчета частоты контура под знаком радикала. Третья характеристика – манипуляционная – зависимость выходного напряжения звуковой частоты манипулятора от управляющего напряжения. Эта характеристика в большинстве случаев практического выполнения манипулятора имеет смешанный характер – явно выраженный участок отсечки, после которого следует сравнительно короткий нелинейный участок, переходящий в основной линейный участок, далее следует верхний загиб характеристики, определяемый насыщением управляющих элементов. Конкретная амплитудная характеристика манипулятора определяется его схемотехническим выполнением и возможным разбросом номиналов.

Какой бы формой ни обладали указанные характеристики, они должны быть сопряжены друг с другом так, чтобы общая характеристика управления обеспечивала плавное изменение громкости во всем диапазоне регулирования – от полного отсутствия звука, когда левая рука находится на минимальном расстоянии от антенны (вплоть до касания ее), до максимальной, когда рука поднята над антенной на расстояние, например, около 40 см.

Человеческий слух устроен так, что с изменением звукового давления (напряжения звуковой частоты на выходе манипулятора) субъективное ощущение громкости изменяется пропорционально не звуковому давлению, а его логарифму. Следовательно, для получения впечатления линейного нарастания или спадания громкости общая характеристика управления должна иметь антилогарифмический характер, как это имеет место, например, в звукоусилительной аппаратуре, где регулировка громкости осуществляется переменными резисторами с функциональной зависимостью “В”. На том, какой наиболее приемлемой формой должна обладать общая характеристика управления громкостью в терменвоксе, мы остановимся позже. Вначале рассмотрим два возможных варианта схемотехнического выполнения канала управления громкостью, не включая сюда манипулятор.

Принципиальная схема узла формирования напряжения управления громкостью приведена на рис. 2. Кварцевый генератор на транзисторе VT1 особенностей не имеет. Высокая нагрузочная способность генератора и гарантированная кварцевым резонатором стабильность частоты позволяют включить последовательный контур непосредственно в эмиттерную цепь VT1 без применения буферного каскада. Антенный контур включает в себя катушку L1 целый ряднеобходимых и паразитных емкостей, в число которых входит и рабочая емкость рука – антенна. В данном варианте звукоуправления антенный контур всегда настроен ниже частоты генератора, т. е. формирование управляющего напряжения происходит с использованием правой ветви резонансной характеристики контура. Цепь VD1VD2R3 непринципиальна для работы устройства, она снимает случайные заряды от статического электричества на антенне, а также служит разрядником электрических зарядов, накопившихся на теле музыканта.


Рис. 2. Принципиальная схема узла формирования напряжения

Напряжение с катушки связи L2 детектируется амплитудным детектором VD5C6R6. Встречно включенные стабилитроны VD3VD4 используются в качестве варикапов. Они обладают большей начальной емкостью, чем обычные варикапы [2]. Изменение напряжения смещения стабилитронов производится переменным резистором R5 – органом повышенной оперативности, выведенным на панель управления инструментом. При увеличении смещения результирующая емкость стабилитронов уменьшается, расстройка антенного контура относительно частоты генератора уменьшается, и в итоге громкость звука увеличивается, достигая максимума при управляющем напряжении +9 В и при высоко поднятой над антенной левой рукой музыканта. Следует отметить, что при этой регулировке несколько изменяется и структура самого пространственного грифа управления громкостью, т. к. изменяется характер сопряжения амплитудных характеристик узлов их формирования. В полностью настроенном инструменте с помощью вышеуказанного органа производится окончательная установка максимальной длины грифа громкости.

Управляющее напряжение через согласующий каскад VT2 и тумблер выбора исполнительских школ игры SA1 поступает непосредственно на манипулятор инструмента. В нижнем по схеме положении тумблера (школа игры Ковальского) управляющее напряжение на манипулятор поступает с пульта управления, а описанное устройство выключается.

Подстройка длины грифа громкости перед игрой производится переменным резистором R5 по началу свечения светодиода HL1.

Узел формирования напряжения управления громкостью собран на печатной плате размерами 70×40 мм, а индикатор длины грифа громкости – на плате с навесным монтажом размерами 25×20 мм. Первая плата устанавливается на свободное место в нижнем левом углу конструкции, описанной в [1]. Плата индикатора и резистор R5 располагаются на задней стенке инструмента, обращенной к исполнителю. Катушки L1, L2 наматывают на трехсекционном каркасе из фторопласта. Внешний диаметр каркаса – 18 мм, внутренний – 9 мм, ширина секций – 3,5 мм, толщина перегородок – 1 мм, в них пропиливают пазы для прохода провода. Катушка L2 наматывается первой в секции, обращенной к плате, и содержит 300 витков провода ПЭВ-2 0,07 мм, далее обмотка изолируется тремя слоями тонкой (0,02…0,03 мм) фторопластовой ленты (например, из негодных конденсаторов типа ФТ), поверх которой в том же направлении наматывается первая секция катушки L1, содержащая 1000 витков провода ПЭВ-2 0,07 мм. Вторая и третья секции содержат по 1200 витков того же провода. Указанные катушки являются важной деталью антенного контура, на их изготовление следует обратить особое внимание. Подробные рекомендации приведены в [1].

В качестве антенной клеммы в простейшем случае могут быть использованы два гнезда типа ГИ-4, расположенные на левой боковой части корпуса инструмента на уровне приблизительно 15 мм от его дна. Антенна изготавливается из тонкостенной (для уменьшения веса) алюминиевой трубки диаметром 7…9 мм. В торцы трубки на тугой посадке вставляют разрезные вилки диаметром 4 мм. Следует обратить особое внимание на надежность электрического и механического контактов. Основные размеры антенны и место ее установки на инструменте показаны на рис. 3 на виде сверху.


Рис. 3. Антенна терменвокса

На этом рисунке 1 – корпус инструмента, 2 – антенна громкости, 3 – клемма для антенны высоты звука, 4 – возможная вторая клемма для антенны высоты звука. Для минимизации прямого влияния левой руки на высоту звука при управлении громкостью расстояние между крайними точками двух антенн лучше увеличить (не менее 600 мм) добавив вторую антенную клемму для антенны высоты звука (поз. 4 на рис. 3).

Конденсаторы С2, СЗ, С6 должны быть с ТКЕ не хуже М750. Кварцевый резонатор – на любую частоту вплоть до 146 кГц, важно, чтобы она была выше частоты опорного генератора не менее, чем на 20 кГц. Если приобрести кварцевый резонатор не удастся, может быть применен обычный LC-генератор, схема которого показана на рис. 4.


Рис. 4. LC-генератор

Генератор собран по схеме индуктивной трехточки. Резистором R3 устанавливается оптимальный режим генерации. Для устранения влияния изменения реактивного сопротивления антенного контура на частоту генератора при его перестройке применен эмиттерный повторитель VT2, в цепь эмиттера которого и подключен антенный контур. Катушка L1 содержит 630 витков провода ПЭВ-2 0,09 мм с отводом от 570 витка относительно верхнего по схеме вывода. Сердечник – СБ-1а. В крайнем случае, можно применить и ферритовый броневой сердечник, но обязательно с внутренним зазором, число витков при этом будет другим. Расстояние между катушкой L1 катушкой антенного контура должно быть не менее 30 мм.

Предварительную настройку формирователя управляющего напряжения начинают до установки платы в корпус инструмента. К верхнему выводу катушки L1 (рис. 2) подпаивают конденсатор емкостью 12 пФ (приблизительный эквивалент емкости антенны, ее клеммы и соединительного провода) с рабочим напряжением не менее 150 В. Переменный резистор R5 устанавливают в среднее положение. Размах переменного напряжения на эмиттере транзистора VT1 должен быть приблизительно 8 В, форма кривой – искаженная синусоида. Подбором резистора R1 и конденсатора СЗ следует добиться равенства полупериодов этого напряжения при сохранении устойчивости генерации.

Антенный контур настраивают по максимуму выпрямленного напряжения на эмиттере транзистора VT2. Указанное напряжение полезно контролировать на базе транзистора VT2 с помощью вольтметра с высоким входным сопротивлением. Наступление резонанса хорошо заметно по появлению небольшого мениска на осциллограмме переменного напряжения на эмиттере транзистора VT1. Максимальное выпрямленное напряжение в сильной степени зависит от степени связи катушек L1 и L2, которая определяется положением подстроечного сердечника по отношению к катушке L1. При введении сердечника со стороны платы и резонансе напряжение на катушке L2 (а, следовательно, и выпрямленное напряжение) будет заметно больше, чем при обратном введении сердечника. Кроме того, выходное напряжение зависит и от длины, диаметра и магнитной проницаемости сердечника. Следует добиться того, чтобы при резонансе напряжение на базе транзистора VT2 составляло около 10 В.

Настройку генератора по схеме на рис. 4 начинают с установки режима генерации. Подбором резистора R3 добиваются небольшого ограничения положительного полупериода осциллограммы на истоке транзистора VT1. Размах переменного напряжения приблизительно равен 12 В. После этого осциллограф или частотомер подключают к базе транзистора VT2 и устанавливают частоту генератора 128 кГц. Затем подбором резистора R4 устанавливают размах напряжения на эмиттере транзистора VT2 8 В (антенный контур при этих измерениях должен быть расстроен относительно частоты генератора). Остальная часть настройки аналогична вышеописанной.

Выключатель звука замыкает на общий провод цепь сигнала звуковой частоты, поступающего на выходной основного блока ЭМИ. При игре “неприкасаемым способом” с использованием внутреннего УНЧ в выходной разъем инструмента для подключения педали громкости следует вставить ответный разъем с соответствующей перемычкой. Остальная часть оперативно-коммутационной схемы ясна из вышеизложенного. Выключатель звука устанавливают на задней стенке инструмента в удобном для исполнителя месте. Подходящий к нему провод с сигналом звуковой частоты должен быть экранированным. В качестве включателя звука может быть использован любой переключатель с очень малым механическим усилием срабатывания и без щелчков при переключении. Тумблер переключения исполнительских школ игры – орган невысокой оперативности. Он может быть размещен, например, рядом с разъемом для подключения педали, а над ним удобно разместить резистор R5 (рис. 2). На заднюю стенку целесообразно также ввести контрольные гнезда для возможного измерения напряжения питания и управляющего напряжения на манипулятор. Между платами формирования управляющего напряжения и генераторного блока следует поставить электростатический экран из белой жести или листовой латуни.

Заключительным этапом настройки инструмента является сопряжение переходных характеристик звеньев управления с целью получения приемлемой для игры структуры пространственного грифа.

Если для звуковысотного грифа существует его количественный критерий, то для пространственного грифа управления громкостью такого критерия нет. К настоящему времени еще не накоплен материал исполнительского плана, который мог бы лечь в основу канонизации структуры пространственного грифа управления громкостью в терменвоксе. Поэтому о приемлемой структуре грифа громкости можно говорить лишь с точки зрения качественных позиций. Игра “неприкасаемым способом” обязательно содержит элементы артистизма, выраженные в пластике левой руки при управлении громкостью (вспомните бессмертный балетный образ Лебедя Сен-Санса). Однако движения левой руки ограничены снизу (область тихих звуков) антенной, сверху (область наибольшей громкости) определенными эстетическими нормами и главное – практически полной потерей управления громкостью вследствие очень малых изменений электрической емкости рука–антенна при большом удалении руки от антенны. Отсюда следует, что пластика левой руки и, в первую очередь, ее ладони и пальцев наиболее полно может быть применена при высоко поднятой над антенной рукой, а избыток громкости может сниматься приближением предплечья руки к антенне. Таким образом, характеристика управления при приближении к области больших громкостей становится все более пологой – все более отклоняется от обратнологарифмической.

Разделение звуков или игра стаккато (отрывистое исполнение музыкального звука или звуков) производится резким движением пальцев левой руки (и частично ладони) по направлению к антенне и обратно. За это время происходит короткий провал громкости звука и возвращение ее к обычному уровню. За это же время правая рука исполнителя (или ее пальцы) должна успеть перейти на другую ноту – таким образом эффект крайне нежелательного глиссандирования становится малозаметным.

Из вышеизложенного следует, что качественное разделение звуков на большой громкости исполнения чрезвычайно затруднено. Конечным компромиссным вариантом здесь, по-видимому, будет ограничение исполняемого репертуара, либо игра на пониженной громкости с определенным ограничением пластики левой руки. Обсуждение дальнейших тонкостей школы игры “неприкасаемым способом” уже выходит за рамки настоящей статьи.

Вернемся к настройке инструмента. Резистор R5 (рис. 2) устанавливают в среднее положение, тумблер SA1 – в положение “ШТ”. Антенный контур настраивают в резонанс на частоту генератора при руке, поднятой на высоту около 30 см над антенной. Вытянутая ладонь руки при этом параллельна плоскости антенны, а вблизи нее не должно быть посторонних предметов. Измеряют максимальное напряжение на эмиттере транзистора VT2. Затем расстраивают антенный контур в сторону понижения его резонансной частоты относительно частоты генератора до получения напряжения на эмиттере VT2, равного 0,8 от максимального при том же расстоянии руки от антенны. Подстроечным резистором R7 устанавливают управляющее напряжение на манипуляторе, соответствующее рабочей точке установленной ранее для школы игры сидя. После этого проверяют весь диапазон регулирования громкости. Звук должен исчезать на расстоянии ладони руки от антенны 2…3 см. По мере подъема руки громкость звука должна плавно возрастать до расстояния приблизительно 25 см, после чего крутизна нарастания громкости должна прогрессивно уменьшаться вплоть до практически полного прекращения регулировки на расстояниях более 30 см.

Если минимальное расстояние, соответствующее отсечке звука, превышает указанное выше, следует регулировкой резистора R5 увеличить расстройку антенного контура, а дефицит громкости восстановить регулировкой резистора R7. Эту операцию повторяют несколько раз до получения приемлемой структуры пространственного грифа. Запас по регулировке пределов расстройки антенного контура (резистор R5) осуществляется подстройкой его индуктивности.

В заключение подбором типа стабилитрона (либо отдельного экземпляра) VD6 и резистора R9 (рис. 2) добиваются начала свечения светодиода HL1, соответствующего максимальной длине грифа громкости.

Лев Королев,
editor@dian.ru

Литература:

  1. Л. Королев. Простой терменвокс. – Схемотехника, 2003, № 12, с. 28–30, 2004, № 1, с. 35, 36.
  2. П. В. Новицкий, В. Г. Кнорринг, В. С. Гутников. Цифровые приборы с частотными датчиками. – Л., Энергия, 1970.