Терменвокс

Колледж государственного университета Дубна

Преподаватель: Легович С.И.

Музыка для всех без границ

Мы познаем окружающий мир с помощью палитры красок, звуков и своих ощущений. С древних времен музыка и умение играть на музыкальных инструментах считались неотъемлемой частью воспитания всех поколений. Каждый из нас хоть раз испытывал желание сыграть на каком-нибудь музыкальном инструменте, но это, к сожалению, дано не всем. Люди с ограниченными физическими возможностями лишены такой способности из-за ослабленного зрения, нарушений опорно-двигательной системы и т.п. Больно осознавать, что люди не в равных условиях воспринимают всю красоту жизни. Казалось бы, для игры на музыкальном инструменте необходимы ловкость пальцев и зрение, но это не так. Еще в начале XX века наш соотечественник Термен Л.С. создал уникальный электромагнитный инструмент, терменвокс, который покорил своим звучанием европейскую и американскую публику – исполняемые на нём мелодии зарубежная пресса назвала божественно-космической музыкой.

Целями данной работы является создание аналогичного музыкального инструмента для детей школы «Возможность» и всех желающих научиться играть на терменвоксе; а также возможность возродить славу гениального изобретателя, физика-акустика, талантливого музыканта, сына русской земли, - Термена Л.С., который является не только создателем необычного музыкального инструмента, названного его именем, но и ряда других изобретений мирового значения. В 1934 году его фамилия была в списке 25 самых знаменитых людей планеты.

Лев Термен является создателем первого в мире телевизионного устройства и отцом современной электронной музыки, разработчиком первой охранной сигнализации, которая была установлена для охраны Золотого фонда США, в тюрьмах Синг-Синг и Алькатрас.

Рис. 1. В. И. Ленин и Л.С. Термен 1921 год

Вся жизнь Льва Сергеевича Термена необычна и противоречива: стал лауреатом Сталинской премии за разработку подслушивающих систем, после изобретения терменвокса был приглашен в США, встречался с Джоном Рокфеллером, Чарли Чаплином, Альбертом Эйнштейном, Айседорой Дункан, Бернардом Шоу. Молодая советская Россия использовала великого изобретателя, вхожего во влиятельные круги США, в качестве разведчика экономических и политических интересов.

Рис. 2. Подслушивающая система – эндовибратор, размещенный в гербе США

Рис. 3. Лев Сергеевич за работой

Однако, после возвращения на Родину Лев Термен стал жертвой сталинских репрессий – был изначально приговорен к работе на золотых приисках на 8 лет, однако, отправлен в Магадан бригадиром на стройку, за многочисленные рацпредложения был переведен в Туполевское конструкторское бюро, где его ассистентом стал Королев С.П.; среди прочего они занимались разработкой беспилотных летательных аппаратов, управляемых по радио. После реабилитации в 1947 году продолжил трудится над закрытыми проектами в интересах НКВД.

Лев Термен прожил скромную и на удивление малоизвестную жизнь, увековечив свое имя музыкальным инструментом, затмившим в умах общественности даже работу над прорывными и до сих пор актуальными проектами.

Еще в 1920 году, работая у профессора А.Ф. Иоффе в Петроградском Физико-техническом институте, молодой ученый, исследуя влияние изменения емкости конденсатора на частоту электрических колебаний собрал первый в мире бесконтактный электромузыкальный инструмент из корпуса и двух антенн. В устройство входили два генератора, в одном из которых можно менять частоту движением рук возле первой антенны, а движения возле второй антенны управлять амплитудой.

Рис. 4. Термен Л.С. демонстрирует игру на терменвоксе

При встрече с Лениным В.И. в Кремле Термен Л.С. исполнил «Лебедя» К. Сен-Санса на изобретенном инструменте, после чего восхищенный необычной музыкой Ленин сыграл «Жаворонка» М.И. Глинки. Также вождя революции особенно заинтересовало устройство охранной сигнализации, работающее на этом же принципе, так называемый «электронный сторож». Подобные приборы были установлены в Госбанке, Госохране и Эрмитаже. Сам терменвокс был назван в газетах Петрограда «музыкальным трактором, идущим на смену сохе».

В 1926 году Лев Термен продемонстрировал устройство для беспроволочной передачи изображения на расстоянии, т.е. электронный телевизор. Но когда, сидя в кабинете партийцы увидели на экране идущего по двору Сталина, изобретение тут же засекретили и забыли, поэтому изобретателем телевидения стал американец Зворыкин В.К.

Практическая часть работы включает монтаж терменвокса на основе следующих схем, представленных на рис.5 и рис.6, и последующей настройки с использованием одноплатного компьютера Arduino.

Рис.5. Принципиальная схема терменвокса

Рис. 6. Монтажная схема терменвокса

Список деталей включает следующие элементы:

1. плата Arduino Uno - 1 шт.

2. беспаечная макетная плата - 1 шт.

3. пьезопищалка (динамик) - 1 шт.

4. провода «папа-папа» - 6 шт.

5. резистор номиналом 10 кОм - 1 шт.

6. фоторезистор - 1 шт.

После осуществления механической сборки компонентов следует этап написания кода для одноплатного компьютера Arduino Uno.

Код, загружаемый в устройство, отправляет пакеты запросов из главного модуля во второстепенный. Главным модулем является обработчик пакетов запросов Arduino Uno, второстепенным – макетная плата со схемой. Arduino Uno обрабатывает сигнал с помощью своего процессора и обработанный компьютерный код отправляет по своей плате к портам, к которым подключены провода, для передачи аналогового сигнала. Передаваемый сигнал идёт в макетную плату, а макетная плата по контактам распределяет сигнал к определённым гнёздам. Так в нашем случае питания идёт к фоторезистору через резистор номиналом 10 кОм. Дальше сигнал проходя через фоторезистор идёт к динамику, чью роль играет пьезоэлемент.

Ниже представлена последовательность обязательных этапов для обеспечения функционирования изделия.

Первый подготовительный этап заключается в программном назначении имен для таких выводов на микросхеме как пьезопищалка (англ. buzzer) и фоторезистор (англ. Light Dependent Resistor или просто LDR). Далее по тексту мы будем использовать «пин» (от англ. “pin” – вывод, ножка микросхемы) в значении «вывод микросхемы». Визуальное представление присвоения наименования пинам выглядит следующим образом:

#define BUZZER_PIN 3

#define LDR_PIN A0 (void setup)

Аналогично вывод пина с пьезопищалкой: Pin Mode (BUZZER_PIN, OUTPUT);

Все остальные пины являются входами изначально, посылающими сингал всякий раз при подаче питания или сбросе микроконтроллера. Поэтому отсутствует необходимость настраивать LDR_PIN в режим входа: он и так им является (void loop) int val, frequency;

На следующем этапе считываем уровень освещённости так же, как для потенциометра: в виде значения от 0 до 1023. val = analog Read (LDR_PIN); затем рассчитываем частоту звучания динамика в герцах (ноту), используя функцию проекции (англ. map). Она отображает значение из одного диапазона на другой, строя пропорцию.

В нашем случае [0; 1023] > [3500; 4500]. Так мы получим частоту от 3,5 до 4,5 кГц. Последние два числа мы можем изменять для настройки звучания frequency = map (val, 0, 1023, 3500, 4500).

Функция map (value, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh) возвращает целочисленное значение из интервала [toLow, toHigh], которое является пропорциональным отображением содержимого value из интервала [fromLow, fromHigh].

Верхние границы map не обязательно должны быть больше нижних и могут быть отрицательными. К примеру, значение из интервала [1, 10] можно отобразить в интервал [10,-5].

Если при вычислении значения map образуется дробное значение, оно будет отброшено, а не округлено.

Функция map не будет отбрасывать значения за пределами указанных диапазонов, а также масштабирует их по заданному правилу.

Если необходимо ограничить множество допустимых значений, возможно использование функции constrain (value, from, to), которая вернет:

value, если это значение попадает в диапазон от-до [from, to];

from, если value меньше него;

to, если value больше него;

После завершения этапа предварительных настроек, следующим шагом является подача питания на контакт пьезопищалки (PIN 3), в результате чего она начинает издавать звуки (англ. tone) на заданной частоте 20 миллисекунд. Далее даётся команда для повтора заданного алгоритма с начала, таким образом, при последующих проходах (англ. loop), звуки (англ. tone) будут создаваться снова и снова. Благодаря чему, мы услышим непрерывный звук с тональностью, которая зависит от количества света, попадающего на фоторезистор. Визуальное представление кода будем следующим:

Tone (BUZZER_PIN, frequency, 20);

Функция tone (pin, frequency, duration) заставляет пьезопищалку, подключенную к порту pin, издавать звук высотой frequency герц на протяжении duration миллисекунд.

Параметр duration не является обязательным. Если его не передать, звук включится навсегда. Чтобы его выключить, вам понадобится функция noTone (pin). Ей нужно передать номер порта с пищалкой, которую нужно выключить.

Одновременно можно управлять только одной пищалкой. Если во время звучания вызвать tone для другого порта, ничего не произойдет.

Вызов tone для уже звучащего порта обновит частоту и длительность звучания.

После завершения вышеописанных настроек установка готова к работе. Находясь в подключенном к питанию состоянии, установка будет реагировать на изменение освещенности за счет работы фоторезистора и постоянного цикличного повторения заложенного алгоритма.

Изменение высоты звучания инструмента осуществляется бесконтактным путем. Терменвокс реагирует на освещённость: когда мы проводим рукой над фоторезистором, на него падает тень; в зависимости от количества попадающего на него света, частота издаваемого звука изменяется в диапазоне, согласно программному коду. Чем меньше света попадает на прибор, тем выше звук.

Рис. 7. Термен Л.С. с профессорами Государственной консерватории

Настройка элементов схемы проводилась вручную, и описана выше, что дает возможность любому желающему произвести самостоятельно аналогичный эксперимент и насладиться необычным звучанием электронной музыки. Следует заметить, что техника игры на терменвоксе, как и на любом музыкальном инструменте, требует тренировки и усидчивости. Но теперь дело за Вами!

Список литературы:

Галеев Б. М. Советский Фауст. — Казань: Библиотека журнала «Казань», 1995.

Гинзбург В., Пульвер В. Телевидение: Передача движущихся изображений по способу Л. С. Термена // Радиолюбитель. — 1927. — № 1. — С. 13—16.

Ковалёва С.К. Не более и не менее: Жизнь Льва Термена. // Объединенный иллюстрированный каталог материалов международных и общероссийских выставок-презентаций научных, учебно-методических изданий и образовательных технологий. – Издательский Дом "Академия Естествознания" (Пенза), Том 5. 2019. – С. 34-35.

Ковалёва С.К. Лев Термен. Феномен XX века: [документальная повесть]. – Москва: Бюро Квантум, 2008. – С. 350.

Крымский В. Первый публичный концерт Л. С. Термена в Нью-Йорке [в Метрополитэн Опера Хауз] // Новое русское слово. — Нью-Йорк, 1928. — № 5485. — С. 2.

Теодорчик К. Ф. Дальновидение. – УФН, Т. 8. – 1928. – № 1 – С. 98–104

Урвалов В. А. Очерки истории телевидения. – Москва: Наука, 1990. – С. 215.

Википедия, Термен Лев Сергеевич - https://ru.wikipedia.org/wiki/Термен,_Лев_Сергеевич