Что было до терменвокса?
Дата публикации: 24-11-2014Рубрика: Ют №6 1984 год
Тема: Подробности для любознательных
Мы привыкли считать, что внедрение электричества в музыку началось с терменвокса. Но это не так. До терменвокса история электромузыкальных инструментов насчитывает даже больше времени, чем от него до наших дней.
Давайте познакомимся с тем, что было раньше, а заодно восстановим в памяти и сам терменвокс.
Первые опыты
В середине прошлого века знаменитый немецкий ученый Гельмгольц исследовал слух человека. В своих экспериментах он использовал камертоны. Камертон, который обычно служит для настройки фортепиано и некоторых других инструментов, наверняка вам хорошо знаком: это два параллельных стальных брусочка, с одной стороны имеющих общее основание с ручкой. Если, держа камертон за ручку, ударить по нему чем-нибудь твердым, брусочки начнут колебаться и звучать. Звук будет гаснуть и через некоторое время прекратится совсем. Это не устраивало Гельмгольца: для экспериментов ему нужно было продолжительное звучание. И тогда он приспособил к камертону очень простое и вместе с тем остроумное электрическое устройство. Рассмотрим его работу в замедленном темпе — разложим на фазы одно колебание.
Вот по брусочку камертона ударили стальной палочкой. Брусочек отклонился в сторону. Если бы не было электрического приспособления, брусочек затем под действием собственной упругости свободно отклонился бы в другую сторону, но уже на меньшее расстояние, и амплитуда колебаний стала бы уменьшаться. Но здесь во время первого же отклонения брусочек замкнул контакт и включил маленький электромагнит, расположенный с другой стороны. Теперь обратному ходу брусочка помогает притяжение магнита. И хотя контакт разомкнулся уже в самом начале обратного хода, дополнительного импульса электромагнита хватило для того, чтобы амплитуда колебаний не уменьшалась. При следующем ходе брусочка контакт замыкается снова, и цикл повторяется.
Понятно, что десятка два-три таких камертонов, издающих звуки разной высоты, уже могли составить простейший электромузыкальный инструмент. Но Гельмгольц строил лишь прибор для своих экспериментов, не больше. Его идею подхватили музыкальные мастера — теперь уже трудно сказать, кто первый. Они рассудили так: если электромагнит помогает камертону, то почему бы ему не помочь и струне?
Этот замысел был высказан в 1852 году и тогда же начал воплощаться. Однако до удачного и работоспособного инструмента прошло довольно много времени — около двух десятилетий. Принцип работы первого электропианино вы видите на рисунке. Струна, начиная колебаться после удара молоточка, замыкает контакт, а дальше все происходит как в камертоне Гельмгольца. Каждый звук электропианино длится до тех пор, пока нажата клавиша.
Слушатели восторженно отзывались об этом инструменте и на первых порах старались не замечать серьезный недостаток: струны, касаясь контактов, дребезжали, и к их чистому звучанию примешивались посторонние призвуки. Избавиться от недостатка не удавалось, и первое электропианино вскоре было забыто.
В этих опытах электричество лишь помогало звучать камертонам и струнам. А в следующей попытке, которую сделали изобретатели У. Бурстин и У. Дуддель в самом конце прошлого века, электричество обрело и свой собственный музыкальный голос.
Вспомните: разряд электрофорной машины, демонстрируемой на уроке физике, вы не только видели, но и слышали. Но одиночный разряд — еще не музыка. Бурстин и Дуддель разработали устройство, которое генерировало разряды часто-часто один за другим. При этом каждый разряд из-за его неуловимой краткости не воспринимался ухом как отдельный звук, а в силу вступала частота разрядов. Например, если происходило 440 разрядов в секунду, получался звук «ля» первой октавы.
Схема первого электропианино. 1 — клавиша; 2 — молоточек; 3 — струна; 4 — контакт струны; 5 — электромагнит; 6 — батарея; 7 — подклавишный контакт.
К инструменту была приспособлена фортепианная клавиатура. Каждая клавиша, замыкая при нажатии контакт, варьировала параметры электрической цепи устройства, отчего изменялась частота разрядов, а следовательно, и высота тона.
Инструмент этот, названный поющей дугой, в музыкальную практику не вошел: тембр его был слишком резок, настройка неустойчивой, громкость звука не поддавалась регулированию. Но в истории музыкальных инструментов он стал заметной вехой, и вот почему.
В мире существует огромное множество самых разных музыкальных инструментов, однако все они сводятся к считанным группам, если классифицировать их по физическому принципу образования звука. Колеблется или струна, или столб воздуха, или мембрана, или какое-нибудь твердое тело. Все эти принципы человек обнаружил и использовал еще в доисторические времена. И вот поющая дуга показала, что электричество тоже способно рождать музыкальные звуки. Сама она не выжила, но положила начало целому классу электромузыкальных инструментов.
Телармониум
Случалось ли вам когда-нибудь нечаянно воткнуть вилку трансляционного динамика в розетку электросети? Если да, то вы знаете, что при этом раздается громкий низкий звук угрожающего характера: он как бы предупреждает, что допущена оплошность. Конечно, вы тут же выдернули вилку, и только благодаря этому ваш динамик не перегорел: на такие напряжения он не рассчитан. Так что, если не доводилось вам совершать подобную ошибку, и не надо делать ее специально, вы можете лишиться динамика.
В сети течет переменный ток, который пятьдесят раз в секунду меняет свое направление. Следовательно, это тоже колебания, причем равномерной и постоянной частоты. Пока электричество раскаляет нити лампочек, кипятит чай или разогревает утюг, мы его не слышим. Но когда случайно трансляционный динамик оказался подключенным к электросети, тут же электрические колебания преобразовались в механические: начал колебаться диффузор динамика. Мы услышали звук с частотой 50 герц — это приблизительно соль контроктавы.
От соображения, что обычное сетевое электричество может рождать музыкальные звуки, оттолкнулся американец Кахилл, начиная строить в начале нашего века в Чикаго свой электроинструмент.
Это была удивительная машина.
Прежде всего — очень громоздкая и тяжелая. Ведь для каждого звука нужен был собственный генератор тока. Причем ротор каждого из них рассчитывался так, чтобы получались колебания, строго соответствующие частотам музыкальных звуков. Нужны были и электродвигатели — надо же вращать генераторы. И если инструмент предусматривал несколько десятков звуков разной высоты, то и нужно было столько же генераторов. Поэтому музыкальный агрегат Кахилла весил двести тонн! Пришлось установить его в подвале большого здания на массивных бетонных фундаментах. Работая, электромузыкальная машина невероятно шумела, и музыкант, чтобы не оглохнуть, разместился в другом помещении, где у него была клавиатура.
Однако вес и шум — не главные курьезы инструмента Кахилла. В то время не было ни радиоламп, ни вообще электроники. Не было и динамиков. Как же преобразовать колебания, вырабатываемые генераторами, в звуки и донести их до слушателей? На помощь пришел телефон, который тогда уже был. Электрические колебания поступали на клавиатуру, а от нее прямо в телефонную сеть. Любой абонент Чикаго, сняв трубку своего телефона и попросив телефонистку соединить его с инструментом, мог услышать музыку. И сам музыкант слышал свою игру только по телефону, трубка которого была ради этого оформлена в виде наушников.
Конечно, инструмент Кахилла был беден возможностями. Звуковые нюансы на нем не получались, а тембр был скучноватым и невыразительным. Кроме того, помехи в телефонной сети ухудшали и без того не слишком хорошее звучание. Но в ту пору изобретение Кахилла воспринималось как чудо. Наверно, вы уже перевели на русский язык название инструмента — телармониум. Сделать это легко: если «телевидение» означает «видение на расстоянии», то «телармониум» — «музыка на расстоянии». Вспомним еще раз, что никакого телевидения и даже домашнего радио в те времена не было, и тогда не покажется вам чрезмерным восхищение чикагских жителей, получивших возможность слушать музыку по телефону.
Да и сейчас не стоит недооценивать изобретение Кахилла: все-таки это был первый работоспособный инструмент. А принцип получения колебаний не потерял своего значения до сих пор, он используется в некоторых вполне современных электроорганах.
Орган Хаммонда
Здесь нам придется забежать вперед на три десятка лет после изобретения телармониума. Для этого у нас есть и формальный повод, потому что орган Хаммонда тоже появился в Чикаго, и логический, так как в основе своей новый инструмент был прямым потомком телармониума.
В распоряжении Хаммонда уже были ламповые усилители, а это многое меняло. Достаточно было получить очень слабые токи, которые потом можно было усилить, так что отпала необходимость в мощных генераторах. Существовали уже и динамики, поэтому проблемы преобразования электрических колебаний в механические тоже не было. Видимо, помогло Хаммонду и его ремесло часового мастера: основой инструмента стали небольшие зубчатые колеса, которые выполняли здесь ту же функцию, что и генераторы в телармониуме, однако разница в размерах была огромной. Сбоку каждого такого колеса была размещена катушка с магнитным сердечником. Когда зубец колеса проходил мимо сердечника, в катушке возбуждался слабый электрический ток — в полном соответствии с законами физики. И если колесо имело, скажем, шестнадцать зубцов и вращалось со скоростью пять оборотов в секунду, то восемьдесят раз в секунду в катушке возбуждался электрический импульс и получались колебания в восемьдесят герц. Понятно, что можно было, как угодно варьируя число зубцов на колесах инструмента и число оборотов колес, получать колебания с любой частотой, а значит, и звуки любой высоты. Инструмент, законченный в начале 30-х годов, получился настолько удачным, что его модифицированные варианты производятся до сих пор. И сейчас можно купить пластинку с записью разных произведений, исполненных на органе Хаммонда.
Очертаниями этот инструмент похож на кафедру обычного органа. Но нужно помнить, что обычный орган, кроме кафедры, имеет грандиозное сооружение из тысяч труб, а орган Хаммонда весь умещается в той кафедре, за которой сидит музыкант, и только динамики могут быть вынесены за ее пределы.
Генератор электрических колебаний органа Хаммонда. 1 — зубчатое колесо; 2 — магнит; 3 — обмотка.
И все же электроорган, несмотря на свою сравнительную простоту и дешевизну, не смог вытеснить обычный орган. У каждого из этих инструментов своя роль в музыке, их дороги не перекрещиваются.
Терменвокс
А теперь вспомним, что мы забежали вперед, и вернемся на десяток лет назад. В 1921 году появился первый инструмент (если не считать нескольких малоудачных опытов), в котором не было никаких вращающихся деталей, так как колеба ния рождались электроникой. Изобрел терменвокс советский инженер Лев Сергеевич Термен. Его фамилия вошла в название инструмента, но не сам он был инициатором такого названия, а один из журналистов — тогда много писали о необычном устройстве инструмента, о его характерном звучании, о впечатлении, которое терменвокс производил на слушателей.
Терменвокс, что означает «голос Термена», действительно был совершенно необычным.
Во-первых, он очень прост по устройству. Даже в те времена, когда не существовало не то что полупроводниковых диодов и транзисторов, а даже миниатюрных пальчиковых радиоламп, а были большие электронные лампы размером не меньше осветительных, весь инструмент умещался в небольшом корпусе, стоящем на ножках.
Во-вторых, он, отвечая своему названию, на самом деле обладал поющим голосом — как угодно гибким, к тому же и вибрирующим, как человеческий голос.
И в-третьих,— что было для слушателей удивительнее всего — музыкант во время исполнения вовсе не прикасался к инструменту. Не было ни клавиш, ни вентилей, ни клапанов — словом, ничего такого, что могло бы напомнить хоть какие-то привычные инструменты. Это было похоже на иллюзионный аттракцион, тем более что и подобие волшебной палочки присутствовало: из ящика торчал вверх металлический стержень, а музыкант выделывал рукой рядом с ним магические пассы.
Если вы и не слишком близко знакомы с электроникой, то в любом случае знаете ее основы по школьной физике. Поэтому инструмент Термена не покажется вам чудом. В его основе лежит колебательный контур, который в простейшем виде состоит из конденсатора и катушки, соединенных между собой проводниками. Если на такое элементарное устройство подать напряжение, в контуре возникнут колебания. Затем их можно усилить с помощью электронных ламп. В зависимости от индуктивности катушки, емкости конденсатора и общего сопротивления всей цепи частота колебаний получается разная. Для изменения частоты достаточно варьировать параметры только одного элемента — скажем, менять емкость конденсатора. Вот и все, что нужно знать, чтобы понять устройство терменвокса.
Термен установил в своем инструменте два генератора колебаний. Оба вырабатывали колебания высокой частоты, лежащей за пределами слышимости. С генераторов колебания поступали в детектор, который, сравнивая обе частоты, выделял разницу. А разница уже была в границах слышимости. Она усиливалась и подавалась на динамики.
Такова принципиальная схема. Теперь посмотрим, как изменялась высота звука.
В исходном состоянии оба генератора дают сто тысяч герц. Никакой разницы нет, детектор ничего не выделяет, инструмент молчит. Если у одного из генераторов увеличить число колебаний, допустим, до ста двух тысяч, то появится разница — две тысячи. Детектор выделит ее, и мы услышим звук.
Блок-схема терменвокса. 1 — управляемый генератор высокой частоты; 2 — неуправляемый генератор высокой частоты; 3 — детектор; 4 — генератор управления громкостью; 5 — предварительный усилитель; 6 — усилитель мощности; 7 — динамик.
Чем больше разница, тем выше звук, и наоборот. Значит, во время игры все сводится к изменению числа колебаний одного из высокочастотных генераторов. Мы помним, что для этого можно изменять параметры любого из элементов колебательного контура. В данном случае был выбран именно конденсатор.
А сейчас самое главное. Любой конденсатор состоит из двух обкладок. От формы, размеров обкладок и расстояния между ними зависит емкость конденсатора. Если как-то влиять хотя бы на одну из обкладок, емкость будет изменяться. И Термен приходит к остроумнейшему решению: тот самый стержень, что торчит из корпуса инструмента, является как бы продолжением обкладки. Остальное само собой разумеется: приближая руку к стержню или удаляя от него, музыкант плавно меняет емкость этого своеобразного конденсатора и таким образом управляет генератором колебаний. Вибрируя при этом ладонью, он заставляет вибрировать и голос инструмента.
Но надо было как-то регулировать и громкость звучания. Термен решил эту задачу тоже весьма оригинально. Между детектором и выходным усилителем размещался предварительный усилитель, устроенный так, что им можно было управлять так же, как и высотой звука, то есть расстоянием между рукой и металлической деталью, вделанной в инструмент сбоку. Правой рукой музыкант воспроизводил мелодию, а левой управлял громкостью.
По тем временам терменвокс стал известен довольно широко. Заинтересовались им и западные фирмы, изготовившие около трех тысяч экземпляров. Простота конструкции позволяла даже любителям собирать терменвоксы, и в домах появились самодельные инструменты в весьма разнообразном оформлении.
Все это вовсе не означает, что терменвокс был лишен недостатков. Ему были доступны только протяжные певучие мелодии, а все попытки сыграть быстрые произведения кончались неудачей: переходы между звуками получались смазанными, а сами звуки не всегда верными по высоте. Играть на терменвоксе было трудно. Манипуляции кистью осложнялись тем, что вслед за ней двигалась вся рука, да и тело свое музыкант не мог же держать в абсолютной окаменелости. Малейшая неточность, неверное движение — и высота звука уже не та, что ожидалась.
Это привело к тому, что интерес к терменвоксу стал постепенно спадать. Многие любители, самостоятельно сделавшие инструмент, так и не научились играть на нем.
Сейчас терменвокс используется редко, но значение его тем не менее очень велико: электронный генератор частоты стал родоначальником других, более совершенных инструментов, о которых мы расскажем в одном из ближайших номеров.
С. ГАЗАРЯН
Рисунки A. HA3APEHKO