XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Терменвокс: чудо, рожденное электромагнитным полем
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Человечество с античных времен изучало электрические и магнитные явления, однако до начала 19 века электричество и магнетизм рассматривались всегда отдельно друг от друга, изучались как отдельные, несвязанные явления, и относились к различным разделам физики. Создание учения об электромагнитном поле ознаменовало целую эпоху в развитии физики. Интенсивное изучение электрических и магнитных полей началось только с середины 18 века. До конца века учеными были открыты основные факты, которые относились к свойствам магнетизма и статического электричества, подготовившие почву для построения теории этих явлений. В основу первых теорий электричества и магнетизма было положено представление о существовании особых электрических и магнитных жидкостей. Построение количественной теории электромагнитных явлений начало осуществляться только после открытия Кулоном закона взаимодействия заряженных тел и магнитов.
В 1860 – 1865 годах Джеймс Клерк Максвелл обобщил результаты исследований и создал эмпирическую волновую теорию электромагнитного поля. Эта теория действительно явилась выдающимся достижением теоретической физики. Простая система четырех основных уравнений давала объяснение всем электрическим, магнитным и оптическим явлениям. Помимо этого, теория Максвелла предсказывала, что электромагнитные волны любой, даже очень низкой, частоты должны распространяться со скоростью света. Впервые эта теория была экспериментально подтверждена Герцем; а русский физик Александр Попов впервые в мире продемонстрировал передачу сигналов с помощью электромагнитных волн на большое расстояние. Все это показалось мне чрезвычайно интересным, актуальным и определило тему исследования.
В январе 2020 года мы на уроке физики проводили опыты с электричеством. Я был поражен тем, что нас окружает электричество, которое может накапливаться в заряды и трансформироваться в разряды. А в марте 2020 года я побывал на лекции Петра Термена о его прадеде Льве Термене и смог поиграть на терменвоксе, инструменте, действие которого основано на электромагнитных явлениях. Меня чрезвычайно заинтересовала эта тема и я решил подготовить работу об электромагнитном поле, истории его открытия, принципах работы терменвокса, в домашних условиях собрать терменвокс и рассмотреть перспективы применения терменвокса и других электромузыкальных инструментов.
Целью данной работы является изучение электромагнитного поля, истории открытия электромагнитного поля, способов сборки простейшего терменовокса, перспектив применения терменвокса и других электромузыкальных инструментов. Для оптимального достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: изучить историю открытия электромагнитного поля; исследовать использование свойств электромагнитного поля для создания электронных музыкальных инструментов; провести практические опыты по сборке простейшего терменвокса; изучить направления практического использования терменвокса и других электромузыкальных инструментов.
Объектом исследования выступает электромагнитное поле, предметом исследования электромагнитные колебания.
При выполнении работы использовались следующие методы: изучение информации по теме; проведение эксперимента, наблюдение, анализ, вывод.
Практическая значимость работы: полученные мной знания в процессе изучения данной темы пригодятся мне при подготовке к занятиям по физике, навыки по сборке простейшего терменвокса можно продемонстрировать моим одноклассникам при изучении соответствующих тем.
Для реализации поставленной цели и решения задач, стоящих в работе, был проведен теоретический анализ научных, учебных, справочных источников информации, представленных в библиографическом списке.
1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
1.1.История открытия электромагнитного поля
Человечество длительное время накапливало знания об электричестве и магнетизме. Так, «термин «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что означает янтарь. Еще со времен Фалеса Милетского (YI век до н. э.) была известна способность янтаря электризоваться при трении о сукно»[4] (Приложение: рис.1 ).
Около 2000 лет назад древние греки узнали о существовании минерала, способного притягивать железо. Этот минерал «получил название магнетит. Таким образом, происхождение термина «магнит» связывают с именем пастуха Магнеса, пасшего овечьи стада на склонах горы Ида на острове Крит. Как описано в древних источниках, сандалии Магнеса, притягивались кусками магнетита на горе так как были скреплены железными шипами»[4] (Приложение: рис.2).
Из других источников известно, что магнетит назвали в честь древнего турецкого города Магнесия (Маниза) в окрестностях было которого обнаружено большое количество магнетита (Приложение: рис. 3).
Исследованию природы электричества посвятили свои труды Ломоносов М.В., Рихман Г.В., Франклин Б., Кулон Ш.О., Дивиш П. и другие ученые в ХVII и XVIII веках.
Первый источник непрерывного тока, который создал Алессандро Вольта имел особое значение для проведения исследований в области электромагнетизма. Также Алессандро Вольта ввел понятие электрической цепи, им же были разработаны электрометр и конденсатор, создан первый гальванический элемент (устройство для получения электричества) – Вольтов столб(Приложение: рис.4 и рис.5).
В 1800 году итальянский учёный Алессандро Вольта опустил две пластинки – из цинка и меди в банку с кислотой. Пластинки были соединены проволокой. В результате, пластина из цинка начала растворяться, на медной пластике начали выделяться пузырьки газа. Алессандро Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Устройство стало первым гальваническим элементом. Вольта придал «гальваническому элементу форму столба (вертикального цилиндра), который состоял из соединённых между собой цинковых и медных пластин и пропитанного кислотой сукна»[4].
Эрстед Х.К., Ампер А., Фарадей М. и другие в первой трети ХIХ столетия провели многочисленные исследования явлений, вызываемых электрическим током, таких как химические, тепловые, световые и магнитные явления
В 1819 г. датский физик Эрстед Г.Х. обнаружил отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного вблизи проводника по которому течёт электрический ток, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны(Приложение: рис.6).
Французский физик и математик А. Ампер в 1824 г. привел математическое описание «взаимодействия проводника тока с магнитным полем (Закон Ампера). Ампер ввел термины «электрический ток», «сила тока», «электрическое напряжение»»[9](Приложение: рис.7).
Закон Ампера: «сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником».
Ампер предположил, что внутри постоянного магнита присутствуют микроскопические замкнутые токи, которые и создают магнитное поле магнита, взаимодействующее с магнитным полем токонесущего проводника (Приложение: рис.8).
В XIX веке ученые предприняли попытки разобраться что такое электричество и магнетизм физически, как они устроены и из чего состоят физически. Для этого использовалось учение об эфире, движение которого, по мнению ученых, лежало в основе электромагнетизма.
В 1831 г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание явления электромагнитной индукции — возникновения электродвижущей силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося магнитного поля.
Фарадей М. разработал предположение о существовании силовых трубок электричества («Фарадеевы силовые линии»)(Приложение: рис.9).
Гельмгольц Г. изложил свои представления об электромагнитных явлениях как о вихревых движениях эфирной жидкости (Приложение: рис.10).
Друде П. предложил электронную теорию проводимости металлов (Приложение: рис.11).
Лоренц Г. дополнил электронную теорию проводимости металлов, разработанную Друде П. (Приложение: рис. 12)
Английский ученый И. Ньютон и французский философ и математик Р. Декарт ввели понятие физическое поле.
Так, И. Ньютон в 1687 году, в законе тяготения устанавливает, что поле играет вспомогательную роль: под полем понимается область полупространства, в котором могут проявляться силы дальнодействия (Приложение: рис.13).
Ранее, в 1644 г. Р. Декарт развил представление о близкодействии, когда взаимодействие в поле физическом трактуется как происходящее путем изменения состояния эфира - промежуточной среды. В концепции Декарта поле не имеет самостоятельного существования (Приложение: рис. 14).
В 1873 году Максвелл Д.К. обобщив труды ученых подготовил «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором доказал возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве со скоростью света (теория дальнодействия) (Приложение: рис.15).
В дальнейшем немецкий физик Генрих Герц в 1886–1889 гг. с помощью разработанного им вибратора в ходе проведения эксперимента доказал существование электромагнитных волн, исследовал их свойства (отражение от зеркал, преломление в призмах и т.п.) (Приложение: рис. 16).
Русский физик и изобретатель Попов А.С. в 1895 г. создал необходимую для передачи и приема электромагнитных волн аппаратуру, чем положил начало радиотехнике (Приложение: рис. 17).
В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля. А во второй половине XX века (квантовая) «теория электромагнитного поля и его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого взаимодействия и в настоящее время входит в стандартную модель в рамках концепции калибровочных полей (электромагнитное поле является с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей)»[6].
Таким образом, электромагни́тное поле —является фундаментальным физическим полем, взаимодействующим с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные электрические и магнитные моменты. «Электромагнитное поле выступает совокупностью электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью»[1].
В 20 веке свойства переменного электромагнитного поля начали использовать для создания электронных музыкальных инструментов. «Под переменным электромагнитным полем понимают совокупность изменяющихся во времени и взаимосвязанных друг с другом электрического и магнитных полей. Переменное электромагнитное поле является одним из видов материи. Оно обладает энергией, массой и количеством движения и может превращаться в другие виды материи».[2] Любые возмущения поля с огромной скоростью, для вакуума примерно 3*108 м/сек. передаются на большие расстояния. При исследовании процессов в переменном электромагнитном поле пользуются уравнения Максвелла.
1.2. Использование свойств переменного электромагнитного поля для создания электронных музыкальных инструментов
В 1901 году Тадеушем Кахиллом был создан первый электронный музыкальный инструмент - этот инструмент получил название телармониум (англ. Telharmonium). Телармониум весил 7 тонн, с помощью сложной клавиатуры на основе электрических генераторов и тональных колес он мог воспроизводить разные ноты телармониум, прослушать трансляцию можно было по городскому телефону (Приложение: рис.18).
Лев Сергеевич Термен создал терменвокс в 1921 году, звук в терменовоксе образуется как результат сложения частот двух близких по частоте и амплитуде радиочастотных генераторов, вследствие чего получаются так называемые «биения» частот в звуковом диапазоне (Приложение: рис.19).
Управлять звуком в терменвоксе возможно «перемещая руки исполнителя в электромагнитном поле виртуального грифа инструмента вблизи двух металлических антенн. Изменение высоты звука происходит при приближении руки к правой антенне, а громкость звука изменяется за счёт приближения к левой антенне другой руки исполнителя»[3] (Приложение: рис.20, рис.21).
В настоящее время существуют следующие виды электромузыкальных инструментов:
Синтезатор — инструмент, в котором звук синтезируется при помощи одного или нескольких генераторов звуковых волн (Приложение: рис.22).
Синтезатор «АНС» (синтезатор Александра Николаевича Скрябина) — фотоэлектронный музыкальный инструмент, был сконструирован русским изобретателем Евгением Мурзиным в1958 г. (Приложение: рис. 23)
Синтезатор Муга одноголосный монофонический аналоговый синтезатор, разработанный Дэвидом ван Куверингом и Робертом Мугом в 1970 году (Приложение: рис. 24).
Музыкальная рабочая станция — аппаратно-программный комплекс, объединяющий в одном устройстве синтезатор, секвенсор, драм-машину. «Особенность музыкальной рабочей станции, отличающая ее от «обычного» синтезатора, то, что такое устройство может применяться не только для сольного исполнения, но и для записи музыки путём многократного наложения отдельных партий»[7] (Приложение: рис. 25).
Вокодер — устройство синтеза речи на основе произвольного сигнала с богатым спектром. Основу вокодера составляют три элемента: генератор тонального сигнала для формирования гласных звуков; генератор шума для формирования согласных, система формантных фильтров для воссоздания индивидуальных особенностей голоса (Приложение: рис. 26).
Волны Мартено (электрофон) — одноголосный инструмент, с 7-октавной клавиатурой фортепьянного типа, а также нитью с кольцом, надеваемым на указательный палец правой руки. Сконструирован в 1928 году виолончелистом Морисом Мартено (Франция). В левой части инструмента расположена кнопка (смычок). Звук производится генератором электрических колебаний, он управляется с клавиатуры и через усилитель подаётся на систему громкоговорителей. В 1970-х инструмент модернизировали с использованием полупроводниковых элементов, а в 1990-х электрофон Мартено стал цифровым (Приложение: рис. 27).
Драм-машина — прибор, основанный на принципе пошагового программирования для создания и редактирования повторяющихся музыкальных перкуссионных фрагментов. Драм-машина - звуковой модуль, обладающий тембрами ударных инструментов и готовыми запрограммированными (во внутренней памяти) одно- или двухтактными ритмическими рисунками (паттернами, шаблонами) различных музыкальных стилей (Приложение: рис.28).
Лазерная арфа — инструмент, который состоит из нескольких лазерных лучей, которые необходимо перекрывать, аналогично щипкам струн обычной арфы (Приложение: рис.29).
Тэнори-он — устройство, состоящие из экрана с сеткой 16х16 светодиодных-переключателей, каждый из которых может быть активирован различными способами для создания музыкального развивающегося звукового рисунка (Приложение: рис.30).
Таким образом, в электронных музыкальных инструментах при использовании электронных схем (генераторов, модуляторов, фильтров и т. п.) генерируется электрический звуковой сигнал. Звуковой сигнал подаётся на усилитель и воспроизводится при помощи динамика.
2.ПРАКТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
2.1.Изготовление простейшего терменвокса
В марте 2020 года я посетил лекцию Петра Термена о терменвоксе, попробовал играть на терменвоксе и это мне очень понравилось! Я решил изучить принципы работы терменвокса, и изготовить простейший терменвокс в домашних условиях. Для этого я изучил патент, выданный Государственным комитетом СССР по делам изобретений и открытий, серия SU № 1048503, выданный Л.С. Термену и теорию по теме:
Я изучил, что такое гетеродин: маломощный генератор электрических и гармонических колебаний, который применяется для преобразования частот сигнала в радиоприёмниках, приёмниках с прямым преобразованием частот, волномерах и в прочих устройствах (Приложение: рис. 31).
Гармонические колебания — колебания, при которых физическая величина изменяется с течением времени по гармоническому (синусоидальному, косинусоидальному) закону (Приложение: рис. 32).
Для колебаний характерна наибольшая величина отклонения A, которую называют амплитудой колебания.
«Определенное время, по истечению которого при прямолинейном и неравномерном движении точки точка возвращается в то же самое состояние движение, т.е. занимает то же положение при той же скорости, ускорении и т. д; называется периодом колебания»[6]. Гармонические колебания можно рассматривать как проекцию точки, движущейся по окружности, на линию, лежащую в плоскости движения точки. Если окружность имеет радиус R, а угловая скорость вращения точки – ώ, то
y=R sin α=R sin ώt (1)
По истечении одного или нескольких интервалов времени T, соответствующих периоду колебания, движущаяся точка должна занять свое прежнее положение. Следовательно, период колебания T определяется из условия:
R sin ώt=ώ (t+T); так как синус имеет период 2π, то увеличение аргумента правой части по сравнению с аргументом левой части или должно быть равно 2π целое число раз. Период гармонического колебания поэтому выражается формулой:
ώT=2π или T=2π/ώ, ώ – круговая (или циклическая) частота гармонических колебаний. Величина, обратная периоду колебаний, называется частотой колебаний. Формула частоты колебаний показана на рисунке 33 (Приложение).
Гармонические колебания были известны с XVII века. Термин «релаксационные колебания» был предложен в 1926 г. Балтазаром Ван дер Полом (Приложение: рис.34).
Биение - это результат суммы 2 разных гармонических колебаний, близких по частоте и по амплитуде колебаний двух генераторов: генератора «Гетеродин» и лабораторного. Если колебания полностью совпадают, то биение будет равно нулю.
В формуле патента сказано, что «терменвокс, содержит генератор переменной частоты, который включает в себя активный элемент, цепь обратной связи и частотно-задающую цепь с антенной управления высотой звука, генератор постоянной частоты, включающий в себя активный элемент, цепь обратной связи и частотно-задающую цепь, суммирующий элемент, выход которого через детектор подключен к первому входу манипулятора, к второму входу которого подключен блок формирования атаки и затухания звука, а выход манипулятора подключен к регулятору громкости, отличающийся тем, что с целью повышения равномерности пространственного грифа при одновременном улучшении тембровых качеств, в него введены два развязывающих элемента, входы которых соединены с выходами генераторов переменной и постоянной частоты, а выходы соединены с входами суммирующего элемента, и элемент переменной взаимной связи, подключенный между частотно-задающими элементами генераторов переменной и постоянной частоты»[11].
Изобретение относится к электромузыкальным инструментам, звуковую основу которых составляют электронные гетеродинные генераторы.
Из описания патента следует, что электромузыкальный инструмент типа «Терменвокс» содержит генератор переменной частоты (1), включающий в себя цепь, задающую частоту колебательного контура с антенной управления частотой звука, генератор постоянной частоты (2), включающий в себя цепь обратной связи и частотно-задающую цепь (колебательный контур), элемент переменной взаимной связи генераторов (8), например конденсатор, суммирующий элемент (3), детектор (4), манипулятор (схема управления динамическими характеристиками звука (7)), усилитель (5) с регулятором громкости и динамик (6) (см. рис.1).
Рис.1. Схема терменвокса Л.С. Термена (патент: серия SU № 1048503)
Работает терменвокс следующим образом, при поднесении руки к антенне управления частотой звука в генераторе (1) меняется емкость конденсатора, задающего частоту контура и, соответственно, его частота изменяется в пределах ω1 = 90 --- 100 кГц. На сумматоре (3) этот сигнал складывается с сигналом ω2 = 100 кГц генератора постоянной частоты (2). В результате, на выходе сумматора появится сигнал с частотой (ω1 + ω2) / 2, с «биениями» по амплитуде с частотой (ω2 – ω1). Это будет наша звуковая частота (100 кГц – 90 кГц = 10 кГц). В процессе приближения руки к антенне звуковой сигнал будет меняться от 0 до 10 кГц. После детектирования детектором (4) высокая заполняющая биение частота убирается и остается одна огибающая звуковая частота, которая усиливается усилителем (5) и подается на вызывающий звук динамик (6). В схеме предусмотрен конденсатор (8) взаимной связи генераторов, который служит для придания естественности звучанию и улучшению диапазонов работы. Кроме того, для улучшения динамических характеристик звука введена схема управления или, так называемый, манипулятор формирования атак и затухания звука (7), устройство которого в патенте не раскрывается.
На основе схемы Л.С. Термена я начертил схему моего «Терменвокса», сделанного из 2 радиоприемников и 1 лабораторного сигнального генератора (схема приведена на рис. 2). Также на этой схеме я указал другие компоненты данного устройства. Я собирал его самостоятельно.
ω биений 20 Гц – 20 кГц
Рис.35. Схема простейшего терменвокса, собранная Лохматовым В.В.
В качестве управляемого по частоте высокочастотного генератора используется приемник 1 с небольшими переделками. В качестве высокочастотного генератора постоянной частоты 2 используется лабораторный сигнальный генератор, настроенный на частоту гетеродина 1413 кГц первого приемника. К его выходу присоединен отрезок провода, являющийся излучающей антенной. Второй приемник используется для одновременного приема выходных сигналов гетеродина первого приемника и лабораторного сигнального генератора, то есть во втором приемнике сигналы принимаются, складываются, затем детектируются, усиливаются и подаются на динамик. Таким образом второй приемник включается в себя сумматор, детектор, усилитель и динамик схемы терменвокса.
Получается упрощенная схема терменвокса, основная разница только в частоте применяемых генераторов и отсутствии улучшающих характеристики дополнительных элементов, которые и в первых терменовоксах тоже отсутствовали. С целью модернизации первого приемника для изготовления из его гетеродина управляемого генератора с частотой от 1390 до 1413 кГц я разобрал приемник, который будет излучать сигнал, отвинтил шурупы и снял корпус. Нашел конденсатор переменной емкости (белый конденсатор на фото). Затем включил этот радиоприемник, с помощью тюнера нашел станцию в АМ диапазоне (диапазон средних волн с амплитудной модуляцией сигнала), установил нормальную громкость звука, начал искать контакт конденсатора, который с помощью проводов соединен с «Гетеродином». Его можно было найти, прикасаясь пальцем, или пальцем через любой другой предмет, проводящий электрический ток, в моем случае через металлическую отвертку. Если контакт соединен с генератором, то частота очень сильно изменяется и звук изменится или пропадет. Выключил приемник. Подпаял к найденному контакту конденсатора переменной емкости антенну, предварительно отсоединив ее от входного контакта к которому она была присоединена, затем собрал приемник в корпус. Таким образом у меня получился управляемый генератор, основная часть терменвокса.
Из измерительной лаборатории я на время взял сигнальный генератор, это цифровой синтезатор частот. Я буду использовать его в качестве второго высокочастного генератора постоянной частоты, настроив его на частоту в диапазоне работы гетеродина первого приемника, которая, как я выяснил 1413 кГц. В качестве второго радиоприемника я использовал подаренный мне цифровой портативный радиоприемник, имеющий рабочий диапазон средних волн с амплитудной модуляцией (АМ), позволяющий точно настроить его на частоту приема 1413 кГц.
Изучив инструкцию лабораторного генератора я включил его и установил на его выходе синусоидальный сигал частотой 1413 кГц, амплитудой 6 Вольт. К выходу генератора, в качестве излучающей антенны, я подключил небольшой, примерно 50 см в длину, отрезок провода. Затем я включил первый и второй приемники. Второй приемник настроил цифровым регулятором на прием частоты 1413 кГц, поставив ручку громкости в среднее положение. На первом приемнике я выдвинул для удобства работы антенну на длину примерно 70 см, убрал громкость на минимум, ручкой «тюнер», сначала грубо, в диапазоне СВ (АМ) настроил на частоту 1413 кГц, затем медленно тюнером нашел точно эту частоту по звуку во втором приемнике, одновременно приближая и убирая руку от антенны первого. После этого, убрав руку от антенны тюнером добился нулевых биений, это когда частоты высокочастотных генераторов совпадают и звуковой сигнал отсутствует, затем поднося руку к антенне и регулируя громкость добился оптимальной для работы громкости. Иногда, при необходимости нужно изменить положение излучающей антенны постоянного генератора в пространстве для обеспечения примерного равенства амплитуд сигналов высокочастотных генераторов на входе второго приемника, это одно из необходимых условий для работы устройства (примерное равенство амплитуд гармонических сигналов на сумматоре). Таким образом я собрал настоящий терменвокс.
Это нетактильный музыкальный инструмент, к нему не нужно прикасаться, чтобы сыграть какую-нибудь мелодию.
Рис.3 Простейший терменвокс, собранный Лохматовым В.В. (октябрь 2020 г.)
Я решил потренироваться играть на нем, и у меня получилось!
Рис.4. Апробация простейшего терменвокса, собранного Лохматовым В.В. (октябрь 2020 г.)
Но музыкальным инструментом заинтересовался похоже не только я…
Рис. 5. Апробация простейшего терменвокса, собранного Лохматовым В.В. (октябрь 2020 г.)
Я попробовал исполнять различные мелодии, простейший терменвокс намного уступает студийному (профессиональному) терменвоксу по качеству звучания, но для меня было очень важным то, что я смог изучить принципы работы терменвокса и сам собрал простейший терменвокс.
2.2.Перспективы использования терменвокса и его модифицированных аналогов
Терменвокс музыкальный инструмент, позволяющий исполнять очень красивую музыку, но помимо его отличных музыкальных характеристик, применение терменвокса позволяет людям с ограниченными возможностями здоровья, развивать свой речевой, слуховой и зрительный аппараты.
По статистике, на конец 2020 года в России официально зарегистрировано 12,1 миллиона людей с ограниченными возможностям здоровья, это 8,4 % от численности населения страны, более половины имеют врожденные дефекты речи или голоса, слуха или зрения и каждый третий это ребёнок.
Многолетней практикой доказано, что беспроводные и нетактильные технологии взаимодействия способны помогать терапевтически, в реабилитации и социализации людей с проблемами координации, голосового, речевого, слухового, а также и зрительного аппарата.
Среди комплексных систем - аналогов терменвокса можно выделить:
Интерактивный киберкомплекс Термена (Mini IR Theremin) – «прибор, который управляет звуком за счёт использования различных светодиодов и инфракрасных датчиков, которые имеют измерительную волновую систему обнаружения (как далеко рука исполнителя находится от прибора «терменвокс», который в свою очередь производит разные тона, высота которых напрямую зависит от расстояния руки исполнителя)»[8].
Лазерная арфа (LaserHarpcontroller) – данный прибор работает по принципу подачи сигналов от прикосновения к одному или нескольким лазерным лучам. «Сигналы поступают на контроллер, который отдаёт команды взаимодействующим с компьютером аудиоустройствам (звуковая карта, семплер, MIDI-usb, синтезатор). Затем звучание передаётся в динамики. Гибкое устройство «Лазерной арфы» позволяет задавать программы на воспроизведение любого вида аудио или видео, а также даёт возможность показывать огромный спектр визуальных эффектов и красочных образов»[8].
Киберсреда OptiMusek - интерактивная светолучевая мультипроцессорная киберсреда «OptiMusek», позволяющая развивать речевой, слуховой и зрительный аппараты.
Киберсреда Opti-illusion - мультимедийная система повышающая уровень самосознания, рефлексии, способствующая развитию зрительного и слухового восприятия и ориентировки в пространстве, что может обеспечивает самореализацию в профессиональной деятельности. Эта интерактивная учебная система обладает широким диапазоном возможностей использования в процессе предпрофильной подготовки и профильного обучения участвующих (детей) с нарушениями зрения. У обучающихся происходит развитие музыкального слуха, чувства ритма, формирование профессиональных компетенций музыканта-исполнителя.
Основа применения подобных многофункциональных мультимедийных систем – «комплекс программ имеющих не только музыкально-развлекательный и релаксационно-зрелищный потенциал, но в первую очередь художественно-творческие, медиаобразовательные, арт-терапевтические и реабилитационные возможности для людей (детей) с разноформатными ограничениями возможностей здоровья»[10].
В 2001 году в соответствии с триединой природе мышления (интуитивное, эмоциональное, логическое) была создана «трехсекционная структура межзвездного радиопослания, состоящая из зондирующего сигнала с легко «угадываемыми» входными параметрами, вариациями частоты, отображающими эмоциональный мир и художественные образы, и манипуляциями частоты для отображения логических построений — алгоритмов, теорий, накопленных знаний о себе самих и окружающем мире. Аналоговая часть послания - терменвокс-концерт, а цифровая содержала — 28 бинарных изображений и текстов»[5].
Секция 1 представляла собой когерентный радиосигнал с медленной доплеровской перестройкой длины волны, имитирующий передачу от центра Солнца. Этот сигнал был передан для того, чтобы помочь инопланетянам обнаружить послание и диагностировать эффект распространения радиоволн в межзвездной среде.
Секция 2 содержала аналоговую информацию и представляла собой музыкальные мелодии, выполненные на терменвоксе. Этот электронный музыкальный инструмент производит квазимонохроматический сигнал, который легко обнаружить на межзвездных расстояниях. Было исполнены семь музыкальных композиций составивших 1-й Терменвокс-концерт для внеземных цивилизаций.
Секция 3 представляла бинарную информацию: логотип Послания, приветствие на русском и английском языках и глоссарий.
29 августа 2001 года во время первого сеанса «радиопередачи звезде HD 197076 в созвездии Дельфин были отправлены следующие музыкальные композиции: романс Е.Шашина на слова М.Ю. Лермонтова «Выхожу один я на дорогу», Бетховен. Фрагмент финала 9-й симфонии на слова оды Шиллера «К радости», Вивальди. «Времена года. Март». Аллегро, Сен-Санс. «Лебедь», Рахманинов С.В. Вокализ, Гершвин Джордж. Summertime (Лето), Русская народная песня «Калинка-Малинка»»[5].
Всего состоялось шесть сеансов передачи межзвездного радиопослания.
Терменвокс предназначен для исполнения любых музыкальных произведений и создания различных звуковых эффектов (пение птиц, свист и т.п.), которые могут найти применение при озвучивании фильмов, в театральных постановках, цирковых программах. После окончания высшего учебного заведения я планирую профессионально обучиться игре на терменвоксе, помимо спорта это будет моим любимым хобби.
Заключение
В ходе выполнения научной работы я исследовал вопросы формирования электромагнитного поля и выявил, что в любой системе отсчета электрическое поле существует всегда вокруг электрического заряда, магнитное поле образуется в той системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся, а электромагнитное поле существует в системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся с ускорением.
Исследованием вопросов формирования электромагнитного поля и его составляющих занимались следующие ученые: Ломоносов М.В., Рихман Г.В., Кулон Ш.О., Дивиш П., Вольта А., Эрстед Х.К, Ампер А., Фарадей М. Гельмгольц Г., Друде П., Лоренц Г., Ньютон И., Декарт Р., Максвелл Д.К., Герц Г., Попов А.С., Ван дер Пол Б.
С использованием принципов электромагнитного поля были созданы электромузыкальные инструменты, такие как: телармониум, терменвокс, синтезатор, синтезатор «АНС», синтезатор Муга, музыкальная рабочая станция, вокодер, волны Мартено (электрофон), драммашина, лазерная арфа, тэнори-он.
В марте 2020 года я побывал на лекции Петра Термена - правнука изобретателя терменовокса Льва Термена, попробовал играть на терменвоксе и решил изготовить терменвокс самостоятельно, для этого я изучил патент на изготовление терменвокса SU 10485063, выданный Государственным комитетом СССР по делам изобретений и регистрации открытий, рассмотрел принципиальную схему терменвокса, собрал и изготовил простейший терменвокс.
Качество звучания самодельного термевокса существенно хуже, чем у профессионального музыкального инструмента, но для меня было важным самостоятельно собрать терменвокс и изучить принципы его работы.
В настоящее время разработаны модифицированные аналоги терменвокса: интерактивный киберкомплекс Термена (Mini IR Theremin), лазерная арфа (LaserHarpcontroller), киберсреда OptiMusek, киберсреда Opti-illusion, применение которых позволяет людям с ограниченными возможностями развивать свой речевой, слуховой и зрительный аппарат. Терменвокс активно используется как музыкальный инструмент при исполнении музыкальных произведений и создании различных звуков. Терменвокс использовали для записи межзвездного радиопослания для осуществления контактов со внеземными цивилизациями.
Таким образом, в ходе написания работы, теоретического анализа научных, учебных, справочных источников получены следующие результаты и сделаны следующие выводы:
изучены принципы формирования электромагнитного поля;
рассмотрены простейшие электромузыкальные инструменты;
на основе патента, выданного Л.С. Термену изготовлен простейший терменвокс,
рассмотрены перспективы использования терменвокса и его модифицированных аналогов для реабилитации людей с ограниченными возможностями и совершенствования деятельности их слуховых, речевых и зрительных аппаратов и как музыкального инструмента.
Цель, поставленная в работе была достигнута, задачи полностью выполнены.
Библиографический список
1.Алексеев, Н.И. Электромагнитная индукция / Н.И. Алексеев, А.В, Крацов. М. Наука. 2012. 120 с.
2.Ацюковский, В.А. Начала эфиродинамического естествознания / В.А. Ацюковский, Книга 4. Эфиродинамические основы электромагнитных и оптических явлений. М.: Петит. 2020. 320 с.
3.Гуреева О.И. Идентификация Термена / О.И. Гуреева, журнал «Компоненты и технологии», № 7, 2006 с.3-10.
4.Дуков, В.М. Из истории физики / В.М. Дуков, Журнал «Успехи физических наук», апрель 1953 г., с.569-599.
5.Зайцев, А.А. Первое музыкальное радиопослание к звездам / А.А. Зайцев, Журнал «Радиотехника и электроника», 2008, № 9, том 53, с.1169-1175.
6.Карякин, Н.И. Краткий справочник по физике / Н.И. Карякин, К.Н. Быстров, П.С. Киреев, Издательство «Высшая школа». 1964, 578 с.
7.Кокин, Л. История о том, как из электроизмерительного прибора родилась электромузыка / Л.Кокин, Наука и жизнь, 1967, № 12, с.130-138.
8.Маченин А.А. Мультимедийная художественная терапевтическая и образовательно интеграционная невербальная киберсреда музыки и физики Л.С. Термена / А.А. Маченин, Журнал Медиаобразование. Media Education. 2015. № 3. с.92-104.
9.Скляров, М.А. Возникновение и развитие теории электромагнитного поля / М.А. Скляров, О.С. Оболонская, О.Ю. Лапшакова. Журнал «Знание» № 11-1, 2018, с.74-85.
10.Степанский П.В. Бесконтактная система формирования акустических сигналов / П.В. Степанский. Материалы XII Международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», Севастополь, 14 -18 ноября 2016 года.
11.Термен, Л.С. Описание изобретения SU 1048503, авторское свидетельство выдано Государственным комитетом СССР по делам изобретений и открытий. М.: Издательство Патент. 1982. 5 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рис. 1. Греческий философ Фалес Милетский (640/624 -548/545 до н.э.)
Рис. 2. Пастух Магнес на склоне горы Ида
Рис. 3. Развалины древнего города Магнесия (Турция)
Рис.4. Алессандро Вольта (1745-1827) Рис.5. Вольтов столб
Рис. 6. Ханс Кристиан Эрстед (1777 – 1851)
Рис. 7. Андре Ампер (1775 – 1836)
Рис. 8. Схема образования магнитного поля токонесущего проводника
Рис. 9. Майкл Фарадей (1791-1867)
Рис. 10. Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1791-1867)
Рис. 11. Пауль Кард Людвиг Друде (1863-1906)
Рис. 12. Гендрик (Хендрик) Антон Лоренц (1853-1928)
Рис. 13. Исаак Ньютон (1642-1727)
Рис. 14. Рене Декарт (1596-1650)
Рис. 15. Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879)
Рис. 16. Генрих Рудольф Герц (1857-1894)
Рис. 17. Александр Степанович Попов (1859-1905)
Рис. 18. Первый электромузыкальный инструмент – телармониум (изобретатель Тадеуш Кахилл)
Рис. 19. Лев Термен играет на терменвоксе
Рис. 20. Петр Термен (правнук Льва Термена) показывает действие терменвокса (Тверь, март 2020)
Рис. 21. Петр Термен (правнук Льва Термена) показывает действие терменвокса (Тверь, март 2020)
Рис. 22. Синтезатор с аналоговым моделированием Access Virus Ti Polar
Рис. 23. Синтезатор «АНС»
Рис. 24. Синтезатор Муга
Рис. 25. Музыкальная рабочая станция
Рис. 26. Принципиальная схема вокодера
Рис. 27. Электрофон Мартено
Рис. 28. Драм-машина
Рис. 29. Лазерная арфа
Рис. 30. Тэнори-он
Рис. 31. Гетеродин для изготовления простейшего терменвокса
Рис. 32. График зависимости смещения от времени
Рис. 33. Формула частоты колебаний
Рис. 34. Балтазар Ван дер Пол (1889-1959)