III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ТЕРМЕНВОКС — ПОИСТИНЕ ЭЛЕКТРОННАЯ МУЗЫКА.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В научно-практической работе мы решили рассмотреть тему: «Терменвокс — поистине электронная музыка». Физика и музыка.Физика считается точной наукой, а музыка - это что-то более возвышенное, создающее настроение. Многим людям невдомёк, что между физикой и музыкой очень много общих точек соприкосновения.История создания музыкальных инструментов уходит корнями в историю человечества. Ещё первобытные люди стали прислушиваться к окружающим их звукам и пытаться их повторить сначала на слух, а затем на приборах, которые сами стали создавать. Люди стали изобретать и конструировать различные приборы, которые повторяли звуки, возникающие в окружающем их мире. Музыкальные инструменты с каждым годом совершенствовались, видоизменялись по форме и по звучанию. В наше время музыка – это искусство, которое совершенствуется с развитием законов физики. С помощью науки были изготовлены электрические инструменты:терменвоксы, электрогитары, синтезаторы, пианино, барабанные установки и многие другие.
Терменвокс — true электронная музыка вот уже почти 100 лет. И, как ни странно, о нём мало кто знает — и ещё меньше людей умеют на нём играть. Возможно, свою роль играет некоторая сложность с нотами, которую при желании очень легко решить…
В своей научно-практической работе мы поставили цель:изучить и собрать один из видов музыкальных инструментов, который был создан в прошлом веке с точки зрения физики.
Для достижения этой цели нам необходимо решить следующие задачи:
- изучить литературу о конструкторе Льве Сергеевиче Термене;
- изучить виды и принцип действия терменвокса;
-собрать терменвокс из радиодеталей.
При распространении звука необходима упругая среда. Распространяющиеся возмущения упругой среды называют упругими волнами. Волны бывают продольные и поперечные. Продольные волны могут распространяться во всех средах, а поперечные – только в твёрдых. Упругие волны с частотой от 16 Гц до 20кГц способны вызывать у человека слуховые ощущения и потому называются звуковыми. Волны с частотой меньше 16 Гц называются инфразвуком, а волны с частотой больше 20 кГц – ультразвуком. Изучению звука посвящена специальная область физики – акустика. В музыкальной акустике изучаются закономерности музыки в связи с её восприятием и исполнением; исследуются музыкальные инструменты, музыкальный слух и певческие голоса; разрабатываются вопросы акустики радиостудий, студий звукозаписи, стереофонической записи и воспроизведения звука.
Распространяющиеся в пространстве возмущения электромагнитного поля, называют электромагнитными волнами. Электромагнитные волны излучаются колеблющимися зарядами. При этом скорость движения таких зарядов меняется со временем, они движутся с ускорением. Наличие ускорения – главное условие излучения электромагнитных волн. Электромагнитная волна является поперечной. Электромагнитные волны могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме; преломляться, отражаться или поглощаться веществом.
Это связано с созданием механических и электронных музыкальных инструментов и приборов, которые человек применяет в своей жизнедеятельности.
1.1Выдающаяся личность – Лев Термен
Лев Сергеевич Термен российско-советско-американский учёный-физик, инженер и изобретатель. Родился 15 августа по-старому стилю - 28 августа по-новому - 1896 года в Санкт-Петербурге, Российская империя. Подданный Его Величества Императора Всероссийского, гражданин Советского Союза и Российской Федерации прежде всего известен как создатель уникального в своём роде оригинального электромузыкального инструмента с совершенно необычным звучанием, названного автором по своей фамилии "Терменвокс".Но на этом его достижения не заканчиваются...
В 1914 году Лев окончил Первую Петербургскую мужскую гимназию с серебряной медалью. Свои первые самостоятельные электротехнические опыты Термен проводил уже в годы своей гимназистской юности.
В 1916 году окончил Петербургскую консерваторию по классу виолончели, параллельно обучаясь на физико-математическом факультете Санкт-Петербургского университета. В университете Льву Термену довелось слушать лекции по физике приват-доцента А. Ф. Иоффе. Однако со второго курса университета в том же 1916 году его призвали в армию и направили на ускоренную подготовку в Николаевское инженерное училище. Потом были Офицерские электротехнические курсы. Будучи уже младшим офицером запасного электротехнического батальона, Лев Сергеевич обслуживал самую мощную в то время Царскосельскую радиостанцию под Петербургом.
И тут пришёл гегемон, Петербург стал Петроградом, а Лев Термен после Октябрьского переворота 1917 года продолжил работу на той же радиостанции, но позже был направлен на службу в московскую военную радиолабораторию.
В 1919 году Лев Термен стал заведующим лабораторией Петроградского физико-технического института. Его как специалиста по радиотехнике пригласил на работу к себе в институт А. Ф. Иоффе. Новому сотруднику была поставлена задача измерения диэлектрической постоянной газов при различных давлениях и температурах.
В 1924 году директор Физико-технического института профессор А. Ф. Иоффе предложил Л. С. Термену заняться разработкой техники для беспроводного "дальновидения". Телесценарист Александр Рохлин в книге «Так рождалось дальновидение» пишет, что в апреле 1963 года маршал Буденный рассказывал ему, как в 1926-м году смотрел «телевизор». Было это устройство строжайше засекречено и предназначалось для пограничных войск. Прежде чем отправить его на границу, решено было установить его в кабинете наркома обороны. Нарком пригласил к себе Буденного, и у них началась своеобразная игра. Техник-оператор наводил передающую камеру на посетителя, проходившего по двору наркомата, а они пытались угадать, кого показывают на экране. «Мы так возбудились, - вспоминал маршал, - что на первых порах не узнавали даже хорошо знакомых людей. Но так было только в первые минуты, а потом мы почти безошибочно стали узнавать, кого показывает оператор». Это устройство изобрёл Лев Термен.
Летом 1927 года во Франкфурте-на-Майне собиралась международная конференция по физике и электронике. Молодой Стране Советов нужно было достойно себя представить. И Термен со своим инструментом стал козырной картой российской делегации. В Четвертом управлении штаба РККА (разведка) решили, что талантливый инженер мог бы в Германии многое увидеть и услышать. Термена пригласили на беседу к главе военной разведки Яну Берзину, который представился ему Петерисом. Берзин объяснил собеседнику, что Германия представляет наибольшую опасность для СССР, и поставил вопросы, на которые после возвращения Термена хотел бы получить ответы. И вот молодой Лев Термен плывет на океанском лайнере "Мажестик" в Америку.
Поработать на советскую разведку в Германии у Льва Термена так и не получилось.
Мировая знаменитость скрипач ЙожефСигетти, плывший на том же теплоходе, обзавидовался гонорарам, которые предлагали Термену крупнейшие коммерсанты Америки за честь первыми услышать терменвокс. Но первый концерт изобретатель дал для прессы, ученых и известных музыкантов. Успех был впечатляющий, и с разрешения советских властей Термен основал в Нью-Йорке фирму-студию Teletouch по производству терменвоксов.
Дела пошли блестяще. Концерты Термена прошли в Чикаго, Детройте, Филадельфии, Кливленде, Бостоне. Тысячи американцев с энтузиазмом принялись учиться игре на терменвоксе.
Первое время доходы от выступлений позволяли Термену жить на широкую ногу. Он даже арендовал на 99 лет помещение в шестиэтажном доме на Западной 54-й улице в центре Нью-Йорка. Помимо личных апартаментов в нем разместились мастерская и студия. Здесь частенько Лев Сергеевич музицировал с Альбертом Эйнштейном: физик - на скрипке, изобретатель - на терменвоксе.
В 1933 году Соединенные Штаты установили дипотношения с СССР. В Вашингтоне появилось советское посольство, а в Нью-Йорке — консульство. И обосновавшиеся под их крышей сотрудники советских спецслужб начали проявлять интерес к знаменитому соотечественнику.
Для создания концертной программы Термен пригласил группу танцоров Афроамериканской балетной компании. Увы, добиться от них гармонии и точности не удалось, проект пришлось отложить. Но в этой труппе танцевала красавица-мулатка Лавиния Вильямс, которая покорила Льва Сергеевича не только как балерина, но и как женщина. Термен решил жениться. Ему и в голову не могло прийти, что брак с темнокожей женщиной в корне изменит его жизнь. Но, как только влюбленные зарегистрировали свой брак, перед Терменом закрылись двери многих домов в Нью-Йорке: Америка тогда еще не знала политкорректности. Долги Термена начали расти как на дрожжах. Он вспоминал, что, несмотря на все усилия, был постоянно должен от $20 тыс. до $40 тыс. Он потерял информаторов, что вызвало серьезное недовольство советской разведки. 15 сентября 1938 года, заранее оформив доверенность на имя совладельца компании TeletouchInc. Боба Зинмана распоряжаться его имуществом, патентными и финансовыми делами "в связи с тем, что я намерен уехать из штата Нью-Йорк". Термен исчезает. Под видом помощника капитана он поднялся на советское судно "Старый большевик". Трюмы корабля были набитыми лабораторными приборами Термена общим весом три тонны.
Термен не нашел работы в Ленинграде. Стал часто ездить в Москву, обивать пороги разных организаций, в том числе, подписавших ему в свое время командировку. Быстро надоел чиновникам: без жилья, с кораблем у причала, груженым какими-то приборами. Да еще с никому не нужными зарубежными контактами за плечами. В очередной его приезд в Москву, без всяких объяснений, 10 марта 1939 года сотрудники НКВД отвезли Термена в Бутырскую тюрьму. Очевидно, Термену помог его первый тюремный опыт. Он все отрицал, не путался в показаниях и стойко перенес пытку бессонницей, когда допросы продолжались без перерыва более суток, и, что удивительно, не дал обличительных показаний ни на кого из знакомых в СССР. Сами следователи ничего существенного собрать на него не смогли, и в итоге он был обвинён в причастности к фашистской организации – пригодилось сфабрикованное советской разведкой письмо, процитированное выше. Лев Термен получил 8 лет лагерей, которые ему предстояло отбывать на золотых приисках. Лагерный период продолжался где-то год. Как инженер, Термен возглавил бригаду из двадцати уголовников («политические ничего делать не хотели»). Изобретя «деревянный монорельс» (то есть предложив катать тачки не по грунту, а по деревянным желобам-направляющим), Термен зарекомендовал себя с лучшей стороны в глазах лагерного начальства: бригаде в три раза увеличили пайку, а самого Термена вскоре — в 1940 году - перевели в другое место — в Туполевскую авиационную «шарашку» в Москве, которая после начала войны переехала в Омск. Там Термен разрабатывал оборудование для радиоуправления беспилотными самолетами, радиолокационные системы, радиобуи для военно-морских операций. Затем его перевели в специализированную радиотехническую "шарашку". Триумфом Льва Сергеевича на новом поприще стала операция «Златоуст». В День Независимости, 4 июля 1945 года, американский посол в России АвереллГарриман получил в подарок от советских пионеров деревянное панно с изображением орла. Панно повесили в рабочем кабинете посла, после чего американские спецслужбы потеряли покой: началась загадочная утечка информации. Только 7 лет спустя они обнаружили внутри подарка пионеров загадочный полый металлический цилиндр с мембраной и торчащим из нее штырьком, после чего еще полтора года разгадывали его тайну. Не было ни источников питания, ни проводов, ни радиопередатчиков. Секрет заключался в следующем: на панно из дома напротив направлялся высокочастотный импульс. Мембрана цилиндра, колебавшаяся в такт речи, через стержень-антенну отражала его назад, на приемной стороне сигнал демодулировался. В марте 1991 года, в возрасте 95 лет, он вступил в КПСС. На вопрос, зачем он вступает в разваливающуюся партию, Термен отвечал: «Я обещал Ленину». После Америки он съездил еще в Нидерланды на фестиваль "Шенберг - Кандинский", а, вернувшись в Москву, застал в своей комнате в коммуналке полный разгром - поломанную мебель, разбитую аппаратуру, растоптанные записи. Видимо, кому-то из соседей сильно понадобилась его комната. Дочь забрала Льва Сергеевича к себе. Но жизненные силы его иссякли, и через несколько месяцев, 3 ноября 1993 года, Термен умер.
1.2. Изобретения Л. Термена
Лев Сергеевич Термен изобрел за свою жизнь немало музыкальных инструментов:
Терменвокс(см. глава 2).
Ритмикон - Огромные прозрачные колеса с нанесенным на них геометрическим рисунком вращались перед стробоскопической лампой. Как только музыкант изменял высоту звука, менялась частота вспышек стробоскопа и рисунки - зрелище получалось впечатляющее. Ну а фантастика начиналась, когда поднимались и опускались стены студии. Конечно, не по-настоящему, а с помощью игры света. Вскоре это изобретение приобрело название «цветомузыка».
Терпситон – «Инструмент, который рождал музыку из танца». По сути это разновидность терменвокса: звук создается не только руками, но и движениями всего тела, и название ему было дано соответствующее - терпситон - по имени богини танца Терпсихоры. При этом каждому звуку соответствовала лампа определенного цвета. Представляете, какое это было необычайное зрелище, потому что любое движение танцора отзывалось звуками и мерцанием разноцветных огней! Звуки терпстиона генерировались при движениях находившихся на нём танцоров.
Уникальную систему подслушивания "Буран" - она позволяла с расстояния 300-500 метров считывать с помощью отражённого инфракрасного луча вибрации стекла в окнах прослушиваемого помещения, в котором разговаривали люди, и преобразовывать эти колебания в звуки. Таким образом, с большого расстояния можно было услышать всё, о чём говорили за стеклом.
Первую в мире телевизионную установку – дальновидение.
А ещё работал над: системой распознавания речи, технологией заморозки человека, идентификацией голоса в криминалистике, военной гидроакусткой.
2.1. Описание терменвокса
Терменвокс (англ. Theremin или Thereminvox), изначально называвшийся этеротоном (звук из воздуха, эфира), - это первый в мире электромузыкальный инструмент, созданный в 1919 российским изобретателем с французскими корнями по имени Лев Сергеевич Термен. В 1919 году руководитель петроградского Физико-технического института Абрам Иоффе пригласил к себе на работу специалиста по радиотехнике Льва Сергеевича Термена. В его обязанности вменялось измерение диэлектрической постоянной газов при различных давлениях и температурах.
Вначале измерительная установка Термена представляла собой генератор электрических колебаний на катодной лампе. Испытуемый газ в полости между металлическими пластинами был элементом колебательного контура, собственно, являлся конденсатором, влияющим на частоту электрических колебаний. В процессе работы над повышением чувствительности установки возникла идея объединения двух генераторов, один из которых давал колебания определённой неизменной частоты. Сигналы от обоих генераторов подавались на катодное реле, на выходе которого формировался сигнал с разностной частотой. Относительное изменение разностной частоты от параметров испытуемого газа было намного больше. При этом, если разностная частота попадала в звуковой диапазон, то сигнал можно было принимать на слух.
Сверхчувствительный аппарат мгновенно реагировал на ничтожные изменения ёмкости колебательного контура, менявшейся от положения руки относительно антенн прибора, изменяя тем самым частоту выдаваемого звука. Оператор должен иметь если не абсолютный, то хотя бы музыкальный слух, то бишь быть всё-таки музыкантом. Вертикальная прямая антенна отвечает за тон звука, а горизонтальная подковообразная рулит громкостью. Исполнитель не касается инструмента руками, поэтому фиксированное положение рук для извлечения нужного звука (ноты) может быть исполнено только по слуху.
Электромагнитные волны регистрировались с помощью приёмного вибратора (резонатора), представляющего собой такое же устройство, как и излучающий вибратор. Под действием переменного электрического поля электромагнитные волны в приёмники возбуждали колебания тока. Если собственная частота приёмника совпадала с частотой электромагнитной волны, наблюдался резонанс. Колебания в резонаторе происходили с большой амплитудой при расположении его параллельно излучающему вибратору.
Инструмент предназначен для исполнения любых (классических, эстрадных, джазовых) музыкальных произведений в профессиональной и самодеятельной музыкальной практике, а также для создания различных звуковых эффектов (пение птиц, свист и др.), которые могут найти применение при озвучивании кинофильмов, в театральных постановках, цирковых программах. Сам Лев Термен считал, что самое удачное произведение для демонстрации возможностей терменвокса "Вокализ" С. Рахманинова. Как гласит Большая Советская Энциклопедия: "Терменвокс может звучать как скрипка, виолончель, флейта и так далее, где тембр звука определяется режимом работы генератора".
В ноябре 1920 года на заседании кружка механиков имени профессора Кирпичёва физик Термен дал свой первый концерт. В марте 1922 года Л.С. Термен и член коллегии Наркомпочтеля председатель Радиосовета А.М. Николаев приехали в Кремль к В.И. Ленину для показа инструмента. Термен после собственноручного исполнения "Этюда" Скрябина, "Лебедя" Сен-Санса стал помогать Ленину играть на терменвоксе "Жаворонка" Глинки и, заодно, стал продвигать свою разработку новой сигнализации, принцип работы коей был схож с работой терменвокса. Высоко оценив перспективы изобретения, Ленин написал записку наркомвоенмору Льву Троцкому: "Обсудить, нельзя ли уменьшить караулы кремлёвских курсантов посредством введения в Кремле электрической сигнализации? Один инженер, Термен, показывал нам в Кремле свои опыты...". В результате, несмотря на все трудности того времени, был подписан декрет о создании физико-технического отдела при Государственном рентгенологическом и радиологическом институте, где изобретатель продолжил свои исследования.
2.2. Виды терменвокса
Существует несколько разновидностей терменвокса, различающихся конструкцией. В настоящее время существуют как серийные так и мастеровые терменвоксы, а также существуют школы игры на нём. Если в первых моделях созданных самим Терменом, две антенны - левая рука управляет громкостью звука, а правая рука высотой, то в модернизированной конструкции высота звука по-прежнему регулируется правой рукой, но левая рука управляет общими характеристиками звука при помощи кнопочного манипулятора, громкость звука регулируется педалью.
Техникой игры на втором типе терменвокса виртуозно владел первый официальный исполнитель Константин Ковальский. Лев Дмитриевич Королёв ввел целый ряд принципиально новых решений и усовершенствований, благодаря которым терменвокс стал гораздо более удобным в обращении. Появился визуализатор пространственного грифа: шкала, на которой отображается высота звука, соответствующая положению руки. Это позволяет значительно легче по сравнению с прежними моделями найти нужную ноту, что очень важно в начале игры или при игре с ансамблем. Стабильность музыкального строя в модели Королева более не зависит от влажности, полностью отсутствуют уходы музыкального строя. Введено устройство выравнивания мензуры грифа, расширен набор тембров.
Итак, классический тип терменвокса - это первые "аристократические" модели, созданные самим Терменом. Управление звуком происходит в результате свободного перемещения рук исполнителя в электромагнитном поле вблизи двух металлических антенн. Исполнитель играет стоя. Изменение высоты звука достигается путём приближения руки к правой антенне, в то время как громкость звука управляется за счёт приближения другой руки к левой антенне. Именно эта модель терменвокса получила самое широкое распространение в мире и, безусловно, является уникальным оригинальным двуличным инструментом. Существует целый ряд фирм, производящих инструменты этого типа.
Было создано несколько концертных моделей: для Клары Рокмор - одной из первых учениц Льва Термена - и Люси Розен в Америке. Именно эти модели терменвокса получили самое широкое распространение в мире. В России Лев Термен создал несколько концертных моделей специально для Натальи Термен. Признанным в мире экспертом является исполнитель-виртуоз и родственница Льва Термена Лидия Кавина. Лидия Кавина и берлинский исполнитель Барбара Буххольц совместно создали международный проект "Touch! Don’tTouch!» в 2006 году, в рамках которого четыре российских и пять немецких композиторов сочиняли современную музыку для терменвокса.
2.3. Сборка и принцип действия терменвокса
Схема состоит из двух независимых генераторов на микросхемах К561ЛЕ9, каждая из которых содержит три логических элемента «3ИЛИ-НЕ». Частота генераторов – несколько сотен герц. Частота генератора на DD2 (нижний на схеме) устанавливается положением переменного резистора R2, частота генератора на DD1 (верхний) фиксированная. Сигналы с выходов обоих генераторов (10 вывод) через конденсаторы С4, С5 смешиваются и поступают на вход диодного детектора VD1, VD2 и далее на наушники. Человеческое ухо хорошо воспринимает звуки в диапазоне частот 20 – 20.000 герц, поэтому сигналы, вырабатываемые генераторами, в наушниках не слышны. При приближении частоты второго генератора к первой на несколько килогерц, детектор начинает выделять звуковой диапазон суммарной или разностной частоты. Слышимый в наушниках сигнал является биениями частот генераторов (в наушниках появляется высокий звук, уменьшающийся по частоте до нуля и вновь повышающийся до исчезновения). Частота первого генератора фиксированная, но на неё влияет ёмкость антенны, подключенной к входу генератора через конденсатор С1. Приближение/удаление руки к антенне изменяет её ёмкость и, соответственно, на небольшую величину частоту генератора, что отражается на звуке в наушниках. Оптимальное положение переменного резистора выбирается прослушиванием звука в наушниках и одновременным перемещением ладони к антенне и от неё.
Терменвокс состоит из: микросхема К561ЛЕ10 (2 шт.), панельки для микросхем (2 шт.),монтажная плата, детекторные диоды Д9 (2 шт.), конденсаторы: С1 – 390 пФ,С2, С3 – 15 пФ (2 шт.),С4, С5, С7, С8 – 1н (4 шт.),С6 – 47 МкФ,Переменный резистор R2 –, пластиковая ручка для переменного резистора, постоянные резисторы: R1, R3, наушники, гнездо для наушников, батарея питания 9В, разъём для батареи (красный – плюс), провод для антенны, монтажные провода.
Заключение
Подводя итоги в своей научно-практической работе хотелось бы сказать , что порой такие вещи как музыка и наука вполне совместимы и можно сказать , что при таком необычном синтезе мы получили прекрасный и уникальный по своей природе звучания музыкальный инструмент —терменвокс.
В ходе изучения и сборки термонвокса , также были достигнуты поставленные цели , такие как : изучение лиратуры о выдающимся конструкторе Льве Термене; Видов и принципов действия терменвокса; Сборка терменвокса из радиодеталей. Во время научно-исследовательской работы мы рассказали вам про прицнип работы термонвокса , про его строение и историю создания.
Список используемой литературы.
1. Глинский: Термен — Началомузыки и шпионаж. Университет Иллинойса, 2000.
2. М.И. Блудов «Беседы по физике».
3. ОгоЙоширо: Эссе Терменвокса: Его жизнь и электрический инструмент. Токио, 2005.
5. www.theremin/archive/thereminvox.html
6. www.eidos.kiam/group/theremin.html
16