V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электричество в музыке или как рождается звук в электронных инструментах
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение. Обоснование проекта.
Я посещаю занятия в музыкальной школе. Часто я слышу игру на различных музыкальных инструментах. В одних инструментах звук зарождается в струнах – это гитара, скрипка, балалайка и всем известный рояль. В других инструментах звуки появляется благодаря удару друг об друга различных материалов – это барабан, ложки, бубен. В гармони, баяне, трубе, флейте звуки появляются благодаря воздуху, который проходит через маленькие отверстия. А от чего же звуки появляются в электрических музыкальных инструментах, что же в них звучит? И кто первый догадался использовать электричество в музыке? Эти вопросы заинтересовали меня и я решил найти на них ответ.
Гипотеза:
Звук это механические колебания в слуховом диапазоне частот воспринимаемых человеком, распространяющиеся в упругой среде.
В электронных музыкальных инструментах воспроизводятся электромагнитные колебания звукового диапазона, которые затем передаются на динамик и превращаются в механические колебания той же частоты.
Цели:
Исследовать, как зарождается звук.
Изучить историю создания первого электронного музыкального инструмента Терменвокса.
Исследовать принцип получения «электронного» звука.
Задачи проекта:
На основе изучения терменвокса гениального изобретателя Льва Сергеевича Термена и исследований принципа его действия создать простейшую действующую модель этого музыкального инструмента для демонстрации на уроках технического творчества.
Познакомить своих одноклассников с гениальным российским инженером-электротехником, изобретателем и музыкантом Львом Сергеевичем Терменом, чье имя современные ученые ставят в один ряд с великим Леонардо да Винчи. * [1]
На основании исследований принципа получения «электронного» звука, собрать из элементов конструктора «Знаток» простейшую модель музыкального синтезатора для демонстрации на уроках технического творчества.
II. Основная часть:
Что такое звук?
Это колебания твердой, жидкой или газообразной среды, которые воспринимаются человеческим ухом.
В подтверждении тому следующие два опыта:
Опыт 1: Поднесите руку ко рту и попробуйте, пропеть букву А. Вы кожей ладони почувствуете колебания воздуха. И чем громче звук, тем сильнее будут колебания.
Опыт 2: Привяжите к бечевке железную ложку. Концы бечевки поместите в уши и постучите ложкой о стол. Вы услышите громкий звон, который передается через колебание бечевки.
Вывод: следовательно, что бы воспроизвести звук необходимо привести в колебание твердую, жидкую или газообразную среду с частотой воспринимаемой человеческим ухом. Для этого нужны источники звука. В моих опытах этими источниками являются голосовые связки, которые воспроизводят звук подобно струне, и металлическая ложка.
* Леона́рдо ди сер Пье́ро да Ви́нчи, итальянский художник, изобретатель, писатель, музыкант, яркий пример «универсального человека», чьи интеллектуальные способности, интересы и деятельность не ограничены одной областью знаний и единственной областью их применении.
В учебнике физики 8 класса я выяснил: звук это механические колебания в диапазоне от 16 Герц до 20 000 герц, распространяющиеся в упругой среде. Эти колебания, достигнув уха, действуют на барабанную перепонку, приводя ее в колебательное движение. Мы слышим звук. Восприятие звука у каждого человека индивидуально и меняется с возрастом. Науку - изучающую звуки называют Акустикой.
2. Электрические и электронные музыкальные инструменты – в чем разница?
Существует два вида электрических музыкальных инструментов. Это электро - механические музыкальные инструменты. В этих инструментах звук появляется таким же способом, как и в обычных музыкальных инструментах. А затем усиливается электрическим усилителем и воспроизводится с помощью динамика. Такими инструментами являются, например, электрогитара. В ней колеблются обычные струны, механические колебания которых превращаются в электрический ток, усиливаются и передаются на громкоговоритель, который обратно преобразует электрические сигналы в механические колебания - звук. О таких инструментах я не буду рассказывать, так как они по своей сути близки к обычным.
Другой же вид музыкальных инструментов называется электронными. В таких музыкальных инструментах звук создается электронными методами. Об одном из первых музыкальных инструментах в мире я и хочу рассказать. Так же я планирую создать действующую модель данного музыкального инструмента. Еще мы рассмотрим принцип действия электрического синтезатора.
3. Лев Сергеевич Термен и его изобретение
Одним из первых электронных инструментов был инструмент, который называется Терменвокс. Он получил свое название в честь его изобретателя Льва Сергеевича Термена. Лев Термен - великий русский ученый – физик, основоположник электронной музыки.
Лев Сергеевич Термен родился 28 августа 1896 года, прожил до глубокой старости и умер в возрасте 97 - лет несмотря на то, что прожил тяжелую жизнь, его гноили и травили в ссылках. Термен шутил, что он бессмертен и предлагал прочитать его фамилию наоборот «Термен — не мрет». [2]
Имя Л.С. Термена ставят в один ряд с гениальным Леонардо да Винчи. Термен изобрел первый в мире электронный музыкальный инструмент – терменвокс, а также первую в мире телевизионную установку – дальновидение, разработал охранную сигнализацию и «Буран» - уникальную систему подслушивания, работал над системой распознавания речи, технологией заморозки человека, работал в КБ Королева. Его первые безпилотники и радиобуи для военно-морских операций использовались уже во время Великой отечественной войны.
В 1919 году в Питере физик Абрам Иоффе изучал свойства газов. Ему нужно было радиотехническое устройство для очень точных измерений и он пригласил на работу Льва Термена. [3]
Изначально установка Термена представляла генератор электрический колебаний. Исследуемый газ помещали в полость между металлическими пластинами воздушного конденсатора, тем самым он становился элементом колебательного контура и влиял на частоту электрических колебаний. Далее Термен объединил два генератора, один из которых давал колебания переменной частоты, а на другом частота не менялась. Сигналы от двух генераторов подавались на устройство – смеситель. После такой переделки прибор стал издавать звуки. Прибор оказался очень чувствительным и реагировал на малейшие изменения емкости колебательного контура, вызванные движением руки человека. С изменением емкости менялась частота звука, т.е. звук возникал при движении руки человека.
Термен был музыкантом, поэтому он подобрал музыку и в ноябре 1920 года дал свой первый концерт. Музыка, исполненная на терменвоксе поражала современников, ее называли «музыкой эфирных волн» и «музыкой сфер» выросшей из далеких времен и пространств.
4. Принцип работы терменвокса
Принцип действия терменвокса основан на внесении емкости тела исполнителя в колебательный контур генератора, соединенного с антенной, что приводит к изменению его частоты. Сигнал этого генератора смешивается с сигналом второго генератора. Его частота выбирается таким образом, что равенство частот, то есть тишина, получаются, когда рука исполнителя находится вблизи антенны, так, что удаляясь от антенны, мы получаем на выходе смесителя сигнал все возрастающей частоты, лежащий в звуковом диапазоне. Подав этот сигнал на усилитель и динамик, мы получаем звуки разной тональности, двигая рукой около антенны.
Схема 1
Принцип работы терменвокса [ 2,3 ]
У терменвокса имеется еще один генератор, соединенный со второй антенной. Сигнал с этого генератора управляет громкостью звука.
Терменвокс является одним из самых сложных музыкальных инструментов для изучения в мире. Музыканту, который играет на этом музыкальном инструменте требуется идеальный слух, в отличии от других музыкальных инструментов, в которых музыканту помогает мышечная память. Поэтому очень редкие исполнители на терменвоксе играют чисто, точно попадая в ноты. Ведь когда играешь на таком инструменте, нужно по возможности попасть в ноту сразу, а какая нота прозвучит на терменвоксе из тишины, неизвестно никому.
5. Создание упрощенной действующей модели терменвокса
В своей исследовательской работе я решил изготовить упрощенную действующую модель терменвокса. Данная модель будет демонстрировать основные принципы работы терменвокса и служить для демонстрации его работы на уроках физики.
Рисунок 1
Электрическая схема упрощенной модели терменвокса
Схема, которую я использовал в своей работе, изображена на рисунке 1. Я нашел ее в интернете в свободном доступе.
Состоит она из двух генераторов: это микросхемы DD1 и DD2. Их сигналы поступают на смеситель - это микросхема DD3. Микросхемы DD1 и DD2. Изначально оба генератора, собранные по схеме мультивибраторов, настроены на одинаковую частоту и на выходе смесителя, задача которого состоит в том, чтобы вычитать частоту одного генератора из частоты другого, ничего нет – звука нет. А теперь обратите внимание на антенну, которая подключена к верхнему по схеме генератору Частота генератора достаточно высокая, и он запросто «чувствует» поднесенную к этой антенне руку. Чем ближе мы подносим руку, тем сильнее изменяется частота генератора. Таким образом, приближая и удаляя руку от антенны, мы сможем извлекать звуки того или иного тон.
6. Упрощенная действующая модель музыкального синтезатора и принцип ее действия.
После того как я разобрался в устройстве первого музыкального инструмента, мне стало интересно, как же работают современные электронные музыкальные инструменты, например синтезатор.
Схема 2
Блок схема клавишного музыкального синтезатора
Схематично устройство музыкального синтезатора можно разделить на блоки. Главную функцию выполняют генераторы тона, на рисунке я изобразил только три генератора. На самом же деле их столько, сколько нот должен играть музыкальный инструмент. Когда исполнитель нажимает на какую-нибудь клавишу музыкального инструмента, включается соответствующий этой клавише генератор. Каждый генератор настраивается во время настройки инструмента на определенную частоту, соответствующую определенной ноте. Например, для ноты ЛЯ первой октавы эта частота будет равна 440 герц. Что это значит? А это значит, что ток вырабатываемый этим генератором совершит 440 колебаний в секунду. Именно столько колебаний в секунду совершает и струна гитары, когда мы попробуем сыграть на ней ноту ЛЯ первой октавы. Если ток с этого генератора направить сразу на головку громкоговорителя, то мы услышим звучание этой ноты. Но громкость будет недостаточна. Задача генераторов заключается только в создании колебаний.
Следующим блоком музыкального инструмента после генератора является смеситель. В нем все колебания объединяются вместе. В нем так же есть функции, которые в простейших моделях может отсутствовать. Они позволяют придать каждой ноте определенный оттенок. Заставить музыкальный инструмент звучать как, например, гармонь или гитара, а так же придать звукам множество разных эффектов. После смесителя звук поступает на усилитель мощности и на динамик.
Во время подготовки этой работы самостоятельно изготовил один из генераторов при помощи деталей, входящих в набор радио конструктора «Знаток». Свой генератор я построил по схеме мультивибратора.
Рисунок 2
Электрическая схема мультивибратора
Отличие мультивибратора от других генераторов, это то, что он генерирует сигналы прямоугольной формы. Для профессиональных музыкальных инструментов применяются более сложные генераторы, генерирующие сигнал синусоидальной формы. Более чистый на слух. Отличие синусоиды от прямоугольного сигнала я показал на рисунке 3.
Рисунок 3
При помощи осцилографа, мне удалось «заглянуть» внутрь электрической схемы и своими глазами увидеть формы сигнала, которые создают мои генераторы в терменвоксе и генератор на двух транзисторах.
фото 1
Осцилограф – это прибор, который позволяет представить электрические колебания в виде графика. Сигналы от моей модели терменвокса и генератора на двух транзисторах далеки от идеального графика который дают настоящие музыкальные инструменты.
фото 2
В дальнейшем я буду усовершенствовать свою модель терменвокса, поставлю еще один генератор со второй антенной. В будущем думаю использовать свою модель терменвокса в театральной студии.
Заключение
В своей работе я исследовал, как зарождается звук, изучил историю создания первого электронного музыкального инструмента терменвокса и исследовал принцип получения «электронного» звука.
В плане исследования терменвокса и принципа его работы, я вместе с родителями побывал на лекции - встрече с правнуком Льва Термена, Петром Терменом. Мне даже удалось с помощью Петра Термена сыграть на настоящем терменвоксе.
На основе изучения терменвокса гениального изобретателя Льва Сергеевича Термена и исследований принципа его действия собрал простейшую действующую модель этого музыкального инструмента и показал его на уроках физики и уроках технического творчества в школе.
Познакомил своих одноклассников с гениальным российским инженером-электротехником, изобретателем и музыкантом Львом Сергеевичем Терменом и они вместе со мной испытали гордость за нашего соотечественника.
На основании исследований принципа получения «электронного» звука, собрал из элементов конструктора «Знаток» простейшую модель музыкального синтезатора (мультивибратора) и также показал ее на уроках технического творчества.
В дальнейшем, используя цифровую лабораторию в школе, планирую исследовать свои модели и построить графики колебаний на генераторах и смесители модели терменвокса при изменении положений рук.
V. БИБЛИОГРАФИЯ:
Борисов В. Г. Юный радиолюбитель. 7-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь
Борисов В. Г. Знай радиоприемник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: ДОСААФ, 1986.
Борисов В. Г., Фролов В. В. Измерительная лаборатория начинающего радиолюбителя. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь,
Борисов В. Г., Партин А. С. Введение в цифровую технику. М.: Радио и связь, 1987. — (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1105).
Борисов В. Г. Практикум значкиста «Юный радиолюбитель». М.: ДОСААФ, 1975.
Борисов В. Г. Почему замолчал приемник? Массовая радиобиблиотека, вып. 676. — М.: Энергия, 1969.
Кокин Л. М. История о том, как из электроизмерительного прибора родилась электромузыка // Наука и жизнь : журнал. — 1967. — № 12. — С. 130—138.
Королев Л. Терменвокс.- Радио, 2005, № 8, с.48-51; № 9, с.48-51.
ru.wikipedia.org Википедия – свободная интернет инциклопедия.
http://cxem.net/ Паяльник – сайт по схемотехнике.