ГРИФОВЫЙ ЭЛЕКТРОМУЗЫКАЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ, ГЕНЕРАТОР ТОНА, ОПТРОННАЯ ПЕДАЛЬ ГРОМКОСТИ
FINGER-BOARD ELECTROMUSICAL INSTRUMENT, TUNE OSCILLATOR AND OPTO-ISOLATOR LOUDNESS PEDAL

Уровень техники
Из музыкальной теории известно, что дл  гармонической полноты музыки требуетс  не менее четырех голосов. Поэтому инструменты, в которых одновременно могут звучать меньше четырех звуков, не считаютс  многоголосными. Наибольшее многоголосие возможно в таких многострунных инструментах как арфа, большие гусли, фортепиано при нажатой правой педали. В инструментах с незатухающими звуками, в том числе и в предлагаемом, многоголосие ограничиваетс  числом играющих пальцев, так как при сн тии пальца с клавиши или кнопки звук пропадает. Например, в органе наибольшее число голосов 12 - по 5 на каждую руку и еще два басовых в ножной клавиатуре.
Инструмент не имеет близких аналогов, а из далеких к нему ближе всех подходит гитара. В ней мало струн, но кажда  струна может дать до 20 звуков и более разной высоты в зависимости от лада, на котором она нажата. В инструменте роль струн играют генераторы измен емой звуковой частоты, а роль ладов - узкие кнопки, которые на грифе, внешне похожем на гитарный, собраны в пр мые цепочки, похожие на струны. Кажда  цепочка присоединена к своему генератору, на ней можно получить только один звук, как на гитарной струне. У гитары струны имеют разную толщину и издают разные звуки на общих ладах. Звуки эти образуют определенный строй, который в 6-струнной испанской гитаре и в 7-струнной русской различен.
Инструмент имеет 7 генераторов и соответственно - цепочек, но его строй не как у русской гитары, а расширенный скрипично-виолончельный, что увеличило общий диапазон инструмента до п ти октав. Чтобы показать, что гитара не близкий аналог инструмента, приведем здесь же и различи  между ними.
У гитары звуки затухающие, а у инструмента незатухающие - они включаютс  и выключаютс  только кнопками на грифе.
Права  рука, поэтому освобождаетс  от звукоизвлечени  и работает на грифе вместе с левой. Чтобы обеим рукам было одинаково удобно работать, гриф располагаетс  в плоскости симметрии сид щего исполнител  под углом 30° к вертикали, а руки подход т к нему с двух сторон.
У гитары лады неравномерные - сужаютс  с повышением звука, а в инструменте все кнопки одинаковые, удобные дл  пальцев по ширине.
У инструмента нет аналогов открытых струн на гитаре, так как генератор звучит только, когда нажата люба  кнопка в его цепочке. На гитаре открытые струны несколько увеличивают ее аккордовые возможности, но на инструменте втора  рука и удобна  ширина кнопок с лихвой перекрывают возможности гитары.
Но надо еще отметить достоинства, по вившиес  в инструменте благодар  тому, что его аналогом  вл етс  гитара. Она сама  проста  и дешева  из многоголосных инструментов и вз тый у нее принцип использовани  малого числа источников звука, легко переключаемых на разную высоту, позволил существенно упростить и удешевить предлагаемый инструмент.
Многоголосные инструменты следует оценивать не только по числу возможных голосов, но и по компактности мануала (игрового устройства дл  рук). Что это за показатель, проще всего объ снить на примере предлагаемого инструмента. В мануале в виде грифа с равномерными ладами компактность доведена до предела, диктуемого размерами подушечек пальцев - по ним выбраны и ширина кнопок, и рассто ние между соседними кнопочными цепочками. На каждой руке в игре участвуют четыре пальца (кроме большого), как в левой руке на гитаре. Если зафиксировать положение одной руки на грифе, то в пределах дос гаемости ее пальцев окажетс  около 50 кнопок, все с разными звуками. Получаетс , что четырьм  пальцами одной руки можно вз ть очень большое число различных аккордов, а в виртуозной игре сократить потребность в движени х рук.
По этому показателю гриф инструмента существенно превышает фортепианную клавиатуру, и она не была дл  него выбрана, хот  используетс  во всех современных многоголосных ЭМИ.
Пон тие певучести происходит от человеческого пени . Во врем  пени  от мозга человека идут непрерывные потоки нервной информации в голосовые св зки, в мышцы грудной клетки, диафрагмы, ротовой полости, носоглотки. Поэтому звук певческого голоса все врем  живет и дышит, что физически выражаетс  в непрерывном изменении его параметров - таком изменении, которое всегда производит впечатление красоты, какой бы характер ни носило исполн емое произведение. В этом про вл етс  душа человека, которую не может смоделировать ни один компьютер.
Музыкальный инструмент может считатьс  певучим в той мере, в какой он способен непрерывно принимать сигналы от мозга человека через его руки, ноги на педал х и измен ть в соответствии с этими сигналами параметры звука. В духовых инструментах сигналы также идут на дыхательные мышцы, губы,  зык, но мы оставим эти инструменты в стороне - они не многоголосные. Отметим еще, что сигналы от мозга к рукам не такие, как к голосовым св зкам - их исполнитель должен выработать в процессе обучени  игре.
Орган нельз  считать певучим инструментом, поскольку человек в нем может только включать звук нажатием клавиш и выключать отпусканием. Все струнные с затухающими звуками также нельз  считать певучими - в них есть воздействие на громкость, но оно не непрерывно, а происходит только в моменты возбуждени  струн. Ба н можно считать певучим, так как в нем производитс  непрерывное управление громкостью через левую руку, ведущую мех. Но управл етс  только один параметр звука, поэтому певучесть у ба на лишь частична . В смычковых инструментах, к которым относ тс  скрипка, альт, виолончель, контрабас, на грифах нет ладов. Поэтому управление высотой звука полностью отдано исполнителю, как у певца управление голосовыми св зками.
Но дело осложн етс  тем, что музыка основана на фиксированном звукор де и вс кое заметное отклонение от него воспринимаетс  антимузыкально и называетс  “фальшивой нотой”. Будущий исполнитель на любом смычковом инструменте должен изучить расположение воображаемых ладов на грифе сначала по слуху, а затем по дистанционной пам ти левой руки. Это трудно и заставл ет считать смычковые инструменты чисто профессиональными, поскольку они требуют систематических упражнений, чтобы навыки игры не уходили из рук.
Но удаление ладов в смычковых оправдываетс  тем, что кратковременные отклонени  от чистого звукор да с непременным возвращением к нему не только допустимы, а очень привлекательны дл  слуха и составл ют важный элемент певучести. Сюда относ тс  два исполнительских приема, доступные певческому голосу, смычковым инструментам и введенные в предлагаемый инструмент - вибраци  и глиссандо.
Вибрацией называютс  быстрые колебани  высоты звука с амплитудой отклонени  от чистого тона до 0,3 от минимального интервала в звукор де - полутона. Более широкий размах вибрационных колебаний вызывает уже ощущение антимузыкальности. В смычковых вибраци  получаетс  за счет колебаний кисти левой руки - при этом нажимающий струну палец перекатываетс  по ней и в некоторых пределах мен ет ее свободную длину.
Глиссандо - это плавный переход по высоте от одного звука к другому. В смычковых инструментах он делаетс  путем проскальзывани  пальца по струне. Глиссандо обычно занимает малое врем  по сравнению с длительностью св зываемых звуков. Слишком медленное глиссандо производит непри тное впечатление завывани .
На инструменте введение вибрации и глиссандо в услови х чистого звукор да, задаваемого кнопками, облегчаетс  требованием кратковременности отклонений высоты. Дл  получени  вибрации формируетс  электрический сигнал, пропорциональный силам инерции, которые возникают в кисти руки при ее колебани х. Этот сигнал проходит на специальный вход генератора и качает его частоту. Чтобы посто нна  часть силы, действующей от руки на кнопку, не искажала среднюю высоту звука, сигнал пропускаетс  через конденсатор подход щей емкости.
Глиссандо получаетс  при скольжении пальца по кнопкам одной цепочки. При этом частота генератора измен етс  ступеньками по полутонам. Если палец скользит с большой скоростью (но вполне соответствующей художественным мерам), то ступеньки сливаютс , и глиссандо на слух не отличаетс  от скрипичного или виолончельного. Если движение пальца медленнее, то ступеньки чувствуютс , и глиссандо получаетс  “ребристым”. Оно совсем не антимузыкально и может даже иметь художественный интерес. При медленном движении получаетс  не завывание, а хроматическа  гамма, котора  иногда встречаетс  в мелоди х и может быть исполнена движением одного пальца.
Последн   особенность инструмента, которую надо описывать в сопоставлении с другими инструментами, это выделение мелодии над аккомпанементом по громкости. Оно само по себе не  вл етс  элементом певучести, но помогает лучше услышать певучесть в мелодии. Выполн етс  оно тем же механизмом грифа.
Аккомпанемент всегда должен звучать тише мелодии, но если в многоголосном инструменте все одновременные звуки имеют одинаковую громкость, то аккомпанирующие аккорды из нескольких голосов будут заглушать мелодию. В струнных инструментах с затухающими звуками сам исполнитель в аккомпанементе ослабл ет удары по клавишам или щипки струн. В ба не лева  аккомпанементна  клавиатура устроена так, что всегда звучит слабее правой мелодической. В инструменте клавиатура одна и разделение звуков на мелодические и аккомпанементные происходит с участием исполнител . Оно определ етс  силой нажати  пальца на кнопку: если эта сила находитс  в пределах от 50 до 300 г, звук направл етс  в аккомпанементный канал, если больше 300 г - в мелодический, дл  которого верхний предел силы не устанавливаетс . Возможность четкой работы рук по такому разделению звуков обеспечиваетс  большим различием порогов - в 6 раз. Автор мог доказать эту возможность пока только личным примером - он научилс  играть на своих домашних макетах так, что смог записать сольную аудиокассету из несложных классических пьес.
Инструмент неожиданно показал певучие качества, лучшие, чем у его смычковых аналогов. Например, удалось создать педаль громкости с очень большим диапазоном ее изменени , недоступным большинству инструментов. Оказалось возможным хорошо играть на инструменте романсы, оперные арии, прот жные русские песни, требующие “широкого дыхани ”, то есть исполнени  звуков одновременно долгих, сильных и певучих.
Сущность инструмента
На фиг.1a, 1б изображено игровое поле грифа. Дл  сопоставлени  с размерами пальцев оно изображаетс  в натуральную величину, но при этом не помещаетс  на одном листе и разрезано на две фигуры между кнопками 12 и 13. Все кнопки имеют одинаковые размеры, но два разных цвета - светлый и темный, как белые и черные клавиши фортепиано. На светлых кнопках написаны ноты, которые на них берутс  (в действительности, таких надписей нет) и обозначени  октав: к - контроктава, б - больша , м - мала , далее октавы нумеруютс  с первой по четвертую. Высота звуков на секци х, содержащих каждую цепочку кнопок, увеличиваетс  на чертеже справа налево, а дл  сид щего за инструментом музыканта - слева направо, как на фортепиано.
В практике игры нужны обозначени  секций и дл  этого используютс  заглавные латинские буквы по прин тым в музыке буквенным обозначени м нот. В данном случае это ноты, берущиес  на первой кнопке каждой секции, счита  от головки грифа: ми - Е, л  - А, ре - D, соль - G, до - С, фа - F, си бемоль - В. Эти обозначени  выписаны на головке грифа в перевернутом виде, а исполнитель сверху видит их неперевернутыми.
Упом нутый ранее скрипично-виолончельный строй грифа состоит в том, что ноты, берущиес  начина  с 1-й кнопки на любой секции, кроме В, повтор ютс  на соседней более низкой секции, начина  с 8-й кнопки. При этом получаетс , что звуки на первых кнопках секций Е, А, D, G совпадают со звуками открытых струн скрипки ми, л , ре, соль, а звуки на третьих кнопках секций G - В совпадают со звуками открытых струн виолончели л , ре, соль, до. Выходит, что высотный диапазон инструмента охватывает диапазоны скрипки и виолончели. Всего в диапазоне инструмента 63 ноты, а кнопок 147, поэтому есть много нот, которые берутс  в трех местах грифа. Например, семь нот от до до фа-диез малой октавы можно вз ть на 1 - 7 кнопках секции С,на 8 - 14 кнопках секции F и на 15-21 кнопках секции В. Следующа  по высоте нота соль малой октавы и еще шесть нот до до-диез первой октавы берутс  на тех же кнопках в тройке секций G, С, F. И так далее до последней тройки Е, А, D. Следовательно, всего можно в трех местах брать 35 нот от до малой октавы до си-бемоль второй. На обоих кра х диапазона по 7 нот берутс  в двух местах и по 7 нот в одном месте.
Такое свойство грифа очень ценно, оно существенно повышает возможности и удобство игры. Об этом подробно говоритс  в самоучителе игры, который автором уже написан.
Ранее было сказано о большой, близкой к пределу компактности грифа, благодар  чему он был прин т в инструменте вместо фортепианной клавиатуры. Чтобы проиллюстрировать это убедительно, надо привести размеры игрового пол , которые оказались в игре очень удобными и вр д ли будут изменены.
Кажда  цепочка кнопок, присоединенна  к своему генератору, установлена на грифе в отдельной узкой и длинной коробке, котора  может независимо от других коробок перемещатьс  немного на упругих подвесах механизма под действием пальца, нажимающего любую кнопку, и передавать, таким образом, от руки к генератору информацию, придающую звуку певучесть. Ширина кнопок 4 мм, ширина верхней грани коробки, по оси которой расположены кнопки, 11 мм. Длина кнопок вдоль грифа 14 мм, число кнопок в каждой цепочке 21, поэтому обща  длина игрового пол  294 мм. На грифе 7 коробок, которые в сборе получили название тонреек, расположены они с просветами в 1 мм (на фиг.1 эти просветы показаны), поэтому рассто ни  между ос ми соседних цепочек равны 12 мм, а обща  ширина игрового пол  83 мм.
Когда выше было сказано, что при фиксированном положении руки на грифе ее пальцы могут охватить 50 кнопок, имелось в виду, что вдоль грифа указательный палец и мизинец могут охватить 7 кнопок почти без раст жени  руки, при этом рассто ние между ос ми подушечек пальцев будет 84 мм. Поперек же грифа все пальцы свободно достают кнопки на всех семи цепочках - рассто ние между крайними из них равно 72 мм. На площади, ограниченной семью кнопками, вдоль грифа на семи цепочках располагаютс  всего 49 охватываемых кнопок. Все они дают различные звуки, причем следующие друг за другом по единой хроматической гамме без пропусков, поэтому на них можно сыграть любую мелодию в любой тональности. Если же раст нуть указательный палец и мизинец еще на одну кнопку, то на двух соседних секци х (указательный на более высокой, мизинец на более низкой) получитс  уже один и тот же звук.
На фиг.2 приведена блок-схема инструмента. На ней в пунктирном пр моугольнике с надписью “повтор етс  7 раз” изображена одна секци  грифа вместе с относ щимис  к ней электронными блоками - вибродатчиком и генератором тона. От механики грифа в генератор тона идут четыре канала управлени  звуком. Управление высотой делаетс  при помощи цепочки резисторов, проложенной внутри всей тонрейки. Кажда  спайка резисторов в цепочке присоединена к контакту под кнопкой, и высота звука зависит от числа включенных резисторов, точнее, от их суммарного сопротивлени .
Второй канал управлени  - вибраци . Механизм под тонрейкой дает ей возможность качатьс  вдоль грифа под действием примерно таких же колебаний рук, как у левой руки скрипача или виолончелиста. К тонрейке прикреплена шторка, конец которой входит в блок вибродатчиков. В спокойном состо нии шторка перекрывает примерно половину луча в оптопаре, а при колебани х шторки получаютс  колебани  выходного напр жени  вибродатчика, которые отдел ютс  конденсатором от посто нной части напр жени  и идут в генератор тона, где качают его частоту, оставл   неизменным ее средний уровень. Здесь важно, что частота, размах, характер вибрации полностью наход тс  во власти исполнител .
Третий и четвертый каналы начинаютс  от двух контактов в механизме подвески тонрейки. Первый контакт замыкаетс  при силе нажати  на любую кнопку 50 г, и одновременно эта сила вызывает опускание тонрейки вглубь грифа на 1 мм. Второй контакт, наоборот, размыкаетс  при силе нажати  300 г, и тонрейка при этом опускаетс  еще на 1 мм. Замыкание первого контакта вызывает по вление звука на выходе генератора в аккомпанементный канал (АК). Размыкание второго контакта при замкнутом первом вызывает переход звука в мелодический канал (МК). Чтобы сразу включить звук в мелодический канал, нужно нажать кнопку с силой не меньше 300 г.
Мелодический и аккомпанементный каналы сходны между собой по большинству блоков. Начинаютс  они с сумматоров, выполненных на операционных усилител х. К каждому сумматору присоединены соответствующие выходы всех семи генераторов тона, но естественно, не по всем из них одновременно идут на сумматор звуковые сигналы. Фазовращатели также собраны на одном операционном усилителе каждый. Они нужны потому, что форма колебаний на их входах часто содержит высокие острые пики. Фазовращатели разрушают эти пики без изменени  гармонического (обертонного) состава звуков, делают фонограмму более компактной и уменьшают коэффициент нелинейных искажений.
Далее в аккомпанементный канал вставлена лева  педаль. Если она не нажата, звуки аккомпанементного канала имеют такую же громкость, как в мелодическом. При ее постепенном нажатии звуки аккомпанемента ослабевают, и при полном нажатии аккомпанемент становитс  еле слышным по сравнению с мелодией. Така  регулировка аккомпанемента очень нужна дл  музыки: если требуетс  слитна  масса звучани , левую педаль следует нажать немного, а если идет красива  проникновенна  мелоди , аккомпанемент должен лишь слегка поддерживать ее. Иногда в аккомпанементе часто мен етс  число голосов, и левой педалью приходитс  компенсировать происход щие при этом изменени  громкости аккомпанемента.
Далее в обоих каналах сто т независимые темброблоки, что позвол ет устанавливать в каналах различающиес  между собой тембры. Синтезируютс  тембры простейшим способом - формантным. Форманта - термин, известный из акустики и звукотехники, и объ сн ть его мы здесь не будем. В мелодическом канале четырьм  кнопками независимо включаютс  четыре форманты и число тембров равно числу комбинаций из включенных и невключенных формант, то есть 16-ти. Впрочем, многоформантные тембры менее отличаютс  друг от друга, чем одноформантные. В упрощенном темброблоке аккомпанементного канала только одна форманта, но она двум  кнопками может переключатьс  на три разные частоты, так что всего возможны четыре разных тембра. Кроме того, в обоих каналах ручками, похожими на регулировки высоких частот в звуковых усилител х, плавно вводитс  так называема  верхн   певческа  форманта, котора  придает звуку “металл” и “полетность”, а в слишком большой дозе делает его резким, “зуд щим”.
Панель установки тембров в инструменте - небольша  по сравнению с такими же панел ми в клавишных ЭМИ (фиг.3). Верхний горизонтальный р д кнопок - это кнопки четырех формант мелодического канала. Две кнопки одна под другой в середине - это кнопки переключени  частот в форманте аккомпанементного канала: верхн   дает самую высокую частоту, нижн   - среднюю, а две вместе - нижнюю частоту. Ручки по обеим сторонам ввод т верхнюю певческую форманту: лева  - в аккомпанементный канал, права  - в мелодический. Шкалы вокруг ручек проградуированы в условных единицах, чтобы можно было запомнить и записать подобранный по слуху уровень форманты. Далее сигналы обоих каналов складываютс  в оконечном сумматоре, и их сумма идет на правую педаль общей громкости, а с нее - на линейный выход и усилитель мощности дл  динамика.
Внешний вид инструмента изображен на фиг.4 в масштабе 1:5. Инструмент состоит из двух разъедин ющихс  частей - грифовой и подножной. В грифовой части основными конструктивными узлами  вл ютс  головка 7, игровое поле 2 (см. фиг.1) и электронный отсек 3, а в подножной части - корпус 4, звукова  доска 5, кронштейн 9, 10, 14 и педали - видна только права  педаль 6, а лева  - ей симметрична. Грифова  часть вдвигаетс  сверху в салазки 7 кронштейна и закрепл етс  зажимами 8 на такой высоте, чтобы головка 1 находилась под подбородком сид щего исполнител . Зажимы ст гиваютс  от руки рифлеными гайками, которые расположены сзади крыльев 9, 10 кронштейна. Электрически обе части инструмента соедин ютс  коротким кабелем с разъемом - на чертеже эти детали скрыты за правым крылом кронштейна.
Механизм игрового пол  закрыт сзади и с боков кожухом 11, ребра которого закруглены дл  удобства игры. Ниже игрового пол  расположена тембропанель 12 (см. фиг.3).
Кронштейн подножной части имеет заднюю стойку 14, концы которой вставлены в ушки 15 на корпусе и зажимаютс  винтами. Дл  переноски подножной части кронштейн складываетс : задн   стойка отдел етс  от ушек и прижимаетс  снизу к крыль м, а крыль  поворотом вокруг шарнира 16 перевод тс  в горизонтальное положение. В таком виде подножна  часть укладываетс  в специальный рюкзак и переноситс  на спине. Грифова  часть укладываетс  в полужесткий футл р и переноситс  за его ручку.
Доска 5 имеет звуковое отверстие 17, за которым стоит динамик. К педал м привернуты передвижные порожки 18 дл  упора каблуков. На верхней грани корпуса имеетс  второе звуковое отверстие 19, через которое выходит звук от задней стороны динамика, и несколько электрических деталей, из которых частично видна сигнальна  лампа 20. Максимальна  звукова  мощность инструмента равна 5 Вт и рассчитана на комнату средних размеров. Дл  выступлений в залах к линейному выходу инструмента следует присоединить усилитель с колонками, мощность которых должна хорошо наполн ть зал, но не оглушать. При систематических зан ти х на инструменте в домашних услови х можно с помощью кнопки 21 включить режим малой громкости, тогда звук не будет слышен в соседних комнатах. Потребл ема  мощность инструмента от сети составл ет 40-50 Вт. На фиг.4 номером 13 обозначена крышка, под которой наход тс  ручки настройки секций грифа.
Сущность механизмов грифа
На грифе инструмента имеютс  три повтор ющихс  без изменений механизма:
1) контактный механизм под каждой кнопкой, он повтор етс  21 раз в каждой тонрейке, а всего на грифе 147 раз;
2) механизм упругих движений тонрейки под действием пальца, нажимающего любую кнопку, таких механизмов семь;
3) контактный узел, который при определенных усили х на его входном штоке дает на генератор тона сигналы включени  звука в аккомпанементный или мелодический канал, таких узлов семь.
Дл  контактных механизмов одной тонрейки общей несущей деталью  вл етс  рейка из изолирующего материала (например, гетинакса или текстолита). Вдоль всей длины ее идут две металлические щеки, привернутые к ней с боков несколькими парами потайных винтов. На фиг.5 изображен один контактный механизм. Принадлежаща  ему часть рейки обозначена цифрой 22, а части щек - 23 (левой) и 24 (правой). В нижней части чертежа изображены винты дл  креплени  щек, но они не имеют отношени  к контактному механизму и наход тс  не под каждым механизмом, а только под четырьм . Щеки увеличивают жесткость несущей рейки, а их загибы удерживают на одном уровне все ненажатые кнопки.
Механизм имеет три подвижные детали: кнопку 25 и две проволочные контактные пружинки, одинаково и довольно сложно изогнутые. Средн   часть каждой пружинки 26 согнута в виде двух извилин и нажатием кнопки прижимаетс  к плоской ламели 27, замыка  контакт. Извилины нужны дл  того, чтобы на каждой пружинке получалось несколько реальных точек контакта и увеличивалась за счет этого его надежность. Боковые участки 28 каждой пружины наход тс  в продольных прорез х рейки 29 и 30. Первоначально эти участки сделаны пр мыми, а при вставлении в прорези они изгибаютс  по нарисованным кривым и приобретают нат г, за счет которого ненажата  кнопка прижимаетс  изнутри к загибам щек. Концы пружинок пропускаютс  через узкие поперечные прорези рейки и припаиваютс  к проводам 31, 32, проложенным по бокам нижней грани рейки. В середине нижней грани проходит цепочка резисторов 33, концы которых пропускаютс  через центральное отверстие в рейке и ламели и спаиваютс  между собой и с ламелью в точке 34.
Кнопки ни с чем не соединены жестко и двигаютс  в своих гнездах свободно, с небольшими зазорами. Боковые движени  их ограничиваютс  щеками, движени  вверх - загибами щек, вниз - ламел ми, а вдоль грифа - пластмассовыми перегородками 35. Вклеивание перегородок в рейку технологически св зываетс  с изготовлением ламелей: вначале к рейке приклеиваетс  сплошна  металлическа  полоса, затем делаютс  прорези дл  перегородок, при этом полоса перерезаетс  на куски - ламели, а в прорези вклеиваютс  перегородки. Все кнопки имеют одинаковые размеры и штампуютс  из пластмассы в одной прессформе, но они должны быть разных цветов - светлого и темного, как фортепианные клавиши или ба нные кнопки. В инструменте кнопки имеют не одну, а две степени свободы: при скольжении пальца по кнопкам в штрихе глиссандо, когда палец вступает на очередную кнопку, она становитс  наклонно и под ней замыкаетс  только один контакт, а второй включаетс  позднее, когда палец подойдет к середине кнопки. Такое устройство облегчает скольжение пальца по кнопкам. Способствуют этому также закруглени  концов кнопок, но служат эти закруглени  главным образом дл  другой цели - если в обычной игре исполнитель поставит палец не на середину кнопки, то он почувствует краем подушечки пальца закругление кнопки и сможет исправить положение пальца при этом или следующем звуке.
Важное значение в инструменте имеет надежность контактов грифа, т.к. при неустойчивой работе контакта хот  бы под одной кнопкой из 147 инструмент фактически тер ет работоспособность.
Перечислим здесь меры, предусмотренные в инструменте дл  повышени  надежности контактов.
1. Применение в контактах материалов, не окисл ющихс  в нормальных услови х. Дл  ламелей предлагаетс  примен ть хромированную бронзу или латунь, а в качестве контактной проволоки использовать голый провод высокого сопротивлени , например нихромовый. Он должен иметь еще хорошие упругие свойства, чтобы при изгибах в боковых прорез х рейки он не давал остаточных деформаций. Эти требовани  не строгие, им может удовлетвор ть сплав со значительно худшими упругими характеристиками, чем закаленна  сталь.
2. Увеличение числа реальных точек контакта за счет изгибов, о которых говорилось выше, а также параллельной работы двух контактов на концах кнопки.
3. На разомкнутые контакты подаетс  из генератора тона напр жение от 105 до 120 В, а сопротивление цепочки резисторов таково, что ток через замкнутые контакты мен етс  в пределах от 0,1 до 0,4 мА. Повышенное напр жение легче пробивает поверхностный слой металлов, а малые токи не вызывают их обгорани .
4. Тонрейку с плохо работающим контактом легко заменить на запасную, дл  чего достаточно отвернуть в грифе два винта.
5. В сн той дефектной тонрейке можно промыть контакты спиртом. Дл  этого нужно сн ть одну из щек, вывернув узкой отверткой шесть ее потайных винтов, вынуть пинцетом кнопки и промыть спиртом ламели и изгибы контактной проволоки.
Надо еще написать о силе противодействи  нажиму кнопок со стороны четырех упругих участков двух пружинок. Она почти посто нна, т.к. ход кнопки в один миллиметр много меньше предварительного нат га. Очень желательно, чтобы эта сила была малой, пор дка 5-10 г. В первых ЭМИ, которые делались до Второй мировой войны и в первые годы после нее, существовала так называема  “проблема м гкой атаки” - звуки начинались и оканчивались щелчками вследствие переходных процессов в генераторах тона. Убирались эти щелчки инерционными электронными ключами, а после отпускани  клавиши приходилось искусственно продлевать звучание генератора, чтобы ключ мог плавно заглушить его. В предлагаемом генераторе переходных процессов нет - колебани  начинаютс  от нул , а кончитьс  могут в любой точке и после этого плавно и сравнительно медленно возвращаютс  к нулю. Но пуск и остановка генератора - процессы не периодические и имеют непрерывный частотный спектр, который математически определ етс  интегралом Фурье. Звуки отдельно вз того рассматриваемого генератора включаютс  и выключаютс  без щелчков, но более внезапно, чем хотелось бы с музыкальной точки зрени , а в высоком регистре все-таки слышны небольшие щелчки, как на пианино слышны в этом регистре удары молоточков по струнам. Поэтому в данной схеме генератора инерционные ключи на его выходе в обоих каналах все же поставлены. А требуемые задержки выключени  генератора достигаютс  за счет разницы пороговых сил нажати : при 50 г начинает работать на выключение инерционный ключ, а при 5-10 г выключаетс  генератор. Разница во времени получаетс  вследствие постепенности выполнени  пальцем команды от мозга на сн тие пальца с кнопки. В результате описанных мер и правильного выбора посто нной времени в ключах начало и окончание звуков в инструменте стали вполне музыкальными.
Размеры игрового пол , максимально приближенные к удобству игры, жестко устанавливают размеры контактного механизма, в том числе длину и начальный изгиб боковых участков в пружинках. Поэтому осуществить желательную силу прижима кнопок к загибам щек в 5-10 г можно лишь выбором толщины проволоки и, может быть, ее материала. Это можно сделать предварительно с помощью формул из сопротивлени  материалов дл  балки, закрепленной на одном конце. Интересно, что по тем же формулам рассчитываютс  спиральные волоски в часах и стрелочных приборах. Ожидаема   толщина проволоки, видимо, получаетс  около 0,15-0,2 мм.
На фиг.6 изображен в боковой проекции механизм подвески тонрейки. Главные детали в нем - плоские пружины из закаленной стали, толщиной 0,1-0,2 мм. Всего в механизме 4 таких пружины, они одинаковы по размерам, а форма их показана на фиг.7. Креп тс  они к другим детал м винтами М2, дл  которых с двух сторон пружины имеютс  по два отверсти . В креплении участвуют накладки, также показанные на фиг.7, некоторые из них имеют в отверсти х резьбу М2. Размеры свободной части пружины 22× 10 мм.
Под действием пальца, нажимающего любую кнопку, тонрейка может качатьс  вдоль грифа на пружинах 37 и 38, перпендикул рных плоскости игрового пол . При этом середины обеих пружин поворачиваютс , а зажатые концы остаютс  параллельными друг другу. Тонрейка перемещаетс  поступательно, без поворотов. Ограничивают ее перемещени , предохран   пружины от поломок, Г-образные жесткие полосы 39 и 40, соединенные внизу швеллером 36, который показан на фиг.5 в сечении, а на фиг.6 - в боковой проекции. Он проходит под тонрейкой по всей ее длине, и в его углубление частично заходит цепочка резисторов тонрейки.
К тонрейке прикреплена шторка 41. В собранном грифе концы всех семи шторок вход т в отсеки блока вибродатчиков и перекрывают там пучки света. Каждую шторку нужно отрегулировать так, чтобы в готовом к игре инструменте она закрывала ровно половину светового пучка. В каждом отсеке колебани  шторки преобразуютс  в электрический сигнал, который идет в генератор тона.
Рама из деталей 39, 40, 36, в которой тонрейка перемещаетс  продольно, в свою очередь подвешена на наклонных пружинах 42 и 43, расположенных параллельно друг другу под углом α к тонрейке и швеллеру 36. Пружины вставлены на концах рамы в специально приспособленные дл  этого детали 44 и 45, а противоположные концы пружин присоединены через детали 46 и 47 к неподвижному каркасу грифа.
Здесь получаютс  такие же закономерности движени  рамы 39, 40, 36, а именно: движение рамы поступательно, направлено перпендикул рно пружинам и не зависит от координаты приложени  силы пальца, т.е. от кнопки. Если угол α сделать небольшим, то смещение рамы от нажати  пальцем будет направлено почти точно вглубь грифа, и это смещение можно использовать дл  включени  контактов аккомпанементного или мелодического канала. Чтобы вы вить особенности работы механизма, представим его в виде задачи по теоретической механике (фиг.8).
2
2
3
Здесь узким пр моугольником обозначена рама, в середине ее находитс  начало координат О, по оси абсцисс откладываютс  относительные координаты К точки приложени  силы F от пальца, а концы пр моугольника имеют относительные координаты +1 и -1. Известен также угол наклона пружин α , а определить надо три силы, чтобы рама находилась в равновесии: F - реакци  контактного узла, F - раст жение правой пружины, F - раст жение левой пружины. Задача решаетс  обычным путем составлени  и решени  системы трех уравнений: проекций сил на горизонталь, на вертикаль и моментов сил относительно точки О. В результате решени  получаютс  формулы
1
F=Fcosα ;
1
1
Все три силы пропорциональны F. Сила F не зависит от координаты пальца К, что очень ценно, т.к. если в контактном узле установить какие-то пороги силы F дл  включени  аккомпанементного и мелодического каналов, то эти пороги перейдут в силу F с коэффициентом cos α и будут одинаковы по всем кнопкам грифа.
2
3
2
3
2
3
Силы F и F завис т от К и во многих случа х получаютс  отрицательными. Это значит, что пружины не раст гиваютс , а сжимаютс , и при этом они могут выгнутьс  вбок и сломатьс . В сопромате это  вление называетс  продольным изгибом. При уменьшении угла α , суд  по формулам, F и F стрем тс  к бесконечности. Поэтому нельз  сильно уменьшать угол α . В данной конструкции он прин т в 30° , поэтому sinα =0,5 и cosα =0,866. Можно составить дл  такого α маленькую табличку отношений F/F и F/F дл  разных значений К:
К
-1
-0,5
0
+0,5
+1
F<SB POS="POST">2</SB>/F
-1,5
-1
-0,5
0
+0,5
F<SB POS="POST">3</SB>/F
-2
-1,5
-1
-0,5
0
1
Обе пружины меньше всего нагружаютс  на кнопках с высокими звуками, поскольку на той же стороне грифа находитс  контактный узел, и образуетс  сила F. С приближением к головке грифа нагрузки на пружины возрастают, и наибольша  нагрузка приходитс  на левую пружину при нажатии левой кнопки. Нижний предел силы нажати  дл  включени  мелодического канала равен 300 г, при этом лева  пружина будет сжиматьс  с силой в 600 г. Это еще не много, но начинающий исполнитель, особенно привыкший к гитарному грифу, где требуетс  сила прижати  струн к порожкам ладов в несколько килограммов, вполне может поломать пружину. Дл  предотвращени  этого предлагаетс  поставить регулируемый упор 48 (фиг.6) на левом краю рамы. Отрегулировать его надо так, чтобы он начинал касатьс  рамы при нагрузке на первую кнопку немного больше 300 г, когда уже надежно включилс  мелодический канал. При добавлении третьей опоры плоска  рама становитс  статически неопределимой, и распределение сил между опорами зависит от упругости рамы. Но интуитивно  сно, что добавочна  опора берет на себ  нагрузку тем больше, чем ближе кнопка к головке грифа и больше давление пальца не нее. Нагрузка на пружины в результате этого снижаетс , и поломка их исключаетс .
Контактный узел (фиг.9) состоит из контактной сборки наподобие примен емых в электромагнитных реле и силовой оси, на которой взаимодействуют силы, привод щие к переключению контактов. В сборку вход т три м гкие контактные пластины 50, 51, 53 и одна жестка  (негнуща с ) 52. Пластины 51 и 53 соединены непровод щей скобой 54 и движутс  вместе.
На силовой оси наход тс  2 винтовые пружины, работающие на сжатие: более м гка  55 и более жестка  56. Пружины надеты на направл ющие стержни 57, 58 с подвижными шайбами 59, 60, которыми устанавливаетс  нат г пружин. Контактна  сборка соединена с силовой осью коленчатыми пластинами 61 и 62, причем стержень 58 жестко заделан в пластину 62, а стержень 57 свободно ходит в отверсти х пластины 61, но упираетс  в шайбу 63, сквозь которую проходит его суженный конец 64. Весь контактный узел расположен так, что силова  ось перпендикул рна пружине 43 на фиг.6, а конец суженной части 64 упираетс  снизу в точку креплени  49 пружины 43.
1
Стержень 57 начинает двигатьс  вниз тогда, когда сила F, приложенна  к его концу, превысит нат г пружины 55. Следовательно, этот нат г надо отрегулировать шайбой 59 так, чтобы движение стержн  57 началось при давлении на кнопку 50 г. В конце хода стержн  замкнетс  верхний контакт сборки, и в генераторе тона будет включен аккомпанементный канал.
1
Теперь F за вычетом силы от пружины 55 пройдет через замкнутый верхний контакт, скобку 54 и будет противодействовать нат гу пружины 56. Если эта сила превзойдет нат г, то стержень 57 вновь сдвинетс , пружина 56 начнет сжиматьс  вместе с пружиной 55, а нижний контакт разомкнетс , что вызовет переход звука в мелодический канал. Движение прекратитс , когда верхний загиб скобки 54 упретс  в жесткую пластину 52. Нат г пружины 56 надо выбрать так, чтобы описанное движение происходило при нажатии кнопки с силой 300 г.
Необходимо сделать еще два замечани . Когда нужно после паузы включить звук в мелодический канал, палец нацеливаетс  на сильный нажим, чтобы сразу привести механизм к упору скобки 54 в пластину 52. При этом замыкание верхнего контакта и размыкание нижнего происходит практически одновременно. Така  особенность механизма и запаздывание электронных ключей обеспечивают отсутствие прорывов аккомпанементного канала в моменты включени  и выключени  мелодического.
Опыт игры на макетах показал, что дл  удобства пальцев в услови х работы по двум каналам важно, чтобы в каждом канале палец чувствовал в конце хода кнопки жесткую опору. В аккомпанементом канале при слабых усили х пальцев встреча с опорой совпадает с включением звука. В процессе игры другими пальцами давление пальца, держащего продолжительную ноту, может временами получатьс  в несколько раз больше порога 50 г, но оно не должно подходить к другому порогу в 300 г. Это обеспечиваетс  соответствующей тренировкой рук в процессе обучени . Чтобы облегчить обучение, прин та больша  разница между порогами - в 6 раз.
В мелодическом канале пальцы должны решительно и незаметно проскакивать первую опору и упиратьс  во вторую. Верхнего предела силы нажати  в этом канале нет, но выучка здесь должна состо ть в том, чтобы не сильно превышать второй порог, иначе излишнее давление будет утомл ть пальцы.
Предлагаема  конструкци  контактного узла обеспечивает существование двух жестких опор, потому что ход пружин гораздо меньше их предварительного нат га, который по существу и создает пороговые уровни и жесткие опоры.
Предполагаетс , что усили  по сгибу контактных пластин 50, 51, 53 малы по сравнению с пороговыми уровн ми.
Теори  осуществлени  темперированного стро  в инструменте
Наиболее точна  часть схемы генератора тона вырабатывает звуковые колебани  различных частот, требующихс  дл  каждой кнопки в тонрейке, присоединенной к генератору. Работу этой части схемы целесообразно сначала объ снить теоретически, без обращени  к самой схеме.
В музыке давно прин т так называемый темперированный строй, в котором октава делитс  на 12 равных частей - полутонов. В октаве отношение частот равно двум, следовательно, в полутоне отношение частот
В тонрейке отношение частоты на любой n-ой кнопке к частоте на 1-ой кнопке поэтому должно быть
Дл  последней 21-ой кнопки
В генераторе первичные колебани  получаютс  в виде пилообразного напр жени  (далее - пилы). Пр мой ход пилы более длительный, и за счет его изменений образуетс  требуемый диапазон частоты в 3 с лишним раза (3). Обратный ход короткий и мен етс  незначительно.
Дл  получени  пилы используетс  интегратор в виде операционного усилител  (ОУ) с емкостью в обратной св зи. На его вход непрерывно поступает ток от цепочки резисторов в тонрейке, который образует пр мые ходы пилы, а дл  получени  обратных ходов к нему периодически добавл етс  в несколько раз больший ток обратного знака. Следует подчеркнуть, что в цепи грифового тока нет никаких ключей, которые могли бы внести нелинейность и исказить ток, а величина обратного тока хорошо застабилизирована.
Работу генератора можно описать формулой
0
где τ - период пилы; q - изменение зар да конденсатора в обратной св зи ОУ в течение хода пилы в одну сторону; i - ток грифа; i - обратный ток.
В формуле (4) два члена правой части представл ют собой длительности пр мого и обратного хода. Дл  анализа такого способа генерировани  пилы и выбора параметров схемы удобнее выразить формулу (4) через три обобщенных параметра:
0
0
где f - частота пилы; I - отношение токов; f - частота, при которой i только вдвое меньше i, отчего скважность пилы равна половине, а период из (4)
Чтобы в формуле (4) заменить четыре ее величины на (5), представим ее в виде
и заменим последовательно из (5)
В результате получим
Формула получилась проще, чем (4) или (7). За счет перехода к относительным единицам в ней фактически остались только две величины: отношение частот и отношение токов. Найдем из (9) I, как из квадратного уравнени
0
21
0
Чтобы подкоренное выражение было положительным, надо выбрать константу f выше самой высокой из рабочих частот генератора (3) f. Заметим, что скважность колебаний, если ее определить как отношение длительности обратного хода пилы к ее периоду, равна относительному току I. В этом можно убедитьс , если из формулы (4) составить отношение ее последнего члена ко всей правой части и упростить полученное выражение. Из сказанного следует, что когда f подходит к f, а скважность соответственно к половине, колебани  срываютс .
0
0
Если же частоту f уменьшать, то грифовый ток и скважность будут вместе с ней стремитьс  к нулю, но абсолютна  длительность обратного хода будет приближатьс  к ненулевой величине τ. Ее можно найти из (4), если в последнем члене пренебречь током i по сравнению с i, a затем подставить в выражение дл  q из (5)
0
0
0
0
Следовательно, τ зависит только от выбора f. Величину τ надо иметь в виду при выборе параметров схемы, так как с ее уменьшением возрастает ток i, требуемый дл  изменени  выходного напр жени  интегратора на весь размах пилы, и скорость изменени  этого напр жени . Увеличение тока может потребовать усложнени  схемы, а указанна  скорость имеет пределы, которые привод тс  в справочниках дл  каждого типа ОУ.
0
0
Если на первой кнопке задана конкретна  наименьша  частота, то дл  нее важен не сам ток i, а отношение грифового тока к нему. Можно эти два тока уменьшить пропорционально, однако при малых i увеличиваютс  погрешности интегрировани  на долгом пр мом ходе, что может привести к искажению высоты звука. Такие существуют пределы дл  выбора константы f снизу и сверху.
Однако оказалось, что эти ограничени  практически не затрудн ют выбор.
0
h
Итак, примем такую частоту f, что отношение к ней самой высокой из рабочих частот f равно
0
1
Тогда отношение к f самой низкой из рабочих частот f согласно (3) будет
По формуле (10) найдем соответствующие I
h
1
0
Если эти величины рассматривать, как скважности, то на высшей частоте скважность достаточно далека от предельной 0,5. Если же их рассматривать, как отношени  токов i, i, i, то, задава сь одним током, можно найти два других.
l
В разделе о механизмах говорилось, что дл  повышени  надежности контактов грифова  цепочка резисторов питаетс  от высокого напр жени  105-120 В. Это также несколько увеличивает точность интегрировани , так как входное напр жение увеличиваетс  по сравнению с напр жением смещени  ОУ. Примем дл  расчета среднее напр жение 112,5 В и положим, что максимальное сопротивление грифовой цепочки равно 1 МОм. Тогда ток i равен 0,1125 мА, а два других тока
l
Операционный усилитель был вз т типа 153УД6. У него входной ток 75 нА, а наименьший интегрируемый ток i равен 112,5 мкА. Разница в 1500 раз. Погрешности интегрировани  незаметны.
Обратный ток 1,665 мА небольшой.
о
Наибольша  скорость изменени  выходного напр жени  интегратора получаетс  в наиболее высокой секции Е. В ней частота самого высокого звука до 4-ой октавы 2093 Гц, а f будет 2616 Гц. По формуле (11) асимптотическа  длительность обратного хода 95 мкс. За это врем  напр жение должно пройти двойную амплитуду пилы, то есть 16 В.
Скорость получаетс  0,17, а у усилител  153УД6 допускаема  скорость 0,5.
1
n
0
21
l
0
21
0
n
l
0
n
Подбор резисторов дл  грифовых цепочек ведетс  по специально вычисленным таблицам. Перва  из таких таблиц - это номинальные или точные сопротивлени  резисторов. Вычисл ютс  они так. Сначала вычисл ютс  относительные частоты по формуле (2) при n от 1 до 21, причем перва  частота f принимаетс  за единицу. Затем по формуле (10) вычисл ютс  относительные токи I. Частота f также беретс  относительной, исход  из того, что f в 3,175 раза больше f, прин той за единицу, а f св зана с f формулой (12); в результате получаетс  f=3,969. Далее сопротивлени  цепочки R при нажатии n-ой кнопки вычисл ютс  исход  из того, что сопротивлени  грифа на первой кнопке равно 1 МОм, а напр жение высоковольтного источника 112,5 В, поэтому ток i=0,1125 мА, а обратный ток i, общий дл  всех кнопок, определен в (15). Формула дл  расчета R получаетс  така
n
21
Сопротивлени , сто щие в грифовых цепочках, равны разност м соседних значений R, кроме последнего R, которое включаетс  при нажатии последней кнопки. Полные сопротивлени , в том числе последнее, должны иметь точность в 0,1-0,2%. Разностные сопротивлени  могут иметь относительные погрешности больше, так как они меньше вли ют на относительную погрешность суммы. Здесь работает теори  веро тностей. Автор в своих макетах подобрал разностные сопротивлени  с погрешност ми ±1% и получил удовлетворительную, а иногда и хорошую точность стро . Тонрейки с плохим строем можно отбраковывать и исправл ть по определенным правилам. Это относитс  к области “ноу-хау” дл  инструмента. А последний резистор выполн етс  с переменной добавкой дл  подстройки.
Все рассчитанные до сих пор токи и сопротивлени  грифа предполагаютс  одинаковыми дл  всех его секций. Соотношени  высот секций, образующих строй инструмента, достигаютс  исключительно за счет емкостей конденсаторов в обратных св з х ОУ. Изменение зар да на конденсаторе q равно с одной стороны произведению зар дного тока на врем  его действи , с другой стороны произведению емкости конденсатора на изменение напр жени  на нем. Напишем эти соотношени  дл  времени рабочего хода пилы на частоте первой кнопки секции:
Здесь
l
i - ток грифа при наименьшей частоте на первой кнопке, был также задан равным 0,1125 мА;
l
f - частота каждой секции на первой кнопке в герцах;
l
I -скважность пилы на первой кнопке, выше она была определена равной 0,0676;
m
U - амплитуда пилы на выходе ОУ, прин та равной 8 В;
6
С - искома  емкость, она при коэффициенте 10 выражаетс  в нанофарадах.
l
Дл  секции А в формулу (18) надо подставить в качестве f стандартную частоту ноты л  первой октавы 440 Гц. В более низких секци х емкости получаютс  последовательным умножением на отношение частот:
а дл  секции Е - делением на этот же коэффициент. Емкости С во всех секци х получаютс  такие:
E
A
D
G
C
F
B
9,945
14,90
22,32
33,45
50,12
75,09
112,51
Сущность схемы генератора тона
Принципиальна  схема генератора тона представлена на фиг.10. В ней питание грифовой цепочки резисторов (тонрейки грифа) происходит через высоковольтный транзистор Т1, например КТ6О5БМ. На базу его подаетс  через резистор R1 подстроенное напр жение от потенциометра, присоединенного своими концами к источникам питани  +105 и +120 В. Семь таких потенциометров объединены в блочок подстройки инструмента. От среднего уровн  112,5 В напр жение подстройки может мен тьс  на ±6,7%, что по высоте звука чуть больше плюс-минус полутона. Такое устройство позвол ет перед игрой точно настроить инструмент по камертону или другому инструменту, с которым предполагаетс  играть в ансамбле.
Непосредственно на базу Т1 поступают вибрационные колебани  от вибродатчика, в котором они проход т через конденсатор, чтобы посто нна  часть напр жени  вибродатчика не искажала высоту звука.
На коллектор T1 поступает еще более высокое напр жение +170 В от второго сглаживающего электролитического конденсатора после выпр мительного моста. Это напр жение нестабилизированное и с заметными сетевыми пульсаци ми, но известно, что ток транзистора слабо зависит от коллекторного напр жени , особенно в режиме повторител . Другие два высоких напр жени  стабилизированы газовым стабиловольтом на 105 В и добавочным стабилитроном на 15 В.
Ток высоковольтного выпр мител  небольшой 25-30 мА. Сопротивление R0в коллекторной цепи Т1 рассчитано так, чтобы при замыкании на нейтраль эмиттерного напр жени  не выходили из стро  детали схем. Под этим напр жением в тонрейке находитс  множество контактных пружинок, и к замыканию могла бы привести случайна  деформаци  одной из них.
В обратной св зи ОУ на схеме изображены два конденсатора - основной С1 и подгоночный С2, который при наладке инструмента подпаиваетс  на краю печатной платы, чтобы симметрировать отклонени  высоты звука на кра х подстроенного потенциометра от стандартной. Еще в обратной св зи стоит большое сопротивление R37 (3 МОм), чтобы при отсутствии входных токов дрейф усилител  не приводил к подходу его выходного напр жени  к границам диапазона. Это сопротивление слегка увеличивает скорость выходного напр жени  к нулю и уменьшает скорость от нул , но при симметричных амплитудах пилы ±8 В погрешности времени хода ее компенсируютс .
На плюсовой вход усилител  с помощью резисторов R4 и R5 задаетс  посто нное смещение +0,5 В. Минусовой вход также находитс  под этим потенциалом и относительно него происходит интегрирование. Диоды D1 и D2, присоединенные к минусовому входу, во врем  пр мого хода пилы оба закрыты, так как напр жение на правом конце D1 равно +1 В. Поскольку закрывающие напр жени  малы, обратные токи тоже очень малы и близки друг к другу, поэтому ответвлени  тока на вход усилител  практически не происходит. Смещение нул  мало по сравнению с высоким напр жением питани  цепочек и может быть скомпенсировано подстройкой. Во врем  обратного хода диод D1 открываетс  током обратного хода, а D2 остаетс  закрытым. Еще оба диода защищают минусовой вход от по влени  на нем больших напр жений, если выходное напр жение из-за какой-то неисправности вышло на границу шкалы.
Изменение направлени  хода пилы производитс  триггером, собранным на транзисторах Т3 и Т4. Триггер представл ет собой двухкаскадный усилитель со входом на базе Т3 и выходом на коллекторе Т4, охваченный положительной обратной св зью через делитель R10 и R11: на верхний конец делител  поступает через повторитель Т2 входное напр жение триггера, а на нижний конец - напр жение обратной св зи с выхода усилител . В усилителе используютс  триоды с большим коэффициентом усилени  по току (более 80), поэтому вблизи определенного напр жени  на базе Т3 (при отключенной обратной св зи) выходное напр жение быстро переходит от одной своей границы до другой. Уровень такого входного напр жени  зависит от величины опорного напр жени  Е, подаваемого через R12 на эмиттер Т3. Опорное напр жение Е оказалось возможным сделать общим дл  всех семи генераторов, и оно подаетс  со специального ОУ, установленного на плате сумматоров и фазовращателей. Напр жение Е примерно равно 5 В и может в небольших пределах перестраиватьс . Обратна  св зь вызывает на характеристике триггера по входу на базе Т2 гистерезис, завис щий от выбора сопротивлений R10 и R11.
Период колебаний пилы пропорционально зависит от уровней переключени  ее хода, т.е. от верхней и нижней амплитуды. Поэтому если мы хотим получить стабильность частоты пилы, удовлетвор ющую высоким музыкальным требовани м, то в первую очередь должны позаботитьс  о стабилизации уровней переброски триггера при наличии гистерезиса. Эти уровни завис т от напр жени  Е и выходных напр жений триггера в двух его позици х. Во врем  пр мого хода пилы оба транзистора в триггере закрыты, и выходное напр жение фиксируетс  диодом D5 близ нейтрали. Во врем  обратного хода, когда транзисторы открыты, они оба оказываютс  в ненасыщенном режиме, когда ток базы резко увеличиваетс , а сопротивление эмиттер-коллектор падает, так что между ними оказываетс  всего лишь 0,1-0,2 В. Поэтому выходное напр жение почти не отличаетс  от стабилизированного напр жени  питани  -12,5 В. Гистерезис в схеме триггера прин т равным 2 В, а перепад напр жений обратной св зи примерно в 6 раз больше, во столько же раз ослабл етс  вли ние нестабильности напр жений обратной св зи на погрешности напр жений срабатывани  триггера.
По выходу операционного усилител  гистерезис надо делать шириной в 16 В, так как дл  достаточно полного использовани  выходной шкалы ОУ амплитуды пилы прин ты ±8 В. Дл  расширени  гистерезиса в 8 раз между усилителем и триггером вставлен блок, который условно называетс  делителем напр жений и состоит из диодов D3, D4 и резисторов R6, R7, R8, R9, причем R7 это переменный резистор, а R8 и R9 подгон ютс  под требуемые сопротивлени  с помощью параллельных добавок. Верхний конец делител  R6 совершенно необходимо оказалось присоединить к напр жению +105 В, чтобы при открывании каждого диода напр жение с него поступало на вход Т2 примерно с одинаковым коэффициентом передачи.
Когда выходное напр жение ОУ находитс  между напр жени ми +7 и -7 В, оба диода закрыты. В этом режиме напр жение делител  в точке между R8 и R9 должно равн тьс  -7 В, в точке между R6 и R7 +7 В, а на входе в Т2 должно быть среднее между напр жени ми переброски триггера, отсто щее от каждого из них на 1 В. В пр мом ходе пилы напр жение на ОУ идет вниз, когда оно доходит до -7 В, открываетс  диод D4 и напр жение на базе Т2 также начинает идти вниз. Когда на ОУ напр жение доходит до -8 В, открываетс  триод Т3 и триггер перебрасываетс  в положение, когда оба триода открыты. При этом напр жение на базе Т3 снижаетс  скачком на 2 В, а через диод D1 на вход ОУ начинает идти обратный ток и напр жение ОУ быстро увеличиваетс . Через короткое врем  диод D4 закроетс , а базовое напр жение Т3 повыситс  за это врем  на 1 В. С этого момента рост напр жени  на ОУ будет продолжатьс  при закрытых диодах, а рост напр жени  на базе Т3 прекратитс  до момента, когда напр жение ОУ дойдет до +7 В и откроетс  диод D3. Дальнейший ход напр жени  ОУ вызовет продолжение хода базового напр жени  к уровню запирани  Т3. Когда на ОУ напр жение дойдет до +8 В, триггер сработает в сторону исчезновени  его токов, обратный ток на входе ОУ выключитс , базовое напр жение Т3 подскочит на 2 В и начнетс  вновь пр мой ход пилы. Таков пор док генерировани  пилы без подробностей, необходимых дл  наладки схемы, в частности, дл  выбора шунтов в сопротивлени х R9 и R8, установки сопротивлени  R7 и напр жени  Е.
В этой схеме абсолютные погрешности напр жений переброски триггера остаютс  прежними, а относительные, по отношению к размаху пилы, уменьшаютс  в 8 раз. Посто нные погрешности амплитуд пилы компенсируютс  здесь при наладке, а случайные могут возникнуть только из-за недостаточно хорошего качества стабилизации питающих напр жений. Вли ние их на строй инструмента практически не было замечено.
0
0
0
Остаетс  рассмотреть последнее звено в контуре генерировани  пилы - схему формировани  и подачи тока обратного хода i. Чтобы при повороте потенциометра подстройки не нарушалс  строй секции, частоты на всех кнопках должны мен тьс  пропорционально. Так происходит только если частота f также мен етс  пропорционально всем другим и сохран етс  прин тое нами отношение 0,8 (12). Но тогда по формуле (10) величина J остаетс  во врем  подстройки посто нной, а ток i согласно (8) должен быть не посто нным, как говорилось раньше, а мен тьс  пропорционально току на любой кнопке грифа. Дл  этого следует сделать его пропорциональным тому же напр жению подстройки, от которого питаетс  цепочка резисторов грифа. В схеме на фиг.10 это делает транзистор Т5, охваченный обратной св зью наподобие ОУ в режиме масштабного усилител : на входе резистор R16 с переменной добавкой R17, в обратной св зи R18. Поскольку эмиттер Т5 присоединен к нейтрали, нулева  точка масштабного усилител  получаетс  на уровне отпирани  транзистора, то есть около -0,7 В, и это напр жение проходит на выход как посто нна  составл юща , которую надо скомпенсировать. R19 - это коллекторное сопротивление усилител , присоединенное к источнику -12,5 В. Транзистором, непосредственно образующим обратный ток,  вл етс  Т6. Из св занной с ним схемы выделим сначала делитель напр жени  R22, R5, R4, на котором напр жени  сохран ютс  почти одними и теми же в режимах пр мого и обратного хода. Этот делитель ввиду его низковольтности и нестрогих требований к точности оказалось удобным присоединить к источнику Е (внешнему ОУ на плате сумматоров), а чтобы семь генераторов не перегружали его, поставлен еще резистор R24, перевод щий основную часть тока делител  в источник + 12,5 В. Как уже говорилось раньше, в делителе между R4 и R5 откладываетс  напр жение +0,5 В, а между R5 и R22 - +1 В.
Во врем  пр мого хода пилы коллектор Т4 имеет малое положительное напр жение, ограничиваемое диодом D5, а коллектор Т5 находитс  под напр жением между нулем и -12,5 В, повтор ющим в уменьшенном масштабе и с обратным знаком высокое напр жение подстройки. Поэтому диод D6 закрыт. Триод Т6 тоже должен быть закрытым, тогда на диод D1 поступает упом нутое раньше запирающее напр жение +1 В от резистора R21. Но положительное напр жение от диода D5 недостаточно дл  надежного запирани , поэтому на базу Т6 поставлено еще большое сопротивление R39, присоединенное к источнику +12,5 В.
Во врем  обратного хода пилы транзистор Т4 открыт и, как уже говорилось, находитс  в ненасыщенном режиме, и потенциал его коллектора близок к -12,5 В. Напр жение на базе Т6 прив зано к напр жению на коллекторе Т5 током через резистор RI5. Триод Т6 работает как повторитель напр жени  на его базе, а эмиттерный ток его, определ емый сопротивлением R20, как раз и  вл етс  обратным током пилы, так как далее он идет через диод D1 на минусовой вход ОУ, наход щийс  под потенциалом +0,5 В. Часть эмиттерного тока ответвл етс  в резистор R21, но это очень мала  часть, так как сопротивление R21 довольно велико, а напр жение на нем откладываетс  только 0,5 В.
Оказываетс , что посто нна  составл юща  -0,7 В в транзисторе Т5 компенсируетс  такой же составл ющей в Т6, так как в последнем потенциал эмиттера на 0,7 В выше потенциала базы. Остаютс  нескомпенсированными падение напр жени  на диоде D6 и реальные разбросы двух смещений по 0,7 В. Дл  окончательной компенсации к базе Т5 присоединено большое сопротивление R38, которое дл  компенсации надо подобрать по величине и присоединить свободным концом либо к +12,5 В, либо к -12,5 В.
Сейчас, после объ снени  работы всех частей схемы, участвующих в генерации пилы, уместно сказать, что в блоке питани  инструмента низковольтные стабилизаторы напр жений ±12,5 В прив заны к напр жению +105 В как к эталону. Можно доказать, что при пропорциональном изменении всех напр жений питани  устран ютс  причины расстройки инструмента от изменений каждого питающего напр жени  в отдельности. Например, если увеличиваютс  высокие напр жени  и  возрастает поэтому скорость интегрировани  в ОУ, то в той же пропорции увеличиваютс  контролируемые делителем амплитуды пилы, а частота ее не измен етс .
При прослушивании звуков любой секции открылось загадочное и недопустимое  вление: если прослушивать все кнопки подр д, то тембр, вначале нормальный по  ркости, затем начинает тускнеть и примерно на рассто нии октавы от начала становитс  совсем тусклым, а потом немного исправл етс , но не до конца. Компьютерные вычислени  амплитуд гармоник в р дах Фурье при различных скважност х пилы показали, что в ее гармоническом спектре действительно есть “ мы” с очень малыми амплитудами гармоник. Конкретный анализ показал следующее.
В справочниках даютс  разложени  в р д Фурье пилы с половинной скважностью
и с нулевой скважностью, то есть при бесконечно быстром обратном ходе
а при промежуточных скважност х не даютс  - видно они очень сложные. В (20) содержатс  только нечетные гармоники, и те быстро уменьшаютс . В (21) имеютс  все гармоники, и амплитуды их убавл ютс  медленно - в знаменателе только натуральные числа. Как от первого разложени  плавно перейти ко второму? Казалось бы, между нечетными гармониками должны вырасти четные, а огибающа  всех гармоник должна прин ть новую, слабо убывающую форму. На самом деле переход осуществл етс  не так. Если нарисовать извилистую линию, проход щую через все ненулевые значени  нечетных гармоник и нулевые - четных, то с уменьшением скважности от половинной эта лини  раст гиваетс  по горизонтали, так что в каждый ее изгиб вход т все больше гармоник, в том числе и в изгибы около нул . С приближением скважности к нулю изгибы один за другим уход т в бесконечность, и при нулевой скважности остаетс  только полога  часть перед первым изгибом.
Выход из этой трудности нашелс  такой, чтобы заменить наклонный обратный ход пилы сочетанием посто нного участка и триггерного скачка. Скачок  вл етс  главным условием по влени  всех гармоник и медленного уменьшени  их амплитуд, а форма участка возвращени  к началу скачка не так важна, будет ли это наклонна  пр ма , или сочетание ее с коротким посто нным участком, или кака -нибудь плавна  крива . Между прочим, форма колебаний звукового давлени  на выходе голосовых св зок человека также представл ет собой скачок и плавное возвращение к его началу. Обилие гармоник в такой форме колебаний дает возможность в полости рта и соседних с ней полост х синтезировать формантным способом гласные звуки,  вл ющиес  основой речи и пени . В инструменте по той же причине возможна серьезна  работа электронщиков по улучшению тембров на каждой формантной кнопке и в их соединени х.
Схема в генераторе тона дл  указанной деформации пилы состоит из транзистора Т7, диодов D9, D10 и резисторов R2, R3 и R23. Во врем  пр мого хода пилы триоды ТЗ и Т4 закрыты и на базу Т7 проходит напр жение питани  -12,5 В, как и на эмиттер. Поэтому Т7 закрыт и не может помешать спадающему участку пилы проходить через диод D9 на вход ключей, то есть на диоды D7, D8. Когда пила дойдет до -8 В, триоды Т3 и Т4 откроютс  и на базу Т7 через R3 пойдет такой ток, что Т7 при открытии войдет в ненасыщенный режим, так что на коллекторе его получитс  почти -12,5 В. Резистор R2 рассчитываетс  так, чтобы в делителе R25, R23, D10, R2 в точке соединени  диодов оказалось -8 В. Тогда диод D9 закроетс , как только напр жение пилы на ОУ пойдет вверх, а на ключи будет идти посто нное напр жение. Когда обратный ход кончитс , триоды Т3, Т4 и Т7 закроютс  и напр жение на стыке диодов скачком перейдет с -8 на +8 В, при этом D9 откроетс .
При наблюдении на осциллографе результирующего напр жени  в точке между D9 и D10 можно иногда обнаружить, что два напр жени  -8 В - одно пиковое от пилы, другое посто нное от делител  - не совсем сход тс . В этом ничего плохого нет.
Последн   схема в генераторе тона - это ключи мелодического и аккомпанементного каналов. На вход ключей поступают колебани  с большим размахом в 16 В, а управл ющие напр жени , которые полностью открывают или закрывают пути сигналов через пропускающие диоды, должна мен тьс  еще больше. Здесь оп ть кстати пришлось одно из высоких напр жений в составе питани  генератора, именно +105 В. Обе ключевые схемы работают между этим напр жением и нейтралью.
Высоким напр жением питаютс  два делител  - входной R23, R25 и управл ющий R34, R35, R36. Входной делитель служит дл  подн ти  среднего уровн  колебаний с нулевого на ОУ до требуемого дл  работы диодов D7 и D8 в ключах. К двум отводам управл ющего делител  присоедин ютс  с одной стороны контакты из механизма в секции грифа (фиг.9), с другой - управл ющие цепи ключей.
К диодам D7 и D8 в каждом ключе присоедин ютс  две цепи: управл юща  и пропускающа , кажда  имеет Т-образный вид. В пропускающих цеп х средние конденсаторы С5 и С6 имеют малую емкость и служат дл  отфильтровывани  ненужных сверхзвуковых гармоник. Пропускающие конденсаторы С7 и С8 сто т непосредственно на входах суммирующих усилителей мелодического МК и аккомпанементного АК каналов. Эти конденсаторы имеют различные емкости: в басовых секци х они должны хорошо пропускать первые гармоники, чтобы басы были насыщенными, а в высоких секци х первые гармоники можно слегка подфильтровать - тогда  рче станов тс  тембры, завис щие от высоких гармоник.
В управл ющих цеп х конденсаторы С3 и С4, наоборот, большие по емкости и практически полностью подавл ют приход щие на них колебани , а служат они дл  создани  плавности отпирани  и запирани  ключей. Степень плавности нужна одинакова  дл  звуков любой высоты, поэтому конденсаторы здесь одинаковы во всех секци х.
Управл ющие цепи по сочетанию управлений в обоих ключах реально могут работать в трех режимах. Первый - при нажатии на кнопку с силой меньше 50 г, в нем контакт АК разомкнут, а МК замкнут, как показано на фиг.10. Генератор работает и дает колебани , но диоды D7 и D8 закрыты и не пропускают их. Диод D8 закрыт нулевым напр жением с нижнего отвода управл ющего делител , так как посто нный уровень на входе ключей достаточно высок дл  этого, а диод D7 закрыт потому, что на него идет управл ющий потенциал с верхнего отвода раза в два больше входного. Второй режим - включение АК при давлении пальца на кнопку от 50 до 300 г. Контакт АК замкнут, на обоих отводах нулевое напр жение, от которого диод D8 по-прежнему закрыт, а диод D7 открыт. Третий режим - включение МК при силе нажати  больше 300 г. Контакт МК разомкнут, управл ющие напр жени  по-прежнему одинаковы, но теперь они оба высокие, каким было напр жение второго отвода в первом режиме. Поэтому, как нетрудно видеть, открытый и закрытый каналы помен лись местами.
Первый режим проще остальных, потому что оба входных диода в нем закрыты и входной делитель не нагружаетс  токами - переменным в звуковом сигнале и посто нным от разности потенциалов на входном и управл ющем делител х. Требуемый посто нный уровень на входном делителе можно определить так, чтобы нижние амплитуды колебаний не открывали диод D8. Установить требуемый потенциал проще всего подбором сопротивлени  R23. Верхний управл ющий потенциал следует установить так, чтобы через диод D7 не проходили верхние амплитуды сигнала и сделать это надо, подбира  сопротивление R35. Оба эти подбора односторонние и не требуют повышенной точности - подобрать надо только номиналы, которые удовлетвор ли бы приведенным выше требовани м в поточном производстве. Что же касаетс  R34, то его можно вз ть равным R35.
Другие два режима характерны тем, что в них нагрузки входного делител  по переменному току значительно больше, чем по посто нному, поэтому верхн   и нижн   амплитуды колебаний подсаживаютс  больше, чем сдвигаетс  посто нна  составл юща . В самом деле, в управл ющей цепи нагрузкой дл  переменного тока  вл етс  R26 или R27, так как большие конденсаторы его “закорачивают”, а дл  посто нного - суммы двух плеч Т-образной схемы. В пропускающую цепь посто нный ток вообще не идет, а дл  переменного концом цепи  вл етс  вход сумматора, имеющий нулевой потенциал.
Поэтому можно утверждать, что если в первом режиме не происходит прорывов амплитуд сквозь входные диоды D7 и D8, то и в других двух режимах диоды будут открыватьс  и закрыватьс  полностью. Конечно, можно это проверить осциллографом на выходах диодов D7 и D8.
Схемы на плате сумматоров
Плату сумматоров конструктивно предполагаетс  соединить с семью платами генераторов тона в "косую этажерку" с таким расчетом, чтобы на всех восьми платах образовались доступные полосы дл  размещени  регулировочных потенциометров под отвертку, лепестков дл  подпайки параллельных конденсаторов в обратные св зи интегрирующих ОУ, точек присоединени  осциллографа или вольтметра. На плате сумматоров имеетс  единственный регулировочный потенциометр дл  установки опорного напр жени , наиболее подход щего дл  всех семи генераторов. Самыми сложными схемами на этой плате  вл ютс  фазовращатели. Сумматоры имеют стандартные схемы, достаточно подробно показанные на фиг.2, а датчик опорного напр жени  - это обычный масштабный ОУ.
Фазовращатель представл ет собой линейное звено с передаточной функцией
где U и Е - изображени  по Лапласу входной и выходной величин;
К - статический коэффициент;
р - комплексный аргумент в преобразовании Лапласа;
ζ - коэффициент затухани .
Если в (22) вместо р подставить мнимую величину jω , где j - мнима  единица, то модуль комплексной дроби представит собой ее амплитудно-частотную характеристику в функции от частоты ω , а угол - фазовую характеристику. Амплитудна  характеристика дроби здесь дл  всех частот равна 1, а фазова  выражаетс  формулой
Здесь дробь одинаково представл ет собой тангенс фазового угла дл  числител  и знаменател  в (22) с аргументом jω как отношение мнимой части трехчлена к действительной. Только минус в числителе (23) в первом случае переходит из числител  (22), а во втором случае возникает по правилу вычитани  угла знаменател  из угла числител . В результате получаетс  удвоенный отрицательный, то есть запаздывающий угол &phis; .
На частоте ω , равной
0
знаменатель (23) обращаетс  в нуль, а вс  дробь, то есть тангенс угла дл  числител  или знаменател  - в бесконечность. Следовательно, угол равен -90° , а удвоенный угол дл  всей передаточной функции (22) -180° . Частота ω называетс  собственной частотой фазовращател . При бесконечном увеличении частоты &phis; стремитс  к -360° .
0
0
0
0
0
0
Если уменьшать коэффициент затухани , то числитель (23) уменьшаетс  по абсолютной величине, что вызывает на частотах ниже ω уменьшение угла запаздывани  &phis; . Но на частоте ω запаздывание по-прежнему должно быть 180° , поэтому  сно, что вблизи ω возрастает крутизна изменени  &phis; . Например, на частоте в два раза ниже ω при ζ , равном 1, угол &phis; получаетс  -106° , а при равном 0,5, составл ет 67° . Фазовые кривые симметричны относительно точки с координатами (ω-180° ), поэтому на другой ветви каждой кривой (то есть при ω , большем ω) получаютс  те же углы, если их отсчитывать от уровн  -360° .
0
0
0
Сейчас нужно более подробно и конкретно объ снить, дл  чего требуютс  фазовращатели в каналах МК и АК. Схемы плавного введени  верхней певческой форманты в оба канала представл ют собой форсирующие или почти дифференцирующие пассивные RC-контуры. Скачок в выходном напр жении генератора тона они преобразуют в узкий импульс, высота которого на экране осциллографа мен етс  вместе с хорошо заметным на слух вводом и выводом форманты. При максимальном ее вводе высота импульса превышает размах всей остальной формы колебаний. Это плохо: в многоголосии несколько таких импульсов могут сложитьс , и результат выйдет за пределы линейного участка усилител  мощности - как внутреннего дл  собственного динамика в инструменте, так и внешнего в случае присоединени  колонок. Если же уменьшить максимальную амплитуду полного сигнала на выходе, то будет очень неполно использоватьс  мощность усилител . Здесь и потребовалось изменить форму звуковых колебаний на более компактную с помощью фазовых преобразований, которые ухо не слышит, а слышимый амплитудный состав гармоник оставить неизменным. Фазовые преобразовани  вообще сильно вли ют на форму колебаний, даже могут изменить ее до неузнаваемости. Поскольку эксперимент показал жесткую св зь высоты импульса с интенсивностью форманты, собственна  частота фазовращател  ω была установлена на середину области частоты, занимаемой формантой. Дл  верхней певческой форманты это область от 3 до 4,5 кГц. Вблизи частоты ω характеристика фазовращател  наиболее крута , поэтому ожидалось наибольшее вли ние ее на импульс. Однако импульс не разрушилс , а стал направлен не наружу от области размаха остальной части колебаний, а внутрь ее. Таким образом, задача повышени  компактности колебаний была все же решена. Объ снение этого любопытного факта напрашиваетс  такое. Импульс образован высокими гармониками, которые в логарифмическом масштабе частоты очень близки между собой. Поэтому даже на самом крутом участке фазовой характеристики вблизи ω их фазовые сдвиги мало отличаютс  друг от друга и от среднего сдвига -180° . Если все гармоники импульса повернулись на 180° , то и он сам должен повернутьс  на столько же.
Теперь перейдем к рассмотрению схемы на фиг.11, реализующей передаточную функцию (22). Статический коэффициент К в этой функции можно определить, если в схеме на фиг.11 конденсаторы С1 и С2 прин ть за разрывы цепи. Тогда входное напр жение Е целиком проходит через резистор R1 на плюсовый вход ОУ. Значит и минусовой вход находилс  под тем же потенциалом. А через R4 ток не идет. Работают только R5 и R6 по схеме с подачей Е на плюсовой вход, и поэтому
Здесь К может быть только больше единицы, но так и нужно, поскольку улучшение компактности формы колебаний позвол ет увеличить коэффициент. На высоких частотах, на которых фаза приближаетс  к -360° , коэффициент можно найти, мысленно закоротив конденсаторы. Тогда плюсовый вход ОУ будет накоротко соединен с источником Е и вли ние напр жений на R2 и R3 исключитс . Следовательно, высокочастотный коэффициент тоже равен К (25), и это получаетс  автоматически, без специального выбора параметров.
1
2
0
0
Уже отмечено, что амплитудна  характеристика дроби в передаточной функции (22) посто нна и равна единице, поэтому коэффициент К (25) остаетс  неизменным на всех частотах. Но так получаетс  только, если коэффициенты затухани  в числителе и знаменателе равны между собой. Но в схеме они определ ютс  различными выражени ми, которые надо уравнивать выбором параметров. Обозначим в общем случае коэффициенты затухани  в числителе и знаменателе соответственно через ζ и ζ, а амплитудный коэффициент на частоте ω через К. Тогда легко вывести формулу
0
1
2
из которой следует, что если будет найден способ выравнивать амплитудную характеристику вблизи частоты ω, то одновременно будут выровнены и абсолютные значени  коэффициентов ζ и ζ.
Обозначим в схеме
Посто нна  времени Т в (22) должна в схеме реализоватьс  так:
1
2
Коэффициенты затухани  в числителе ζ и в знаменателе ζ как уже говорилось, выражаютс  через параметры схемы различно. Вот эти выражени :
1
Здесь и в (26) ζ считаетс  положительным, учитыва  минус в числителе (22).
1
В схеме фазовращател  две группы элементов: R1, R2, R3, С1, С2 и R4, R5, R6 - разв заны между собой по мощности, так что в каждой группе можно независимо задавать величину одного из элементов. Расчет параметров схемы удобно начинать с формулы (25), в которой по заданному К сразу выбрать два сопротивлени  R5 и R6. Далее нужно перейти к формуле (29), в которой при заданном ζ остаютс  два неизвестных - сопротивление R4 и отношение емкостей. Опыт пробных расчетов показал, что удобно задать R4 равным R5, тогда отношение емкостей может оказатьс  в пределах нескольких единиц.
2
Затем выбираютс  параметры параллельного и последовательного RС-контуров по формулам (24) и (28) с учетом найденного отношени  емкостей. Здесь можно задатьс  одним из сопротивлений или одной из емкостей и остальные величины определ тс . Отношение емкостей или сопротивление R4  вл етс  в схеме еще одним свободным параметром и не мешает произвести указанный выбор в контурах. Далее по формуле (30) при заданном ζ определ етс  α и, наконец, по формулам (27) наход тс  R2 и R3.
2
2
1
о
0
2
1
Параметр α иногда оказываетс  слишком критичным: малые его изменени  привод т к значительным изменени м ζ. Особенно это сказываетс  при малых значени х ζ, хот  дл  фазовращател  вр д ли потребуютс  значени  ζ меньше 0,5. Однако полезно в схеме проводить подбор сопротивлени  R2 по критерию выпр млени  амплитудной характеристики: если К на частоте ω окажетс  равным К, то по формуле (26) и ζ сделаетс  равным более просто устанавливаемой величине ζ.
Надо иметь в виду еще одну особенность схемы фазовращател : на низких частотах Е с сумматора попадает в почти полном виде через R1 на плюсовый вход ОУ. Но на нем предельно допустимые напр жени  меньше ±10 В, и надо дополнительно уменьшать коэффициент усилени  сумматора, чтобы звуковой сигнал со всеми его суммами импульсов уложилс  в требуемые пределы. По этой причине приходитс  увеличивать коэффициент фазовращател , который в результате получаетс , как правило, не меньше четырех.
Сущность схем на плате темброблоков
В темброблоках инструмента дл  образовани  формант примен ютс  схемы со следующей передаточной функцией:
Эта функци  дает амплитудную характеристику с максимумом на собственной частоте (24), а по обеим сторонам от максимума она спускаетс  в логарифмической шкале с единичным наклоном 6 дБ на октаву. Эффективна  ширина области, близкой к максимуму, зависит от коэффициента затухани  ζ . В формантной схеме (фиг.12) этот коэффициент может достигать наименьших значений при условии
При этом также упрощаетс  р д формул, и мы принимаем это условие и обозначаем равные емкости через С.
1
2
Коэффициент K в формуле (31) относитс  к делителю R, R в схеме и равен
1
Посто нные времени Т и Т равны
Коэффициент затухани
Формулы (34) и (35) получены из вывода формулы (31) через параметры схемы. Этот вывод здесь не приводитс . Подставив в функцию (31) выражени  ее параметров (34) и (35) и заменив в ней р на jω , получим максимум амплитудной характеристики
1
2
4
m
1
2
Если в схеме делитель R, R заменить на его параллельное сопротивление R (33), то окажетс  что K зависит только от ζ , и нельз  эти параметры мен ть раздельно. Поэтому к операторной дроби в (31) и был добавлен делитель R, R с коэффициентом пропускани  К.
0
m
Дл  расчета каждой формантной схемы надо задать параметры ω, К, ζ . Пор док вычислени  сопротивлений и емкостей по приведенным выше формулам нетрудно установить. Исходные же параметры приходитс  выбирать по опыту работы с тембрами, например, на эквалайзере. К этому желательно привлекать музыкантов, лучше всего, кажетс , учителей сольного пени . Некоторые ориентиры дл  такого выбора будут указаны в конце данного раздела.
Как уже говорилось в начале описани , в аккомпанементом канале (АК) имеетс  только одна форманта, но она может быть либо выключена, либо включатьс  на три различные собственные частоты двум  кнопками (см. фиг.3), расположенными на вертикальной оси тембропанели.
На фиг.13 изображена формантна  схема АК. Она отличаетс  от вышеописанной только тем, что имеет две пары одинаковых конденсаторов С1, С2 и С3, С4. Перва  пара, меньша  по емкост м, присоедин етс  к схеме контактами 5а, 5б, которые наход тс  на п той кнопке, то есть на первой после четырех мелодических. Втора  пара конденсаторов, с большей емкостью, включаетс  в схему контактами 6а и 6б, расположенными на шестой кнопке. Когда обе кнопки наход тс  в нажатом состо нии, в схему включены параллельные соединени  С1, С3 и С2, С4 и их емкости суммируютс . Чем больше емкости, тем ниже получаютс  частоты форманты. Если обе кнопки отпущены, схема полностью отключена от входного делител  и на выходе ОУ получаетс  нуль.
На фиг.14 показана схема темброблока в полном виде. Входы четырех мелодических формантных схем МФ1 - МФ4 и основной вход, в который вмонтирована схема верхней певческой форманты, присоединены к фазовращателю мелодического канала, причем основной вход начинаетс  с регулировочного потенциометра R4 этой форманты. Вход одной формантной схемы АФ аккомпанементного канала и его основной вход с такой же регулируемой потенциометром R25 формантой присоединены к выходу левой педали. Формантные схемы, описанные выше, мен ют на своем выходе знак сигнала, а верхн   певческа  форманта образуетс  схемой, котора  знака сигнала не мен ет. Поэтому все формантные сигналы с измененным знаком суммируютс  на предварительном усилителе ОУ1, а основные входы - на оконечном сумматоре, куда подаетс  также через резистор R8 сумма с предварительного усилител .
Ранее было сказано, что при ненажатой левой педали звуки в обоих каналах должны иметь одинаковую громкость. Но вы снилось, что кажда  форманта несколько увеличивает громкость, а четыре форманты МК, включаемые параллельно, могут увеличить ее значительно. Чтобы этого не происходило, суммирование на ОУ1 производитс  с общим входным резистором R5. Если включена только одна форманта контактом на выходе ее схемы, то на входе сумматора складываютс  два сопротивлени : общее R5 и ее собственное, сто щее после контакта. Но если включены две или больше формант, то дл  каждой их них сопротивлени  от других схем представл ютс  как бы отводами на нейтраль, параллельными R5. Поэтому чем больше включено формант, тем меньше коэффициент при каждой из них. Если бы общее сопротивление R5 было много больше каждого R1-R4, то громкость “псевдосуммы” вовсе не зависела бы от числа формант.
Чтобы увеличить  ркость формант, оказалось полезным сопровождать включение каждой форманты ослаблением основного звука. Дл  этого на конце каждой цепочки резисторов дл  прохождени  основного звука, а именно между резисторами R11 и R12 в МК и между R15 и R16 в АК, устроены отводы на нейтраль через резисторы, включаемые формантными кнопками. В мелодическом канале это резисторы R18, R19, R20, R21, включаемые контактами с индексом "б&sec; на каждой формантной кнопке, в аккомпанементном - резисторы R22, R23 с контактами на двух кнопках, включающих конденсаторы в формантной схеме.
Одинаковые схемы в МК и АК дл  верхней певческой форманты выполнены не в виде резонаторов с довольно широкой частотной областью, а в виде, похожем на регул торы уровн  высоких частот в звуковых усилител х. Регулировочные потенциометры R24 и R25 могут дать уровень высоких частот, выдел емых конденсаторами С7, С2 и С3, С4, либо выше, либо ниже уровн  остальных частот, поступающих через резисторные цепочки. В первом случае конденсаторы работают как форсирующие, во втором как отфильтровывающие высокие частоты. Два конденсатора вместо примен емого обычно одного делают амплитудную характеристику более крутой и позвол ют точнее настроить схему на частотную область форманты. Регулировка действует также и на более высокие частоты, но они уже слухом не воспринимаютс  как дополнительна  форманта.
Темброблок - единственна  схема в инструменте, дл  которой нельз  задать и выполнить четкие технические услови , так как тембры могут оцениватьс  только субъективно. Однако стоит привести здесь некоторые ограничительные законы дл  формантного темброобразовани .
1. Исходный звуковой материал дл  присоединени  к нему формант должен содержать в р ду Фурье все номера гармоник, как можно медленнее уменьшающиес  с ростом частоты. Наиболее хорошей формой, как уже говорилось,  вл етс  скачок и плавный переход к началу следующего скачка.
2. Форманта не вли ет на звуки, частоты которых лежат выше ее частотной области. Область частот верхней певческой форманты от 3 до 4,5 кГц, а у самого высокого женского голоса - колоратурного сопрано - предельна  частота около 1,3 кГц. Следовательно, эта форманта благополучно придает “металл” и “полетность” любому человеческому голосу. Но форманты, на которых у человека синтезируютс  гласные звуки в речи и пении, лежат гораздо ниже - во второй и даже первой октаве. Поэтому на высоких сопрановых нотах катастрофически падает разборчивость слов в пении.
3. На тембр форманты наибольшее вли ние оказывает ее средн   частота. Увеличение амплитуды форманты делает ее  рче, но не измен ет ее тембровой окраски. Сужение частотной области форманты несколько улучшает тембр, делает его как бы чище, но только в том случае, если в суженную область попадет хот  бы одна гармоника. Но если гармоники имеют небольшие номера и не близко друг к другу расположены, то в звуке на соседней кнопке гармоник в форманте уже может не быть и тогда она перестанет звучать. Иными словами, могут получитьс  резкие изменени  тембра на соседних или близких кнопках. Этого допускать нельз  и ширина формантной области частот должна быть в пределах от половины до целой октавы, что в резонаторных схемах соответствует коэффициенту затухани  от 0,5 до 1.
С учетом этих закономерностей автор в своих домашних макетах расположил средние частоты четырех мелодических формант так, чтобы при их одиночном включении получились бы наибольшие различи  в их тембрах. Таким способом были выбраны частоты формант 2500, 1300, 770 и 475 Гц. Тембры на нескольких формантах оставлены, какие получились в инструменте. Они получаютс , как правило, новыми и на слух нельз  разобрать, из каких формант они состо т. В аккомпанементной формантной схеме были поставлены такие конденсаторы, чтобы получились частоты формант 1300 и 770 Гц, а частота 475 Гц получилась при попарном суммировании емкостей. Перва  форманта на 2500 Гц по своей звонкости оказалась неуместной в аккомпанементе.
Автор считает, что дл  опытных образцов инструмента можно использовать темброблок из его макетов, а в дальнейшем желательно привлечь к синтезированию новых тембров музыкантов, которые возьмутс  учитьс  играть на опытных образцах, и других музыкантов - любителей. Тогда в серийные инструменты можно будет заложить более совершенные темброблоки.
Сущность схем с использованием оптронов
Оптронами автор начал заниматьс  недавно, уже в XXI веке. В домашних макетах педали делались на логарифмических потенциометрах, а в вибродатчиках тоже примен лись потенциометры. Но вместо скольжени  в них происходило перекатывание по провод щей подкове хромированного кольца, расположенного под малым углом к ее плоскости. Логарифмические потенциометры быстро истирались, так как педали во врем  игры наход тс  в непрерывном движении. А вибродатчики, сделанные еще в конце 70-х годов, неплохо работают и сейчас в одном из макетов. Оптроны привлекли автора бесконтактностью, возможностью простейших конструктивных решений, а в педал х - еще и хорошей линейностью между светом и током.
Автор не мог перепробовать и обследовать разные типы оптронов, брал те, что были в продаже. В качестве излучател  он применил тайваньский светодиод L-34F3C с инфракрасным излучением на волне 940 нм, близким к красной границе. Угол расхождени  луча 50°. Посто нный ток допустим от 3 до 20 мА, а с переменной добавкой размах от 3 до 30 мА. Имеетс  наш аналог с близкими параметрами АЛ156А. Вольтамперна  характеристика излучател  близка к характеристике стабилизатора напр жени : на излучателе L-34F3C при изменении тока от 3 до 30 мА напр жение мен етс  от 1,10 до 1,22 В. Отношение приращений напр жени  к приращени м тока, то есть динамическое сопротивление, на участке от 3 до 10 мА равно 8 Ом, от 10 до 20 мА равно 3,9 Ом, от 20 до 30 мА - 3,4 Ом. Это хорошо. Дело в том, что излучение в светодиоде вызываетс  током, а звуковой сигнал поступает на педаль в виде напр жени , и изменение динамического сопротивлени  вызывает нелинейность между током и напр жением. В нашем случае желательно в педали задать, например, посто нный ток 18 мА, а переменный, то есть звуковой сигнал с ОУ, можно получить до ±10 мА, если вз ть усилитель, выдерживающий нагрузку 1 кОм. Тогда, учитыва , что посто нный ток беретс  от источника 12,5 В, получим общее сопротивление, присоединенное к излучателю, 385 Ом. Изменение динамического сопротивлени  светодиода на выбранном рабочем участке равно 0,5 Ом, что по сравнению с 385 Ом составл ет немного больше 0,1%. Это можно допустить.
Несмотр  на такую хорошую линейность, разбросы светового потока при одном и том же токе у разных экземпл ров L-34F3C были велики, почти как коэффициент усилени  по току у транзисторов. Излучатели сравнивались между собой при одном и том же токе и на одинаковых рассто ни х от приемника. Из-за полученных разбросов придетс , видимо, подбирать близкие между собой излучатели дл  каждого блока вибродатчиков.
В качестве приемников света вначале были испытаны тайваньские фототранзисторы, но они имели очень большие разбросы, и не было возможности ввести обратную св зь дл  их компенсации. Были обследованы два наших фотодиода ФД256 и ФД263-01. Оказалось, что они сами дают ток и напр жение под действием света и не требуют источников питани . С каждого фотодиода были сн ты зависимости напр жени  на нем от силы падающего на него света. Сила света определ лась током в излучателе, а чтобы исключить ее зависимость от других факторов, в эксперименте все врем  работал один излучатель, а каждый приемник устанавливалс  от него на рассто нии между их куполами по одному щупу толщиной 2 мм. Дл  силы света была прин та условна  единица (у.е.), соответствующа  току через излучатель 16 мА.
Дл  обследовани  внутренних закономерностей в фотодиодах характеристики напр жени  с них были сн ты на холостом ходу и при нагрузке различными сопротивлени ми. Дл  обоих типов фотодиодов ФД256 и ФД263-01 полученные семейства характеристик были очень сходны по виду, так что здесь удалось их соединить в одно (фиг.15). Дл  у снени  разницы между ними достаточно к этой фигуре добавить таблицу нагрузочных сопротивлений:
Крива
1
2
3
4
Нагрузка (кОм)
 
 
 
 
ФД256
∞
4.7
1.4
0.8
ФД263-01
∞
1.1
0.36
0.19
Разберем особенности семейства на фиг.15.
1. Все характеристики пр мые до уровн  примерно 0,3 В, затем загибаютс  в сторону насыщени . Не доход щие до этого уровн  характеристики 3 и 4 при соответствующем освещении дойд  до него, также  изгибаютс . Дл  обоих испытанных фотодиодов уровни перехода к насыщению практически одинаковы.
2. Пр мые участки характеристик имеют хорошую линейность. Это вы снилось при их сн тии на цифровом мультиметре с трем  с половиной дес тичными знаками. Поскольку в эксперименте сначала ток превращалс  в свет в излучателе, затем свет в напр жение в приемнике, можно сделать вывод, что хорошей линейностью обладают оба эти оптрона. Поэтому, видимо, их можно применить в педал х, где очень важно, чтобы не вносились заметные нелинейные искажени .
3. При анализе сн тых семейств было замечено одно важное их свойство. Проведем на графике произвольную вертикаль, пересекающую несколько характеристик на их пр мых участках. Тогда напр жени  в точках пересечени  равны некоторому току, умноженному на нагрузочное сопротивление, с которым снималась кажда  характеристика. Это определ ющий признак токового прибора, в котором входна  величина, в данном случае сила света, превращаетс  в ток, который на данной вертикали определ етс  только ее световой абсциссой, а напр жение выдел етс  на нагрузке в соответствии с ее сопротивлением. Идеальный токовый прибор должен бы при отсутствии нагрузки выдать бесконечное напр жение, но таких приборов не бывает, а фотодиод, как видно их характеристики холостого хода, может дать не более 0,5 В.
4. В приведенной выше таблице нагрузочных сопротивлений можно заметить, что дл  ФД263 все они примерно в 4 раза меньше, чем дл  ФД256. При таком соотношении сопротивлений семейства дл  двух фотодиодов оказались настолько близкими, что их удалось совместить в одном. Это значит, что в равных услови х по свету токи в ФД263 получаютс  в 4 раза больше, чем в ФД256. Первый из них больше по размерам и видимо в нем больше площадь светочувствительной поверхности. Поэтому дл  инструмента был выбран ФД 263-01.
Итак, в токовом приборе ток первичен, а напр жение вторично. Вообще говор , оно внутри прибора мешает току идти, направлено против него. И это только частный случай, что в фотодиоде мешающее действие напр жени  видно на графике только начина  с 0,3 В. Может быть и на меньших напр жени х оно вносит нелинейности, недопустимые дл  педалей. Лучше, если бы этого напр жени  не было, то есть фотодиод работал в режиме короткого замыкани . Но тогда нужно суметь вывести ток короткого замыкани  в схему. Это оказалось очень просто сделать на операционном усилителе, что и осуществлено в педал х.
На фиг.16 показана электрическа  схема, одинакова  дл  обеих педалей. Излучатель И питаетс  через резистор R1 посто нным током, а через резистор R2 на него идет звуковой сигнал, у которого половина размаха по току должна быть меньше посто нного тока через R1. Звуковой сигнал подаетс  от ОУ с выходным током до 10 мА. Приемный фотодиод П присоедин етс  одним концом к нейтрали, другим к минусовому входу ОУ, который также имеет потенциал нейтрали, так как к ней присоединен плюсовый вход. Одинаковый потенциал концов фотодиода обеспечивает в нем режим короткого замыкани , а ток, образующийс  под действием света, идет в резистор обратной св зи R3 и откладывает на нем выходное напр жение ОУ. Ток фотодиода ФД263-01 при максимальной освещенности в услови х работы в педали может доходить до 3 мА. Выходное напр жение ОУ в этой схеме может быть только одного знака, который зависит от пол рности включени  фотодиода. Работа педали основана на изменении рассто ни  между оптронами при ее нажатии. От этого мен етс  не только звукова  переменна  составл юща  выходного напр жени , но и посто нна  составл юща , которую не нужно дальше пропускать. Поэтому на выходе ОУ стоит конденсатор С большой емкости, скорее всего он будет электролитический, так как пол рность напр жени  на нем не мен етс .
Механика педалей, как и электроника, проста, но от нее зависит удобство игры. Вернемс  к фиг.4, на которой хорошо видна права  педаль. Нога ставитс  на педаль всей подошвой стопы, высокие каблуки не допускаютс , а средние могут оказатьс  неудобными. Угол поворота стопы в голеностопном суставе равен примерно 30° , а угол поворота педали прин т в 20° . Конструктивные размеры, определ ющие положение педалей на корпусе подножной части инструмента, должны быть такими, чтобы угол поворота педали находилс  внутри возможного угла поворота стопы в суставе и в крайних положени х педали нога не испытывала напр жений в суставе и св занных с ним мышцах.
Ногу надо ставить вплотную к передвижному порожку на педали, чтобы его касалась задн   сторона каблука. Есть такое положение порожка, при котором нажатие педали не вызывает перемещени  колена вверх или вниз. В этом положении порожек надо закрепить. Дл  сидени  за инструментом лучше всего подходит круглый винтовой стул без спинки. Его нужно установить на такую высоту, чтобы бедра ног, правильно сто щих на педал х, располагались горизонтально.
Характеристика педали, то есть зависимость громкости от угла поворота, должна подчин тьс  биологическому закону: ощущение пропорционально логарифму раздражени . Отсюда следует, что коэффициент пропускани  напр жени  в педали должен зависеть от ее угла поворота по экспоненте. При изменении дальности зависимость получаетс  обратно-квадратичной, как во многих законах природы. Но чтобы она получилась на сн тых характеристиках более правильной, пришлось к рассто нию между куполами добавить путем подгонки 7 или 8 мм на глубину расположени  внутри оптронов светоактивных поверхностей.
На близких рассто ни х характеристика педали получаетс  пригодной к использованию, хот  по пон тным причинам она несколько отличаетс  от квадратичной гиперболы. Но на дальност х больше 10 мм между куполами уменьшение громкости становитс  недостаточно интенсивным. Возникла мысль дополнительно использовать шторку, постепенно загораживающую луч с увеличением дальности. Конструкци , котора  уже реализована в домашнем макете автора, описываетс  кратко ниже.
Излучатель L-34F3C прикреплен изнутри к боковой стенке корпуса подножной части. Приемник ФД-263-01 находитс  на конце рычага, соединенного с педалью вблизи ее оси. При повороте педали мен етс  рассто ние между приемником и излучателем, причем на ближайшем рассто нии их оптические оси совпадают, а на самом дальнем ось приемника повернута на 20° , что допустимо. Линейное перемещение фотодиода прин то равным 30 мм, что определ етс  длиной рычага, а точнее - рассто нием между скрещенными под пр мым углом ос ми педали и фотодиода. Это рассто ние дл  перемещени  в 30 мм получаетс  86 мм.
Вдоль траектории движени  фотодиода установлен отрезок углового профил , одна грань которого укреплена на боковой стенке, а на другой вырезана лекальна  крива , по которой скользит нижнее ребро шторки. Сама же шторка вырезана из тонкой и упругой листовой стали или бронзы и согнута в нужных местах. Различные участки ее выполн ют следующие функции:
1. Лопатка или собственно шторка расположена перед куполом приемника и может закрывать определенную часть его от освещени  излучателем или открыть полностью, когда край ее уходит за пределы купола.
2. Ребро  вл етс  противоположным краем лопатки и, как уже сказано, скользит по лекальной кривой.
3. Довольно длинный участок, проход щий вдоль рычага, служит плоской пружиной и прижимает ребро к лекальному вырезу на уголке.
4. Участок креплени  конца плоской пружины к рычагу вблизи его выхода к педали у оси ее вращени .
На близких рассто ни х до начала лекальной кривой высота среза на уголке бралась такой, на которой только начинаетс  закрытие света и уменьшение тока в приемнике. Переход к лекальной кривой получаетс  очень плавным. Была разработана удобна  методика экспериментального определени  четырех - п ти точек лекальной кривой. Большего числа точек не требуетс , так как сколько-нибудь серьезна  точность оказалась ненужной.
На правой педали минимальна  дальность между куполами вз та 1 мм, максимальна  31 мм. Различие в синусоидальных сигналах между максимумом и минимумом получилась в 18 раз. Это очень большое различие, по мощности звука оно получаетс  в квадрат раз больше, то есть 324, и приближаетс  к возможност м оркестра.
Лева  педаль отличаетс  от правой тем, что в отпущенном состо нии она дает максимум громкости, а права  - минимум. Следовательно, измен етс  положение неподвижного излучател  относительно механизма. Еще в левой педали не требуетс  такого большого изменени  громкости, как в правой, достаточно изменени  напр жени  в 7-8 раз. Уменьшать диапазон изменени  удобно за счет увеличени  минимальной дальности, тогда легче будет устанавливать при отпущенной педали равенство громкостей в двух каналах.
Дл  вибродатчиков, поскольку их семь, была разработана более дешева  светоприемна  схема на двух транзисторах вместо ОУ. В ней примен етс  тот же фотодиод ФД263-01, заложен тот же принцип использовани  режима короткого замыкани , однако условие равенства потенциалов на выводах фотодиода выполн етс  с меньшей точностью, чем в схеме с ОУ. Здесь на излучатель подаетс  только посто нный ток, рассто ние между излучателем и приемником фиксировано. А входной величиной  вл етс  положение шторки. При отсутствии вибрации шторка перекрывает половину луча. Здесь нет требований по точности, но желательно на всех секци х иметь одинаковые коэффициенты по вибрационным составл ющим выходного напр жени .
Схема показана на фиг.17. Если ток фотодиода равен нулю, то схема представл ет собой делитель напр жени , в котором одно плечо - это резистор R1, а в другое вход т R2 и транзистор Т1 в диодном включении. Отвод с делител  подаетс  на базу эмиттерного повторител  Т2, R3. Транзистор Т1 включен в делитель напр жени  дл  того, чтобы точки присоединени  фотодиода имели почти одинаковые потенциалы. Действительно, базы обоих транзисторов соединены между собой, а потенциалы эмиттеров отличаютс  от базовых на напр жени  отпирани , которые дл  кремниевых триодов равны примерно 0,7 В. Оба транзистора берутс  одного типа, и хот  токи в них разные напр жение на фотодиоде не выходит за пределы линейности 0,3 В (см. фиг.15).
Сопротивлени  в схеме выбраны так, чтобы при нулевом токе в фотодиоде напр жение на R3 составл ло примерно четверть питающего. Если фотодиод будет освещен и через него пойдет ток, то равенство токов в плечах делител  нарушитс . Пол рность включени  фотодиода должна быть така , чтобы при этом ток через R1 уменьшалс , а через R2 увеличивалс . Тогда напр жение в узле на эмиттере Т1 увеличитс  и его увеличение будет передано на повторитель Т2. Баланс в схеме установитс  такой, чтобы сумма токов в узле равн лась нулю.
Была выведена формула, в которой используютс  следующие обозначени :
max
где Up - напр жение питани  и i - максимальный ток фотодиода, который дл  рассматриваемой схемы удалось получить.
Формула имеет простой вид:
max
p
p
p
p
max
c
c
p
В формуле предполагаетс , что при изменении тока фотодиода от 0 до i за счет передвижени  шторки напр жение на эмиттере Т1 мен етс  от Uαдо U(1-α ), то есть симметрично относительно половины U. Чем меньше α , тем больша  часть напр жени  U используетс  как диапазон выходного напр жени . Величина i по ее смыслу  вл етс  заданной, как и α , а искомой  вл етс  i - чем она меньше, тем высокоомнее делитель и больше на него вли ет ток фотодиода. Определив i, можно по этому току и величинам U найти R1 и R2. Но оказалось, что отношение в левой части формулы (38) зависит только от α . Выше предлагалось брать α , равной 0,25, но можно вз ть и меньше. При этом быстро увеличиваетс  R1, но R2 увеличиваетс  медленно, а их параллельное сопротивление, которое определ ет качество подачи базового тока на Т2, также увеличиваетс  довольно медленно.
Ввиду малых напр жений на излучател х, пор дка 1,1 или 1,2 В, можно дл  экономии потреблени  тока вибродатчиками соединить все излучатели последовательно. Стабилизированного напр жени  12,5 В хватит на все семь излучателей и на гас щее сопротивление к ним. Надо только, как уже говорилось, подобрать излучатели с близкими световыми коэффициентами. Можно также использовать шунтирование наиболее активных излучателей резисторами.
ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР
1. Игровое поле грифа в натуральную величину.
2. Блок-схема инструмента.
3. Тембропанель в натуральную величину.
4. Общий вид инструмента, изометрическа  проекци  в масштабе 1:5.
5. Контактный механизм под каждой кнопкой М5:1.
6. Механизм подвески тонрейки M1:1.
7. Плоска  пружина и накладка дл  подвески тонрейки M1:1.
8. Статическа  схема подвески рамы с тонрейкой.
9. Контактный узел механизма подвески М1:1.
10. Схема принципиальна  электрическа  генератора тона.
11. Схема фазовращател .
12. Схема воспроизведени  мелодической форманты.
13. Схема воспроизведени  аккомпанементной форманты с переключением на три частоты.
14. Обща  принципиальна  схема темброблока и тембропанели.
15. Семейство характеристик фотодиодов.
16. Схема электронной части педали.
17. Схема электронной части вибродатчика.