Способ линеаризации музыкальной шкалы у терменвокса
LINEARIZATION METHOD OF MUSICAL SCALE IN THEREMIN

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электромузыкальным инструментам типа «Терменвокс» гетеродинного типа и предназначено для улучшения равномерности (линейности) музыкальной шкалы инструмента при использовании рабочих частот генераторов от 500 кГц и выше. Использование высоких частот позволяет применять в составе генераторов катушки с меньшей индуктивностью, что удешевляет конструкцию.
Уровень техники
Известны электромузыкальные инструменты типа «Терменвокс» гетеродинного типа, у которых звуковой тон получается в результате подачи сигналов от двух высокочастотных генераторов на узел, формирующий сигнал разностной частоты. Один из генераторов работает на фиксированной частоте, а частота второго изменяется с помощью поднесения руки исполнителя к емкостному датчику, входящему в состав одного из генераторов (патент СССР №890).
У такого терменвокса музыкальная шкала получается равномерной только в середине диапазона перемещения руки, а на краях, соответствующих приближению руки к антенне - с одной стороны, и к «точке нулевых биений» - с другой, ноты располагаются более густо. Никакие дополнительные способы линеаризации музыкальной шкалы здесь не используются, а соответствие линейного участка наиболее употребимым нотам обеспечивается выбором относительно низких рабочих частот генераторов.
Известны электромузыкальные инструменты типа «Терменвокс» гетеродинного типа, у которых приняты специальные меры по улучшению линейности музыкальной шкалы - в схему перестраиваемого генератора добавлена так называемая «линеаризующая катушка» (или нескольких последовательно соединенных катушек), включаемая между генератором и емкостным датчиком (R.Moog. Build the EM Theremin. - Electronic Musician, February 1996, p.86).
Известны электромузыкальные инструменты типа «Терменвокс» гетеродинного типа, у которых линеаризация музыкальной шкалы достигается за счет использования в перестраиваемом генераторе двух колебательных контуров, индуктивно связанных друг с другом, в один из которых входит емкость антенны (Robert Moog. The Theremin. - Radio & Television News, January 1954, p.37;  Robert Moog. Music From Electrons. - Audiocraft Magazine, June 1956, p.16).
Известны электромузыкальные инструменты типа «Терменвокс» гетеродинного типа, у которых музыкальная шкала корректируется с помощью введения дополнительной связи между генераторами, вызывающей эффект «сближения частот и синхронизации» (Л. Королёв. Современный терменвокс. Радио, 1985, №2, c.43).
Известны также электромузыкальные инструменты типа «Терменвокс» гетеродинного типа, у которых музыкальной шкала корректируется с помощью введения дополнительных развязывающих элементов (буферных каскадов) и элемента переменной взаимной связи между генераторами (авторское свидетельство СССР №1048503).
Общий недостаток таких терменвоксов заключается в необходимости использования катушек с большой индуктивностью. Такие катушки имеют повышенную трудоемкость изготовления и материалоемкость (за счет большего количества витков и габаритов), что повышает их стоимость. Применение ферритовых сердечников при тех же значениях индуктивности позволяет снизить количество витков и габариты, но температурные свойства феррита ухудшают стабильность катушек. Использованию катушек с малой индуктивностью мешает связанное с этим возрастание частот генераторов, приводящее к смещению линейного участка музыкальной шкалы в область очень высоких нот и возрастанию нелинейности в среднем и басовом диапазоне.
Наиболее близким аналогом к изобретению является электромузыкальный инструмент «Theremax» фирмы PAiA Electronics Inc, США, у которого положительный эффект достигается за счет повышенной емкости конденсаторов, входящих в состав колебательных контуров генераторов. С помощью этих конденсаторов частоты генераторов понижаются до значений, обеспечивающих приемлемую линейность музыкальной шкалы.
Недостаток такого способа заключается в отрицательном побочном эффекте - ухудшении стабильности музыкального строя, приводящем к необходимости более часто настраивать положение «точки нулевых биений». Это связано с возросшими частотами генераторов, у которых при той же относительной нестабильности частоты абсолютный уход оказывается больше.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение линейности музыкальной шкалы у терменвоксов гетеродинного типа при использовании генераторов с рабочими частотами от 500 кГц и выше.
До сих пор совершенствование инструмента шло полуэмпирическим путем, поскольку вопрос о характере зависимости емкости датчика (имеющего, как правило, форму штыревой антенны) от положения руки теоретически не проработан. Отсутствие таких данных делает невозможным моделирование поведения терменвокса и исследование влияния различных факторов на линейность музыкальной шкалы.
Автором проведена экспериментальная работа по исследованию зависимостей емкостей таких датчиков («антенн») от их размеров и от положения руки исполнителя, что дало возможность смоделировать музыкальную шкалу, исследовать ее поведение и предложить новый способ линеаризации. Результаты моделирования представлены на фигуре 1.
Кривая 1 показывает ход музыкальной шкалы типичного терменвокса с рабочими частотами генераторов 100 кГц, без использования линеаризующей катушки и элементов дополнительной связи между генераторами, при расположении «точки нулевых биений» на расстоянии 50 см от датчика (типичный вариант настройки). Наиболее линейный участок здесь приходится на ноты от «C2» (65,4 Гц или «До» большой октавы) до «С6» (1046,5 Гц или «До» третьей октавы), т.е. лежит в области наиболее употребимых нот.
Кривая 2 моделирует снижение индуктивности в 100 раз при прочих равных условиях. Частота генераторов выросла в  раз, а линейный участок сместился вверх в область редко употребимых нот.
Кривая 3 соответствует случаю, описываемому кривой 2, но с линеаризацией по способу наиболее близкого аналога - с помощью увеличенной до 100 пФ емкости колебательного контура (значение взято для примера). Линейный участок вернулся на прежнее место. Частоты генераторов при таком способе линеаризации занимают промежуточное значение по сравнению со случаями 1 и 2.
Технический результат в данном изобретении достигается тем, что частоты сигналов генераторов перед их подачей на формирователь разностной частоты понижаются с помощью делителей. Например, деление частоты на 10 для случая, описываемого кривой 2, возвращает линейный участок на свое прежнее место (кривая 4, совпадающая с кривой 1). Такой же эффект достигается и делением частоты сигнала с выхода формирователя, либо при комбинациях деления, производимых до и после формирователя с общим коэффициентом, равным 10.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 показаны графики, описывающие результаты моделирования музыкальной шкалы типичного терменвокса, работающего на частоте 100 кГц без средств линеаризации (кривая 1), терменвокса с уменьшенной индуктивностью катушек (кривая 2), терменвокса с уменьшенной индуктивностью катушек и линеаризацией по способу наиболее близкого аналога (кривая 3), терменвокса с уменьшенной индуктивностью катушек и линеаризацией по предлагаемому способу (кривая 4).
На фигуре 2 показан вариант реализации изобретения с использованием делителей, устанавливаемых до формирователя разностной частоты.
На фигуре 3 показан вариант реализации изобретения с использованием делителя, устанавливаемого после формирователя разностной частоты.
На фигуре 4 показан вариант реализации изобретения с использованием делителей, имеющих отводы от промежуточных ступеней деления.
Осуществление изобретения
1
2
Предлагаемый способ может быть реализован так, как показано на фигуре 2. Емкостной датчик 1, чувствительный к перемещению руки, входит в состав перестраиваемого генератора 3. Опорный генератор 2 имеет фиксированную частоту. Оба генератора работают на повышенных частотах f и f (от 500 кГц и выше). Перед подачей сигналов на формирователь разностной частоты 5 производится деление их частоты с помощью делителей 4. В качестве делителей могут быть использованы счетчики-делители из наборов микросхем цифровой логики, синхронизируемые релаксационные генераторы, триггеры, элементы микросхем с программируемой логикой и т.д.
1
2
1
2
1
2
1
При использовании генераторов с близкими частотами (что дает возможность за счет идентичности параметров уменьшить взаимный дрейф частот) коэффициенты деления N и N устанавливаются одинаковыми. Разные значения N и N позволяют использовать сильно отличающиеся частоты f и f, причем в качестве f может быть выбрана одна из тактовых частот, присутствующая в системе (при реализации изобретения с использованием микросхем программируемой логики, микроконтроллеров и т.д.).
1
2
При другом варианте реализации деление может осуществляться после формирователя разностной частоты, как это показано на фигуре 3. Здесь частота f - f , подлежащая делению, лежит в звуковом диапазоне.
В третьем варианте реализации (фигура 4) деление может осуществляться счетчиками-делителями 7, имеющими отводы от промежуточных ступеней деления (например - микросхемами К564ИЕ10 или CD4520), а выбор коэффициентов деления производится сдвоенным переключателем 6. Изменяемые коэффициенты деления позволяют оперативно менять положение линейного участка с целью соответствия диапазона инструмента конкретному музыкальному произведению.
Предлагаемые варианты реализации не исключают использование дополнительных способов линеаризации музыкальной шкалы. Например, ничто не мешает установить в перестраиваемый генератор «линеаризующую катушку», предназначенную для выравнивания участка музыкальной шкалы вблизи антенны, а использование высоких рабочих частот позволяет снизить индуктивность и этой катушки, тем самым удешевив конструкцию инструмента.