| |
Основы синтеза звука. Часть 4
Лев Орлов
В предыдущих статьях мы достаточно подробно рассмотрели электромеханические
музыкальные инструменты и сам принцип, по которому они построены.
Генераторы звука этих инструментов, по сути, с помощью разнообразных
датчиков преобразовывали механическое движение в электрический ток.
Позвольте так же подробно рассмотреть в исторической перспективе
устройства, источником звука в которых, вместо подвижных деталей
и преобразователей, служили электрические схемы - электронные музыкальные
инструменты, первый из которых в 1899 году построил Уильям Даддл,
английский физик.
Среди серьезных экспериментов один был проведен Даддлом ради развлечения.
Он использовал угольную дуговую лампу (других тогда не было) для
создания... музыкальных звуков. "Поющая дуга", как любовно назвал
свое детище Даддл, питалась от постоянного тока, пропущенного через
шунтирующую схему, создающую переменный ток на выходе. В принципе,
"Поющая дуга" работала как громкоговоритель. Высокий потенциал (300
вольт!) позволял создавать чисто звучащие ноты, высота которых зависела
от соотношения емкости (C) и индуктивности (L), а громкость - от
реактивного сопротивления (R), используемых в схеме. Даддл сконструировал
также клавиатуру, с помощью которой можно было управлять этими характеристиками.
Таким образом, именно ему принадлежит пальма первенства в построении
первого в мире электронного клавишного инструмента, и это было,
напомню, в 1899 году!
Во время демонстрации "Поющей дуги" в лондонском электроинженерном
институте, дуговые лампы, находящиеся в соседних помещениях, тоже
"пели". "Мистическое" явление объяснялось просто: все лампы питались
от одного источника тока. Когда "Поющая Дуга" издавала звук, она,
естественно, "подсаживала" источник питания, таким образом, становясь
причиной "странного поведения" других дуговых ламп. Этот феномен
породил спекулятивные домыслы о том, что демонстрация спонсировалась
городской службой электросетей. На самом деле Даддл не гнался за
наживой и даже не стал подавать заявку на патент.
Лично я глубоко убежден, что технический прогресс "продвигают"
ленивцы. Возьмем, к примеру, миниатюризацию. Есть мнение, что она
- результат нежелания таскать тяжести.
Так вот, "Поющая дуга" Даддла издавала забавные звуки, но была
слишком тяжелой, чтобы использоваться для создания профессиональных
музыкальных инструментов: ведь их надо таскать с концерта на концерт...
Но технический прогресс не стоял на месте, что-то должно было случиться.
И случилось - была изобретена электронная вакуумная лампа, или "радиолампа".
Это событие создало базу для развития усилителей и, соответственно,
сделало возможным создание электронных генераторов звука.
Начало было положено в 1883 году Томасом Эдисоном - опять же, благодаря
случаю - во время его экспериментов с лампой накаливания. Он пытался
предотвратить затемнение стекла, возникающее из-за отложений углерода
- продуктов сгорания нити накаливания. Внутри стеклянной колбы с
откачанным воздухом он установил напротив нити накаливания металлическую
пластину, соединенную с проводником, вмонтированным в стекло колбы;
таким образом, на пластину можно было подавать электрический заряд,
который притягивал бы частицы углерода. В ходе предшествующих экспериментов
Эдисон открыл, что положительный заряд позволяет току свободно "перетекать"
с нити накаливания (катода) на пластину (анод): отрицательно заряженные
электроны, которые излучает раскаленная нить накаливания, притягиваются
положительно заряженной пластиной. И напротив, отрицательный заряд
на пластине прекращал движение электронов. Этот феномен стал известен
как "эффект Эдисона". В 1884 году изобретатель описал его в научной
статье и представил публике первый экземпляр усовершенствованной
лампы. Эмброз Флеминг, английский физик, присутствовавший на демонстрации,
много позже, в 1904 году, и тоже случайно, нашел эффекту Эдисона
полезное применение. Устройство, которое он создал, и которое мы
называем ламповым диодом, представляло собой детектор радиоволн.
Вот как оно работало: катод был присоединен к антенне, воспринимающей
слабые радиоволны. Когда электроны в антенне двигались в определенном
направлении, они создавали положительный заряд на катоде, и между
анодом и катодом проходил электрический ток. Когда же электроны
двигались в противоположном направлении, они создавали на катоде
отрицательный заряд, и ток прекращался. Колебания радиоволн электронная
лампа превращала в колебания проходящего через нее тока. Подсоединенный
к ней телефонный громкоговоритель в точности воспроизводил звук,
транслировавшийся радиостанцией.
"Музыка ламп" Ли де Фореста
Разработки Флеминга здорово "подтолкнули" исследования в области
радиовещания и звуковой техники. Например, американский инженер
Ли де Форест в 1906 году изобрел усовершенствованную электронную
лампу, которую он назвал "Одион" (Audion). Важность этого события
трудно переоценить. Одион был более чувствительным, чем лампа Флеминга
и мог преобразовывать слабые радиосигналы в электрический ток большой
силы. Это была электронная лампа, состоящая из трех элементов (ламповый
триод): между катодом (нитью накаливания) и анодом (пластиной) располагалась
металлическая сетка, работающая как дополнительные "шлюзовые ворота",
управляющие электрическим током. Так как она располагалась ближе
к катоду, небольшой потенциал, приложенный в этом месте, имел большее
влияние на электрическое поле внутри лампы (а, следовательно, и
на ток, проходящий через анод), чем влияло бы такое же напряжение,
поданное непосредственно на сам анод. Де Форест присоединял антенну
не к аноду, а к новому элементу - сетке. Таким образом можно было
управлять гораздо большим током. Изменения напряжения на сетке приводили
к большим изменениям на аноде. Этот принцип впоследствии был использован
многими изобретателями при разработке электронных музыкальных инструментов.
В эпоху раннего радио механическая энергия преобразовывалась при
помощи микрофона и передатчика в радиоволны, которые принимались
антенной, усиливались и снова превращались в звук. Но это был еще
не принципиально новый, электронный генератор звука, а всего лишь
электронный способ передачи сигнала механического генератора, например,
голоса диктора.
Рассмотрим несколько с иной точки зрения упомянутую в начале статьи
"Поющую дугу" Даддла. В шунтирующей схеме, создающей прерывания
постоянного тока, применялись конденсатор и катушка индуктивности.
Этот тип схемы впоследствии широко применялся в электронных устройствах,
и известен как колебательный контур (или, благодаря используемым
компонентам, как L-C схема). Однако, за исключением такой причудливой
конструкции, как 300-вольтовый "звуковой генератор" Даддла, L-C
схема способна производить колебания только одного типа - затухающие,
с постоянно уменьшающейся амплитудой. Именно поэтому сам по себе
колебательный контур нельзя использовать как генератор звука. Но
если на колебательный контур в определенное время подать небольшой
ток, возникнет авторезонанс, и колебания перестанут затухать - их
амплитуда станет постоянной.
Каждый из нас хоть однажды испытал действие обратной связи, возникающей
при работе систем звукоусиления, известного всем "воя микрофонов".
Ее возникновение заставляет усилитель работать как генератор звука.
Такой тип обратной связи называется акустическим, или воздушным.
Обратная связь, используемая в электронных звуковых генераторах
- электрическая. В живой природе нет незатухающих колебаний. Ударьте
в колокол или толкните маятник - их колебания не будут длиться бесконечно,
если не прилагать постоянных дополнительных усилий. И важным в такой
системе является не просто сама возможность приложить силу, а то,
как это сделать. Система будет работать, только если приложенная
энергия совпадает по фазе с энергией движения колеблющегося тела.
Эти принципы верны и для работы электронных колебательных систем.
Колебательный контур способен производить затухающие вибрации. Но
если в нужное время - то есть в фазе - приложить дополнительную
энергию, вибрация станет незатухающей. Этот принцип называется положительной
обратной связью.
Ли де Форест получил первый патент на генератор с положительной
обратной связью в 1915 году. На рисунке 1, воспроизводящем пояснения
к патенту, показана схема взаимодействия лампового триода и колебательного
контура с переключаемыми конденсаторами, катушкой индуктивности
и блоком резисторов. Амплитуда колебаний управлялась с помощью выключателя,
замыкающегося на один из резисторов, подсоединенных между сеткой
и катодом лампового триода. Частота вибрации зависела от номиналов
использованных в схеме конденсаторов. В патентной спецификации де
Форест указал, что, плавно изменяя емкость конденсатора колебательного
контура, можно имитировать звук сирены (на рисунке 2 изображен исполнитель,
вынужденный постоянно вращать рукоятки настройки высоты). А в одной
из статей, описывающих изобретение де Фореста, было напечатано следующее:
"Высоту нот изменять чрезвычайно легко - путем изменения емкости
или индуктивности в схеме. Практически, достаточно дотронуться пальцем
до определенных деталей или просто приблизить кисть руки к открытой
схеме. Звуки, извлекаемые таким образом, кажутся сверхъестественными,
они завораживают слушателя, увлекают его в совершенно фантастическое
звуковое пространство". Эти комментарии предвосхищали появление
"пространственно-управляемых" музыкальных инструментов Льва Термена,
которых мы коснемся в следующей статье.
Рис. 1 Схема генератора Де Фореста
В 1915 году де Форест построил "недоразвитый" инструмент, в котором
использовалось по одному ламповому триоду на каждую октаву, а конструкция
клавиатуры позволяла извлекать только одну ноту в каждой октаве.
Выходной сигнал подавался на громкоговорители, которые можно было
расположить по периметру комнаты, что придавало звучанию некоторую
пространственность. Де Форест сам был очень увлечен своим детищем
- "музыкой ламп", как он его называл. В одной из опубликованных
работ он писал: "Я надеюсь, что с помощью этой маленькой электронной
лампы смогу сделать инструмент, достаточно совершенный, чтобы музыканты
могли реализовать свои самые богатые музыкальные фантазии". В декабре
1915 года изобретатель представил публике описание "Одион-пиано"
(Audion Piano). Его схема предполагала применение отдельных ламповых
генераторов для каждой ноты звукоряда. К сожалению, этот замечательный
инструмент не был "доведен до ума", потому что автору просто не
хватило стабильно работающих электронных ламп.
Роль Ли де Фореста в разработке электронных музыкальных инструментов
чрезвычайно важна. Его ламповый триод лег в основу будущих разработок
в области усиления звука и сделал возможным создание новых, более
совершенных электронных генераторов.
Йорг Магер
Карьера Йорга Магера, немецкого педагога, органиста и изобретателя,
пожалуй, одна из самых интересных в истории электронных музыкальных
инструментов. В своих первых электронных музыкальных инструментах
он использовал гетеродин - высокочастотный генератор, используемый
в радиоприемниках для подавления "завываний" на нежелательных частотах.
Это было необычно - применить для создания звука метод наложения
высокочастотных колебаний, разностный тон которых и был слышен.
Инструмент, названный Магером "Электрофон" (Electrophon), был выпущен
в 1921 году и занимал пространство чуть больше "завывающего" радиоприемника.
В усовершенствованной версии инструмента, диапазон частот которого
был сравним с границами человеческого слухового восприятия, для
изменения тембровой окраски звука использовались цепочки фильтров.
Инструмент назывался "Спаерофон" (Spaerophon) и был продемонстрирован
широкой публике несколькими годами позже. Забавную картину этого
события живописует профессиональный журналист, присутствовавший
на демонстрации. "Исполнитель постоянно поворачивает рычаг, связанный
с конденсаторами в схеме одного из генераторов, для того, чтобы
извлечь ноту нужной высоты. Полукруглая шкала, расположенная под
этим рычагом, отградуирована в соответствии со всеми двенадцатью
ступенями хроматической гаммы - это до некоторой степени объясняет
проблемы, возникающие с настройкой инструмента. Магер оригинально
подошел к решению проблемы со строем: в следующей версии инструмента
он использовал уже два рычага, посредством чего можно было предварительно
выбирать следующую за звучащей ноту. Премьера инструмента состоялась
в 1926 году на Данаушенгенском музыкальном фестивале, в программе,
посвященной механической музыке Хиндемита, Тока и Герхарда Мюнха,
но прошла незаметно из-за отсутствия подходящего репертуара. Только
Георгий Римский-Корсаков, внук известного русского композитора,
написал несколько "упражнений" (так просты были эти опусы) для Спаерофона.
Поэтому Магер забросил и гетеродинный дизайн, и всю концепцию целиком.
В более поздних инструментах он использовал уже известные индуктивно-емкостные
(L-C) генераторы. Первый из них, "Клавиатур-Спаерофон" (Klaviatur-Spaerophon),
был построен при поддержке нескольких германских научных институтов
и германского комитета по радиовещанию. У него были две монофонические
ручные и монофоническая педальная клавиатура. В 1929 году городские
власти Дармштадта предоставили Магеру помещение в городском парке,
а также техническую поддержку для проведения публичного концерта-демонстрации.
Однако Магер был ужасно подозрительным и отказался, испугавшись,
что кто-то может "перехватить" идею и наладить без его ведома массовое
производство Клавиатур-Спаерофонов.
 Рис.
2 Audion Piano
Еще один инструмент, который не был ни монофоническим, ни по-настоящему
полифоническим, Магер представил широкой публике в 1930 году. На
своем новом Клавиатур-Спаерофоне он исполнял произведения Баха,
Бетховена, Вагнера и Мендельсона. Он также сочинил специально для
этого концерта романтическую "Песнь рождественской колыбели".
Самое забавное, что тембровое разнообразие обеспечивалось за счет
использования механических резонаторов и динамиков специальной формы.
В одном из журналов об этом событии написано: "Сегодня г-н Магер,
известный органист и изобретатель, продемонстрировал публике орган
с множеством регистров. Известные исполнительские способности г-на
Магера позволили ему блестяще обойти сложности, заложенные в конструкции
этого инструмента: чтобы исполнить четырехголосное произведение,
требуется нажимать клавиши одновременно на трех ручных и педальной
клавиатурах. Монофонические клавиатуры расположены очень близко
друг к другу; клавиши сделаны очень короткими, для того, чтобы исполнитель
мог одной рукой захватывать ноты на всех трех клавиатурах. Такая
конструкция требует несколько иной, чем на обычном фортепиано или
органе, техники исполнения".
 Рис.
3 Йорг Магер и его Spaerorhon
Впоследствии Магер создал еще одну модель инструмента, полифония
которого расширилась до пяти голосов, и назвал его "Партитурофоном"
(Partiturophon). Это был самый зрелый плод музыкально-инженерного
искусства Йорга Магера. Новый инструмент предоставил ему, как органисту,
широчайшие возможности для использования обеих концепций голосоведения
- гомофонию, при которой единственный мелодический голос поддерживается
аккордовым аккомпанементом, и полифонию, при которой все голоса
являются более или менее равными в фактуре музыкального произведения.
Все голоса Партитурофона имели раздельную изменяемую артикуляцию;
это был полифонический инструмент в самом полном смысле.
Партитурофон стал необычайно популярен. Музыканты и любители техники
толпами стекались в Дармштадт посмотреть захватывающее шоу Магера
- одновременное расположение пальцев одной руки на разных клавиатурах!
(см. рисунок 4). Среди них оказался Винфред Вагнер, внук знаменитого
Рихарда Вагнера, оперный дирижер и пропагандист творчества деда,
который пригласил Йорга Магера исполнить на Партитурофоне партию
колоколов в опере "Парсифаль". Дебют в академической среде оказался
успешным, и творчеством Магера заинтересовались такие знаменитости,
как Артуро Тосканини и Вильгельм Фюртвангер. Начиная с 1932 года,
Магер выступал как композитор (и, естественно, как исполнитель на
Партитурофоне) в нескольких театральных постановках в Дармштадте
и Франкфурте, включая модернистскую феерию Густава Мартунга "Фауст",
посвященную столетию Гете.
 Рис.
4 Укороченные клавиши Партитурофона
Политическая ситуация, сложившаяся в Германии после 1933 года,
противоречила творческой свободе талантливого музыканта и инженера.
Его последняя работа - "Калейдофон" (Kaleidophon), музыкальный инструмент
с чрезвычайно запутанной и сложной конструкцией, которая позволяла
воплотить творческие идеи, почерпнутые изобретателем в авангардных
ладовых концепциях Шенберга и Бузони. Магер умер в 1939 году, так
и не сумев достигнуть мистико-идеалистической цели своей жизни -
создать электронный инструмент, звучание которого могло бы благотворно
повлиять на тела и души множества людей. В те роковые времена в
Германии практиковались "массовые мероприятия" совсем иного свойства.
А Калейдофон и другие электронные инструменты Йорга Магера были
погребены под обломками Дармштадтской консерватории, разбомбленной
в конце второй мировой войны.
(Продолжение следует...)
|
«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
