С. Н. Бронштейн
В № 24 «Радио всем» за 1928 г. автором настоящей статьи был описан электрический музыкальный инструмент типа «Терменвокс». Аппарат был построен на принципе использования биений, получающихся в результате работы двух генераторов высокой частоты, частоты колебаний которых близки друг к другу. Высота музыкального тона в этом случае зависит от частоты биений (разности частот обоих генераторов) и регулируется настройкой одного из контуров путем удаления или приближения руки к маленькой местной «антенне».
Конструкция «Терменвокса» относительно сложна и требует больших расходов на питание; исполнение музыкальных произведений на нем также требует большой практики и умения. Естественно, поэтому возникает вопрос о возможном упрощении подобного инструмента, представляющего в общем очень большой интерес как со стороны технической, так и со стороны музыкальной.
Предлагаемый новый тип аппарата, под названием «Электрола» (заявочное свидетельство Комитета по делам изобретений № 40 042), построен на совершенно иных принципах, чем «Терменвокс», а именно на принципе использования явления генерации на низкой частоте.
Многие радиолюбители нередко замечали, что при известных условиях усилитель низкой частоты на железных трансформаторах служит причиной появления устойчивых и сильных звуков, высота которых не меняется при настройке контура. По существу мы здесь сталкиваемся с той же обратной связью, которую мы имеем в обычном регенеративном приемнике. Ламповый генератор, как известно, генерирует колебания высокой частоты. Так как частота эта чрезвычайно велика, то мы не можем услышать этих колебаний, так как человеческое ухо воспринимает лишь колебания, частота которых сравнительно невелика. Поэтому в «Терменвоксе» и приходится применять два генератора для получения биений и разностного тона низкой частоты. Оказывается, однако, что, увеличивая число витков в катушках регенератора, можно получить колебания низкой частоты (большой длины волны); частоту этих колебаний, а следовательно и высоту звука можно изменять весьма простыми средствами.
На этом принципе за границей были в свое время построены очень сложные клавишные инструменты, в которых каждой клавишей приводился в действие генератор постоянной звуковой частоты. Полная фортепьянная клавиатура, таким образом, состояла из 88 ламповых генераторов (!) с очень сложными регулирующими приспособлениями, что, конечно, являлось чрезвычайно громоздким и дорогим («радиопианино» Гэрнсбека). Более простые устройства (например так наз. «радиотромбон») имели тот недостаток, что диапазон инструмента получался чрезвычайно незначительным.
В «Электроле» использован лишь один генератор, допускающий регулировку частоты (изменение настройки) в больших пределах, что дает возможность получения любых звуков в диапазоне не менее 4-х октав, при широком изменении тембров и характера звучания.
Преимущества «Электролы» по сравнению с «Терменвоксом» следующие: 1) Чрезвычайная простота и дешевизна конструкции и портативные размеры (общая стоимость не свыше 10 рублей). 2) Большая экономия в лампах и питании, несмотря на это достигается одинаковая сила звука лишь при одной лампе вместо по крайней мере четырех ламп, необходимых для «Терменвокса». 3) Легкость в обращении и игре, не требующая большого искусства, кроме наличия некоторого музыкального слуха. 4) Устойчивость звука. 5) Более приятный и густой тон звучания, свободного от «завывания». 6) Возможность соединения с клавиатурой, что еще более облегчает исполнение. 7) Отсутствие излучения в эфир, от чего не свободен «Терменвокс».
Схема инструмента изображена на рис. 1. По существу — это обычный регенератор, из которого удален гридлик. Нормальные катушки сеточного и анодного контуров заменены в данном случае катушками с большим количеством витков. Чтобы не осложнять постройки намоткой специальных катушек, были использованы обмотки от нормального трансформатора низкой частоты, из которого лишь удален сердечник.
Регулировка высоты звука производится, с одной стороны, вдвиганием и выдвиганием из катушек железного сердечника (то есть изменением самоиндукции катушек) и, с другой — путем включения в контур постоянных конденсаторов большой емкости (С1—С4), меняющих регистры (диапазон частот). Путем шунтирования репродуктора емкостями С5, С6, С7 и сопротивлением R2 можно менять также и тембр звука. Диапазон звуков, а также характер звучания, регулируются вместе с тем и изменением величины накала и анодного напряжения. Схема допускает переключение анодной катушки параллельно зажимам репродуктора, что также резко изменяет характер исполнения. (При нормальном регенераторе ножки 1—2 вставляются в гнезда «в-о», а при измененной схеме — в гнезда «б-а».)
Основная часть «Электролы» — это катушки самоиндукции L1 и L2, взятые из обычного трансформатора низкой частоты. Вторичная обмотка включается в цепь сетки, а первичная в цепь анода. После ряда испытаний, произведенных над трансформаторами, имеющимися в продаже, был выбран бронированный трансформатор завода «Радио» с отношением витков 1:5 (первичная обмотка 5 000 и вторичная 25 000 витков). Достоинством его являются сравнительно большие размеры, благодаря чему достигается наибольший эффект (изменения высоты тона) при передвижении сердечника.
При меньшем количестве витков во вторичной обмотке инструмент будет давать только очень высокие звуки. При уменьшении же количества витков в первичной обмотке (например в трансформаторах с отношением витков 1:3 или 1:2) падает интенсивность колебаний (сила звука), особенно при включенных конденсаторах большой емкости при игре на низких регистрах.
Трансформатор освобождается от металлической брони, для чего отвинчиваются гайки четырех скрепляющих сердечник болтиков. Железный сердечник также удаляется. Сердечник в этом трансформаторе составлен из железных рамочек с длинными отростками, вставленными во внутрь катушки. Для того чтобы их вынуть, приходится отгибать рамки, после чего они легко выдергиваются поочередно с обеих сторон катушки. Делать это нужно очень осторожно, чтобы не повредить при этом тонких выводов от обмоток. Для предохранения их от обрыва следует на концах напаять гибкие проводники и места спаев прикрепить сургучом к картонному остову катушки, отметив соответствующие выводы первичной и вторичной обмоток.
Далее, для изготовления необходимы: ламповая панель треста «Электросвязь» с выведенными наружу контактами, реостат накала R1 в 25 ом, 5 карболитовых клемм, 5 телефонных гнезд, штепсельная вилка, ползунок с 5 контактными кнопками, немного тонкой латуни для пружинок, 4 зажима для сопротивлений, сопротивление R2 в 100 000 ом и набор постоянных конденсаторов — С1 — 350 см, С2 — 2 500 см, С3—5 000 см, С4 — 10 000 см, С5 — 1 000 см, С6 — 3 000 см и С7 — 5 000 см. Лампа — «микро», батарея накала в 4 вольта, анодная батарея от 45 до 80 вольт и наконец хороший репродуктор («Рекорд», «Украинрадио» и т. п.).
Аппарат монтируется в небольшом четыреугольном ящике размерами 170 × 110 × 90 мм (рис. 2 и 3). На дне этого ящика помещаются ламповая панель (слева) и катушки трансформатора (у правой стенки). Против трансформатора делается соответствующих размеров отверстие (18 × 18 мм) для пропуска сердечника. Катушка укрепляется маленькой деревянной планочкой (упором), привинчиваемой ко дну ящика. Пара винтов ввинчивается в боковую стенку и предохраняет трансформатор от бокового движения. Для прочности можно закрепить его еще плотной картонной лентой, обхватывающей тело катушки и прикрепленной ко дну ящика. На передней стенке ввинчены гнезда «а», «б», «в» и клеммы «г» и «д», а также сделано отверстие для вывода шнура переключающей вилки. Справа укреплен реостат накала, в левой боковой стенке укреплены гнезда репродуктора; в задней стенке — клеммы питания. В крышке делается круглое отверстие для лампы, которая выступает на 2—3 сантиметра наружу (см. рис. 8).
Ящик с генератором поставлен на второй плоский ящик размерами 330 × 110 × 35 мм таким образом, чтобы в левой части оставалось свободное пространство для размещения клавиш и прерывателя (см. рис. 4, на котором приведен вид ящика снизу). Клавиши служат для включения (отдельно или порознь) конденсаторов С2, С3 и С4 (конденсатор С1 присоединен постоянно к колебательному контуру). Прерыватель необходим, так же как и в «Терменвоксе», для устранения не всегда желательного «glissando» (ползучий переход одного тона к другому) и получения прерывистых звуков и пауз.
Справа располагается коммутатор, предназначенный для изменения тембров. Он состоит из пружинного ползунка и 5 контактных кнопок. Первая из них — холостая, а остальные включают параллельно зажиму репродуктора конденсаторы в 1 000, 3 000 и 5 000 см или сопротивление в 100 000 ом.
Обратимся к конструкции клавиш и прерывателя. Для простоты, конечно, можно было бы вместо них поставить обычные звонковые кнопки, но это было бы и неудобно и некрасиво. Поэтому лучше всего сделать самостоятельно специальной конструкции клавиши и прерыватель (рис. 5 и 6).
Контактные пружинки для клавиш вырезываются в виде узких полосок из тонкой латуни. Для придания пружинкам достаточной упругости они набиваются в течение 10 минут деревянным молотком. Всего понадобится 3 пары пружинок, чтобы каждая клавиша при нажиме опиралась пружинкой о пружинку, а не на твердый контакт; иначе при игре будет слышен неприятный стук и придется сильно ударять о клавиши, что быстро утомляет руку. То же самое относится и к прерывателю, который изготовляется из латунной или алюминиевой полоски (якорь) с загнутыми краями, через которые пропускается ось. Ось эта зажимается между двумя клеммами, ввинченными в крышку ящика. Под якорем помещены две упругие пружинки. Ось прерывателя соединена с репродуктором, а обе пружинки вместе с положительным полюсом анодной батареи. При нажиме одним из пальцев на прерыватель включается репродуктор, при подъеме пальцев рычажок становится горизонтально, так как он сбалансирован двумя пружинками «а» и «б», и цепь репродуктора прерывается.
Такое устройство имеет один недостаток: при включении и выключении репродуктор типа «Рекорд» слегка щелкает. Чтобы избежать этого, можно не прерывать анодную цепь, а включать подобным же образом, параллельно сеточной катушке генератора, конденсатор емкостью порядка ¼— ½ микрофарады. Такая большая емкость при включении прекращает генерацию, и репродуктор перестает звучать, не давая щелчка.
Детали изготовления клавиш и прерывателя изображены на рис. 5 и 6. В качестве клавиш берутся круглые головки из звонковых кнопок. Если пружинки смонтированы под крышкой ящика, то для кнопок прорезываются отверстия; если же пружинки помещены наверху, как изображено на схеме и фотографии, то над ними укрепляется на прокладках четыреугольная полоска твердого картона или тонкой фанеры с соответствующими отверстиями для кнопок.
Кнопки и прерыватель располагаются с таким расчетом, чтобы левая рука первым, четвертым и пятым пальцами могла свободно манипулировать с клавишами, а вторым и третьим с прерывателем.
Конденсаторы размещаются под крышкой плоского ящика. Снаружи помещены пружинные зажимы для сопротивления, которое можно по желанию менять. Кроме того здесь же имеется вторая пара зажимов для добавочного конденсатора сеточного контура («е» и «ж»), если появится необходимость в нем при производстве опытов и регулировке «Электролы».
Монтаж делается, как обычно в ламповых приемниках, жестким проводом в 1 мм толщиной, желательно посеребренным. В местах пересечения анодных и сеточных проводов надеваются тонкие резиновые трубки. Конденсаторы укрепляются под панелью посредством небольших медных шурупчиков, под которые подкладываются круглые шайбочки. Панели, на которых монтируются ответственные части, после того как просверлены необходимые отверстия, рекомендуется пропарафинировать. Клеммы и гнезда удобно укреплять в специальных карболитовых шайбочках, выпущенных трестом Точной механики. От гнезд репродуктора выводятся наружу через переднюю стенку два гибких провода, (например, шнур электрического освещения), присоединенных к штепсельной вилке. Клеммы «г» и «д» на передней стенке служат для переделки аппарата в клавишный (об этом будет сказано в отдельной статье).
Остается сделать сердечник, от которого зависит в большой степени диапазон инструмента. Длина сердечника берется в 100—120 мм с постепенно суживающимся концом (рис. 7). Сердечник должен легко входить во внутрь трансформатора. Проще всего для этой цели пользоваться четырьмя железными костылями, сложенными попарно двумя загнутыми концами вверх и двумя концами вниз. Костыли связываются тонкой проволокой и оклеиваются бумагой. Загнутые концы для удобства можно заделать в деревянную ручку. Такой сердечник работает вполне удовлетворительно, хотя связь между музыкой и... железными костылями весьма неожиданна. Можно, конечно, сердечник составить из отдельных изолированных тонких железных пластинок или пучка лакированных проволок. Необходимо лишь, чтобы со стороны ручки сердечник имел загнутые на несколько сантиметров концы, так как от этого повышается даваемый им эффект.
В аппарат вставляется обычная лампа «микро» и присоединяются источники питания. Следует указать, что для игры в обычных комнатных условиях на чувствительный репродуктор вполне достаточно 45 вольт на анод с одновременным небольшим понижением против нормы и величины накала. Для увеличения громкости анодное напряжение повышается, однако, не свыше чем до 80—90 вольт. Аппарат, если в этом имеется необходимость, допускает соединение с последующими усилителями низкой частоты, включаемыми обычным способом (для работы с мощными репродукторами).
Играть на «Электроле» значительно легче, чем на «Терменвоксе». Инструмент всегда готов к действию; здесь не требуется кропотливой настройки и наблюдения, а также отсутствует весьма неустойчивый воздушный гриф, очень затрудняющий исполнение. Плавное изменение высоты тона достигается движением сердечника: при вынутом из катушки сердечнике получается наиболее высокая нота, при вдвигании — наиболее низкая. Рука играющего быстро привыкает находить необходимые положения сердечника, соответствующие определенным звукам.
В описываемом приборе (при выключенных конденсаторах) перемещением сердечника, примерно на 8—9 см, мы получаем нисходящую гамму из 20 полутонов. Если мы нажмем пятым пальцем левой руки на 1-ю клавишу, то весь диапазон звуков сдвинется вниз на известное количество интервалов. Включение 2 или 3 клавиши понизит диапазон еще больше. Наконец можно включить максимальные емкости, нажимая на 2 и 3 клавиши одновременно. В результате этого мы легко можем пройти непрерывную гамму звуков сверху вниз, в пределах, примерно, 4-х октав, что более чем достаточно. Достаточно небольшой практики, чтобы овладеть техникой игры. По существу выгоднее каждое музыкальное произведение исполнять при постоянном нажиме на какую-нибудь определенную клавишу, так как резкое изменение емкостей несколько меняет тембры (высокие ноты получаются более резкого «светлого» характера, нижние же звучат несколько гуще). Получается такое же явление, как и в фисгармонии, так как включение конденсаторов будет в нашем случае соответствовать до некоторой степени включению регистров, меняющих «окраску» звука.
Точно указать разметку грифа трудно, так как она зависит от многих причин — качества и данных трансформаторных катушек, величины сердечника, режима ламп и т. п. Все дело в небольшой практике и, конечно, в музыкальном слухе.
Играть лучше всего под аккомпанимент фортепьяно. В качестве репертуара наиболее пригодны вокальные произведения, а также произведения, предназначенные для струнных инструментов. Можно, конечно, браться также и за фортепьянные вещи, если в них ярко выражена мелодия. Удобнее всего начинать с вокальных произведений, так как инструмент предназначен для одноголосого ведения кантиленного характера. В имеющемся у нас экземпляре при нажиме на 1-ю клавишу мы получаем диапазон, на котором очень хорошо укладываются, без смены регистров, все вещи для пения, написанные для среднего голоса (баритон, меццо-сопрано).
С другой стороны, меняя регистры, можно достичь очень больших эффектов, оттеняя различные участки мелодии, что, конечно, удается лишь при известном навыке. Начинатъ нужно с несложных медленных вещей протяжного характера, например народных песен и т. п., переходя в дальнейшем уже к более сложным образцам.
При исполнении следует сердечник слегка колебать, так как это придает звуку более живой характер. Прерыватель служит, как было указано выше, для пауз и для акцентировки и получения прерывистых нот. Общее изменение тембра достигается включением той или иной шунтирующей репродуктор емкости или сопротивления (при большой емкости получается мягкий глуховатый тон).
Звук имеет разнообразный характер. На высоком участке, без шунта, он напоминает саксофон, на низких нотах он представляет нечто среднее между виолончелью и деревянным духовым инструментом, в то же время он не обладает свойственным «Терменвоксу» оттенком пения с закрытым ртом. Инструмент, по своим музыкальным свойствам, пригоден для характерных ансамблей, в особенности для джаз-бандов и т. п., где требуются разнообразие и своеобразное звучание.
Немаловажную роль играет свойство репродуктора, причем наилучшие результаты (в смысле качества и красоты звука) получаются с рупорным репродуктором.
Пользование анодными выпрямителями ухудшает звук, так как напряжение в электрической сети постоянно колеблется и кроме того просачивается пульсация переменного тока.
Играть следует сидя за устойчивым столом, опираясь локтем правой руки о крышку стола. Сердечник удобно держать тремя пальцами правой руки.
Общий вид аппарата изображен на фотографии (рис. 8).
Описанная выше конструкция явилась результатом первых опытов. В настоящее время мною разработан более совершенный тип, обладающий рядом преимуществ по сравнению с первоначальным. Схема его приведена на рис. 9; остановимся вкратце на ее выполнении.
Схема регенератора оставлена прежней, но изменено выполнение катушки. Размеры ее удлинены до 10 сант. (внутренняя сторона остова — 2 см). Намотка произведена трансформаторной проволокой (эмалированной, диаметром не толще 0,8 мм), вторичная (сеточная) обмотка состоит из двух секций, в каждой секции намотано по 18 000 витков, всего, следовательно, 36 000 витков. Обе секции могут посредством джека соединяться последовательно и параллельно, благодаря чему тесситура инструмента может быть поднята или опущена. Первичная обмотка (анодная) состоит из 12 000 витков.
Параллельно сеточной катушке могут быть включены три постоянные конденсатора: С2, С3 и С4; включение каждого понижает нужный предел звучания на одну октаву. Емкость этих конденсаторов следует подобрать на практике (примерно, 5 000, 12 000 и 36 000 см). В результате этого диапазон инструмента расширяется до 5,5—6 октав, причем одним прохождением сердечника через катушку получается непрерывная звуковая гамма, не менее 2,5 октав (30 полутонов). Не исключена возможность при этом еще большего увеличения диапазона, однако и такая величина в музыкальном отношении вполне достаточна. Сердечник сделан квадратного типа из тонких изолированных железных полосок; толщина его должна быть немного менее ширины внутреннего остова катушки (зазор 1 мм), длина примерно 15—16 см. Прерыватель укреплен на ручке железного сердечника. Он состоит из двух маленьких пружинок, из которых одна снабжена кнопкой. Один конец пружинки присоединен к сетке, а другой к накалу. В состоянии покоя пружинки соединены друг с другом, и катушка генератора, следовательно, замкнута накоротко. При нажиме на кнопку генератор начинает действовать. Нажим производится большим пальцем. Соединение прерывателя со схемой осуществляется двойным свитым гибким проводником. При таком способе не слышно толчка при перерывах. Схема выполнена на двух лампах с усилителем низкой частоты. Сделано это по двум причинам: 1) для увеличения мощности; 2) для установки приспособления, усиливающего и ослабляющего звук.
Дело в том, что подобное приспособление является необходимым, так как посредством его можно достигнуть выразительности исполнения. Наиболее простым устройством является переменное сопротивление, включаемое перед репродуктором. В одноламповой схеме изменение сопротивления отражается на анодном напряжении генератора, благодаря чему одновременно меняется и высота тона, что, понятно, является неприемлемым. В виду этого переменное сопротивление включено в анодную цепь второй лампы.
Изменение сопротивления должно быть плавным в пределах от 25 000 ом до 3 мегомов. Нами применяется глицериновый мегом поршневого типа, сопротивление которого плавно уменьшается при нажиме на кнопку поршенька (можно, конечно, применить любую конструкцию (спирт с ртутью и др.). Конструкция сопротивления понятна из рис. 10. Основанием ее служит эбонитовая трубочка, длиной 50 мм и примерно 15 мм диаметром (внутри). В один конец забивается деревянный пропарафинированный кружок с отверстием в центре. Далее, из латуни толщиной 1 мм вырезают круглую пластинку 15 мм диаметром, к центру которой припаивается винт примерно в 1½ см длиной и 2—3 мм толщиной. Пластинка с винтом вставляется в эбонитовую трубочку, так чтобы винт вышел наружу. Для того, чтобы глицерин не просачивался, под пластину следует подложить резиновый или шерстяной кружок (с наружной стороны винт прижимается гайкой).
С противоположной стороны врезывается медная втулка подходящего диаметра. Через нее пропускается металлический стержень с припаянной пластинкой в 9—10 мм шириной. Снаружи на стержень надевается спиральная пружинка и карболитовая головка от клеммы. В цилиндр наливают до половины кипяченый глицерин (рекомендуется периодически менять).
Подобное сопротивление можно сделать, использовав части от переменного мегома Треста точной механики.
Трансформатор низкой частоты должен быть очень хорошего качества, (например: бронированный треста «Электросвязь», отношение витков 1:4 или 1:5).
Первичная обмотка трансформатора и в особенности репродуктор должны иметь шунты из нескольких постоянных конденсаторов различной емкости (1 000, 5 000, 15 000 и 30 000 см) и железного дросселя (катушка от телефона в 2 000 ом с железом) для изменения тембров.
На каждую лампу ставятся отдельные реостаты. На сетку второй лампы рекомендуется давать дополнительное напряжение порядка 3—5 вольт. Для того чтобы можно было не менять регулировки накала, удобно иметь отдельный выключатель тока, переделанный из маленького выключателя от электрического освещения.
Оформление аппарата показано на рис. 11. В законченном виде он напоминает уменьшенный футляр от швейной машины с ручкой наверху. При сборке верхняя полукруглая крышка снимается, остается лишь основание в виде плоского ящика 10 × 25 × 2 см, с боков которого укреплены две полукруглые стенки 10—11 см высоты: На ящике смонтирована у правой стенки генераторная катушка и сзади обе ламповые панели; слева — трансформатор низкой частоты. В правой боковой стенке сделан вырез для пропуска сердечника, который при своем движении опирается на маленький цилиндрик, свободно укрепленный под вырезом.
Прерыватель, укрепленный на сердечнике, соединен гибким шнуром с двухполюсной вилкой, втыкаемой в два гнезда в боковой стенке. Тут же расположены оба коммутатора от шунтов. На левой стенке помещены три клавиша для включения конденсаторов. Сзади ввинчены клеммы питания и две пары клемм для репродуктора (на 1 и на 2 лампы).
Реостаты накала расположены внутри на горизонтальной панели, к которой открыт доступ при откидывании передней половины крышки. Реостаты накала регулируют раз навсегда, а выключение тока производится .выключателем, расположенным спереди.
Обе боковые стенки связаны наверху перекладиной, на которой располагается приспособление для усиления и ослабления звука (слева,) и джэк (справа).
Конденсаторы контура и шунтов расположены под горизонтальной панелью; здесь же укреплен и дроссель.
При игре усиление и ослабление производят большим пальцем левой руки, а включение клавиш — 2, 3 и 5 пальцами той же руки. Прерывание звука производится движением первого пальца правой руки.
Прошу радиолюбителей, построивших аппарат по настоящему описанию, сообщать мне по адресу редакции «Радио всем» обо всех достигнутых результатах.