Основы синтеза звука.

Евгений Бабаев

Музыка является основным "объектом" звукорежиссерского творчества - хотя в зависимости от рода деятельности многим приходится работать с речевыми программами, звуковым рядом кинематографа, видео и т.д. Поэтому звукорежиссеру необходимо профессионально и досконально разбираться в устройстве разных типов музыкальных инструментов, и, прежде всего, электронных. Почему именно электронных? Дело в том, что их устройство и принципы работы наиболее сложны и требуют специальных технических знаний. К тому же развитие электронных инструментов идет сверхбыстрыми темпами, а фирмы-производители пекут новые модели как блины.

Но и историю тоже надо знать. В этом номере мы публикуем первую часть фундаментального труда по истории электронной музыки. Уверены, что вы узнаете много интересного и ранее неизвестного.

Лев Орлов за два десятилетия своей карьеры пианиста-клавишника выступал как студийный и концертный музыкант (множество записей и выступлений с известными исполнителями и группами). Последние годы посвятил аранжировке и звукорежиссуре, теоретическим и историческим исследованиям, а также журналистике. В исключительности его познаний вы сможете убедиться по этой публикации.

Только один из музыкальных инструментов имеет право называться "естественным" - человеческий голос. В нем единственном методом звукоизвлечения является физиологическая способность "в чистом виде", а источником звука - живое тело. Во всех иных материалом служит все, что попадалось человечеству "под руку" и поддавалось обработке, а для звукоизвлечения использовался подвластный на данный исторический момент метод преобразования механической энергии в звуковую.

Самое раннее упоминание о "контакте" электричества и музыки относится к 1761 году. Любопытно, что маркиз де Лаборд (De Laborde), получивший патент на "электрический" клавесин, механику которого приводили в действие работающие на гальванических батареях электромагниты, профессионально не был связан с музыкой. Как будет видно из нашего исследования, такое положение вещей - не редкость. Следующие по хронологии изобретения тоже являлись "побочным эффектом" научных экспериментов и не имели практического применения. В 1837 году К. Г. Пэйдж (K.G.Page) в ходе эксперимента с электрическими магнитами и катушками индуктивности открыл принцип электронного камертона. В 1885 году Эрнст Лоренц (Ernst Lorenz) запатентовал метод звукоизвлечения с помощью электромагнита, поочередно притягивающего и освобождающего металлические полоски разной длины.

Из доступных нам исторических источников следует, что фундаментальные открытия "золотого века" науки стали причиной возникновения нового класса музыкальных инструментов, принципиальное отличие которых - формирование звука с помощью электричества.

Электромеханические музыкальные инструменты.

Первый электромеханический музыкальный инструмент, звучание которого стало достоянием широкой публики, был разработан и построен на рубеже XIX-XX веков американцем Таддеусом Кахиллом (Thaddeus Cahill, 1867 -1934 г.). К тому времени человечество, вооруженное мощной научной базой, серьезно взялось за удовлетворение собственных потребностей, и колесо технического прогресса начало стремительно раскручиваться. Среди других "игрушек" уже были известны генератор переменного тока и телефон. Но кому, если не одному из прагматичных американцев, могла прийти в голову идея "скрестить" их и использовать как музыкальный инструмент?! Замысел был нетривиальным и на рубеже веков производил грандиозное впечатление. Изобретатель думал не о массовом производстве инструментов, а о способе одарить миллионы американцев возможностью слушать музыку. Предполагалось, что исполняемые на инструменте музыкальные произведения будут передаваться по телефонным линиям всем желающим.

В заголовке патента, выданного Таддеусу Кахиллу 6 апреля 1897 года, указано: "Способ и аппарат для создания и распространения музыки посредством электричества". Базой для воплощения идеи служили очевидные предпосылки: если выход генератора (от лат. generator - производитель) переменного тока подсоединить непосредственно к динамику (сокращение от электродинамический громкоговоритель) телефона, будет слышен простой звук, высота которого соответствует частоте генерируемого электрического тока. Частота электрического сигнала изменяется пропорционально скорости вращения генератора.

Согласно блок-схеме в патентном описании, музыкальный инструмент Кахилла состоял из множества генераторов электрического тока, вращающихся с разной скоростью, и сложной системы переключателей, связанных через механические приспособления с видоизмененной органной клавиатурой. Сигнал этой "электростанции" через трансформаторы должен был передаваться по телефонным линиям и усиливаться с помощью прикрепленных к телефонному громкоговорителю больших бумажных раструбов.

Первое свое детище изобретатель назвал Dynamophone (от лат. dynamo - сила и греч. phone - голос, звук), и это название технически точно описывает примененный метод формирования звука - использование динамо-машин - так на заре нашего века называли генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую. Следующий инструмент получил имя, более широко раскрывающее замысел Кахилла - Telharmonium, складывающееся из английского слова telephone (телефон) и латинского harmonium (гармония).

По бедности в своих первых экспериментах Кахилл использовал не генераторы, а реотомы, вращающиеся прерыватели постоянного тока, источником которого служили гальванические батареи (сейчас подобные механизмы демонстрируют на уроках физики в школе). Полученные подобным методом электрические сигналы имели сложную форму, и чтобы приблизить ее к синусоидальной, изобретатель использовал фильтры из последовательно соединенных катушек индуктивности.

Реотомы были определенным образом сгруппированы для того, чтобы обеспечить возможность изменения тембра и покрыть диапазон в семь октав равномерно темеперированного звукоряда. Через редукторы с различным передаточным числом каждый реотом, генерирующий основную частоту, был связан еще с семью, сигналы которых соответствовали семи гармоникам. Вся группа заключалась в отдельный цилиндр и соответствовала одной ноте звукоряда. Вращение двенадцати цилиндров управлялось системой шкивов, диаметры которых соотносились в тех же пропорциях, что и частоты двенадцати нот октавы - реотом "до диез" вращался чуть быстрее чистого "до" и т.д. Подсчитаем? Всего 588 вращающихся элементов, каждый из которых должен был производить от двенадцати до пятнадцати тысяч ватт, ведь в системе не использовались усилители! Реотомы издавали столько шума, что их пришлось разместить в отдельной комнате.

Клавиатура инструмента вызывает особый интерес. Она была динамической (touch-sensitive)! Ее чувствительность обеспечивалась сложной системой электромеханического преобразования, изменявшей напряжение электрического тока пропорционально силе нажатия на клавишу путем приближения двух (на каждую клавишу) катушек индуктивности.

Еще в 1900 году проявился интерес конструкторов к "интерфейсу" между человеком и машиной, удобству которого на протяжении всей истории развития электромузыкальных инструментов было уделено много внимания.

Кахилл обладал редким сочетанием качеств: талантом изобретателя, юридической грамотностью, позволившей запатентовать его идеи и предпринимательской энергией, привлекшей к проекту инвесторов. Опытный образец Telharmonium'а с 35 вращающимися цилиндрами был собран в 1900 году, и "электрическая музыка" полетела по телефонным проводам города Вашингтон, округ Колумбия, и его окрестностям. Telharmonium стал первой в Америке (и очень популярной сегодня) системой Muzak (музыкальная запись, приглушенно звучащая в ресторанах, конторах и т.д., фирменное название).

Публичные демонстрации инструмента привлекли новых спонсоров, на деньги которых Кахиллу удалось построить еще один инструмент (читай - электростанцию) в городе Холиоук, штат Массачусетс. Эта модель была технически более совершенной, в ней использовались динамо-машины, механизм регулирования скорости которых обеспечивал более точное интонирование. Были также улучшены акустические параметры телефонного громкоговорителя, в результате чего удалось избежать мощных резонансов на некоторых частотах.

С точки зрения исполнителя эта модель также была совершеннее. "Интерфейс" состоял из трех ручных клавиатур и одной ножной, педалей громкости для каждой из них, выключателей и регуляторов громкости для каждой отдельной гармоники. Кахилл утверждал, что управлять этим хозяйством должны два человека - исполнитель и ассистент.

Летом 1906 года состоялся коммерческий дебют Telharmonium'а - прослушивание в гостинице "Хамилтон", примерно в двух километрах от местоположения самого инструмента и исполнителя. Средства массовой информации особенно подчеркивали "полноту, округлость и чистоту" звучания. Некоторые репортеры считали (не без оснований), что Кахилл предвосхищает развитие музыкальной индустрии. Другие с восторгом приветствовали победу "демократии" в музыке, которую теперь могли слышать "... в городах, селах, и даже на фермах, везде, где есть телефон..."

Поощряемый откликами в прессе, Кахилл упаковал свой инструмент - "багаж" весом около 200 тонн занял несколько железнодорожных вагонов - и отбыл в Нью-Йорк, где в сентябре, в специально построенном Telharmonic-зале (игра слов: Philharmonic-Telharmonic, филармонический-телармонический) дал первый публичный концерт перед членами Нью-Йоркского Электрического Общества. Было исполнено несколько транскрипций классических произведений и вокальных номеров под аккомпанемент Telharmonium'а, демонстрировалась возможность имитации акустических музыкальных инструментов, например, барабанов и ансамбля флейт. Концерт вызвал бурю восторга. После того, как чиновникам разъяснили, что мощности "электростанции" хватит, чтобы разнообразной музыкой могли наслаждаться 15-20 тысяч подписчиков, Электрическое Общество взяло на себя опеку над проектом.

Хотя перспективы казались радужными, по нескольким причинам честолюбивым планам Кахилла не суждено было сбыться. Сила тока, производимого Telharmonium'ом, была настолько велика, что телефонная компания подала в суд на возмещение ущерба от повреждений телефонных линий. Ответственные лица, на которых была возложена задача привлечения инвесторов, внезапно исчезли... вместе с деньгами. Бурно развивались радио, электроника, и Telharmonium с каждым днем морально устаревал. Важные технологические открытия, которые могли бы способствовать модернизации инструмента, чуть-чуть "не успевали". В 1906 году, когда Кахилл закончил монтаж усовершенствованной модели Telharmonium'а, появилась вакуумная лампа-триод (audion) Ли Де Фореста (Lee DeForest) - основной компонент лампового усилителя. И лишь спустя десять лет усилители стали настолько совершенными, что телефонные линии пересекли океан, соединив США с Европой.

Не в стиле американского "хэппи-энда" проект Кахилла потерял многих потенциальных подписчиков и закончился крахом. Возможно, как музыкальный инструмент, Tclharmonium потерпел бы неудачу в любом случае. Один из исполнителей, нанятых Кахиллом, отмечал, что "несмотря на разнообразие тембров, инструмент имел доминирующие призвуки, которые со временем стали бы невыносимо действовать слушателям на нервы".

Несмотря на то, что Telharmonium не имел коммерческого успеха, Таддеуса Кахилла следует считать родоначальником "электрической" музыки. Он сумел продемонстрировать, что с помощью электричества можно создавать не только материальные продукты, но и замечательную, захватывающую внимание публики, музыку. Общие принципы конструирования, развитые этим изобретателем, успешно использовались другими.

Во многих инструментах, созданных последователями Кахилла, электрический сигнал формировался с помощью электромагнитных датчиков, в рабочем поле которых вращались изготовленные из железа диски с углублениями, равномерно распределенными в торцевой части. Частота сигнала зависела от количества углублений и скорости вращения диска. Форма волны приблизительно соответствовала геометрическому рисунку углублений на диске. Этот принцип создания электромеханических музыкальных инструментов или его варианты использовали многие инженеры, из которых особого интереса заслуживают Иван Еремеев и Р.Х. Рангер (R.H. Ranger).

Один из двух созданных Еремеевым инструментов так описан в техническом журнале 1932 года издания:

"Инструмент большего размера способен создавать искусственные звуки, состоящие из основной частоты, ее гармоник и субгармоник, частот, полученных путем умножения и деления. Высота и громкость каждого компонента могут изменяться по желанию исполнителя".

Эти слова буквально описывают метод синтезирования additive (англ. сложение), при котором сложные сигналы создаются путем смешивания простых синусоидальных. Этот метод применялся во многих коммерческих моделях синтезаторов 60-80 годов.

Во втором, меньшем по размеру инструменте, называемом "Гном" (Gnome), используется прямо противоположный метод синтеза звука, subtractivе (англ. вычитание), при котором для модификации сложного сигнала используются фильтры. Из сложного сигнала, направляемого с помощью системы переключателей на различные обмотки трансформатора или конденсаторы разной емкости, выбираются простые компоненты, сумма которых определяет форму волны звукового сигнала.

Другой интересный инструмент, в котором использовался электромагнитный принцип, орган "Rangertone", был сделан в 1933 году инженером Ричардом Рангером. В нем было задействовано приблизительно 50 тысяч электрических схем, и, по расчетам изобретателя, модель для домашнего музицирования должна была стоить 5000 долларов (куча денег в 1931 году!).

Публичные демонстрации и успешный дебют инструмента на радио вызвали эйфорию прессы: "Композитор больше не ограничен традиционными инструментами, он волен "выдумать" любой тембр по собственному вкусу. Что же теперь станет с большими оркестрами? Квинтет исполнителей на клавишных инструментах полностью заменит любой из них! Возможно, возникнет новый тип суперисполнителя, Падеревского и Тосканини в одном лице, имеющего дело с тысячей лошадиных сил вместо сотни музыкантов!"

И ведь никому не пришло в голову задать простой вопрос: "что станет со звуком при смешении тембров нескольких Rangerton'ов?" Как говорится, известие о смерти было преждевременным. В первой половине нашего века конструкторы музыкальных инструментов постоянно поддавались обаянию концепции "человек-оркестр", но у Ричарда Рангера на этот счет не было никаких иллюзий: Rangerton серийно не выпускался.

Самым популярным электромузыкальным инструментом первой половины ХХ века, в силу определенных обстоятельств, был орган, созданный инженером-часовщиком Лоуренсом Хаммондом (Laurens Hammond), развившим многие технические идеи Таддеуса Кахилла. Сам изобретатель шутил, что "предком" его органа были часы: "звуковые колеса" приводились в движение тем же синхронным двигателем, что и в электрических часах, которые изготавливала "Hammond Company". Часы успешно продавались, их секретом была скорость вращения двигателя, синхронизированная с частотой электрической сети в Соединенных Штатах (60Гц), за которой уже тогда строго следили правительственные чиновники. Часы "Hammond" славились точностью хода - и строй органа "Hammond" был более устойчив, чем у инструментов, в которых использовался ламповый осциллятор.

Орган Лоуренса Хаммонда представлял собой модернизированный Telharmonium Кахилла, и благодаря простоте конструкции было налажено массовое производство. За счет использования ламповых усилителей его размеры были меньше пианино, стало возможным уменьшить диаметр "звуковых колес" по сравнению с "мельничными жерновами" Telharmonium'а. В ранних моделях Hammond'а были две ручные и одна педальная клавиатуры, "тон-генератор" состоял из сотни железных дисков, расположенных на шкивах попарно и управляемых синхронным двигателем, и системы переключения на механических тягах (drawbar), внешне очень похожих на клапаны регистров духового органа.

Электроорган был представлен широкой публике в апреле 1935 года на выставке Индустриального Искусства в Нью-Йорке и был с энтузиазмом встречен многими известными тогда пианистами и органистами. Находящийся в зените славы Джордж Гершвин немедленно заказал Hammond для себя. С этим фактом связана легенда, которая гласит, что когда Гершвину доставили орган, именно на нем он смог быстро подобрать никак не складывающуюся гармонию к очередному "хиту". Но, отвлеченный телефонным звонком, впоследствии не смог восстановить позиции множества регуляторов тембра! Появление на рынке нового музыкального инструмента неминуемо повлекло возникновение новых стилей в популярной музыке. В то время список профессионалов, использующих Hammond'ы, был очень представительным.

В течение многих лет термины "электрический орган" и "Hammond" были фактически синонимами. Но Hammond не всегда легально назывался "органом". Это сегодня кажется, что орган - он и есть орган. Но в 1936 году фирмы-изготовители духовых органов настаивали на том, что электрическое устройство не может так называться, это вводит в заблуждение публику, и требовали изменить название на что-нибудь типа "электротон". Под их давлением Федеральная Торговая Комиссия США подала в суд на Hammond Organ Company. На судебных процессах приводились аргументы, что звук Hammond'а вовсе не органный, что формирование гармоник на основе равно-темперированного звукоряда не соответствует человеческому слуховому восприятию. Обвинение требовало провести испытания с использованием анализаторов спектра и осциллографов. Апофеозом стало сравнительное прослушивание, в котором электроорган Hammond "побил" духовой орган Skinner стоимостью 75 000 долларов. Судьями были девять профессоров и пятнадцать студентов университета Чикаго, причем последние были выбраны наугад. В часовне университета, где был установлен духовой орган и его электрический "братец", были исполнены тридцать избранных произведений, одни на органе Hammond, другие на органе Skinner. Слушателей просили угадать, какой инструмент звучал. Каждый из профессоров допустил в среднем десять ошибок, а студенты угадали лишь в половине случаев. Забавно, что согласно теории вероятности такой же результат можно было получить при подкидывании монетки наудачу!

Под всем этим имелась экономическая подоплека. Пик производства духовых органов прошел в 1927 году, и к 1935 году, когда на рынок вышел Hammond, его уровень упал на 80%. Электрический "заменитель" был экономичней и надежней, его можно было даже переносить - это раздражало "духовиков". Но, как это часто бывает, новый инструмент создал собственную уникальную нишу на рынке - и занял ее! Приблизительно пять тысяч органов Hammond были проданы за первые три года, и около 35 % из них были куплены в церкви.

Сегодня мы называем хорошо известные музыкальные инструменты, изобретенные многие века назад, "натуральными" или "живыми". Однако "рояль в кустах" можно найти только в поговорках, а скрипки не растут на деревьях. они рукотворны и для их производства мастера использовали самые совершенные для своего времени технологии. Технология всегда была в услужении у музыкального искусства.

Продолжаем разговор об истории электронных музыкальных инструментов.

Самым старым и одним из самых разработанных инженерами источников звука является фотоэлектрический звуковой генератор. Корни этого технологического принципа прослеживаются до 1890 года. Инженер-телеграфист Эрнест Дж. П. Меркадьер, который рассчитывал использовать электрический ток с различными частотами для одновременной передачи нескольких сообщений по одному проводу, впервые применил на практике способность светочувствительного элемента создавать электрический ток, пропорциональный количеству света, попадающего на его поверхность. С помощью вращающегося колеса с прорезями, прерывающего попадание света на поверхность светочувствительного элемента, Меркадьер получал переменный электрический ток, частота которого изменялась в зависимости от скорости вращения колеса.

В начале нашего столетия подобную схему стали использовать и для построения музыкальных инструментов. За короткое время было изобретено множество различных типов фотоэлектрических генераторов звука. Наиболее высококачественные из них работали подобно звуковой дорожке в кино и теоретически были способны воспроизводить любой звук, который только удавалось записать таким образом, в том числе бесконечно повторяющиеся ритмические рисунки, "кольца" (loop), как мы теперь говорим.

Но большинство изобретателей использовало менее сложный метод модуляции, при котором "звуковое колесо" размещалось между источником света (лампой) и светочувствительным (фотоэлектрическим) элементом. На колесе, которое вращалось электродвигателем, имелись радиальные прорези, непрозрачные секции между ними прерывали (модулировали) количество света, попадающего на поверхность "электрического глаза". Высота звука изменялась в зависимости от скорости вращения и количества прорезей на "звуковом колесе".
Схема устройства "Органа Еремеева" США, 1935
Прежде, чем перейти к описанию инструментов, построенных таким образом, напомню читателям основополагающий принцип, которому должен отвечать в идеале любой звуковой генератор с вращающимися деталями: количество элементов, "ответственных" за периодичность - углублений, зубцов, отверстий, сфотографированных форм волны, или любых других - должно быть целым числом, а интервалы между этими элементами абсолютно одинаковыми, иначе инструмент будет фальшивить и воспроизводить тон с искажениями. К сожалению, внутри равно-темперированного звукоряда только частоты звуков, отстоящих друг от друга на октаву, имеют общий знаменатель целое число (2:1). Частоты остальных ступеней соотносятся не по целым числам. Из этого следует, что у изобретателей нет практически никакой возможности построить звуковой генератор, в котором использовалось бы единственное "звуковое колесо", и при этом соблюдались бы необходимые условия.

Американский исследователь Ричард Дорф в книге "Электронные музыкальные инструменты" приводит следующий конкретный пример: "... Если диск вращается со скоростью 6,125 оборотов в секунду, то внешний по отношению к центру сектор с 16 отверстиями позволит воспроизвести звук с частотой 98 Гц (соль малой октавы), а внутренний с 8 отверстиями - звук на октаву ниже (49 Гц, соль большой октавы). Как бы вам ни хотелось, на диске, вращающемся с этой скоростью, не получится разместить другое целое число отверстий, расположенных на равных расстояниях друг от друга, звук с другой "музыкальной" частотой воспроизвести невозможно. Чтобы с помощью одного диска воспроизводить весь звукоряд, потребовалось бы использовать дробное количество отверстий что, как очевидно, невозможно. Фактически, для воспроизведения двенадцати хроматических ступеней требуется двенадцать дисков, вращающихся с разными скоростями". Напомню, что разработки Таддеуса Кахилла, описанные в предыдущем номере нашего журнала, реализованы подобным же образом.

Уже известный нам Иван Еремеев в течение двух лет, последовавших за разработкой электромагнитного "Гнома" (1933-35 гг.), был занят экспериментами в области фотоэлектрического принципа создания звука. Официальный дебют нового инструмента, "WCAU-Фотоны", состоялся в апреле 1935 года по радио. Его звучание слышали по обе стороны Атлантического океана и на обоих побережьях США. Труднопроизносимая аббревиатура в названии появилась не случайно: проект финансировала филадельфийская радиостанция под названием WCAU, "державшая" студию электронной музыки. Среди историков более популярно название "орган Еремеева", которое и мне тоже больше по душе.

Устройство этого инструмента в точности соответствовало вышеизложенным принципам (см. схему): двенадцать колес-прерывателей вращались с помощью единого приводного ремня, надетого на шкив синхронного электродвигателя. На поверхности каждого колеса на разном удалении от центра были нанесены прорези, прерывающие световой поток. Числа прорезей соотносились с таким расчетом, чтобы каждая рабочая пара "колесо/фотоэлемент" могла генерировать шесть хроматических тонов темперированного звукоряда с соотношением частот соответственно через октаву. Например, одно "звуковое колесо", вращающееся со скоростью 6,125 об/с, производило все ноты "соль" в диапазоне шести октав (49, 98, 196, 392, 784 и 1568 Гц). На каждое "звуковое колесо" приходилось по 75 лампочек. Несложные вычисления подскажут, что всего в "органе Еремеева" их было около 900! В одном из журналов того времени этот технический феномен был прокомментирован следующим образом: "... из-за того, что лампы зажигаются на очень непродолжительное время, процент "выгорания" настолько мал, что им можно пренебречь". Лампы включались и выключались при нажатии соответствующих клавиш, которые работали как выключатели. Громкость звука зависела от количества включенных в цепь ламп и увеличивалась (или уменьшалась) с помощью специальных выключателей.

Эмерик Шпильман и его Cуперпиано.
Будучи человеком с отменным музыкальным вкусом, Еремеев позаботился о том, чтобы его инструмент обладал особенными выразительными средствами. Например, острая "перкуссионная" атака, пользующаяся заслуженной популярностью у джазовых органистов, впервые появилась именно в электрооргане Еремеева, а не Хаммонда, как полагают многие. Недаром, несмотря на невероятно сложное устройство звукового генератора, этот инструмент до сих пор считается воплощением "гения инженерного искусства".

"О, какая гордость за соотечественников переполняет мое сердце!" (Генри Торо).

Не следует думать, однако, что история электронных музыкальных инструментов делалась только в Америке. В тот же период времени (30-е годы нашего века) интерес изобретателей к этой теме в Европе был не меньшим, чему есть замечательные примеры. Австриец Эммерих (Имре) Шпильман реализовал фотоэлектрический метод создания звука в инструменте, который назвал "Суперпиано" (Superpiano). Его работа была основана на ранних экспериментах другого изобретателя, Тирина, об инструментах которого известно только, что в них использовались 12 "звуковых колес" с отверстиями в октавных соотношениях. Как видно, идеи циркулировали по поверхности планеты подобно глобальным воздушным течениям! Но с точки зрения богатства звучания "Суперпиано" было вовсе не "супер", и сам изобретатель отдавал себе в этом отчет. Современная ему волна музыкального авангарда увлекла Шпильмана в область экспериментов с микротональными звуковыми шкалами, и он надеялся построить еще один экземпляр "Суперпиано", в котором был бы реализован звукоряд с дробными ступенями.

Интересно, что некоторые размышления Шпильмана относительно еще не реализованных возможностей фотоэлектрического принципа были пророческими: "Если вместо математически рассчитанных отверстий на звуковых пластинах Суперпиано поместить фотографическое отображение живых звуков (как уже говорилось, метод реализован как звуковая дорожка к кинофильмам - прим. автора), с помощью моего инструмента можно будет не только исполнять музыкальные произведения, к примеру, голосом великого Карузо, но и заставить скрипку Крейслера играть как контрабас, а Карузо петь басом!"

Колеса оптических модуляторов
Жаль, что дальше научно-популярных публикаций дело не пошло, у Шпильмана хватило сил только на формулировку. Как это не раз бывало в истории электронных музыкальных инструментов, на практике никто так и не использовал их теоретически "неограниченные" возможности: "Суперпиано" так и не дорос до ожидаемого автором успеха. Однако, как показали дальнейшие события, сам принцип создания звука с помощью фотоэлемента себя далеко не исчерпал. Забегая вперед скажу, что несколько изобретателей в разных странах, но почти в одно и то же время, сконструировали электромузыкальные инструменты, которые "умели" не только создавать очень сложные тембры с явно выраженной формой волны, но и буквально копировать живые звуки.

Тмбровую примитивность фотоэлектрических музыкальных инструментов 20-30-х годов нашего века не могли компенсироватьникакие механические ухищрения, применяемые изобретателями, творческие возможности которых ограничивала конструкция простого прерывателя светового потока ("крыльчатка" или "пропеллер"). Однако сама идея построения была верна, и это убедительно доказали француз Гюгонье, запатентовавший в 1921 году некоторые детали новой конструкции, и немец Шмальц, развивший и дополнивший ее в 1929. В том же году американец Кент получил патент на фотоэлектрический инструмент, построенный по новому принципу. К сожалению, только некоторые из инструментов этого типа нашли практическое применение, благодаря чему о них сохранились подробные сведения.

В 1934 году Иван Еремеев, живший в то время в США, создал музыкальный инструмент Синтроник, в конструкции которого использовался фотоэлектрический принцип формирования звука, но, так сказать, "развернутый на 180o". Еремееву, как и другим упомянутым в статье изобретателям, удалось подойти к решению задачи по-новому, оставив без изменений основополагающие принципы. Если верно, что напряжение на выходе фотоэлемента пропорционально количеству света, падающего на его поверхность, то верно и то, что, чем большая площадь поверхности фотоэлемента подвергнута воздействию света, тем больше будет амплитуда электрического сигнала на его выходе. Из этого следует, что можно формировать звуковые сигналы, изменяя площадь освещенного участка фотоэлемента. Рассматривая работу простого механического прерывателя светового потока, следует отметить, что на выходе фотоэлемента напряжение равно нулю, когда лопасть "пропеллера" полностью перекрывает световой поток, и наоборот, когда световой поток свободно проходит между соседними лопастями, напряжение бывает максимальным. Существуют и переходные состояния, именно они и влияют на тембр сигнала: в моделях, где применялись "пропеллеры" с фигурными прорезями, тембровая окраска была богаче. Очевидно, сама конструкция накладывает ограничения на тембр формируемого звукового сигнала.

В те же годы велись интенсивные опыты и по "озвучиванию" кино. Звуковая дорожка кинофильма - это специально выделенная часть кинопленки с плавными переходами светлых и темных участков, которые обусловлены разной интенсивностью засвечивания пленки источником света, промодулированным звуковым сигналом. Грех было не воспользоваться этим готовым технологическим решением и конструкторы фотоэлектрических музыкальных инструментов "второй волны" так и сделали. Плоды их трудов мы с благодарностью пожинаем и сегодня, так как стремление обогатить музыку новыми тембрами привело к тому, что каждый ЭМИ обладает огромным разнообразием тембров.

Но вернемся к детищу Еремеева. Благодаря тому, что в разработке Синтроника принимал участие известный дирижер Леопольд Стоковский, руководитель Филадельфийского симфонического оркестра, новый инструмент стал известен музыкантам. Сами изобретатели называли его органом, возможно, потому, что пределом тембрового разнообразия в те времена был именно духовой орган - этот великолепный музыкальный инструмент.

При проектировании Синтроника Еремеев отошел, как уже говорилось, от традиционного использования "пропеллера". В предварительных, наиболее технически совершенных вариантах, ставших прототипом Синтроника, изобретатель использовал закольцованные отрезки пленки с чередующимися засвеченными (светлыми) и незасвеченными (темными) полосами. Благодаря перемещению этой фотопленки с определенной скоростью между источником света и фотоэлементом создавался электрический сигнал определенной частоты.

Итак, между источниками света и фотоэлементами находились уже не просто "пропеллеры", а сложный набор механизмов (см. рис.). Принципиально новым элементом в этом инструменте была изготовленная из фотопленки матрица формирования тембров (b), помещавшаяся сразу за источниками света (е). Матрица, разбитая на сегменты, каждый из которых имел собственный рисунок, определявшийся интенсивностью засвечивания пленки, перемещалась относительно источников света вручную (с) или с помощью электрического серводвигателя (d). Сегменты находились точно перед соответствующими источниками света и, накладываясь на световые потоки, придавали им определенную форму, модулировали их. Таким образом можно было создавать бесконечные вариации тембра.

Еще одной модуляции световой поток подвергался, проходя через специальные тонированные диски с разной степенью затемнения (f и g): один вращался с помощью ножной педали, изменяя громкость в зависимости от степени затемнения (интенсивности светового потока), а второй позволял создавать эффект тремоло - интенсивность светового потока изменялась периодически с помощью специального двигателя. Ближе всего к фотоэлементам находился вращающийся на мягких роликах рулон фотопленки (а), который определял высоту тона каждой из 88 ступеней звукоряда - полный диапазон рояля! Количество чередующихся светлых и затемненных участков каждой дорожки было кратно частоте соответствующей ступени, таким образом, весь рулон покрывал 7,5 октав темперированного звукоряда. При нажатии клавиши открывался затвор соответствующего источника света (h), поток модулировался заранее выбранной "маской" в матрице формирования тембра, затем его общая интенсивность регулировалась дисками с разной степенью затемнения и, наконец, он через "амбразуру" (j) падал на соответствующую дорожку рулона фотопленки, проходя через которую достигал фотоэлемента. Действительно, по сравнению с "ветряками" прародителей кинофотомеханика Синтроника была Hi-Tech.

Немудрено, что инструмент вызвал широкий резонанс в музыкальной среде, породивший у Еремеева и Стоковского честолюбивые планы. В год выпуска ими было распространено среди заинтересованных лиц следующее письмо: "Предлагаем обсудить план создания симфонического оркестра, состоящего исключительно из электронных органов, которых, таким образом, будет 35 (половина симфонического оркестра!). В нашем оркестре каждый инструмент должен будет исполнять свою партию специфическим тембром. Если того потребует партитура произведения, тембр каждого инструмента может быть изменен полностью". Этот план, конечно, не осуществился, но из приведенного письма ясно, что маэстро Стоковский, виднейший дирижер того времени, собирался использовать тембровые возможности нового инструмента в полной мере. Об этом свидетельствует также и характеристика, данная Стоковским, как сейчас бы сказали, "исполнительскому интерфейсу" Синтроника-органа: "Звуковые эффекты типа тремоло - медленное и быстрое трепещущее повторение звуков, уменьшение или исчезновение (fade away) звука после того, как исполнитель оторвал пальцы от клавиатуры, возможность изменения громкости и замечательные эффекты, зависящие исключительно от туше, - все это безропотно и точно подчиняется воле художника-исполнителя".

Еще один инструмент - Целлулофон (от "целлулоид" - прозрачная пластмасса из целлюлозы; в те годы из нее изготавливали кинопленку) - был создан Полем Тулоном, изобретателем из Франции. Он применил, кроме "масок", задающих тембровую окраску, несколько решений, интересных с технической точки зрения, но "провальных" с музыкальной. Например, специальная оптическая система фокусировала световые лучи "разной высоты звука" на одном фотоэлементе! В результате использовался всего один диск с прорезями для формирования всех двенадцати полутонов каждой октавы, что не соответствовало жестким правилам технологии "пропеллера": точность строя внутри октавы выходила за допустимый предел 0,1%. Инструмент звучал нестройно. Однако пресса отмечала, что Целлулофон был с восторгом принят в салонах авангардной музыки Парижа, Берлина и Брюсселя. Истинные ценители не обращали внимания на проблемы со строем и радовались новым возможностям: у каждой октавы был персональный звуковой диск, каждой октаве можно было придавать персональный тембр.

К концу первой трети XX столетия определились строгие технические требования к проектированию музыкальных инструментов нового типа. Их исполнительские и звуковые возможности должны были стать (наука это позволяла) не менее богатыми, чем у традиционных инструментов.

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.

следующая страница>