The Singing Capacitor: How a Theremin Works

När tefatet landar och lokala myndigheter ropar efter att få kontroll kommer du sannolikt att höra de kusliga tonerna av en theremin som jämrar sig i soundtracket. Leon Theremin uppfann enheten 1928. Den började sitt liv som en sovjetisk laboratoriekuriosa innan den utvecklades till det instrument vi känner till idag.

Inspirerad av de viftande armarna från orkesterdirigenter använde Theremin sin närhetsdetekteringsteknik för att skapa ett beröringsfritt instrument. Sedan dess har theremin varit ett kännetecken för B-filmer och experimentell musik, samt ett perfekt DIY-projekt för nyfikna musiker.

Bitar av Theremin

Den klassiska theremin-designen är bedrägligt enkel. Vid första anblicken ser det ut att bara vara en trälåda med en handfull kontroller, samt två slående industriellt utseende antenner i vardera änden.

Den vertikala antennen styr instrumentets tonhöjd, medan den horisontella antennen ändrar dess volym. Dessa är kända som tonhöjds- respektive volymantenner.

Så hur fungerar det?

I stora drag skapar de två antennerna elektromagnetiska fält som samverkar med artistens egen elektriska kapacitans.

Genom att vifta med händerna i dessa elektromagnetiska fält kan artisten noggrant modifiera variabla oscillatorer i thereminens tonhöjds- och volymkretsar. Detta gör att de kan snurra komplexa melodier, till synes ur tomma luften!

Det finns mycket att packa upp där. För att få en bättre uppfattning om hur detta fungerar, låt oss utforska de två grundläggande delarna som utgör en synthesizer: oscillatorer och modifierare.

Vad är en oscillator?

När du diskuterar synthesizers kan du tänka på en oscillator som källan till ljudet. För analoga synthesizers som theremin är en oscillator en elektrisk komponent som genererar en växelspänning. Detta visualiseras ofta som en sinusvåg:

Denna analoga oscillator och dess växelspänning är hjärtat i vår synthesizer. Allt annat är en modifierare – dvs hur vi går från en enkel växelspänning till en sjungande, klingande synthesizer!

Relaterad: Vad är skillnaden mellan AC och DC och hur kan du konvertera dem?

Varje oscillator kan bara producera ett ljud åt gången. Tidiga synthesizers som theremin använde en liten handfull oscillatorer, så de kunde bara producera en monofonisk prestanda. Det betyder att oavsett hur harmoniskt komplex eller bisarr synthesizern är, så kunde artister bara spela en ton i taget!

Det väcker frågan: hur går vi från att generera en singulär växelspänning till att framföra en musikskala, än mindre en hel komposition?

Modifierare gör musiken

Om oscillatorer av en synthesizer är motorn modifierareär alla andra delar av bilen. Utan dem skulle vi ha fastnat utan något sätt att komma i rörelse, eller rättare sagt, göra musik!

Som nämnts kan analoga oscillatorer till sin natur bara producera en ton var vid varje given tidpunkt. Men vi kan fortfarande spela en musikskala med en enda oscillator, genom att helt enkelt ändra dess frekvens för varje ton.

För att bättre demonstrera denna idé, överväg en gitarrsträng:

Denna sträng är vår oscillator, och vårt finger är modifieraren. Genom att trycka ner på strängen ändrar vi dess spänning och som ett resultat ändrar vi frekvensen på ljudvågen som den matar ut. Ju högre du flyttar upp gitarrhalsen, desto högre spänning på strängen, och desto högre ton kommer ut när du plockar den.

På samma sätt kan du använda olika modifierare för att ändra tonhöjden på en oscillators singelton. Detta gör att du kan spela komplicerade, om än monofoniska, melodier på thereminen.

Modifierare är inte begränsade till att ändra signalens frekvens; du kan också använda dem för att ändra amplitudav AC-spänningen. För vår situation ger en ökning av amplituden en ökning av utgående ljudnivå och vice versa.

Relaterad: Elektriska instrument som du kan använda för att öva tyst

Att sätta ihop bitarna

En klassisk theremin består av tre oscillatorer: två för den vertikala tonhöjdsantennen och en för den horisontella volymantennen.

Pitch-antennen

Pitch-antennkretsen består av en fast oscillator (en som svänger med en inställd frekvens) och en variabel oscillator (en vars frekvens ändras av spelaren). Den variabla oscillatorn är kopplad till antennen med vertikal stigning. Denna pitch-antenn fungerar som ena halvan av en kondensator, medan den andra halvan är artistens hand.

Utan att gå för djupt in i det är avståndet mellan två halvor av en kondensator omvänt proportionellt mot dess kapacitans. Därför, när artisten flyttar sin hand närmare tonhöjdsantennen, ökar kretsens kapacitans.

Med den variabla oscillatorn kopplad för att ändra frekvens med antennens kapacitans, kan du ändra stigningen på thereminen genom att flytta din hand fram och tillbaka om stigningsantennen!

Relaterad: Midi-kontroller du kan bygga med en Arduino

Eller snarare nästan.

Den variabla oscillatorns frekvens ligger långt utanför området för mänsklig hörsel. Som ett resultat måste vi kombinera det med den fasta oscillatorns frekvens. Detta använder principen om heterodyning: två eller flera enkla vågor som går samman för att bilda en mer komplex resulterande våg.

För en theremin har den resulterande vågen en frekvens väl inom det mänskliga hörselområdet, vilket ger den ett ungefärligt intervall på fem oktav.

Volymantennen

Volymantennen fungerar på ungefär samma sätt som pitchantennen, bara utan heterodyning av två oscillatorer. Istället är en enda variabel oscillator kopplad till volymantennen. Variationerna av denna oscillator bestämmer volymen på thereminen.

Äntligen är du redo att spela! Genom att föra handen närmare tonhöjdsantennen höjs thereminens tonhöjd. Om du för handen närmare volymantennen minskar dess volym. Det låter enkelt, men att bemästra theremin är lika komplicerat som vilket annat instrument som helst. Du behöver åtminstone aldrig leta efter ett gitarrval!

Få elektriciteten att sjunga

Thereminen, som uppfanns 1928 av Leon Theremin, är en unik utmaning för både spelaren och den elektroniska hobbyisten.

Du får inte bara chansen att utforska en enastående unik krets, utan du får också möjligheten att experimentera med en av de mest igenkännliga, men ändå främmande klingande klangfärgerna som någonsin skapats.

Det enda som är mer utmanande än att förstå en theremin är att få en att låta bra!

Vad betyder ljudkvalitet och hur skiljer sig vanliga komponenter?

Gör högtalarkomponenter av ljudkvalitet högtalare bättre? Vad är det som gör dessa komponenter till ljudkvalitet i första hand, och är de ens värda pengarna?

Läs Nästa

Om författaren