ЭМИ на любой вкус

В предыдущей статье мы рассказали о первенце электромузыкальных инструментов — терменвоксе. Как вы уже знаете, он управлялся перемещением руки вблизи антенны — довольно необычный, пожалуй, даже экзотический способ исполнения музыкальных произведений. К примеру, привычное нам пианино или электроорган имеют клавиши. Нажимая на них пальцами, музыкант извлекает из инструмента звуки определенной тональности. Кроме ЭМИ, использующих традиционный способ, существуют еще электромузыкальные инструменты, на которых играют при помощи различных манипуляторов, сенсоров и даже используя световые лучи. О некоторых конструкциях мы и хотим рассказать.

Какой же «орган» ЭМИ самый важный? Конечно же — генератор. Однако в отличие от терменвокса в современных электромузыкальных инструментах генератор сразу вырабатывает сигнал в низкочастотном диапазоне.

Для начала предлагаем вам поэкспериментировать с простейшим из них — традиционным клавишным ЭМИ (рис. 1). Устройство собрано всего на одной аналоговой микросхеме — операционном усилителе DA1. Нагрузкой генератора служит телефон BF1, обеспечивающий достаточно громкое звучание инструмента.

Разберемся в принципе его действия. Генератор работает в импульсного режиме, то есть напряжение на его выходе переключается скачкообразно. Конденсатор С1 задает диапазон рабочих частот, а резисторы R18 и R19 образуют цепи положительной обратной связи. Предположим, в первый момент после включения питания на выводе 10 ОУ DA1 оказалось положительное напряжение. Такое же напряжение поступит через резистор R19 на вход (вывод 5) микросхемы. Одновременно конденсатор C1 начнет заряжаться через резистор R19. Когда напряжения на обоих входах (4 и 5) сравняются, операционный усилитель переключится в противоположное состояние. Теперь на его выходе, а следовательно, и на входном выводе 5 будет «минусовой» потенциал. В этот момент конденсатор С1 станет разряжаться через резистор R18. И вновь при равенстве напряжений на входах ОУ переключится в противоположное состояние. За счет обратной связи процесс переключения DA1 становится непрерывным, и с ее выхода следуют электрические импульсы, которые преобразуются телефоном BF1 в звуковой сигнал.

Запускается генератор при нажатии одной из клавиш SB1 — SB17. Подстроечные резисторы R1 — R17 отрегулированы таким образом, чтобы при подключении любого из них раздавался звук строго определенной тональности. В промежутках, когда ни одна из клавиш не нажата, генератор «молчит».

Несколько слов о назначении других элементов. Конденсатор С2 выполняет роль цепи внешней коррекции. Батарея GB1 напряжением 9 В и резисторы R20, R21 образуют источник питания с так называемой искусствен ной средней точкой, к которой подключается общий провод.

Конструкция монтажной платы электромузыкального инструмента может быть произвольной — все зависит от имеющихся в вашем распоряжении деталей.

Электронную «начинку» ЭМИ разместите в подходящем по размерам корпусе, например, в пластмассовой коробке. Тумблер, телефон и клавиатуру установите на лицевой панели. Монтажные соединения выполните тонкими многожильными проводами в хлорвиниловой изоляции. Корпус инструмента сделайте разборным, чтобы можно было менять батарею питания.

Клавиши сделайте самостоятельно или возьмите готовые от детского механического пианино. Один из вариантов устройства клавиатуры показан на рисунке 2. В качестве платы с неподвижными контакторами подойдет лист фольгированного гетинакса. Его металлизированное покрытие соедините монтажным проводом с общей шиной питания. Подвижные контакторы можно сделать из тонкого листа латуни, бронзы или взять готовые от вышедших из строя электромагнитных реле. Их закрепите при помощи изоляционных прокладок. Между платой и подвижными контакторами должен остаться зазор в 4—8 мм. Выводы подвижных контакторов подсоедините к соответствующим подстроечным резисторам. Для крепления клавиш используйте поперечную ось, изготовленную из стального прута необходимой длины.

Настраивают ЭМИ по камертону или частотомеру. Для этого поочередно нажимают каждую из клавиш и, вращая ротор соответствующего подстроечного резистора, добиваются звучания необходимой тональности.

Так устроен простейший клавишный электромузыкальный инструмент. Но, как мы уже говорили, существуют ЭМИ и с необычными способами управления. Вот, например, один из них вообще не имеет клавиатуры. Ее успешно заменяет датчик с резистивным покрытием и электрический щуп. Касаясь щупом различных участков датчика, музыкант тем самым исполняет мелодию.

Принципиальная схема такого ЭМИ — на рисунке 3. Его генератор собран на логических элементах ЗИ-HE микросхемы DD1. Роль датчика выполняет графитовый слой резистора R1, а в качестве токосъемника используется электрический щуп ХР1. Нагрузкой генератора служит пьезоэлектрический звонок BQ1. Источник питания электромузыкального инструмента состоит из батареи GB1 напряжением 9 В и ограничительного резистора R3.

Как же работает такой ЭМИ? Конденсатор С1 и резисторы R1, R2 составляют цепь обратной связи, благодаря которой происходит самовозбуждение генератора. В исходном состоянии щуп ХР1 не касается резистора R1, цепь обратной связи разомкнута, генерация отсутствует. Теперь коснемся щупом резистивного слоя. При этом элементы DD1.1 и DD1.3 окажутся в «нулевом» состоянии, a DD1.2 — в «единичном». Далее через резисторы R1 и R2 начнет заряжаться конденсатор С1. Как только напряжение на нем достигнет величины, соответствующей логическому нулю, элементы микросхемы переключатся в противоположные состояния: на выходах DD1.1 и DD1.3 появится напряжение высокого логического уровня, а на DD 1.2 — низкого. Теперь конденсатор С1 будет разряжаться через выходную цепь второго элемента. Когда напряжение на С1 достигнет единичного уровня, элементы переключатся в первоначальное. состояние. Их непрерывное переключение приводит к появлению на выходе генератора импульсов, частота следования и длительность которых зависит от сопротивления участка цепи между правым по схеме выводом резистора R1 и точкой прикосновения щупа ХР1. Сигнал преобразуется в звуковые колебания звонком BQ1. При крайнем правом по схеме положении щупа звук будет наиболее высоким, а при крайнем левом — наоборот, наиболее низким.

Конструкция этой самоделки может быть произвольной. В качестве корпуса для нее подойдет обычная пластмассовая мыльница. На верхней крышке закрепите тумблер и датчик, а также сделайте отверстие по контурам звонка, которое желательно заклеить тонкой цветной тканью. В одной из боковых стенок корпуса просверлите отверстие для провода, соединяющего самоделку с щупом, например, от измерительного прибора.

Теперь расскажем, как изготовить датчик. Для этой цели потребуется переменный резистор марки СП-1 сопротивлением 1,5—1,8 кОм. У резистора снимают металлический кожух, удаляют шайбу, фиксирующую ось ротора, и полностью извлекают механизм движка. Затем аккуратно высверливают средний вывод. Теперь у вас должен получиться датчик, конструкция которого показана на рисунке 4.

Для крепления датчика на лицевой панели ЭМИ необходимо просверлить пять отверстий. Одно — под направляющую, в которой раньше держалась ось, два — под лепестки-фиксаторы и еще два — под оставшиеся выводы. Фиксируют положение датчика, либо загнув лепестки, либо при помощи гайки, навернутой на направляющую, имеющую резьбу.

Теперь самоделка готова к работе. В налаживании она не нуждается. А чтобы электромузыкальный инструмент звучал громче, пьезоэлектрический звонок лучше всего подключить к выходу генератора, используя в качестве одного из выводов крепежную шпильку металлического корпуса, другого — любой из двух изолированных выводов.

Расскажем еще об одном не совсем обычном ЭМИ. Он также не имеет клавиатуры. Вместо нее на корпусе установлены две металлические пластины — сенсоры. Если к ним прикоснуться рукой, инструмент зазвучит. Все дело в том, что человеческое тело выступает здесь в роли проводника, замыкающего низковольтную электрическую цепь. А так как в зависимости от силы нажатия и площади контакта пальцев с сенсорами сопротивление этой необычной электрической цепи меняется, то и электромузыкальный инструмент начинает звучать на разные голоса.

Принципиальная схема сенсорного ЭМИ (рис. 5) представляет собой один из вариантов симметричного мультивибратора. Его особенность — отсутствие резисторов, задающих напряжение смещения на базах транзисторов. В то же время не совсем обычно включение между базами VT1 и VT2 резистора R2. Благодаря этим небольшим изменениям в стандартной схеме мультивибратора данным инструментом можно управлять при помощи сенсоров El и Е2.

Действует устройство следующим образом. После включения питания в динамической головке ВА1 звук отсутствует, так как на базы транзисторов не подано напряжение смещения. Но вот исполнитель одновременно коснулся рукой сенсоров El и Е2. Что случится в этом случае? Произойдет коммутация напряжения смещения: на базу VT1 по цепи R3 — исполнитель; на базу VT2 по цепи R3 — исполнитель — R2. Далее мультивибратор продолжит работу так же, как и его обычные собратья. Электрические колебания усиливаются транзистором VT3 и поступают на обмотку «динамика» ВА1: раздается звук, высота которого, как мы уже говорили, зависит от сопротивления участка тела, замыкающего сенсоры.

Разобравшись в работе электромузыкального инструмента, можно приступать к его сборке. Элементы самоделки лучше всего разместить на монтажной плате, сделанной из гетинакса или текстолита. Транзистор VT3 необходимо установить на алюминиевом теплорассеивающем радиаторе размером 30X40 мм и толщиной примерно 5 мм.

Как и в предыдущем случае, для корпуса самоделки подойдет обычная мыльница. На ее верхней крышке закрепите тумблер и динамическую головку, а также сенсоры. Их можно изготовить из тонкого латунного или медного листа размером 30Х10 мм. Подойдет также фольгированный гетинакс или стеклотекстолит. Сенсоры расположите параллельно друг другу с зазором примерно 5 мм.

Управлять звучанием ЭМИ можно разными способами. Например, постоянно прижимая пальцы левой руки к одной из пластин, правой касаться второй пластины, но только в тот момент, когда необходимо извлечь звук. А можно, наоборот, замыкать оба сенсора одним пальцем или ладонью — все зависит от того, как вам проще «почувствовать» инструмент. Необходимо только помнить: чем больше площадь контакта пальцев с пластинами, чем сильнее на них давление руки, тем ниже будет тональность звучания ЭМИ и наоборот.

Это устройство также не нуждается в налаживании. Однако может случиться, что ЭМИ будет звучать и при отсутствии контакта руки исполнителя с сенсорами. В этом случае необходимо точнее подобрать сопротивление резистора R2.

И наконец, последний электромузыкальный инструмент, о котором мы хотим рассказать, из перечисленных, пожалуй, самый оригинальный. Кстати, игра на нем во многом схожа с техникой исполнения на терменвоксе и. заключается в таких же таинственных на первый взгляд манипуляциях рук около корпуса ЭМИ. Вот только антенны у этой самоделки нет.

Какой же орган управления заменяет в этом инструменте клавиатуру? Это — фототранзистор, установленный в цепи обратной связи низкочастотного генератора ЭМИ, и задает его рабочую частоту. Под влиянием световых лучей у фототранзистора происходит изменение сопротивления перехода «коллектор-эмиттер».

Для нашей самоделки подойдет как естественное, так и электрическое освещение. Перемещая обе руки (или одну из них) в пространстве между источником света и прозрачным окном в корпусе фототранзистора, исполнитель тем самым управляет сопротивлением его коллекторно-эмиттерного перехода, а следовательно, и тональностью звучания ЭМИ.

Познакомимся теперь с принципиальной схемой этого электромузыкального инструмента (рис. 6). Он состоит из трех основных узлов: сенсорного датчика, в состав которого входят металлические пластины Е1 и Е2 (сенсоры), транзистор VT1 и подстроечный резистор R1; инвертора — его роль выполняет логический элемент DD1.1; низкочастотного генератора, собранного на элементах DD1.2 — DD1.4 микросхемы DD1. Подстроечный резистор R1 служит для регулировки чувствительности сенсоров, а переменный R2, конденсатор С1 и фототранзистор VT2 образуют частотозадающую цепь генератора. Питается ЭМИ от батареи напряжением 4,5 В.

Принцип действия музыкального инструмента максимально прост. В исходном состоянии после включения питания на входах элемента DD1.1 устанавливается напряжение высокого логического уровня, а на выходе, наоборот, низкого: генератор «молчит». При касании пальцем одновременно обоих сенсоров транзистор VT1 открывается, на входах инвертора DD1.1 возникает логический 0, в результате чего элемент переключается в единичное состояние. Происходит запуск генератора, вырабатывающего импульсы, частота и длительность которых зависит от уровня освещенности фототранзистора. В небольших пределах рабочий диапазон ЭМИ можно подстроить переменным резистором R2. Электрические колебания через разделительный конденсатор С2 поступают на динамическую головку ВА1. Как только рука музыканта перестает касаться сенсоров, звук пропадает.

Начать сборку электромузыкального инструмента лучше всего с изготовления фототранзистора. Для этой цели подойдет прибор с p-n-p проводимостью, например, серии МП13 — МП16, МП20, МП21, МП25, МП26, МП39 — МП42 с любым буквенным индексом. Напильником аккуратно сточите верхнюю часть корпуса полупроводникового прибора, а на ее место приклейте тонкую пленку из прозрачного материала (например, целлулоида). Конструкция такого фототранзистора показана на рисунке 7.

Как и в двух предыдущих случаях, лучший корпус для этой самоделки — пластмассовая мыльница. В ее нижней половине установите плату с элементами и батарею питания. На лицевой панели закрепите фототранзистор, переменный резистор, тумблер и динамическую головку. Фототранзистор расположите таким образом, чтобы его прозрачное окно слегка выступало над плоскостью корпуса. Движок переменного резистора снабдите декоративной ручкой. Сенсоры установите на одной из боковых стенок корпуса. Они изготавливаются из того же материала, что и в предыдущей конструкции, только имеют меньшие размеры — 10X5 мм каждый, а зазор между ними должен быть 1—2 мм.

Налаживание ЭМИ сводится к подстройке чувствительности сенсоров. Коснувшись их рукой, вращением движка подстроечного резистора R1 добейтесь появления звука.

Несколько слов о технике исполнения на таком музыкальном инструменте. Его корпус необходимо держать в левой руке, лицевой панелью вверх. Свободную правую руку перемещают вверх, вниз или в стороны около корпуса фототранзистора. Чтобы получить более плавный звук, достаточно лишь шевелить пальцами около фототранзистора. В любом случае вам необходимо уметь разделять во времени моменты перемещения правой руки из одного положения в другое и касания сенсоров.

Какие детали можно использовать в данных самоделках? Операционный усилитель — К553УД2, К153УД2 или К153УД6. Учтите, однако, что у двух последних ИМС иная нумерация выводов. Логическая микросхема в конструкции с резистивным датчиком — К155ЛА4, КМ155ЛА4, К133ЛА4; в ЭМИ с фототранзистором К155ЛАЗ, КМ155ЛАЗ, К.133ЛАЗ. Транзисторы VT1 и VT2 в сенсорном ЭМИ — маломощные серий МП13 — МП16, МП20, МП21, МП25, МП26, МП39 — МП42; VT3 — любой из серии П214 — П217, П306; VT1 в последней самоделке — КТ315 с любым буквенным индексом. Телефонный капсюль — ТА-56м, ТА-4, ТОН-1, ТГ-1. Пьезоэлектрический звонок — типа ЗП-2. Динамические головки — мощностью 0,1—0,5 Вт с сопротивлением обмотки 4—8 Ом, например 0,5ГДШ-2. Оксидные конденсаторы — ЭТО, ЭМ, К50, К53; остальные — керамические КМ5, КМ6 или металлобумажные, например, МБМ. Постоянные резисторы — ВС, МЛТ, ОМЛТ, С2-23, С2-33, С2-39; подстроечные — любые из серии СПЗ, СП4; переменный — марки СПО, СП-1. Тумблеры — любые малогабаритные, например, МТ-1, МТД1-1, ПДМ. Батарея питания напряжением 9 В — «Корунд», батарея на 4,5 В — «Рубин», «Планета-2». О резистивном датчике и фототранзисторе было сказано выше.

Завершая наш рассказ о различных электромузыкальных инструментах, нельзя не сказать вот о чем: чтобы освоить эти ЭМИ, нужны определенное терпение, настойчивость и, конечно, тренировка. Зато результаты, без сомнения, оправдают затраченные усилия.

В. ЯНЦЕВ