Электрические музыкальные инструменты

Источник: журнал «Наука и жизнь», №7, 1970 год.

Автор: инженер Л. ФЕДОРЧУК, начальник лаборатории электромузыкальных инструментов завода «Электроизмеритель» (Житомир).

СТРАДИВАРИ XX ВЕКА

Электрические музыкальные инструменты – ЭМИ – появились в начале этого столетия благодаря бурному развитию электротехники и радиоэлектроники. Изобретение электромеханических, а затем первого электронного музыкального инструмента вызвало настоящую сенсацию в музыкальном мире. Неограниченные исполнительские возможности! Звук, рождённый ниоткуда! Миллионы тембровых комбинаций! Музыка, уходящая в космос! Электрический музыкальный инструмент состязается со скрипкой и побеждает!.. На газетных и журнальных полосах появились имена изобретателей волшебных инструментов, и первым среди них был наш соотечественник Л. С. Термен. Его «терменвокс» слушал В. И. Ленин и одобрил интересное начинание тогда ещё молодого физика и музыканта. «Электрический голос» зазвучал на концертных эстрадах. Он покорял своим выразительным, почти человеческим пением и необычным способом своего появления. Музыкант не играл, а священнодействовал – дирижировал рукой у металлической антенны, и светлые вибрирующие тоны возникали в пространстве в строгом согласии с его движениями.

Несколько позже мир узнал о других создателях новых инструментов: о Н. С. Ананьеве, Ф. Траутвейне, А. А. Иванове, А. В. Римском-Корсакове, В. П. Дзержковиче, о А. В. Гурове и В. И. Волынкине...

Затем... наступило затишье. Музыканты, пытаясь освоить новые инструменты, обнаружили, что они обладают целым рядом недостатков. Изобретатели снова за работой. Но не всё оказывается просто в этой новой области – для некоторых решений понадобились десятки лет упорного труда. И снова появляются новые инструменты, всё лучше, всё совершеннее. Звучит «эмиритон» ленинградских изобретателей, «комланола» И. Д. Симонова, «экводин» А. А. Володина. На весь мир звенят-разливаются позывные Московского радио:«Широка страна моя родная!» Это автоматический ЭМИ И. Д. Симонова – аппарат позывных сигналов. «Экводин» модели В-9 А. А. Володина получает на Брюссельской международной выставке 1959 года большую золотую медаль. Зарубежные слушатели восхищены: он обладает прекрасными исполнительскими возможностями, имитирует звучания почти всех инструментов симфонического оркестра.

Но до начала серийного выпуска ЭМИ должно было пройти ещё около 6 лет. Музыканты слишком требовательны, и они вправе иметь отличные инструменты. И снова – работа, работа, работа...

ЗАЧЕМ ЖЕ ЭЛЕКТРОМУЗЫКАЛЬНЫЕ?

Обыкновенные, механические, музыкальные инструменты уже достигли вершины своего совершенствования. Почти все они, от маленькой скрипки до гигантского органа, за последние двести лет не претерпели существенных изменений. Да и чего, клалось бы, ещё от них требовать? Рояль – инструмент глубоко эмоциональный, динамичный. Орган достаточно мощен и монументален. Скрипка лёгонькая, простенькая, а как поёт! Уж никак не сравнить по размерам скрипку или флейту с электронным инструментом. Чем же привлекают ЭМИ изобретателей и музыкантов?

Прежде всего своим голосом. Именно своими оригинальными звучаниями, которые в обычных механических системах недостижимы, а в электронных ещё далеко не все найдены. Нужны ли они музыканту? Безусловно. Какой художник откажется от новых ярких красок, которых ещё не видывала его палитра?

Флейта всегда звучит, как флейта, кларнет – как кларнет, и не иначе. А ЭМИ на все руки мастер. Вот он поёт голосом валторны. Музыкант манипулирует переключателями, и... гремят литавры. Ещё секунда, и победно звучат мощные трубы органа... Простое переключение регистров, и тембр ЭМИ неузнаваемо изменяется.

Способность изменять тембр в широких пределах, имитировать существующие звучания и петь своими, только им присущими голосами – таковы главные достоинства ЭМИ.

Ну, а размеры, вес? По сравнению с духовым органом современный электроорган – малютка. Скрипка и флейта, конечно, поменьше, но ведь и электроника не стоит на месте. Уже сегодня есть транзисторы величиной со спичечную головку, а завтра будут широко освоены твёрдые схемы, и недалеко то время, когда размеры электронного музыкального инструмента будут определяться лишь размерами клавиатуры или грифа и удобством игры на них.

Конструирование ЭМИ в нашей стране и за рубежом шло двумя путями: по линии создания одноголосных мелодических моделей, на которых в одно и то же время можно извлечь только один звук, и многоголосных, на которых можно получить одновременное звучание любого числа звуков в пределах клавиатуры. Механические музыкальные инструменты также делятся на одноголосные (труба, фагот, кларнет, саксофон, гобой и другие) и многоголосные (орган, рояль, баян, аккордеон).

За рубежом большое распространение получили электроорганы. Поэтому ряд специализированных фирм занимается исключительно производством и сбытом именно этих инструментов. Например, хорошо известна фирма Хэммонда (США), которая в настоящее время выпускает 18 типов различных электроорганов и электроакустическую аппаратуру к ним – усилители, громкоговорители, ревербераторы. У нас в стране сейчас выпускаются электроорганы «Юность» (Муром), «Эстрадин-6» и «Эстрадин-ЗМ» (Житомир), двухклавиатурный «Рэтаккорд» (Таллин) и органы «Прелюдия» и «Перле» (Рига). Большой популярностью пользуются также мелодические ЭМИ «Экводин» (Москва) и «Эстрадин-3», голоса которых звучат во многих кинофильмах, в радио- и телепередачах.

Мелодический многотембральный ЭМИ «Эстрадин-3» со звуковоспроизводящим устройством (ЗУ-430).

ИСТОРИЯ ОДНОГО ВЫСТУПЛЕНИЯ

На одном заводе усилиями любителей музыки был создан самодеятельный оркестр электронных музыкальных инструментов на базе серийных моделей типа «эстрадин». Производство этих инструментов тогда ещё только налаживалось, и, естественно, некоторые из них были ещё несовершенны. Но это не помешало оркестру в течение полугода усиленно репетировать, готовясь к фестивалю самодеятельного искусства. Наконец наступили волнующие дни фестиваля. Оркестр «Эстрадин» успешно выступает вначале на городском, затем на областном смотре. Авторитетное жюри единогласно решает делегировать оркестр на республиканский фестиваль, посвящённый 50-летию Великой Октябрьской социалистической революции. С большим подъёмом выступал заводской оркестр на конкурсах и на заключительном смотре. Результат – большая золотая медаль и звание лауреатов юбилейного фестиваля.

А вскоре случилось такое... Концерт городской самодеятельности. Объявлено выступление оркестра электронных музыкальных инструментов. Зрители тепло приветствуют лауреатов. Руководитель оркестра по-дирижёрски взмахнул белой вязальной спицей (самодеятельность!), и... ничего не произошло. Музыканты в растерянности переключают тумблеры регистров, осматривают педали. Снова взмах дирижёрской палочки, искажённое лицо руководителя оркестра, но обещанный фрагмент из балетной сюиты Д. Шостаковича не прозвучал. По залу пробежал лёгкий шумок, и всё стихло. Дирижёр нервно стучит по пюпитру. «Внимание, ещё раз!» – шепчут побелевшие губы руководителя. Педали отжаты до отказа. И вдруг тишину концертного зала раздирает мощный хриплый рёв, которому позавидовал бы даже бенгальский тигр. Занавес падает, музыканты потрясены.

Что же произошло? На языке специалистов ответ звучит так: надёжность инструментов оказалась недостаточной.

Первый из «эстрадинов» – электроорган «Эстрадин-4».

ЧТО У НИХ ВНУТРИ?

Историей зафиксирован случай, когда у Паганини во время игры оборвались струны скрипки. Но этот случай потому и получил такую широкую известность, что уникален.

Надёжность механических музыкальных инструментов вполне удовлетворительна, а вот электронных...

Надёжность устройства связана обратной зависимостью с количеством составляющих его элементов, в данном случае – радиоламп, транзисторов, конденсаторов и т. д. Чем больше в устройстве таких «кирпичиков», тем ниже его надёжность.

Электронный многоголосный инструмент для каждой клавиши своей клавиатуры должен иметь как минимум по одному ламповому или транзисторному генератору звуковой частоты (будем называть его в дальнейшем задающим генератором). Сейчас большинство электроорганов строят по так называемой схеме «задающие генераторы – делители частоты». В ней используется то свойство музыкального строя, что частоты тонов, образующих интервалы октавы, относятся друг к другу как 2:1. Следовательно, можно изготовить всего 12 задающих генераторов (для всех 12 полутонов самой верхней октавы ЭМИ), а все одноимённые тоны в нижних октавах получить делением частоты соответствующих задающих генераторов на 2. Это дешевле и проще, так как для этой цели могут быть использованы менее сложные устройства: мультивибраторы, триггеры, блокинг-генераторы. Задающие генераторы совместно с делителями частоты и образуют генераторную основу ЭМИ.

Генераторная основа, например, органа «Эстрадин-6» содержит 168 транзисторов, 588 резисторов (сопротивлений), 252 конденсатора и 228 полупроводниковых диодов. Сравните с хорошим транзисторным приёмником, у которого 10-12 транзисторов и 2-3 диода!

Вопрос надёжности ЭМИ – сейчас центральный из всех вопросов их производства и требует к себе первостепенного внимания. После печального происшествия с оркестром «Эстрадин-6» был усовершенствован, и вот что пишет один известный музыкант с гастролей из Воронежа: «Мой «Меридиан» («Эстрадин-6». – Л. Ф.) работает отлично. Я исколесил сотни и тысячи дорог, и он успешно прошёл все испытания...»

Конечно, музыканту теперь приходится дружить с паяльником и отвёрткой, и, странное дело, многие довольны своей «электромузыкальной» судьбой.

Электроорган «Гамма» («Эстрадин-3М»).

БОРЬБА С ФАЛЬШЬЮ

Ухо человека очень совершенный акустический прибор, способный воспринимать звуки, по силе своей отличающиеся в 10¹³ раз! Не менее чувствительно ухо к изменению высоты тона (частоты звуковых колебаний), причём наибольшая чувствительность слуха находится в зоне средних звуковых частот, где отклонение частоты на 0,1 процента уже может быть замечено. Это значит, что строй хорошего ЭМИ должен длительное время сохраняться с высокой степенью точности. Отсюда повышенные требования к стабильности частоты задающих генераторов. Обеспечить такую стабильность удастся не всегда, хотя диапазон температур, при которых вероятна эксплуатация ЭМИ, довольно узок (+10 – +40°C).

Максимальной стабильности можно добиться, если в задающих генераторах применить камертоны – небольшие вилочки из специальных сплавов, собственная частота которых длительное время остаётся неизменной. Генераторы с камертонами могут держать строй с точностью 0,01-0,001 процента. Поэтому настраивать такой инструмент нужно только при изготовлении; во время эксплуатации он не будет нуждаться в настройке.

МАСТЕРСКАЯ ТЕМБРА

Под тембром понимают такое качество музыкального звука, по которому легко можно отличить звучания различных инструментов. Мы привыкли характеризовать тембр субъективно и применяем для этого эпитеты: глухой, звонкий, резкий, светлый. Но это не значит, что тембр нельзя описать объективными характеристиками – числами, формулами, графиками. Для этого нужно изучить структуру звуковых колебаний, которая почти всегда оказывается довольно сложной. Если данный тон имеет частоту 100 Гц (100 колебаний в секунду), то это вовсе не значит, что вся энергия звука сосредоточена в колебаниях этой частоты. В звуке присутствуют колебания с частотами, кратными основной частоте. Такие добавочные тоны музыканты называют обертонами, а электронщики – гармониками. Таким образом, тон с основной частотой 100 Гц можно представить себе как сумму гармоник с частотами 100 Гц, 200 Гц, 300 Гц и т. д., каждая из которых имеет свою амплитуду колебаний. Распределение энергии звука по гармоникам графически можно представить линейчатым спектром.

Тембр звука определяется преимущественно структурой спектра: соотношениями между амплитудами отдельных гармоник. Звуковые колебания, производимые каждым инструментом, имеют свой, характерный спектр благодаря формантам – резонансным зонам. Такие зоны образуются объёмными резонаторами (деками, раструбами и пр.), являющимися обязательными конструктивными элементами механических инструментов. Попадание каких-либо обертонов в резонанс с формантой приводит к их усилению и, следовательно, к образованию характерной огибающей спектра. (Теорией формант объясняется также образование гласных звуков речи. Легко проверить, что для произнесения различных гласных нужно лишь изменять объем полости рта, то есть резонансную частоту форманты).

Каким образом можно варьировать тембр при игре, например, на трубе? Для этого музыканту надо изменять форму или размеры раструба, что фактически и достигается использованием сурдины.

В ЭМИ для образования нужного тембра применяются аналоги объёмных резонаторов: формантные цепи, составленные из катушек индуктивности и конденсаторов. Такой метод позволяет в широких пределах изменять тембры простым переключением элементов формантных цепей. С помощью формантных цепей достигается имитация многих духовых деревянных и некоторых струнных инструментов.

Большие возможности открывает другой метод оформления тембра. Он основан на сложении двух или более электрических колебаний с различными гармоничными частотами.

Представим себе, что имеется целый ряд генераторов простых тонов с кратными частотами (гармоник) и с помощью ручек настройки можно плавно регулировать амплитуду каждой из этих гармоник (от нуля до максимума). Электрически соединив в одну точку выходы генераторов, получим в ней сложные колебания, спектр которых можно изменять в любых неограниченных пределах. Это значит, что в таком устройстве можно синтезировать практически любой тембр.

ЭМИ с гармоническим синтезом тембра открывают замечательные перспективы перед музыкантом. Согласитесь, что трудно себе представить обыкновенный механический инструмент, который бы обладал такой неисчерпаемостью.

ЧЕГО НЕ УЧЕЛ ХЭММОНД?

Уже много лет звучит по радио и телевидению электромузыка, исполняемая оркестром ЭМИ под управлением Вячеслава Мещерина. Этот оркестр знают и ценят многие любители музыки. В его составе есть большой двухклавиатурный электромеханический орган Хэммонда, построенный по принципу гармонического синтеза тембра. Этот орган, естественно, очень заинтересовал заводских конструкторов, которые приехали ознакомиться с инструментами оркестра. Ведь теоретически гармонический синтез связан знаком равенства с миллионами различных тембров!

Каково же было удивление и разочарование инженеров, когда, несмотря на бесконечные манипуляции с рукоятками управления электрооргана, удавалось получать всего несколько десятков резко отличающихся друг от друга тембров. Остальные представляли собой переходные структуры, которые легко можно было перепутать.

Вспоминается и другой случай. В Москве на межреспубликанской ярмарке 1965 года демонстрировался один из первых серийных отечественных электроорганов. Представители завода-изготовителя пригласили музыкантов и организовали периодические демонстрации инструмента – пусть, мол, говорит сам за себя! Первые проигрывания произвели должное впечатление на слушателей, и в книгу отзывов посыпались записи:           замечательный, чудесный инструмент! Потом энтузиазм слушателей пошёл на убыль, а через два дня товароведы, работавшие на ярмарке, с раздражением говорили: «Когда они уже выключат свою шарманку!» – и жаловались: «Давит на уши». И действительно, звонкий, голосистый инструмент можно было слушать без труда всего 2-3 минуты, а затем звучание начинало казаться однообразным и утомлять слух.

В чём же дело? Почему фортепианную музыку человек без устали может слушать в течение нескольких часов? Почему «хэммондовский миллионер» оказался нищим?

Музыкальный звук представляет собой очень тонкую, изысканную ткань, для полной характеристики которой мало таких физических понятий, как высота, громкость, гармонический состав. Попробуйте соединить радиоприёмник или магнитофон с осциллографом и «просмотрите» музыку на экране – вы никогда не увидите такой чёткой, засинхронизированной осциллограммы, которая характерна для колебаний звукового генератора. «Музыкальная картинка» живёт, пульсирует; даже во время продолжительного звучания одного тона происходят изменения его высоты, тембра, громкости – чаще периодические, но иногда не подчиняющиеся никаким очевидным законам.

Объясняется это тем, что музыкальный звук обычно обрамлён шумами – это и шорох смычка, и шёпот клавиш... Отсюда жизненность и теплота звука. Он никогда не возникает мгновенно и мгновенно не исчезает: каждому инструменту и любому приёму исполнения присущи свой характер начала звука – атаки, и исчезновения – затухания. Во время этих переходных процессов в составе звука происходят наиболее сильные изменения. Рассказывают, что однажды специалистам-музыкантам предложили прослушать записи звучания некоторых инструментов. У магнитных записей искусственно удалили атаку и затухание, и узнать, какой инструмент звучит, оказалось невозможным.

На «живость» музыкального звука оказывает большое влияние нюансировка, благодаря которой музыкант может по-своему трактовать музыкальное произведение, вкладывать в него эмоциональность, как говорят, «душу». Сильнее удар пальцев по клавиатуре – буря, борьба, порыв, лёгкие прикосновения смычка к струне – печаль, нежность – целая гамма чувств, переживаний...

В ряде моделей электроорганов (к ним относятся и некоторые из тех, о которых говорилось) контактами клавиатуры попросту подключаются выходы генераторной основы к усилителю, при этом звук в громкоговорителях возникает и исчезает мгновенно. Но ведь мало иметь разнообразные спектры звуков, нужно обогатить их динамикой, причём динамикой управляемой, изменяющейся по желанию музыканта, Только тогда ЭМИ 6удет обладать поистине неисчерпаемым тембровым и выразительным богатством.

Проблема получения «живости» звука для конструкторов ЭМИ – важнейшая проблема. Решается она построением специальных электронных каскадов – манипуляторов, оформляющих требуемые атаку и затухание; применением различных потенциометрических, фотоэлектрических, ионных и магнитных датчиков для получения нюансировки; добавлением к звуку непериодических процессов – шумов и созданием управляемой вибрации.

А ЗАВТРА…

Энтузиасты электромузыки верят в будущее ЭМИ и склонны отдать им сольные партии во всех симфониях XXI века. Но конструкторы менее оптимистичны (в отношении сроков), так как знают, какая большая работа предстоит по совершенствованию «электронного голоса». Ведь промышленный выпуск ЭМИ начался совсем недавно. В консерваториях лишь начинают поговаривать о необходимости включения в учебные планы обучения игре на ЭМИ. Ещё предстоит преодолеть оторванность деятелей музыкального искусства от научно-технического прогресса. Над многими ещё довлеют старые музыкальные традиции; для таких людей даже очевидная архаичность музыкальных средств, даже старинная форма и отделка инструментов связываются в сознании с «истинным» искусством, способствуют восприятию музыкальных произведений.

А новые инструменты сулят многое. Вот что говорит, например, Л. С. Термен об этих перспективах. В настоящее время исполнитель «должен затрачивать свою энергию одновременно по... двум направлениям: производить механическую работу, преобразовывающуюся в звуковую энергию, и в то же время управлять звуковыми параметрами – высотой звука, тембрами, динамикой и характером звучания и гармонической структурой. В новых инструментах имеется возможность полностью избавить исполнителей от затраты механической работы для звукоизвлечения и дать им возможность все свои силы направить на управление звуковым материалом, его многочисленными параметрами».

Со временем электрический метод получения звука и управления им станет наиболее удобным: резко сократятся габариты и вес ЭМИ, повысятся их художественные достоинства. Конструкторы ЭМИ видят свою ближайшую задачу в создании таких инструментов, которые наряду с новыми исполнительскими возможностями позволяли бы использовать классическую музыкальную литературу. Если техника игры на таких ЭМИ не будет существенно отличаться от приёмов игры, положим, на рояле, баяне, то эти инструменты могут стать поистине народными.

Будут совершенствоваться и методы управления звуком. Уже проводились первые опыты такого управления с помощью биотоков. Ещё не полностью исследованы возможности пространственного воздействия на параметры звука. Фантазия рисует картину танца будущего, когда музыкальное сопровождение будет рождаться в процессе танца и зависеть от движения тела танцующего. Синтез музыки и цвета может ещё больше усилить глубину художественного восприятия. Аналитические и синтетические цветомузыкальные установки, иногда довольно удачные, создаются уже сейчас.

Большую роль станет играть электроника и в работе композитора. Будут совершенствоваться «композиторские» ЭМИ (типа синтезатора Е. А. Мурзина), расширяющие поле творческих поисков. И, несомненно, малогабаритные электронные вычислительные машины, эти современные гусли-самогуды, так же по-будничному впишутся в интерьер рабочего кабинета композитора, как сейчас рояль.

И не исключено, что ещё мы услышим и увидим электрические симфонии в цветовых тональностях, симфонии будущего.