Zaloguj
Trautonium, Theremin i Fale Martenota
W poprzedniej części tej serii artykułów pokazaliśmy schemat syntezatora Stylophone, a przy okazji wspomnieliśmy o wcześniejszym instrumencie – Trautonium (fotografia 1). Trautonium powstało w 1933 roku i był to instrument oparty na pojedynczym oscylatorze relaksacyjnym, zbudowanym na bazie triody. Późniejsze wersje używały już tyratronów (rodzaj lampy trójelektrodowej gazowanej, która pracowała jak tyrystor i pozwalała na sterowanie ekstremalnie wysokimi napięciami i sporymi prądami). Powstały też wersje tranzystorowe, wszystkie produkował Telefunken pod nazwą Trautonium. Unikalną cechą instrumentu był sposób kontroli: struna owinięta drutem oporowym była dociskana palcem do metalowej płytki, tworząc w ten sposób potencjometr – punkt dotknięcia określał częstotliwość oscylatora. Głośność była kontrolowana drugą ręką. Sposób działania pozwalał na płynne przechodzenie od jednego tonu do innego, a także na uzyskanie mikrotonalności – czyli granie tonów będących pomiędzy półtonami skali chromatycznej. Nad struną montowano też znaczniki ułatwiające dociskanie struny w miejscach, w których przypadały poszczególne tony skali. Instrument pozwalał więc także na bardziej tradycyjną grę. Trautonium nie miało żadnej innej kontroli nad brzmieniem, co ograniczało jego użyteczność. W efekcie instrument miał raczej krótką karierę i nie odniósł znaczącego sukcesu.
Lew Theremin wynalazł swój instrument w 1928 roku, gdy pracował z urządzeniami radiowymi. Rysunek 1 pokazuje schemat blokowy instrumentu, na którym widać elementy składowe typowe w radiotechnice. Do wytwarzania dźwięku użyte są dwa oscylatory: jeden o stałej częstotliwości f1, drugi – o zmiennej f2, zależnej od położenia ręki thereministy, gdyż pojemność pasożytnicza ciała ludzkiego względem ziemi staje się częścią obwodu rezonansowego oscylatora. Oba sygnały trafiają do miksera, na którego wyjściu jest dostępna zarówno suma, jak i różnica częstotliwości sygnałów wejściowych. Filtr dolnoprzepustowy odcina wyższe częstotliwości, a sygnał wyjściowy trafia przez wzmacniacz sterowany napięciem na wyjście instrumentu. Druga antena, odpowiedzialna za sterowanie głośnością, działa w podobny sposób – z tą tylko różnicą, że na wyjściu tego bloku pojawia się sygnał napięciowy sterujący wzmacniaczem. Antena sterująca głośnością jest zwykle po lewej stronie instrumentu, w formie metalowej pętli, zaś antena regulująca ton znajduje się po prawej i zazwyczaj ma postać pionowego pręta. Theremin produkowany był zarówno w ZSRR, jak i w USA, przez amerykańską korporację RCA. Wersję tranzystorową opracował Richard Moog, wybitny projektant syntezatorów. Theremin odniósł znaczny sukces za sprawą swojego unikalnego brzmienia, głównie w ścieżkach dźwiękowych filmów science-fiction. Brzmienie instrumentu jest relatywnie proste, ale kontrola wysokości i ekspresji – o wiele lepsza, niż w przypadku Trautonium. Fotografia 2 pokazuje dwie różne wersje Thereminów.
Również w 1928 roku opracowany został inny instrument inspirowany radiem. Maurice Martenot, francuski wiolonczelista i radiotelegrafista, w czasie I Wojny Światowej zaprojektował swój instrument, nazwany falami Martenota (fr. Ondes Martenot), wokół oscylatora sterowanego napięciem, który to oscylator kontroluje inne generatory – schemat blokowy pokazano na rysunku 2. W przeciwieństwie do innych instrumentów z tej epoki, fale Martenota miały o wiele większe bogactwo brzmień do wyboru. Również unikalna jest metoda kontroli: wersja oryginalna używała metalowego pierścienia założonego na pętli z drutu. Pętla ta sprzężona była z potencjometrem wieloobrotowym, który sterował oscylatorem. Pod pierścieniem znajdowała się klawiatura fortepianowa, ale w pierwszej wersji pełniła ona jedynie funkcję orientacyjną. Późniejsze modele pozwalały już na wybór między pierścieniem, a klawiaturą, która dodatkowo mogła być przesuwana na boki palcem w celu dodatkowej zmiany częstotliwości. Głośność dźwięku regulował pedał ekspresji, podczas gdy lewa ręka kontrolowała wybór oscylatorów, trybu gry czy kolumn głośnikowych.
Pierwszy głośnik to prosta kolumna dwudrożna. Drugi wybór to „dłoń” – głośnik z pudłem rezonansowym, nad którym napięty był szereg strun nastrojonych w skali chromatycznej – wzbogacały one brzmienie, rezonując wraz z dźwiękami z głośnika. Trzeci głośnik używał mosiężnego gongu jako elementu rezonansowego. Fotografia 3 pokazuje kompletny instrument. Fale Martenota nie odniosły tak wielkiego sukcesu, jak Theremin, głównie ze względu na opozycję jednego z kompozytorów, który określił ten instrument jako „brzmienie domu publicznego”, co miało wydźwięk pejoratywny. Obecnie fale Martenota znów zyskują popularność, głównie za sprawą gitarzysty zespołu Radiohead, Jonny’ego Greenwooda, który zlecił wykonanie kontrolera w stylu fal Martenota firmie Analogue Systems. Kontroler ów, pod nazwą „French Connection”, sterował zewnętrznym oscylatorem. Od początku XXI wieku powstało kilka replik lub syntezatorów podobnych do fal Martenota. Jedną z lepszych replik jest Ondomo, wyprodukowane przez japońską firmę Asaden w 2017 roku.
Elektryczne pianina i organy
Pierwsze „elektryczne” pianina pojawiły się w latach trzydziestych ubiegłego wieku. Były to fortepiany, w których zamiast płyty rezonansowej użyto przetworników elektromagnetycznych (a te stały się potem sercem gitar elektrycznych) oraz wzmacniacza elektroakustycznego. Tego typu instrumenty: fortepiany i mniejsze pianina produkowane były przez kilka różnych firm jako budżetowe alternatywy dla pełnoprawnego, akustycznego instrumentu. W elektrycznych pianinach Wurlitzera (fotografia 4) zamiast strun znajdował się metalowy grzebień z płaskimi „zębami” (ang. reeds, czyli trzcinki) różnej długości. Naciśnięcie klawisza powodowało, że filcowy młoteczek uderza; w odpowiedni „ząb”, wprawiając go w drgania. Równoległa płyta metalowa tworzyła z grzebieniem kondensator powietrzy, a drgania były przetwarzane i wzmacniane w analogiczny sposób do zasady działania mikrofonu pojemnościowego. Na końcach „zębów” znajdowały się krople cyny – strojenie odbywało się przez jej usuwanie lub dodawanie. Istnieją warianty tego instrumentu, w których zamiast przetwornika pojemnościowego używa się przetwornika elektromagnetycznego.
Pianino elektryczne Fender Rhodes używa dwuelementowego rezonatora przypominającego kamerton. Jedno ramię jest w formie sztywnego, stalowego drutu, w który uderza młoteczek, drugie zaś to metalowy pręt biegnący równolegle, którego zadaniem jest wydłużenie czasu wybrzmiewania całości. Dźwięk jest zbierany za pomocą przetworników elektromagnetycznych, a strojenie odbywa się przez przemieszczanie sprężyny na uderzanym elemencie tego rezonatora. Inny instrument, Hohner Pianet, używa grzebienia w stylu Wurlitzera, ale wibracje są wzbudzane przez odklejanie skórzanej (w późniejszych wersjach silikonowej) poduszki od drgającego „zęba”. W oryginalnej wersji skóra nasączona była lepką substancją, w późniejszej wykorzystywano lepkie własności niektórych silikonów. Innym instrumentem Hohnera był Clavinet, w którym naciśnięcie klawisza powodowało dociskanie struny do metalowego kowadła przez znajdujący się pod klawiszem młotek. Powodowało to wprawienie jej w drgania, które wzbudzały przetworniki elektromagnetyczne. Brzmienia wszystkich tych instrumentów można dalej urozmaicić stosując różne efekty, zwykle stosowane przez gitarzystów. Czytelnik zwrócił już zapewne uwagę, że wymienione tu instrumenty nie są prawdziwymi syntezatorami – to prawda, jednak stanowią one zbyt istotny element historii muzyki, by je pominąć. Ponadto ich charakterystyczne brzmienia były później wielokrotnie odtwarzane na drodze syntezy.
Pierwszym „syntezatorem” addytywnym był instrument organowy, Telharmonium, opracowany u schyłku XIX wieku. Telharmonium używał reotomów, które generowały sygnały zmienne (o częstotliwościach akustycznych) w dość prosty sposób: metalowe koło zębate o określonej liczbie zębów obracało się ze stałą prędkością, podczas gdy metalowa szczotka dotykała do tych zębów. Reotom był częścią większego obwodu rezonansowego LC, co pozwalało przekształcać surowe impulsy elektryczne w przebieg sinusoidalny. Telharmonium używało wielu zestawów reotomów, a ich obwody były łączone razem za pomocą przełączników (jak w tradycyjnych organach) celem uzyskania bardziej złożonego brzmienia – dokładnie tak samo, jak w późniejszych syntezatorach addytywnych. Telharmonium znalazło się w Nowym Jorku, gdzie zostało włączone do sieci telefonicznej, oferując użytkownikom możliwość słuchania muzyki na żywo. Ponieważ jednak mówimy o czasach sprzed powstania triody, to nie było możliwości wzmocnienia sygnału, więc samo urządzenie było dość duże i prądożerne: ważyło ponad dwieście ton i pobierało 671 kW mocy zasilającej. Telharmonium, choć było instrumentem przełomowym, nie odniosło sukcesu, gdyż generowało za dużo zakłóceń w systemie telefonicznym.
Laurens Hammond i inni wykorzystali ideę reotomu, ale w formie koła tonowego, przy czym tylko organy Hammonda (fotografia 5) odniosły prawdziwy sukces. Koło tonalne również zawierało szereg zębów o liczbie zależnej od pożądanej częstotliwości, jednak zamiast szczotki wykorzystano przetwornik elektromagnetyczny. Zęby, przechodząc blisko niego, modulowały pole magnetyczne, generując różne tony. Dzięki temu, że w momencie powstania omawianych organów obwody wzmacniające już były dostępne, całe urządzenie mogło być dość małe – mniejsze niż organy domowe, które używały sprężonego powietrza i drgających trzcinek. Wariacją na temat koła tonalnego był dysk z wygrawerowanymi na jego powierzchni wgłębieniami o różnych kształtach i wymiarach, który wraz z zestawem elektrod tworzył kondensator powietrzny zmiennej pojemności, a dźwięk był tworzony przez obracanie zestawu takich dysków i wybieranie, które elektrody są włączone w obwód przetwarzania (jak w systemie Wurlitzera). W organach Hammonda był jeden zestaw kół tonalnych, każde generowało jedną stałą częstotliwość. Naciśnięcie klawisza jednak łączyło przetworniki kilku kół (częstotliwości bazowej, harmonicznych i podharmonicznej) do obwodu wzmacniacza, zaś zestawem suwaków (drawbars) można było mieszać tony bazowe i pozostałe w różnych proporcjach. Klasyczny zestaw dziewięciu suwaków pozwalał stworzyć 250 milionów różnych brzmień tych organów i to rozwiązanie stanowi kolejny przykład syntezy addytywnej. Od roku 1975 organy Hammonda były produkowane w formie instrumentu elektronicznego bez kół tonalnych, zamiast których zastosowano układy cyfrowe. Równolegle z organami opartymi na kołach tonalnych powstawały też instrumenty całkowicie elektroniczne, korzystające z syntezy subtraktywnej i dzielników częstotliwości – celem redukcji liczby potrzebnych lamp elektronowych. W latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku na rynek trafiły organy tranzystorowe, a w późniejszym okresie organy oparte na układach scalonych. Pod koniec ery analogowej powstawały relatywnie tanie organy, także w formie zestawów do samodzielnego montażu, gdzie sygnał pojedynczego generatora w.cz. był podawany na szereg dzielników częstotliwości, co dawało pokrycie całego zakresu akustycznego. Nieznacznie przestrajając ten generator można było łatwo dodać pitch bending, czyli chwilowe odstrajanie dźwięku w czasie gry.
Ostatnim instrumentem wartym wspomnienia jest Mellotron, „syntezator” używający taśmy magnetycznej, a konkretnie wielu takich nośników. Każdy klawisz dociskał do głowicy elektromagnetycznej swoją taśmę, a także rolkę dociskową do taśmy i do wałka napędowego, obracającego się ze stałą prędkością przez cały czas (był on wspólny dla całego instrumentu). Głowica odtwarzała zapisany na taśmie dźwięk, podczas gdy wałek i rolka dociskowa przesuwały taśmę do indywidualnego pojemnika. Po zwolnieniu klawisza zestaw dodatkowych rolek i sprężyna napinająca wyciągały taśmę tak, by początek nagrania znajdował się przed głowicą. Mechanizm ten pokazuje rysunek 3. Na każdej taśmie nagrane były trzy różne dźwięki, a dźwignia z boku instrumentu przesuwała cały zespół głowic względem zespołu taśm, pozwalając na wybór brzmienia. Niektórzy artyści nagrywali własne tony na te taśmy zmieniając brzmienie instrumentu, dzięki czemu Mellotron może być uznany za pierwszy programowalny instrument oparty o próbkowanie.
Zakończenie
Opisane w tym artykule instrumenty były ważne nie tylko dla muzyki – ich elementy miały też znaczący wpływ na rozwój syntezy dźwięku i syntezatorów jako takich. Efekt portamento, czyli zdolność syntezatorów do płynnego przechodzenia od jednej częstotliwości do innej, wywodzi się wprost z takich instrumentów, jak Trautonium czy Fale Martenota. Z kolei dążenie do miniaturyzacji organów kościelnych czy późniejszego Harmonium doprowadziły do powstania najpierw organów elektromechanicznych, a później całkowicie elektronicznych, których elementy składowe są też częścią syntezatorów. Idea zapisywania i późniejszego odtwarzania dźwięku z Mellotrona leży u podstawy syntezy wavetable i granularnej, ale też żyje nadal w plikach SoundFont zawierających nagrania prawdziwych instrumentów i używanych w produkcji muzycznej. Nawet w każdym keyboardzie – od dziecięcych zabawek do wysokiej klasy keyboardów estradowych i pianin elektronicznych – łączy się używanie banków brzmień, zapisanych w formie próbek PCM odtwarzanych na żądanie. Wiele keyboardów ma też klasyczne brzmienia pianin i organów: Rhodes, Wurlitzer, Hammond czy Clavinet, gdyż są one kluczowymi składnikami muzyki pop, rock, jazz czy popularnego w USA gatunku muzyki religijnej gospel.
W następnej części zaprezentujemy pierwszy element składowy syntezatora: oscylator sterowany napięciem.
Paweł Kowalczyk, EP
