构建开源特雷门琴

使用 Open.Theremin V3 创建您自己的电子乐器。

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Internet Archive Book Images。由 Opensource.com 修改。CC BY-SA 4.0

即使您没有听说过特雷门琴，您可能也熟悉它在观看电视节目和电影（如 1951 年的科幻经典电影地球停转之日）时发出的怪异的电子声音。特雷门琴也出现在流行音乐中，尽管通常以特雷门琴变体的形式出现。例如，海滩男孩乐队的歌曲 “Good Vibrations” 中的 “特雷门琴” 实际上是一种电子特雷门琴，这是一种由长号演奏家保罗·坦纳和业余发明家鲍勃·惠特塞尔发明的、使用滑块演奏的乐器，旨在使其更易于演奏。

苏联物理学家莱昂·特雷门在 1920 年发明了特雷门琴。它是最早的电子乐器之一，特雷门在 1920 年代后期通过他在欧洲和美国的音乐会将其介绍给世界。他于 1928 年为他的发明申请了专利，并将权利出售给了 RCA。然而，在 1929 年股市崩盘之后，RCA 的昂贵产品惨遭失败。特雷门在 1930 年代后期在有些神秘的情况下返回苏联。这种乐器一直鲜为人知，直到合成器名人罗伯特·穆格在 1950 年代作为一名高中生对它们产生了兴趣，并开始撰写文章和销售套件。他创立的公司 RA Moog 仍然是当今最著名的商业特雷门琴制造商。

这与开源有什么关系呢？

2008 年，瑞士工程师乌尔斯·高登茨参加了瑞士机械电子艺术协会举办的一个节日，该协会将自己描述为一个由工程师、黑客、科学家和艺术家组成的集体，他们在技术创意用途上进行合作。该节日包括一个特雷门琴展览，这让高登茨接触到了这种乐器。

在随后举办的专注于音乐和技术结合的活动中，一位组织者告诉高登茨，很多人都想从套件中组装特雷门琴。当时存在一些套件，但它们通常无法工作或演奏效果不佳。高登茨着手制造一种开源特雷门琴，它可以像传统特雷门琴一样演奏，并使用相同的操作原理，但采用现代电子板和微控制器。

Open.Theremin 项目（目前为第 3 版）是完全开源的，包括微控制器代码和硬件文件，其中包括原理图和印刷电路板 (PCB) 布局。硬件和说明根据 GPL v3 许可，而控制代码根据 LGPL v3 许可。因此，该项目可以完全从头开始组装。在实践中，大多数人可能会使用 Gaudi.ch 提供的套件，因此这就是我将在本文中描述的内容。还有一个完全组装好的版本可供选择。

特雷门琴是如何工作的？

在深入了解 Open.Theremin V3 及其组装和使用细节之前，我将从高层次谈谈传统特雷门琴的工作原理。

特雷门琴非常不寻常，因为它们是在不直接或间接接触乐器的情况下演奏的。它们通过改变您与两个天线的距离和手形来控制，一个水平音量环形天线（通常在左侧）和一个垂直音高天线（通常在右侧）。有些特雷门琴只有音高天线——齐柏林飞艇乐队的罗伯特·普兰特演奏过这种变体——有些特雷门琴，包括 Open.Theremin，还有额外的旋钮控制。但是，与音量和音高天线相关的手部动作是控制乐器的主要手段。

我一直称它们为 “天线”，因为其他人都是这样称呼它们的。但它们不是通常意义上的接收无线电波的天线。每个天线都充当电容器中的一个极板。这就引出了特雷门琴的基本工作原理：外差振荡器，它混合来自固定振荡器和可变振荡器的信号。

这种电路可以通过多种方式实现。Open.Theremin 使用振荡晶体和 LC（电感-电容）振荡器的组合，前者用于固定频率，后者调谐到相似但不同的频率，用于可变振荡器。有一个用于音量的电路，第二个电路（在稍微不同的频率下工作以避免干扰）用于音高，如下图所示的功能框图所示。

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^{特雷门琴框图。（Gaudi Labs，GPL v3）}

您通过移动或改变手相对于每个天线的形状来演奏特雷门琴。这会改变 LC 电路的电容。这些变化反过来被处理并转化为声音。

组装材料

理论就讲到这里。在本教程中，我将假设您使用的是 Open.Theremin V3 套件。在这种情况下，这是您需要的：

Open.Theremin V3 套件
带安装板的 Arduino Uno
焊锡铁和相关材料（您需要相当细的焊锡丝；我使用了 0.02 英寸）
USB 打印机型电缆
用于接地的导线
替换天线安装硬件：内六角头 M3-10 螺栓、垫圈、蝶形螺母（x2，可选）
扬声器或耳机（3.5 毫米插孔）
带有标准 ¼ 英寸螺丝的三脚架

Open.Theremin 是 Arduino 的扩展板，也就是说，它是一个模块化电路板，可以背靠背地安装在 Arduino 微控制器上，以扩展其功能。在本例中，Arduino 处理特雷门琴板的大部分重要任务，例如音频的线性化和滤波，以及使用存储的波形生成乐器的声音。波形可以在 Arduino 软件中更改。Arduino 的功能是在没有模拟部件的情况下实现具有良好音质的完全数字特雷门琴的重要组成部分。

Arduino 也是开源的。它起源于 2003 年意大利伊夫雷亚的伊夫雷亚互动设计学院的一个项目。

构建硬件

Gaudi.ch 网站上提供了构建特雷门琴硬件的良好说明，因此我不会带您完成每个步骤。我将重点关注项目的高层次，并分享一些您可能会觉得有用的知识。

套件随附的 PCB 已经将集成电路和分立电子元件表面贴装在电路板的背面，因此您无需担心这些（除了不要损坏它们）。您需要焊接到电路板上的东西是将扩展板连接到 Arduino 的引脚、四个电位计（电位器）以及正面上的几个表面贴装 LED 和一个表面贴装按钮。

在继续之前，我应该注意，这可能是一个中级项目。焊接量不大，但其中一些焊接相当精细，并且靠近其他电子元件。正面上的表面贴装 LED 和按钮并不难焊接，但确实需要一些技巧（Gaudi.ch 网站上的说明中对此进行了描述）。只需按照建议的顺序有条不紊地完成焊接即可。您需要良好的照明，也许还需要放大镜。仔细检查，确保没有引脚与其他引脚短路。

这是硬件正面的样子

图片来源：

^{Open.Theremin 正面（Gordon Haff，CC-BY-SA 4.0）}

这显示了背面；引脚是 Arduino 的接口。

图片来源：

^{Open.Theremin 背面（引脚是 Arduino 的接口）（Gordon Haff，CC-BY-SA 4.0）}

设置 Arduino 及其软件后，我将返回硬件部分。

加载软件

如果您使用过 Arduino，那么这个项目的 Arduino 部分非常简单，即使您没有使用过，也是如此。

安装 Arduino Desktop IDE
下载 Open.Theremin 控制软件并将其加载到 IDE 中
使用 USB 电缆将 Arduino 连接到您的计算机
将软件上传到 Arduino

可以修改 Arduino 的软件，例如更改存储的波形，但我不会在本文中对此进行介绍。

关闭 Arduino 的电源，并小心地连接扩展板。确保您正确对齐它们。（如果您不确定，请查看 Open.Theremin 的原理图，其中显示了哪些 Arduino 插座未在使用。）

重新连接 USB。扩展板上的红色 LED 应该亮起。如果它没有亮起，则表示出现问题。

再次使用 Arduino Desktop IDE 来查看校准过程，希望这将提供更多确认，表明事情正在按计划进行。以下是详细说明。

您在这里做的是监控校准过程。这不是真正的校准，因为您尚未连接天线，并且每次移动特雷门琴时都必须重新校准。但这应该让您了解特雷门琴是否基本正常工作。

一旦您按下功能按钮约一秒钟，黄色 LED 应该开始缓慢闪烁，并且来自 Arduino 串口监视器的输出应该看起来像下图，其中显示了典型的 Open.Theremin 校准输出。表明有问题的主要事情是频率调谐范围要么只是零，要么范围没有限制设定的频率。

图片来源：

^{（Gordon Haff，CC-BY-SA 4.0）}

完成硬件

要完成硬件，最简单的方法是将 Arduino 与扩展板分开。您可能需要将某种安装板拧到 Arduino 的背面，以便安装您将要连接的自粘三脚架支架。将三脚架支架安装在板上比安装在 Arduino 板本身上效果更好。此外，我发现支架的粘合剂效果不佳，我不得不使用更强的胶水。

接下来，连接天线。环形天线放在左侧。音高天线放在右侧（较短的引脚连接到扩展板）。将随附的香蕉插头连接到天线。（您需要用足够的力气将两个部件配合在一起，您需要在将香蕉插头连接到电路板之前完成此操作。）

我发现套件的硬件非常难以拧紧，以至于无法充分固定天线，使其不会旋转。事实上，由于音量天线摆动，它最终接地到 PCB 上的一些导电印刷层上，这导致了一些调试工作。无论如何，本文顶部零件列表中列出的硬件使我更容易连接天线。

将三脚架支架连接到三脚架或某种支架上，将 USB 连接到电源，将 Open.Theremin 插入扬声器或耳机，您就可以开始了。

好吧，差不多了。您需要接地。将特雷门琴插入立体声音响可能会使其接地，USB 连接为其供电也可能会使其接地。如果演奏乐器的人（即演奏者）与地面有很强的耦合，那么这可能就足够了。但是，如果这些情况不适用，您需要通过从电路板上的接地焊盘连接一根导线到水管之类的东西来为特雷门琴接地。您还可以使用防静电腕带或等效导线将接地焊盘连接到演奏者。这使演奏者与特雷门琴具有很强的电容耦合，这是一种有效的替代方案，可以替代为特雷门琴接地。

此时，重新校准特雷门琴。一开始您可能不需要摆弄旋钮。音量会按您的预期工作。音高会改变 “零拍” 点，即特雷门琴从靠近音高天线的高音调过渡到靠近您身体的静音的位置。“Register” 类似于其他特雷门琴上的 “灵敏度”。“Timbre” 在 Arduino 中编程的不同波形之间进行选择。

网上有很多特雷门琴视频。这不是一种容易演奏好的乐器，但它肯定很有趣。