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Was ist ein Theremin?

Theremin

Der russische Physiker Leon Theremin (Lev Sergeyevich Termen) entwickelte zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts in Moskau das Theremin als erstes elektronisches Musikinstrument. Durch seine beiden Antennen, die an einem Resonanzkörper befestigt sind, baut es elektromagnetische Felder auf. Greift man in diese Felder zum Beispiel durch Handbewegungen ein, ändern sich aufgrund der elektrischen Kapazität des menschlichen Körpers die Frequenzen der elektrischen Schwingkreise. Diese werden in Töne umgesetzt und ermöglichen so ein Instrument, das durch Handgesten gespielt werden kann. Das Theremin zeigt zum ersten Mal die Idee einer berührungslosen Mensch-Maschine-Schnittstelle. Das Theremin selbst ist die spezifische Anwendungsform der zugrunde liegenden Prinzipien des "Elektro Field Sensing" das mit den technischen Mitteln eines sog. Elektrischen Schwingkreises realisiert wird. Der Schwingkreis reagiert wie ein Bewegungsmelder auf elektrische Energie, die den künstlich erzeugten Schwingkreis beeinflusst. Umgesetzt auf das Konzept des Interface, der Kontaktstelle von Mensch zum Computer, bietet das EFS eine Möglichkeit Impulse, z.B. die Handbewegung eines Menschen als ein Kommando zur Kontrolle eines Computers zu verwenden. Das EFS stellt eine universelle Methode dieser Impulserkennung dar, ist kein spezifisches Gerät wie z.B. eine Tastatur oder eine Maus, sondern eine einfache Technologie, die für alle möglichen Interaktionen angewendet werden kann. Es ist eine Technologie, die offen ist für die Realisierung völlig unterschiedlicher Anwendungskonzepte und nicht zwingend in Verbindung mit einem Computer verwendet werden muss. Damit besteht eine große Freiheit für die Realisierung von Interaktionskonzepten. Sie können im Zentrum des kreativen und gestalterischen Arbeitens stehen.

Das Beispielvideo zeigt, wie ein Theremin funktioniert und wie damit Töne erzeugt werden:
[link 01] Video [Realmedia | 47 Sek.]
[link 02] Video [Windows Media |47 Sek.]

Webseite zum Thema Kunst und gestenbasiernde Technologien mit Thereminen:
[link 03] http://www.thereminvox.com/

Woraus besteht ein Theremin?

Der Schaltkreis eines Theremins
[link 04] Abbildung vergrößern

Formel, die beschreibt, wie eine Schwingung entsteht

Das Theremin besteht aus einer Reihe elektronischer Bauelemente, die in einer Schaltung verbunden sind.Die Hauptteile eines Theremins sind:

¬	Stromzufuhr und -umwandlung, damit im Stromkreis der 'richtige' Strom fließt.

¬	ein variabler Oszillator, der Schwingungen aussendet, deren Stärke und Frequenz durch zwei Regler (sog. Potentiometer) verändert werden können.

¬	ein lokaler Oszillator, der mit der Antenne in einem elektromagnetischen Schwingungsfeld verbunden ist.

¬	ein Mixer oder Filter, der die Schwingungen des lokalen Oszillators mit denen des variablen mischt und sie an den Verstärker weiterleitet. So werden sie am Lautsprecher hörbar.

Die Stromzufuhr, in diesem Fall eine 9-Volt-Blockbatterie, und der Stromwandler sorgen für die nötige Energie und stellen sicher, dass der benötigte Strom dem Stromkreis zur Verfügung steht. Der lokale Oszillator erzeugt eine Schwingung mit konstanter Induktivität und Kapazität (C0). Diese Schwingung kann nur über Potentiometer verändert werden, um Empfindlichkeit und Lautstärke zu regulieren. Dies ist zur Kalibrierung des Theremins sinnvoll, da es auf Umwelteinflüsse sensibel reagiert (u.a. auf Luftfeuchtigkeit und andere elektromagnetische Felder). Die Schwingung, die der lokale Oszillator erzeugt, dient als Trägerwelle für die Schwingung, die vom variablen Oszillator ausgeht. Man kann sich also diese Trägerwelle wie ein Transportvehikel für die Schwingungen des variablen Oszillators vorstellen. Die Schwingungen, die sich an der Antenne als unsichtbares elektromagnetisches Feld sphärisch ausbreiten, sind durch kleinste Handbewegungen modulierbar. Sobald die Hand in das Schwingungsfeld gelangt, wird die bis dahin gleich bleibende Schwingungskapazität um die Kapazität der Hand (Ch1) ergänzt. Auf diese Weise wird die Schwingung moduliert. Die Modulation der Kapazität C0 durch die Kapazität Ch1 verändert die Frequenz oben darsgestellten [link 05] Formel.
Diese Schwingung, die im Mischer durch Modulation entsteht, wird im Verstärker verstärkt und über den Lautsprecher erst hörbar. Ein kurzer Bericht in englischer Sprache über das Projekt "EFS" (Elektrostatischer Feld Sensor) vom MARS-Exploratory Media Lab als eine weiterentwickelte Anwendung digitaler Theremine befindet sich hier als [link 06] pdf-download
Im Workshop wurde - mit ausdrücklicher Genehmigung von Arthur Harrison - beim Bau der Theremine auf dessen Konstruktion zurückgegriffen. [link 07] Webseite von Arthur Harrison

Bauanleitung für ein Theremin

Die benötigten Bauelemente zum Löten eines Theremins

Liste der benötigten Bauelemente:

¬	1 [link 08] IC-Prozessor (IC 4069)

¬	1 IC-Prozessor (IC 4046)

¬	1 IC-Fassung 14-polig und 1 IC-Fassung 16-polig

¬	2 [link 09] Kondensatoren 56 pF (C1, C2)

¬	1 Kondensator 1 µF (C3)

¬	1 Elektrolytkondensator (Elko) 220 µF (C4)

¬	1 [link 10] Widerstand 1 meg 1/2 (R1) und 2 Widerstände 100 k 1/2 (R2, R3)

¬	[link 11] Potentiometer

¬	1 Widerstand 47 1/2 (R6) und 2 Widerstände 10 1/2 (R4, R5)

¬	1 [link 12] Platine (Europlatine, für den Workshop wurden vorgeätzte Platinen verwendet)

¬	1 10 Watt-NF (Niederfrequenz)

¬	[link 13] Verstärker (als Bausatz erhältlich)

¬	1 Mini-Lautsprecher (8 1/2)

¬	1 [link 14] Koaxialkabel (ca. 10 cm)

¬	1 Neun-Volt Blockbatterie 1 Batterieschuh

Die einzelnen Begriffe werden in einem [link 15] Glossar genauer erklärt.

Löten des Theremins:

Generell gilt: Die schwierigen und kleinen Bauelemente zuerst festlöten. Wenn später andere, evtl. größere Bauelemente aufgelötet werden sollen, kann es auf der Platine eng werden! Empfehlenswert sind einige Lötversuche im Vorfeld:
1. Lötpunkte für IC 4069 setzen.
2. IC-Fassung (14 polig) auflöten, dabei auf die Markierung achten (Kerbe muss nach links zeigen!).
3. Lötpunkte für IC 4046 setzen.
4. IC-Fassung (16-polig) auflöten (auch hier Markierung beachten!).
5. alle Widerstände der Reihe (R1-R6) nach festlöten: dazu die Drähte im 90°-Winkel nach unten biegen, mit der Zange auf 3-4mm kürzen, Lötpunkte setzen, Widerstand mit der Pinzette an die Lötpunkte aufsetzen und festlöten (Achtung! Die Bauelemente werden stark erhitzt!). R4 und R5 sind Potentiometer, haben drei 'Beine' und werden ebenso wie die anderen Elemente aufgelötet.
6. Jetzt werden die Kondesnatoren (C1-C4) angebracht. Bei C4 handelt es sich um einen Elko, beim dem Minus- und Plus-Pol richtig liegen müssen. Bei Elkos erkennt man den Minus-Pol an einem dicken Streifen auf der Seite, außerdem ist der Minus-Draht etwas kürzer.
7. Batterieschuh an den 9-Volt-Anschluss löten (rot = +, schwarz = -).
8. Koaxialkabel des Verstärkers auflöten (auch hier auf + und - achten!).
9. Antenne löten (wie diese aussieht, ist der Phantasie überlassen).
10. die ICs sehr vorsichtig in die jeweiligen Fassungen stecken (wieder auf die Markierung achten!)
11. 9-Volt-Block-Batterie am Batterieschuh feststecken (und bei Nichtgebrauch abmachen)

Theremine brauchen in der Regel eine etwa 4-minütige Aufwärmphase. In dieser Zeit sollte man sie nicht berühren, damit sie sich auf Raumtemperatur und -feuchtigkeit einstellen. Anschließend können Empfindlichkeit und Lautstärke an den Drehpotentiometern justiert werden. Man benutzt hierzu einfach einen kleinen Schraubendreher, den man mit dem Schlitz oben auf dem Potentiometer einsetzen und drehen kann.

Platinenbestückung für ein kleines Theremin
[link 16] Abbildung vergrößern

Zur Platinenbestückung

Während des Workshops haben wir die einfachste Variante eines Theremins benutzt. Die folgende Möglichkeit ist etwas aufwändiger, aber auch stabiler und liefert ein wesentlich breiteres Klangspektrum, wenn sie an Effektgeräte angeschlossen wird. Die Bauanleitung der aufwändigen Variante ähnelt zwar der einfachen, ist aber auch teurer. Im Workshop wurde mit einer vorgeätzten Platine gearbeitet, um die Herstellung zu vereinfachen. Die muss aber bei einem Elektrofachhandel in Auftrag gegeben werden, was zusätzliche Kosten verursacht.

Platinenbestückung für ein großes Theremin, vgl. Wien-Bridge-Theremin 144, s.u.
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Will man die Platine selbst vorätzen, reicht eine Eurolochplatine mit dem Rastermaß 5 mm. Hierbei empfiehlt es sich, den Bauplan genau zu studieren und die Drähte der Bauelemente nicht wie üblich von hinten durch die Löcher der Platine zu stecken. Man sollte von vorne auf der Kupferseite der Platine zunächst dort Lötpunkte setzen, wo sie laut Platinenbestückungsplan hingehören, damit man nicht spiegelverkehrt arbeiten muss. Die geätzten Kupferverbindungen können auf der Europlatine durch Reststücke von Drähten der Bauelemente ersetzt werden. Vor dem Zusammenlöten sollte man jedoch einige Lötübungen durchführen. Die Materialien kosten etwa 20-25 Euro und sind in jedem Elektrofachhandel erhältlich (z.B. Conrad Elektronik).
Für technische Details, vgl. [link 18] Wien-Bridge-Theremin 144 von Arthur Harrison.

Auflistung der Bauelemente, die auf der Platine sind
[link 19] Abbildung vergrößern

Die Stromzufuhr erfolgt bei diesem Theremin über einen 15 Volt-Wechselstromtransformator. - und + werden mit isolierten Drähten verbunden, wobei die Reihenfolge power supply - Filter - variabler Oszillator eingehalten werden muss. Das gleiche gilt für die Lötpunkte A und B, die ebenfalls über isolierte Drähte verbunden werden.