Thérémine : schéma simple et fabrication

Cet article présente un schéma simple et une réalisation rapide d'un thérémine expérimental. Le thérémine présenté ici ne possède qu'un réglage de fréquence et ne comporte que des composants électroniques ultra standard. On considère que le thérémine est le premier instrument de musique électronique de l'histoire. Les premières versions fonctionnaient avec des tubes électroniques, il en existe des modernes avec des transistors, des portes logiques inverseuses ou des ampli op.

Le thérémine présenté ici ne fait appel qu'à un ampli op TL072, des résistances, des condensateurs et une diode. La simplicité, la rapidité de réalisation et le prix de ce thérémine font de lui un essai amusant qui ne vous coûtera ni des semaines de travail, ni des fortunes.

Principe de fonctionnement du thérémine

Le thérémine fonctionne comme un générateur de fréquence variable en fonction de la position de la main de l'utilisateur (entendre par là, le musicien en herbe). Voici son principe de fonctionnement, ici, simplifié au maximum, c'est-à-dire sans réglage du volume

Un thérémine génère une fréquence audible ajustable par la position de la main. Son principe consiste en deux oscillateur à haute fréquence (autour de 150 kHz). Un oscillateur est à fréquence fixe (par exemple 150 kHz) et l'autre aura une fréquence variable (par exemple de 150 kHz à 146 kHz selon la proximité de la main). Il faut ensuite un mélangeur ou tout autre système qui sert à démoduler la combinaison des deux fréquences pour obtenir la différence des fréquences des oscillateurs.

Un petit exemple numérique, pour une main assez éloignée :

Oscillateur fixe : 150 kHz

Oscillateur variable (main assez éloignée) : 149,6 kHz

Fréquence audible générée : 150000 - 149600 = 400 Hz

Si la main se rapproche du thérémine, on peut obtenir :

Oscillateur fixe : 150 kHz

Oscillateur variable (main assez éloignée) : 148,5 kHz

Fréquence audible générée : 150000 - 148500 = 1500 Hz

Plus la main est proche, plus la fréquence audible est élevée et donc plus le son issu du thérémine est aigu.

Schéma électronique ultra simple d'un thérémine

Voici le schéma d'un thérémine ultra simple basé uniquement sur un ampli op TL072. Ce schéma ne contient pas de porte logique ni de transistors.

Schéma simple et complet d'un thérémine à ampli op

L'électrode est une plaque de métal, un morceau de tuyau, ou tout autre élément métallique en fonction de l'esthétique souhaitée.

Fonctionnement du thérémine

Les différentes parties du schéma sont expliquées ci dessous en détail. Ci dessous figure le diagramme fonctionnel du thérémine à ampli op :

Schéma fonctionnel du thérémine ultra simple

Détaillons le fonctionnement de chaque encadré du thérémine.

Oscillateur à fréquence fixe

L'oscillateur est basé sur l'ampli op U1a utilisé en multivibrateur. L'hystérésis est définie par R3 avec R1//R2. Les seuils sont situées à environ 35 et 65 % de l'alimentation Vcc (ici 10 V). La constante de temps est définie par R4 + P1 (ajustable) et C1. Le potentiomètre permet d'ajuster la fréquence de l'oscillateur fixe pour qu'elle soit égale à celle de l'oscillateur variable au repos (sans la main du musicien).

Oscillateur à fréquence variable (le cœur du thérémine)

L'oscillateur à fréquence variable est le cœur du thérémine. Il fonctionne selon le même principe que l'oscillateur à fréquence fixe, mais la capacité qui définit la constante de temps vaut C2 + Cx. Cx est variable et s'ajoute à C2, ce qui modifie la fréquence de l'oscillateur.

Même si le thérémine n'est pas relié directement à la terre, il y aura toujours une capacité parasite entre la masse du thérémine et la terre. De même, la main du musicien n'est pas reliée directement à la terre, mais via une capacité parasite. Vu du thérémine, ces différentes capacités parasites sont en série entre elles et en série avec la capacité Cx qui existe entre l'électrode (morceau métallique) et la main. L'ordre de grandeur est de quelques picofarads tout au plus, mais cela suffit à modifier de quelques kHz la fréquence.

Plus la main se rapproche, plus la distance main - électrode est faible et plus la capacité Cx augmente, faisant ainsi diminuer la fréquence d'oscillation. Une capacité supplémentaire de 1pF seulement fait passer de 100pF à 101pF la capacité totale et fait ainsi diminuer la fréquence d'environ 1%. Cela fait une variation de -1,5 kHz ! Une variation de hauteur de note d'un ou deux tons ne correspond qu'à une variation de quelques femtofarads ! Le thérémine est un remarquable détecteur de présence par couplage capacitif.

Ce principe de fonctionnement est semblable à tous les écrans et touches tactiles modernes. En effet, ces systèmes tactiles se basent sur une augmentation de la capacité au delà d'une valeur donnée pour considérer qu'il y a appui du doigt sur la surface. Ici, le thérémine fonctionne tout en finesse, avec une diminution continue de la fréquence en fonction de la distance entre la main et l'électrode.

Il suffit de plier ou d'étendre un doigt pour changer la hauteur de la note. Le thérémine est un instrument délicat à jouer et la posture elle-même du musicien a une influence. Ici bien sûr, il s'agit d'un thérémine à but récréatif sans aucune prétention en termes de sonorité musicale.

Mélangeur de signaux

Le mélangeur est formé de R9 et R10. Il crée entre R9 et R10 une tension égale à la moyenne des tensions aux extrémités de R9 et R10.

Les deux oscillateurs génèrent des signaux de fréquences proches.

Lorsque les deux oscillateurs sont en phase, le mélangeur génère la même tension (moyenne entre deux signaux identiques)

Lorsque les deux oscillateurs sont en opposition de phase, le mélangeur génère une tension nulle (moyenne entre deux signaux opposés en signe). Voici une simulation pour illustrer le principe du mélangeur :

Signaux de fréquences proches mais différentes (143 et 135 kHz)

On fait la moyenne des deux signaux ci dessus (vert et violet), et on obtient ceci :

Moyenne de deux signaux de fréquences différentes : le principe du thérémine...

Lorsque les deux signaux sont en opposition de phase, la moyenne des deux vaut zéro.

Le mélangeur crée donc une tension dont l'enveloppe a une fréquence égale à la différence des fréquences des oscillateurs.

Démodulateur du thérémine

Le thérémine doit restituer une fréquence audible égale à la différence des fréquences des deux oscillateurs. C'est là que le démodulateur intervient. Il s'agit d'un détecteur de crête basé sur la diode D1 et l'ensemble C3 et R3. C'est la méthode la plus simple pour réaliser un petit détecteur de crête. La sonorité finale étant liée à l'allure du signal final, elle dépend de la méthode utilisée ici pour démoduler ce qui sort du mélangeur.

C3 et R11 sont fixés pour déterminer une constante de temps très supérieure à la période des oscillateurs (7us environ)

Filtre passe haut du thérémine

Pour bloquer la composante continue présente aux bornes de C3, on ajoute le filtre passe haut C4 et R12.

La sortie audio délivre un signal de l'ordre de 1 V d'amplitude ou un peu moins, c'est-à-dire un niveau ligne standard. On peut brancher le thérémine sur un ampli de guitare pour ajouter des effets, de la réverbération, de l'écho et tous les adjuvents qui rendront le son particulier, étrange et amusant.

Alimentation du thérémine à ampli op

L'alimentation peut se faire directement avec une pile de 9 V ou un adaptateur secteur qui donne une tension continue de 9 à 30 V. Ici, la diode zener DZ1 stabilise la tension pour réduire l'ondulation présente en sortie de certains adaptateurs non suffisamment filtrés (condensateurs de valeurs trop faible).

Ce qui définit la plage d'alimentation, c'est uniquement le TL072 utilisé ici avec une alimentation simple.

Réalisation d'un thérémine simple

Le thérémine est réalisé ici sur un morceau de cartes à trous, et fait appel à deux TL072 (un TL082 convient aussi) pour bien séparer chaque oscillateur (diaphonie). C'est en réalité inutile et un seul TL072 ou TL082 convient tout aussi bien. Les composants sont des CMS de taille 0805 standard et se montent facilement entre deux pastilles.

Thérémine : le circuit

Voici donc le circuit du thérémine à ampli op :

Ampli op TL072 pour un thérémine simple : un seul TL072 aurait suffi

Vu de dessous, le circuit imprimé du thérémine ressemble à ceci :

Thérémine à ampli op : le circuit imprimé réalisé simplement

Monté sur un morceau de bois qui sert de support :

Circuit imprimé du thérémine fixé sur son support

Un potentiomètre de réglage de volume manuel est ajouté et le potentiomètre de réglage de fréquence est aussi fixé sur la face avant :

Potentiomètre du réglage de fréquence (pitch) et de volume manuel du thérémine

Le bout de fil qui va à l'électrode est un simple morceau de fil dénudé à son extrémité. L'électrode peut être choisie très librement en fonction de l'esthétique recherchée :

Electrode du thérémine : une simple petite plaque d'aluminium

L'adaptateur est un bloc secteur récupéré qui donne 12 V (environ 18 V à vide). Le thérémine, avec son adaptateur secteur et son électrode en aluminium :

Réalisation du thérémine à ampli op et plaque d'aluminium

Le connecteur jack est relié à la sortie du thérémine. On pourra relier via un câble jack de guitare le thérémine à un ampli de guitare.

Réglages du thérémine

Sans toucher l'électrode, on peut faire un premier essai de ce thérémine en tournant le potentiomètre de fréquence (le "pitch"). Le but est d'arriver au son le plus grave possible, et même à une absence totale de son. Cela se produit exactement lorsque les deux oscillateurs ont la même fréquence. Approchez la main de l'électrode et constatez le bon fonctionnement du thérémine : un son de plus en plus aigu apparaît quand vous approchez la main. Si vous touchez l'électrode, le couplage capacitif est maximal et le son sera très aigu ! Il n'y aucun danger à toucher l'électrode.

En réglant le potentiomètre de fréquence à une autre valeur, vous pourrez constater qu'on peut faire un "thérémine inversé" : plus on rapproche la main, plus la fréquence du son baisse avant de repartir à la hausse.

Tous les réglages sont permis, ainsi que toutes les formes d'électrodes. Ce petit montage n'aura de limites que votre imagination pour les applications, les jeux ou la musique.

Il est très amusant de souffler des bulles de savon à proximité immédiate de l'électrode : cela crée des sons particuliers à cause du nombre des bulles...

Ce petit thérémine sans prétention est une réalisation sympathique, rapide et amusante pour qui souhaite combiner l'électronique à des choses concrètes !

Si vous avez vous-même des questions ou des idées de réalisation, n'hésitez pas à les partager dans un commentaire juste en dessous de l'article !