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Le signal audio est généré par un oscillateur hétérodyne (qui émet deux ondes de fréquence différente). Deux signaux de fréquences élevées
(l’une fixe à 170 kHz, l’autre variable entre 168 et 170 kHz) se combinent par synthèse soustractive pour fournir un signal audible (entre 20 et 20000 Hz). L’effet de capacitance apporté par le
corps de l’instrumentiste, à proximité des antennes, affecte la fréquence produite, et donc la hauteur ou le volume du son selon l'antenne ; tout comme une personne se déplaçant dans
une pièce peut altérer la qualité d’une réception de radio ou de télévision.
Cette caractéristique est mise à profit dans le theremin, et la combinaison des deux mains,
l’une contrôlant le volume et l’autre la hauteur de la note, permet d’obtenir des effets sonores insolites. Le theremin, disposant d’un seul oscillateur, est un instrument
monophonique . Son timbre, que l’on ne peut modifier, s’apparente de loin à celui de la voix humaine, de la scie musicale ou encore des ondes Martenot.