|
|
Автор: Владимир Колпаков
Дата публикации: 10 апреля 2003 г.
Предисловие
Звучание электрогитары зависит от многих факторов, при этом
звукосниматели играют в звукообразовании одну из основных ролей. Между
музыкантами ведутся бесконечные дискуссии по поводу достоинств и недостатков
разных моделей звукоснимателей, суть которых является, к сожалению, непонимание
основных физических принципов преобразования колебаний струны в электрический
сигнал. Эти дискуссии подогреваются производителями звукоснимателей, которые
зачастую пользуются отсутствием знаний у музыкантов и приводят о своей
продукции заведомо неверную информацию, чтобы заработать побольше денег и
доставить неприятности конкурентам. Однако с точки зрения физики устройство
звукоснимателя вполне доступно для понимания. В этой статье я попробую вкратце
рассмотреть основные электрические характеристики
звукоснимателей, показать их связь со звучанием и дать некоторые советы, как
изменить звучание инструмента, учитывая конструктивные особенности звукоснимателей.
Существуют два основных вида звукоснимателей: магнитные и
пьезоэлектрические.
Пьезоэлектрические звукосниматели
Для начала мы рассмотрим пьезоэлектрические звукосниматели,
поскольку это проще и быстрее.
При более сложной физике преобразования механической энергии
непосредственно в электрическую, пьезозвукосниматель является простым и
прогнозируемым устройством. Пьезозвукосниматель - это пьезокристал с обкладками
из проводника, поэтому его свойства полностью заранее определены физическими
свойствами этого кристалла. Будем считать, что манипулировать этими свойствами
практически невозможно, место его установки в инструменте точно предопределено,
поэтому нет и многообразия моделей от производителей – спекулировать не на чем.
Пьезозвукосниматель (далее для простоты «пьезик») имеет
ровно одну характеристику - емкость. Его эквивалентная схема - это источник
напряжения с последовательно включенной ёмкостью. Причем эта емкость имеет
достаточно малую величину 100-500 пФ. Поэтому, чтобы получить от пъезика
какой-либо звук вообще, его необходимо "не отходя от кассы"
нагрузить на повторитель напряжения с очень большим (3-10 МОм) входным
сопротивлением, чтобы уменьшить влияние емкости на передачу низких частот. Поэтому
вместе с пьезиком, как правило, всегда устанавливается активная электроника:
эквалайзер или буферный каскад. Это его единственный, но вполне решаемый
недостаток, в остальном он имеет много преимуществ по сравнению с индуктивными
датчиками.
"Пьезик" не образует никаких фильтров НЧ второго порядка, он
не подвержен шумам и наводкам, поскольку полностью отсутствует индуктивность,
его емкость очень мала, а сам датчик является электромеханическим. Это
означает, что колебания струны преобразуются в электрические не посредством
изменения каких-либо электромагнитных параметров системы: струна-датчик
(емкость, магнитный поток и т.п.), а непосредственно пьезокристал обладает
свойством при приложении к нему механических сил генерировать напряжение,
появляющееся на обкладках этого кристалла. Это хорошо так же и тем, что
колебания струны снимаются максимально в полной мере, а именно и продольные и
поперечные колебания (по двум направлениям в пространстве), а также колебания
деревянного корпуса гитары, в отличие от индуктивного датчика, который снимает
только поперечные колебания струн перпендикулярные магнитной оси катушки! При
этом такая проекция общего пространственного колебания может иметь минимумы
вплоть до нуля. Именно по вышеназванным причинам звук электрогитары, в
общем-то, обеднен и имеет характерные амплитудные провалы (особенно заметные
при затухании колебаний). Именно поэтому пьезодатчики используют для
озвучивания акустических гитар, поскольку они, как и микрофон, преобразуют в
той или иной степени в электрический сигнал все колебания системы
корпус-струны. Кроме того, по вышеназванным причинам пьезодатчики работают со
струнами абсолютно любого типа.
"Пьезики" бывают в основном двух типов:
- в
виде стержня, который кладется под порожек и снимает в первую очередь
колебания струн;
- в
виде кружочков разного размера (площади), которые прикрепляются к корпусу
гитары и снимают в первую очередь колебания деки.
Разумное сочетание правильно установленных пьезиков даст очень
правдоподобный акустический звук с минимумом шумов.
Ну и, наконец, "пьезик" – это настолько простое устройство,
что его трудно испоганить при производстве даже в далеком китайском государстве
(хотя нет ничего невозможного, конечно). Поэтому сами датчики, сделаны они в
Корее, Китае, США или Германии, будут звучать более или менее похоже, лишь бы
количество кристалла там было достаточное. Звук будет зависеть в основном от
качества дальнейшего электрического буферного каскада и реализации эквалайзера.
Магнитные звукосниматели
Теперь рассмотрим более актуальную для гитаристов тему
магнитных звукоснимателей.
Звукосниматель как преобразователь энергии
Магнитные звукосниматели работают только со струнами из
ферромагнитных материалов (стальная жила + оплетка из никеля, стали и т.п.) и
состоят из магнитов и катушек. Первая и очень важная мысль состоит в том, что
магнитный звукосниматель - это электромагнитное устройство. Это означает, что
параметры звукоснимателя можно разделить условно на две группы:
- магнитные
параметры, которые являются параметрами вещества магнита и не могут быть
изменены в дальнейшем, т.е. являются жесткими параметрами системы;
- электрические
параметры катушки, которые можно или изменить (что достаточно сложно, и не
рекомендуется) или согласовать с другими элементами последующей цепи,
таким образом, изменив частотную характеристику системы звукосниматель-нагрузка
и, как следствие, звучание гитары.
Вклад катушки.
Для начала давайте условно уберем из датчика магнит и
сердечники и рассмотрим характеристику преобразования. В соответствии с законом
Фарадея (был такой физик, открывший явление электромагнитной индукции!) наведенное
в датчике напряжение прямо пропорционально СКОРОСТИ изменения магнитного
потока. Скорость изменения магнитного потока в катушке прямо пропорциональна
СКОРОСТИ движения струны.
, где U
– это выходное напряжение, Ф – магнитный поток, t – время, К –
некоторый коэффициент (его структуру не даю для уменьшения "мозгоклюйства"), А – отклонение струны от своего положения покоя и
соответственно dA/dt = v – скорость
движения струны.
В свою очередь, из закона сохранения энергии
(m – масса
струны, k – коэффициент натяжения, v - скорость) следует, что
, а, используя закон Гука (еще одного физика), и решив дифференциальное уравнение
, получим, что
, т.е. частоте колебаний. Итого имеем, что
, т.е., говоря русским языком, амплитуда выходного
напряжения пропорционально произведению амплитуды колебания струны на частоту.
Отсюда следует несколько важных выводов, которые нужно воспринимать
как неизменный факт и уметь этим пользоваться.
- Соотношение
гармоник колебания в выходном напряжении существенно отличается от
реального, как будто мы пропустили
сигнал через фильтр высоких частот (ФВЧ) 1-го порядка со спадом 6dB на октаву.
- Амплитуда
выходного сигнала при щипке или ударе медиатора одинаковой силы возрастает
пропорционально частоте. Если бы все струны были бы одинаковой толщины, но
натянуты по-разному, то чем выше была бы натянута струна, тем громче бы
она звучала (при одинаковом щипке естественно). Однако ж тогда на высоких
струнах играть было бы невозможно, а гриф свинчивало бы дугой. Поэтому струны уменьшаются по толщине так,
чтобы иметь близкое друг к другу натяжение. Однако при этом количество
линий магнитного поля, проходящих через более тонкие струны (т.е. их
намагниченность магнитом датчика), тоже пропорционально уменьшается,
компенсируя, таким образом, увеличение скорости колебаний. В результате в идеале при правильно
подобранных струнах и одинаковой силе удара медиатором громкость звучания
всех струн будет одинаковой. При этом спектр каждой струны изменен в
соответствии с выводом 1. Так что не парьтесь особенно, гоняя сердечники
под струнами туда-сюда.
Лирическое
отступление. На практике нет НИ ОДНОГО комплекта струн
обладающих равным натяжением при нормальном строе 1E-2B-3G-4D-5A-6E, достаточно взять упаковку от струн D’Addario, например 9 – 42, перевернуть её обратной стороной и в
этом убедиться. Разброс натяжения между струнами составляет до 60 – 70 %. Что,
вообще говоря, не очень сильно сказывается на громкости звучания, но все же
является определенным недостатком. При этом существует еще и другой аспект
этого разброса натяжений, не имеющий никакого отношения к датчикам, но, коли уж
пошла речь... При подтяжках сразу двух струн или работе рычагом одинаково
натянутые струны будут примерно одинаково изменять свое натяжение.
Соответственно музыкальные интервалы будет сохраняться при общем изменении их
строя, что совершенно не так для струн натянутых даже с разбросом натяжения
10%! Поясняю. Рванули вы, к примеру, открытую кварту с мощным фуззом, опустили
рычаг и громко тащитесь. Кварта так квартой вниз и уйдет с характерным ей
консонирующим рычанием и в мусор не превратится – RULEZ FOREVER! Для желающих экспериментировать
со струнами рекомендую сходить на сайт D’Addario http://www.daddario.com/,
скачать с него таблицу натяжения разных струн для разных строев. Потом сходить
в дурацкий магазин «Рондо», что на Неглинке рядом с ЦУМом и Маэстро, и
подобрать свой собственный комплект из струн La Bella, которые там продаются по одиночке и имеются в
ассортименте. Удовольствие от игры на таком комплекте гарантирую.
Вклад магнита и
сердечников
Возвращаясь к теме датчиков, вспомним про магнит и
сердечники. Эти компоненты датчика, как мы понимаем, в готовом датчике являются
элементом не изменяемым, однако именно от них зависят динамические свойства
датчика: громкость, уровень компрессии сигнала, соответственно с компрессией
некоторая зависимость в передаче высоких частот и, наконец, уровень нелинейных
искажений.
Магниты по химическому составу делают, как правило, четырёх
типов: АЛНИКО-2, АЛНИКО-3, АЛНИКО-5 (это сплавы АЛюминия, НИкеля и КОбальта в
разных соотношениях) и металлокерамика. С сердечниками не мудрят особо
(достаточно магнитов), и они делаются из мягкого железа.
Напомню еще раз, что происходит в датчике во время колебания
струны. Датчик «пытается» сохранить свой магнитный поток неизменным в
соответствии с законом сохранения магнитного потока. Поэтому при колебаниях намагниченной
струны в катушке возникает ток, приводящий к появлению напряжения на её концах,
и появлению собственных изменений магнитного потока катушки, многократно
усиленные ферромагнитным материалом магнита и сердечников, которые компенсируют
изменения этого потока, наводимые струной. Для героев, дочитавших предыдущее
предложение до конца, хочу сообщить главное! Магниты
и сердечники под действием катушки изменяют свою намагниченность, т.е., условно
говоря, перемагничиваются. Так вот скорость намагничивания и перемагничвания
материала очень даже конечна и существенно сказывается на динамике
возникающего в катушке напряжения. Т.е. возникают динамические и частотные
искажения. График перехода намагниченности из одного состояния насыщения в
другое называют в физике петлей гистерезиса. Чем шире эта петля, тем
«медленнее» материал реагирует на изменение внешнего поля.
Материалы магнитов я перечислил в порядке уменьшения ширины
петли гистерезиса. А из ферромагнитных металлов самую узкую петлю имеет мягкое
железо. Поэтому датчики с АЛНИКО 2 будут
иметь мягкую атаку, насыщенные средние частоты, большую компрессию сигнала, а с
металлокерамикой наиболее яркий, динамичный звук.
По форме магниты бывают либо в виде бруска, к которому
приклеены сердечники из мягкого железа, проходящие сквозь катушку и подводящие
магнитный поток к струнам, либо сами магниты в виде цилиндрических сердечников
под каждую струну (типичный пример последнего, стандартный стратовский сингл). По
уровню создания неравномерности магнитного поля системы магнит+сердечники можно
выстроить в следующую последовательность от меньшего к большему: полосовой
магнит (нет сердечников), полосовой магнит + рельсовые сердечники, полосовой
магнит + цилиндрические сердечники, собственно цилиндрические
сердечники-магниты. Соответственно, чем более
неравномерное поле создается магнитом, тем больше уровень нелинейных и
динамических искажений, тем более индивидуальный звук будет давать датчик,
отличный от истинного звучания струны.
Исходя из
вышесказанного, напрашивается простой вывод, что датчик, который максимально
правдоподобно передает колебания струны, сохраняя их динамику и частотный
баланс, будет датчиком с полосовым металлокерамическим магнитом без сердечников.
Вы будете долго смеяться, если я скажу вам, что таким датчиком
является доисторический «совковый» датчик за 9 рублей!
Он был спроектирован для акустической гитары, что есть правильно.
Ну а теперь я обрадую вас тем, что предыдущее чтиво – это
только присказка! А теперь будет сказочка.
Звукосниматель как электрическая цепь
Рассмотрим теперь, какие дальнейшие преобразования
происходят с полученным электрическим (и без того «страшно изуродованным») сигналом, как на эти
преобразования мы можем повлиять, и на чем же остановить свой выбор при покупке
датчиков.
Чтобы не посылать вас к оригиналам, ниже курсивом я привожу
важную для понимания, базовую часть статьи немецкого эксперта в области
гитарной электроники Гельмута Лемме © Helmuth E. W. Lemme, который написал
книгу о гитарной электронике.
Эта статья уже однажды была опубликована на www.guitar.ru. По ходу дела я подчеркнутым
или обычным шрифтом буду давать свои комментарии, дополнения и исправления
перевода.
С точки зрения
схемотехники, магнитный звукосниматель соответствует цепи, показанной на рис.1.
Рис.1
Катушку звукоснимателя
можно описать как идеальную катушку с индуктивностью L в последовательном
подключении к сопротивлению R и в параллельном подключении к конденсатору C.
Самым важным качеством является индуктивность, которая зависит от количества
витков, от магнитного материала катушки и её геометрии. Сопротивление и емкость
не оказывают особого влияния и ими можно пренебречь. Здесь я бы не стал
все так сильно упрощать, поскольку сопротивление R достаточно велико, составляет,
как правило, от 4 до16 кОм, должно учитываться при выборе сопротивления нагрузки
и играет немалую роль в высоте и ширине резонансного пика, речь о котором идет
ниже. Когда струны колеблются, в катушке возникает напряжение переменного
тока. Поэтому датчик действует как источник переменного тока с электрическими
компонентами (рис.2).
Рис.2
Внешняя нагрузка
состоит из сопротивления (потенциометры громкости и тембра и любое
сопротивление заземления на входе усилителя) и конденсатора (из-за ёмкости
между проводником и экранирующей оплеткой в гитарном кабеле). Емкость кабеля
играет немалую роль, и ею нельзя пренебрегать. Эти пассивные компоненты
образуют так называемый фильтр низких
частот второго порядка (рис.3).
Рис.3
Таким образом, как любой
другой подобный фильтр, этот обладает частотой среза fg; на этой частоте
амплитуда сигнала падает на 3дБ (то
есть, в √2 раз). После fg происходит спад 12 дБ на октаву, а до fg сигнал
не меняется никак. Спада на низких частотах не наблюдается, однако, немного
ниже fg существует электрический резонанс между индуктивностью катушки и ёмкостью нагрузки. На этой частоте, называемой fmax,
наблюдается пик амплитуды. Пассивный фильтр НЧ выступает здесь в роли усилителя напряжения (но не усилителя мощности,
так как выходное сопротивление соответственно повышается). На рис.4 указан
типичный контур частотной характеристики звукоснимателя.
Рис.4
Если мы знаем
резонансную частоту и высоту резонансного пика, можно сказать, что нам известно
90% информации о передающих характеристиках датчика (предыдущие 10% вкратце изложены выше в присказке); эти два параметра являются своего рода
ключом к "секрету" звука датчика (в рамках данной модели нельзя
описать некоторые другие свойства, но их значение гораздо меньше).
Всё это означает, что
обертоны в области резонансной частоты усиливаются, за этой частотой
уменьшаются, а основная вибрация и обертоны до резонансной частоты воспроизводятся
без изменений.
Влияние резонанса на звук
Резонансная частота
большинства существующих звукоснимателей при
нормальном гитарном кабеле (выделил как крайне важное упоминание)
находится в пределах от 2000 до 5000 Гц.
В этой области человеческое ухо имеет наибольшую чувствительность. Вкратце
субъективное соотношение частоты и звука таково, что при резонансной частоте
2000 Гц звук тёплый и мягкий, при 3000 Гц - звонкий, на 4000 Гц -
пронзительный, на 5000 Гц и выше - хрупкий и тонкий. Звук, конечно же, зависит
и от высоты пика. Высокий пик даёт мощный, характерный звук; низкий пик даёт
более слабый звук, особенно на цельнокорпусных гитарах, которые не имеют
выраженного акустического резонанса. Высота пика на большинстве существующих
датчиков находится в пределах от 1 до 4 (от 0 до 12 дБ), в зависимости от
магнитного материала звукоснимателя, от сопротивления внешней нагрузки и от
наличия металлической крышки (без крышки пик выше, что многим гитаристам
нравится больше), а также от внутреннего сопротивления звукоснимателя.
Резонансная частота
зависит как от индуктивности L (в большинстве звукоснимателей - от 1 до 10
Генри), так и от ёмкости С. С - это сумма ёмкостей катушки (обычно около 80 -
200 пФ) и кабеля (около 500 - 1000 пФ). Поскольку
разные кабели имеют разную ёмкость, понятно, что резонансная частота будет
меняться также в зависимости от кабеля, а вместе с ней и общий звук.
Изменение характеристик звукоснимателя
В отношении
звукоснимателей существует три разных способа изменить звук гитары:
- Поставить новые
звукосниматели. Это самый распространённый, но и самый дорогой способ.
- Изменить распайку
катушек в существующем звукоснимателе. Это можно сделать практически со всеми
хамбакерами. Обычно обе катушки подключены последовательно. Если подключить их
параллельно, индуктивность снизится в
4 раза, а резонансная частота (при прочих
равных) удвоится. Использование в хамбакере только одной катушки снизит индуктивность в 2 раза, а резонансная частота увеличится в квадратный корень из двух (приблизительно 1,4). В обоих случаях звук
станет более высоким. На многих хамбаккерах есть четыре выходных провода (по
два на каждую катушку), чтобы можно было пробовать разные комбинации, не
прибегая к вскрытию звукоснимателя. На некоторых однокатушечных датчиках для
обеспечения подобной гибкости настройки имеется ответвление от катушки.
- Изменение внешней
нагрузки. Этот метод, несмотря на дешевизну, может оказаться очень эффективным.
Лишь немного потратившись на электродетали, можно регулировать звук в широких
пределах. Стандартные регуляторы тембра снижают резонансную частоту благодаря
параллельному подключению конденсатора к звукоснимателю (обычно используя для
управления переменный резистор). Поэтому
одним из способов изменения звука является замена обычного регулятора тембра
поворотным переключателем, который подключает к датчику конденсаторы различной
ёмкости (рекомендуется от 470 пФ до 10 нФ). Это даст гораздо большее
разнообразие звуков, чем обычный регулятор тембра (рис. 5).
Рис. 5
Кроме того, добавление дополнительного буферного усилителя может
предотвратить воздействие на датчик ёмкости кабеля, обеспечивая более яркий и
громкий звук. Таким образом,
гитара зазвучит одинаково независимо ни от типа кабеля, ни от его длины. Это,
очевидно, очень удобно, поскольку не надо таскать выбранный вами кабель с
собой, у вас появляется контроль частотных характеристик датчика «под рукой»,
как у B.B.King’а на его знаменитой гитаре Lucille, а также большая
свобода движений.
И наконец еще последняя цитата из статьи Г. Лемме с моими
комментариями.
Следует обратить
внимание на то, что ниже 1000 Гц пики становятся менее высокими и более
широкими. Поскольку высота резонансного пика зависит от сопротивления внешней
нагрузки (потенциометр громкости, потенциометр тембра и входное напряжение
усилителя), снижение этой нагрузки (например, подключением резисторов
параллельно к датчику) снижает высоту пика. Для увеличения высоты пика следует
увеличить сопротивление нагрузки. В большинстве случаев это возможно только
путём установки в гитару предусилителя высокого сопротивления.
Вот тут очень хочется вспомнить, то, что я не хотел
уменьшать значения собственного омического сопротивления катушки, и вот почему.
В соответствии с теорией электрических фильтров передаточная
характеристика фильтра низких частот 2-го порядка (те самые вышеупомянутые
кривые) записывается следующим образом:
, где A0
– амплитуда входного сигнала,
- нормированная
частота, a и b
– коэффициенты, определяющие тип фильтра (с критическим затуханием, Бесселя,
Баттерворта, Чебышева), или по-другому уровень и ширину подъема АЧХ на
граничной частоте.
Величина
называется
добротностью фильтра, физический смысл которой заключается в отношении центральной
частоты подъема (близкой к частоте среза) f0 к ширине полосы по уровню -3dB от
максимальной точки подъема на частоте f0.
Для LRC
– фильтра, коим является звукосниматель, как было упомянуто ранее, эта функция
выглядит следующим образом:
, откуда незамедлительно получается
. Т.е. добротность обратно пропорциональна внутреннему сопротивлению
датчика в первую очередь. Сопротивление увеличивается с уменьшением диаметра
проволоки и увеличением её длины. При определенном диаметре проволоки катушки
(существуют стандарты) чем выше уровень выходного напряжения звукоснимателя,
тем больше проволоки в нем намотано, тем больше сопротивление датчика.
Отношение индуктивности к ёмкости катушки (в случае её стандартной
геометрической формы) практически не меняется. А это значит, что чем выше внутреннее сопротивление датчика, тем шире и
ниже пик резонанса, тем хуже атака и «читаемость» звука. А если еще учесть,
что из-за материала магнита и сердечников скорость изменения магнитного потока
тоже ограничена, то чем больше индуктивность катушки, тем больше будет
динамических искажений (компрессия) возрастающих с частотой сигнала. Практический же вывод здесь такой, что не
стоит гнаться за мощным выходом сигнала непосредственно со звукоснимателя (более слабый сигнал лучше усилить
предусилителем), – сигнал очень сильно деградирует, динамика и выразительность
звука будут потеряны. Для Heavy Metal, наверное, сгодится, да
и то не всегда.
Типы магнитных звукоснимателей.
Магнитные звукосниматели подразделяются на однокатушечные
(sin gle coil или просто single – один) и двухкатушечные - хамбакеры (humbucker
– подавитель фона).
Простые однокатушечные датчики.
Простые однокатушечные датчики чувствительны к магнитным
полям, создаваемым сетевыми кабелями, трансформаторами, лампами дневного света
и другими источниками помех, что приводит к возникновению посторонних шумов и в
первую очередь сетевой частоты 50Гц. Магнит (или магниты под каждую струну)
располагаются одним полюсом к струнам, а другим в деку под ними, т.е. линия
соединяющая полюсы, параллельна оси катушки. (Напомню из физики, что если вы правую руку, сжатую в кулак,
расположите так, что загнутые пальцы будут повторять направление намотки витков
катушки, то отставленный большой палец руки укажет вам расположение и
направление оси катушки). Таким образом, расстояние между полюсами равное
высоте звукоснимателя не заполнено никаким магнитопроводящим материалом. Поэтому
линии поля магнита равномерно рассредоточены по объему. Это влияет на величину подмагничивания
струны и величину изменения магнитного потока, что в свою очередь сказывается
на уровне выходного напряжения. Ниже на рис.6 приведена фотографии и чертежы с
типичными размерами стандартного стратовского сингла (bridge) (1); гибсоновского сингла (мыльницы)
P90 (neck) (2). Выпускаются также
соответствующие модели neck и bridge.
Разница между моделями neck и bridge состоит в том, что расстояние между центрами крайних
сердечников будет 50 мм для neck и 52,5 мм для bridge.
1. Стандартный стратовский сингл.
2. Гибсоновский сингл (мыльница) P90.
Рис.6
Двухкатушечные датчики.
Двухкатушечные датчики делятся в свою очередь на 2 типа: хамбакеры
и хамкенселлеры от английских hum-bucker (фоно-подавитель) и hum-canceller
(фоно-погаситель) соответственно. Общее в этих датчиках то, что в них используются
две катушки, которые одинаковы геометрически и одинаковы или близки по
количеству витков, электрически находятся в противофазе, чтобы паразитные
наводки и шумы сводить до минимума. На этом сходство хамкенселлера и хамбакера
заканчиавется.
В остальном хамкенселлер полностью похож на сингл, его
катушки находятся строго одна под другой (поэтому его по-другому называют
стековый от stack хамбакер). Сигналы в каждой катушке полностью идентичны друг
другу по спектру и фазе, поскольку снимаются с одной и той же точки струны, но
они в достаточной степени отличаются друг от друга по амплитуде, поскольку
струна сильнее меняет магнитный поток в ближайшей по отношению к ней катушке. Выходное
напряжение, таким образом, составляющее разностный сигнал катушек хамкенселлера,
является спектрально (по тембру) точной копией синглового, имеет меньшую, чем у
сингла амплитуду, зато полностью свободно от любых синфазных шумов, которые
наводятся в катушках практически одинаково. Я часто слышал и читал мнения, что
будто бы каким-то необъяснимым физикой образом сигналы катушек хамкенселлера
взаимовычитаются так, что, во-первых, от них в сумме остается очень маленький
сигнал, а, во-вторых, появляются какие-то странные «кастрюльные» или
«металлические» призвуки. И поэтому пользуются такими датчиками такие
«подвинутые» люди как Ингви Мальмстин и т.п. Хотелось бы заметить господам,
такое произносящим, лишь одно: надо было хорошо учиться в школе, а уши чистить
постоянно, ибо это неотъемлемая часть личной гигиены.
На рис. 7 изображен типичный
пример хамкенсселера. На чертеже видны 2 катушки – одна под другой.
Рис.7
Хамбакер представляет из себя 2 сингла, стоящие параллельно
друг другу на одном уровне под струнами. Общий для этих синглов магнит расположен
под ними таким образом, что его ось перпендикулярна оси катушек, т.е. он одним
своим полюсом прижат к сердечникам, находящимся в одной катушке, а другим – в
другой. В результате поле с обоих полюсов через сердечники подводится под
струны, в которых же большей частью и замыкается. Катушки, так же как и в
хамкенселлере, включены электрически противофазно и (как правило) последовательно.
Поскольку магнитное поле замкнуто через струну, то струна над датчиком тоже
имеет полюсы, над одним сердечником один, над другим противоположный. Таким
образом, магнитный поток в катушках при колебаниях струн меняется противофазно,
однако, учитывая то, что катушки включены противофазно электрически, получаем,
что сигналы, наведенные струнами в катушках, синфазны друг другу и в силу
последовательного соединения катушек полностью складываются. При этом внешние наводки
и шумы, на которые никак не влияет магнитное поле магнита датчика,
взаимоуничтожаются.
На рис. 8 изображены три основных типа хамбакеров.
1. Original Humbucker
2. Standard Humbucker
3. Side-by-side Humbucker.
Рис.8
Изначально хамбакер был внедрен компанией Гибсон (Gibson). Инженеры, вероятно,
руководствовались идеей максимально уменьшить все посторонние шумы и наводки,
поэтому звукосниматель был накрыт латунной крышкой с хромированным
(никелированным, золоченым) покрытием (1 Original Humbucker) и залит воском (или
парафином) для отмены микрофонного эффекта. Эта крышка всегда подключалась в
гитаре к общему проводу (земле), и, таким образом, обеспечивалось
дополнительное экранирование датчика от внешних наводок. Однако крышка из
диамагнитного металла создавала дополнительную емкость между катушками и землей
и обеспечивала большее рассеивание магнитного поля и магнитного потока, тем
самым, сдвигая резонанс вниз по частоте и по амплитуде. Недолго думая,
музыканты поснимали эти крышки, улучшив отдачу и повысив резонансную частоту, и
получился стандартный вид хамбакера (2 Standard Humbucker). Стремясь к сингловому
спектру, но бесшумной передаче сигнала, был создан side-by-side узкий хамбакер (3 Side-by-side Humbucker). Звучит он
необычно из-за геометрических размеров катушки, которые накладывают
определенные ограничения, но не звучит как сингл. Почему? Читайте дальше.
Казалось бы, что еще желать после создания хамбакера:
амплитуда более чем в 2 раза выше, чем у сингла (при прочих равных), шумов нет,
да и выглядит солидно, однако! Хамбакер
очень сильно теряет в прозрачности звучания по сравнению с синглом. Очевидно,
что он не заменим для тяжелых стилей музыки, для звучания гитары с мощным эффектом
дисторшн и т.п. Но, тем не менее, удовлетворяет совсем не всех музыкантов, даже
играющих с сильным ограничением сигнала, таких как Ингви Мальмстин или музыкант
с большой гаммой звучания Дэвид Гилмор, которые в результате используют,
например, активные хамкенселлеры EMG. И никакие попытки создать хамбакер звучащий как сингл,
например, узкий, или, играя с материалом магнитов и геометрией катушки,
обычного размера, или перематывая одну катушку и не доматывая другую в ущерб чистоте
сигнала, а также никакие комбинации включения катушек хамбакера (например,
параллельное включение) не привели и не приведут никого к успеху. Это, к сожалению,
не следует из статьи Гельмута Лемме, более того (возможно для упрощения
изложения) он специально уточнил, что решающим параметром в передаче сигнала
электрической части звукоснимателя является его индуктивность. Поэтому с его
слов соединив катушки параллельно, и таким образом уменьшив индуктивность и
сопротивление такого звукоснимателя в 4 раза против обычного последовательного
соединения катушек, можно добиться синглового звучания, что на самом деле
неверно. Следуя этой логике, можно было бы просто подобрать внешнюю нагрузку
таким образом, чтобы ее влияние на звук было бы ничтожно мало, а резонанс системы
был бы сдвинут за границу слухового диапазона – и, пожалуйста, широкополосный
датчик еще лучше сингла готов. Но, тем не менее, таких датчиков никто не
делает.
Ограничение накладывает обычная физика. Датчик нельзя
рассматривать отдельно от гитары и, главное, струн, так же как и крылья от
самолета без самого самолета. Самолет без крыльев больше похож на укрытие для
бомжей (ни двигателей, ни топлива, ни колес), а электрогитара без датчиков – на
табуретку со струнами.
Основной проблемой хамбакера является снятие колебаний с двух
точек струны. Между этими точками существует разность фаз гармоник колебания
струны. Колебание струны представляет собой совокупность стоячих волн основной
частоты и кратных ей гармоник с некоторыми коэффициентами. Чем ближе половина
длины волны к расстоянию между центрами сердечников, тем большее значение это
имеет для такой гармоники колебания. В результате получается, что в выходном
напряжении хамбакера складываются не все
гармоники колебания струны, а только их часть. Другая часть гармоник при этом
взаимовычитается, приводя к тому, что спектр хамбакера будет иметь
периодические плавные провалы и подъемы.
Представим источник колебаний - струну. Она закреплена в
двух точках (узлах). При колебаниях возникают стоячие волны. Как я уже сказал,
полное колебание струны состоит из суммы стоячих волн кратных по частоте
основной (гармоники) с весовыми (по амплитуде) коэффициентами. Каждое отдельное
колебание можно вызвать отдельно. Музыканты называют это флажолетом. Если Вы
возьмете флажолет на 12 ладу, то легко увидите 3 узел, находящийся на этом же
ладу, который не колеблется. А главное, что точки струны по разные стороны от
этого узла колеблются в противофазе. Возьмем 6 струну. Колебанию ноты ми 80 Гц,
а именно половине длины волны этого колебания соответствует 648 мм (мензура).
Стандартное расстояние между центрами катушек стандартного хамбакера - 18 мм.
648/18=36, т.е. половина длины стоячей волны 36 гармоники будет строго
укладываться между центрами хамбакера. Это значит, что 36 гармоника будет
полностью отсутствовать в выходном спектре хамбакера. 36 гармонике соответствует
частота 80*36=2880 Гц. Это те самые 3 кГц, которые придают яркость звуку.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) хамбакера для 6 струны будет иметь ярко
выраженный провал на этой частоте. Далее на частоте 5760 Гц, когда на
расстоянии между центрами хамбакера укладываться полная длина волны, будет
подъем в результате полной суммы с обоих синглов, а на частоте 8640 Гц опять
провал и т.д. до тех пор, пока гармоники читаются с датчика. На практике все не
так идеально, однако при сравнении интегральных спектров сингла и хамбакера,
полученных на одной гитаре с одного датчика, первый будет иметь равномерный спад,
а второй четко выраженную периодичность, и как минимум 1 плавный провал АЧХ.
Ниже на рис.9 приведены 3 интегральных спектрограммы,
построенные с помощью программы SoundForge 6.0 соответственно 3 пол секундных интервалов атаки 6
струны, преобразованные в электрический сигнал оригинальным хамбакером (с
крышкой) и каждым его синглом, которые говорят сами за себя. Рассчитанный
провал на 2880Гц очевиден.
1-ый сингл, ближний к бриджу (сердечники
наружу)
2-ой сингл (полностью под
крышкой)
Хамбакер в целом
Рис.9
Именно поэтому хамбакер никогда не будет звучать как сингл,
даже в параллельном включении катушек. (Параллельное
включение катушек отличается от последовательного соединения тем, что
представляет собой половину сигнала последовательного соединения, но при одинаковой
внешней нагрузке произойдет повышение частоты резонанса и уменьшение его пика.)
В частности на этом эффекте частичного сложения и вычитания
гармоник основано многообразие суммарного и разностного звучаний двух или более
датчиков. Звучание среднего сингла стратокастера было бы очень похоже на
звучание совокупности 1-го и 3-го синглов, если все гармоники с каждого датчика
полностью бы складывались, и он по существу был бы не нужен. Включение двух
хамбакеров у порога и у грифа одновременно звучат совершенно непохоже на сингл,
хотя и включены в параллель, зато провал середины, а также подъем низов и
верхней середины, в соответствии с расстоянием между звукоснимателями, очень
хорошо слышны.
Теперь хочу нарисовать пару слов об активных звукоснимателях
и об их преимуществах перед пассивными. Активный звукосниматель всегда состоит
из двух катушек, т.е. это или хамбакер или хамкенселлер. Электрическая схема
представляет собой операционный усилитель с дифференциальным входом (балансным,
аналогичным микрофонному – кто знает, тот поймет), встроенный в корпус датчика.
Это исключает наличие лишних проводов разной длины и входную разделительную
емкость, присутствующую во всех буферных каскадах, что приводит к существенному
снижению уровня шумов, наводок и нелинейных искажений, а также исключает
влияние на датчик (и его звучание) всех последующих элементов схемы. Активный
звукосниматель изначально изготавливается с меньшим количеством витков катушки
(до 10 раз), более слабым магнитом и специально подобранной входной нагрузкой. Выходное
напряжение получается большим за счет усиления внутреннего усилителя, что
положительно влияет на динамику и АЧХ выходного сигнала: улучшается атака,
существенно расширяется диапазон воспроизводимых частот и уменьшается
воздействие датчика на струны. Датчик помещается в пластиковый корпус и
заливается вязким компаундом в вакуумной камере, что обеспечивает ему надежную
защиту от окисления и микрофонного эффекта. Таким образом, получается хороший, долгоживущий,
широкополосный (или прогнозируемо электрически эквализованный), малошумящий
звукосниматель с отличными динамическими свойствами. Единственным его минусом
является наличие батарейки непосредственно в гитаре. Учитывая, что потребление
тока современными операционными усилителями, интегрированными в такие датчики,
чрезвычайно мало, и осуществляется это потребление только при подключенном к
гитаре кабеле, срок службы батарейки составляет 1000 – 3000 часов (1 – 3
датчика). Что при игре по 8 часов в день без обеда эквивалентно 1 году. Правда такого музыканта можно будет занести в книгу
рекордов Гиннеса. В общем, не проблема это вовсе поменять батарейку раз в 2-3
года.
Ниже на рис.10 привожу картинки активных датчиков.
Рис.10
В принципе активным звукоснимателем за исключением некоторых
«но» можно сделать любой звукосниматель, нужно лишь правильно его подключить.
Это не совсем то же самое, что поставить буферный каскад непосредственно в
гитару. Но это тема отдельных размышлений, относящаяся к согласованию гитары и
примочек. Как-нибудь я напишу и об этом.
Проблема выбора звукоснимателя.
После того как обсуждены основные технические стороны
звукоснимателей, логично будет дать некоторые советы по выбору звукоснимателей.
Особенно, я думаю, это волнует начинающих гитаристов.
Как только что я показал, активные датчики имеют несомненные
преимущества перед пассивными. Очевидно,
что только переход на актив есть принципиальный переход к лучшей жизни, т.е. к
более прогнозируемому и управляемому звуку. Как известно, ломать, – не
строить. Поэтому изменить АЧХ, динамическую отдачу и тем самым свести звук
активного звукоснимателя к звучанию любой модели пассивного или вообще к
желаемому звучанию, несравнимо проще, чем сделать все это с пассивным датчиком.
Получить этот результат можно с помощью простейших однополосных фильтров или
однополосного параметрического эквалайзера и, если нужно, компрессора-лимитера
– одним словом, с помощью тех устройств, которые и без того используются
гитаристом в процессе обработки сигнала электрогитары.
Что касается пассивных звукоснимателей, то говорить, что
один звукосниматель звучит лучше, чем другой – просто глупо. Они всего лишь
звучат по-разному, поскольку заранее имеют заданный производителем динамический
диапазон и, мягко говоря, неопределенную АЧХ, которая всегда будет зависеть от
внешней нагрузки (кабель, буферный каскад примочки, потенциометры гитары).
Одним словом пассивные датчики – это всегда «кот в мешке». И все ухищрения
производителей в определении их звучания, какие-то оторванные от жизни,
относительные (и даже, наверное, чьи-то субъективные!) диаграммы звучания – все
это маркеттинговая и рекламная лабуда, на которую покупается неопытный и
технически неграмотный пользователь. Поэтому очень тяжело давать советы, как из
всей кучи эквализованного пассива на все случаи жизни имени ДиМарцио, Сеймор
Дункан, какого-нибудь корейского, например ВуСунгХорус и т.д. что-либо выбрать.
И как это дальше срастется с конкретной гитарой, проводами и примочками - никто не знает.
Неблагодарное это дело – давать такие советы... Опираясь только на общие
физические принципы работы звукоснимателей, можно только условно предполагать
какой-то результат, но невозможно услышать звук конкретного датчика. Тем не
менее, надеюсь, что знание этих принципов и основных параметров датчика, таких
как тип и форма звукоснимателя, сопротивление, индуктивность и тип магнита,
как-то поможет вам рулить своим желанием приобрести тот или иной
звукосниматель.
О производителях и их продукции.
Основное правило в выборе производителя таково. Если
пассивный звукосниматель намотан не дядей Васей в подворотне за пузырь водки, а
произведен в нормальных фабричных условиях, где бы то ни было: в Корее, Китае,
Германии или США, - то в силу простоты устройства и дешевизны материалов никак
невозможно сказать, что, например, корейский датчик хуже немецкого. Разница
состоит в том, что одни компании имеют ИМЯ, а другие – нет, в одной стране
рабочая сила дорогая, а в другой она дешевле. В результате за ДиМарцио или
Сеймор Дункан с вас попросят в 5 раз больше, чем за ничуть не худший по
качеству исполнения ВуСунгХорус. А чтобы как-то оправдывать свою ценовую
политику, у каждой компании существует множество песен и плясок с бубнами типа:
«каждый миллиметр провода наших датчиков измерен штангенциркулем и залакирован специальной
кисточкой нашим контроллером качества», или «для надежности провод проклеен
железобетонными соплями нашего контроллера качества», или «воск, которым дважды
пропитаны наши датчики, специально отобран у доисторических рогатых пчел
Антарктиды, и рекомендован к применению лучшими пчеловодами Чукотки» и т.д. и
т.п.
Что касается актива, то там технологии несколько, скажем,
более продвинутые, да и вариаций на тему в силу конструкции меньше – мозги
людям парить труднее, поэтому занимается активом мало кто EMG, Bartolini, корейцы из WooSungChorus выпускают пару неплохих
моделей.
Если рассматривать рекламные тексты в сравнении от EMG и
DiMarzio, то будет
очевидно, что EMG ведут себя много честнее по отношению к покупателю. Они
выпускают всего 5 моделей хамбакеров с вариациями магнитов: EMG’81 с керамикой, EMG’85 с АЛНИКО, EMG’89 тоже, что и EMG’85, но хамбакер и хамкенселлер в
одном флаконе, EMG’60
минимально эквализоованный с керамикой, EMG’91 – для джазовых гитар, и 4 принципиальных модели
хамкенселлеров EMG’S EMG’SA EMG’SAV, EMG’SV – специально эквализованный с торчащими АЛНИКО сердечниками
для классических звуков стратокастера. Все!!! В тексте даны спецификации и огибающая АЧХ таких датчиков.
В общем, сориентироваться можно, да и практически никакого обмана. Что касается
ДиМарцио, то это тонна разных датчиков с указанием диаграмм звучания странного
вида, но с песнями и плясками по полной программе.
Вместо заключения расскажу анекдот:
Раздается звонок в дверь квартиры. Открывает дверь мужик (М)
и видит на пороге Смерть (С), как положено в балахоне с косой – все дела...
М. – Ты кто?
С. – Я твоя смерть!
М. – И что?
С. – Дык... собственно... И ВСЁ!
|
