1.2 Звукознімачі для електрогітари.

Звучання гітари і бас-гітари у великій мірі залежить від звукознімачів. Між музикантами ведуться нескінченні дискусії з приводу переваг і недоліків тих чи інших моделей, і тим, хто не розбирається в електроніці, ця тема може здатися дуже складною. Однак, з точки зору електрофізики пристрій звукознімача цілком доступний для розуміння, і в цій курсовій розглядається зв'язок між електричними характеристиками і звучанням. Існують два основних види звукознімачів: магнітні та п'єзоелектричні. Останні працюють зі струнами будь-якого типу (сталевими, нейлоновими або жильними). Магнітні звукознімачі працюють тільки зі струнами зі сталі і складаються з магнітів і котушок. Однокотушкові датчики чутливі до магнітних полів, що створюються, трансформаторами, лампами денного світла та іншими джерелами перешкод, що приводить до виникнення сторонніх шумів. У двухкатушечних датчиках (хамбакера) використовуються дві котушки, підключені спеціально так, щоб ці шуми зводити до мінімуму. Оскільки котушки електрично знаходяться в протифазі, то синфазних сигнали (ті, що наводяться в обох котушках з однаковою амплітудою) взаімовичітаются. Розташування магнітів в датчиках буває різним. У деяких типах магніти в формі бруска або циліндра вставлені прямо в котушку. В інших типах магніти знаходяться під котушками, а в котушках знаходяться сердечники з м'якого заліза. У багатьох випадках ці сердечники мають різьблення, завдяки чому можна компенсувати різницю в рівнях висоти струн. На деяких датчиках є металеві кришки для екранування та захисту котушок; на інших є пластмасове покриття, яке не забезпечує екранування; а бувають і такі датчики, де провід приховується тільки ізоляційною стрічкою. Магнітне поле проходить через котушки і струни. Коли струни перебувають у спокої, потік магнітного поля, що проходить через котушки, постійний. Коли струна коливається, потік змінюється, через що в котушці створюється напруга. Коливається струна створює змінний струм, що має ту ж частоту, з якою вібрує струна, і напруга пропорційно швидкості коливання струни (а не амплітуді). Крім того, напруга залежить від товщини і провідникових властивостей струни, від магнітного поля і від відстані між магнітним полюсом і струною. На Мал.22-23 представлено декілька звукознімачів, але зробити повний їх огляд вкрай важко.

Окрім датчиків, які поставляються з електрогітарами, існують так звані "змінні" датчики, часто вироблені фірмами, які спеціалізуються тільки на датчиках, а не на гітарах. У кожного датчика є свій звук: в одного він може бути пронизливий, металевий, а в іншого - теплий, м'який. Але, висловлюючись коректно, у звукознімача немає звуку, а є тільки характеристика передачі. Датчики лише знімають звуковий матеріал, отриманий від струн, і змінюють його кожен по своєму. Наприклад, встановіть один і той же Gibson'oвскій датчик на моделі гітар Gibson Les Paul і Super 400 CES – і ви почуєте абсолютно різний звук. Але навіть найкращий звукознімач не зможе нам допомогти, якщо гітара має поганий корпус і погані струни. Основне правило: «сміття на вході - сміття на виході!» Змінні звукознімачі дозволяють гітаристу отримати новий звук, не купуючи при цьому новий інструмент (проте, звичайно ж, перебуваючи в рамках властивостей корпусу і струн). Різні датчики мають також різну вихідну напругу. Моделі з високою напругою дозволяють легко перевантажувати підсилювач, домагаючись перевантаженого звуку, а моделі з низьким - дають звук чистіший. Вихідна напруга більшості звукознімачів знаходиться в межах від 100 мВ до 1В ефективного значення. На відміну від передавачів з рухомими мембранами (мікрофонів, гучномовців, і т.д.), магнітні звукознімачі не мають рухомих частин: напрям магнітного поля змінюється, але воно не має маси. Тому оцінити звукознімач легше, ніж оцінити будь-який інший передавач. Хоча частотні характеристики практично всіх існуючих магнітних датчиків нелінійні (завдяки чому і існують різні звучання), в них все-таки не так багато різких підйомів і провалів, як, скажімо, в звичайному динаміку. Частотна характеристика звукознімача в багатьох випадках досить проста, щоб описати її математичною формулою.

З точки зору схемотехніки, магнітний звукознімач відповідає відповідному електричному ланцюгу (Дивись Мал.1). Котушку звукознімача можна описати як ідеальну котушку з індуктивністю L, що послідовно підключена до опору R і паралельно підключеному конденсатору C. Найбільш важливою якістю даної схеми є індуктивність, яка залежить від кількості витків, магнітного матеріалу котушки та її геометрії. Опір і ємність не роблять особливого впливу, і ними можна знехтувати. Коли струни коливаються, в котушці виникає напруга змінного струму. Тому датчик діє як джерело змінного струму з електричними компонентами (Мал.2).

Зовнішнє навантаження звукознімача гітари складається з опору (потенціометри гучності і тембру + опір заземлення на вході підсилювача), і конденсатора (через ємності між провідником і екрануючою опліткою в гітарному кабелі). Ємність кабелю відіграє чималу роль, і нею не можна нехтувати. Ці пасивні компоненти утворюють так званий фільтр високих частот другого порядку (мал.3). Таким чином, як будь-який інший подібний фільтр, він має частоту зрізу fg; на цій частоті амплітуда падає на 3дБ (тобто наполовину). Після fg відбувається спад 12 дБ на октаву, а до fg звук не міняється ніяк. Спаду на низьких частотах не спостерігається, однак, трохи нижче fg існує електричний резонанс між індукцією котушки і ємністю кабелю. На цій частоті (fmax) спостерігається пік амплітуди. Пасивний фільтр ВЧ виступає тут у ролі підсилювача напруги (але не підсилювача потужності, тому що вихідний опір відповідно підвищується). На (Мал.4) вказаний типовий контур частотної характеристики гітарного звукознімача.

Якщо ми знаємо резонансну частоту і висоту резонансного піка, можна сказати, що нам відомо 90% інформації про передавальні характеристики датчика; ці два параметри є свого роду ключем до секрету звуку датчика (в рамках даної моделі не можна описати деякі інші властивості, але їх значення набагато менше). Все це означає, що обертони в області резонансної частоти посилюються, за цією частотою зменшуються, а основна вібрація і обертони до резонансної частоти відтврюються без змін. Резонансна частота більшості існуючих звукознімачів при звичайному гітарному кабелі знаходиться в межах від 2000 до 5000 Гц. Характерно, що у цій області людське вухо має найбільшу чутливість. Суб'єктивне співвідношення частоти і звуку таке, що при резонансній частоті 2000 Гц звук теплий і м'який, при 3000 Гц - дзвінкий, на 4000 Гц - пронизливий, на 5000 Гц і вище - тендітний і тонкий. Звук, звичайно ж, залежить і від висоти піку. Високий пік дає потужний, характерний звук; низький пік дає більш слабкий звук, особливо на суцільнокорпусних (solid body) гітарах, які не мають вираженого акустичного резонансу. Висота піку на більшості існуючих датчиків знаходиться в межах від 1-4 кГц (від 0 до 12 дБ), в залежності від магнітного матеріалу звукознімача, опору зовнішнього навантаження і наявності металевої кришки (без кришки пік вище, що багатьом гітаристам подобається більше). Резонансна частота залежить як від індуктивності L (у більшості звукознімачів - від 1 до 10 Генрі), так і від ємності С. С - це сума ємностей котушки (зазвичай близько 80 - 200 пФ) та кабелю (близько 500 - 1000 пФ). Оскільки різні кабелі мають різну ємність, зрозуміло, що резонансна частота буде змінюватися також залежно від кабелю, а разом з нею і загальний звук.

Відносно звукознімачів існує три різні способи змінити звук гітари: 1. Встановіть нові звукознімачі. Це - найпоширеніший, але і найдорожчий спосіб. 2. Змініть розпайку котушок в існуючому звукознімачу. Це можна зробити практично з усіма хамбакерами. Зазвичай обидві котушки підключені послідовно: якщо підключити їх паралельно, індукція знизиться на чверть, а резонансна частота подвоїться. Використання у хамбакера тільки однієї котушки знизить індукцію вдвічі, а резонансна частота збільшиться на квадратний корінь з двох (приблизно 1,4). В обох випадках звук стане більш високим. На багатьох хамбаккерах є чотири вихідні дроти (по два на кожну котушку), щоб можна було зпробувати різні комбінації, не вдаючись до розкриття звукознімача. На деяких однокотушковими датчиках для забезпечення такої гнучкості налаштування, мається відгалуження (відвід) від котушки.

3. Змініть зовнішнє навантаження. Цей метод, незважаючи на дешевизну, може виявитися дуже ефективним. Лише трохи витратившись на електродеталі, можна регулювати звук в широких межах. Стандартні регулятори тембру знижують резонансну частоту завдяки паралельному підключенню конденсатора до звукознімача (зазвичай використовуючи для управління змінний резистор). Тому одним із способів зміни звуку є заміна звичайного регулятора тембру поворотним перемикачем, який підключає до датчика конденсатори різної ємності (рекомендується від 470 пФ до 10 нФ). Це дасть набагато більшу різноманітність звуків, ніж звичайний регулятор тембру (мал.5).

Крім того, додавання додаткового буферного підсилювача може запобігти вплив на датчик ємності кабелю, забезпечуючи більш яскравий і гучний звук. У наведеній нижче таблиці вказані електротехнічні характеристики деяких відомих моделей звукознімачів. Слід враховувати, що звукознімачі не є точними пристроями, особливо старі датчики (наприклад, звукознімачі Fender і Gibson, випущені у 50-х роках), які різняться настільки, що два датчики однієї і тієї ж моделі можуть звучати по-різному. Тому значення резонансної частоти на таблиці округлені до 100 Гц. Слід також звернути увагу на те, що нижче 1000 Гц піки стають менш високими і ширшими. Оскільки висота резонансного піка залежить від опору зовнішнього навантаження (потенціометр гучності, потенціометр тембру і вхідна напруга підсилювача), зниження цього навантаження (наприклад, підключенням резисторів паралельно до датчика) знижує висоту піка. Для збільшення висоти піку слід збільшити опір навантаження. У більшості випадків це можливо тільки шляхом установки в гітару передпідсилювача високого опору. Резонансні частоти деяких відомих моделей звукознімачів з використанням різних додаткових конденсаторів наведені у таблиці (мал.9).

Щоби точно виміряти частотну характеристику датчика, теоретично важливо виміряти вібрацію струни і порівняти її з вихідною напругою на кожній частоті. Здійснити на практиці це дуже важко. В якості альтернативи пропонується помістити звукознімач в зовнішнє магнітне поле, що створюється передавальної котушкою. Потік заряджених частинок змінює напрям, створюючи напруження в датчику. Ця напруга прямо пропорційна змінам магнітного поля в одиницю часу, а збуджений струм, що проходить через котушку, повинен бути зворотньо пропорційний частоті. Синусоїдна напруга проходить в ланцюг інтегратора, збуджуючи вихідну напругу, зворотньо пропорційно частоті коливаня. Цей сигнал надходить в підсилювач, а потім - на передавальну котушку, яка подвоює сигнал і передає його в датчик. Катушка ця може складатися з 50 витків емалюваного мідного дроту (діаметром близько 0,5 мм). Точна кількість витків не має великого значення. Катушка встановлюється у звукознімача так, щоб випромінювати в нього як можна більшу частину свого магнітного поля. Якщо ми досліджуємо однокотушковий звукознімач, то магнітні осі повинні бути паралельні, якщо ж хамбаккер - то перпендикулярні. Щоб з'ясувати частотну характеристику, подавайте синусоїди з частотами в межах від 100 до 10кГц і вимірюйте вихідну напругу звукознімача широкосмуговим мультиметром або осцилографом. Абсолютні значення не важливі: найголовніше - це положення резонансного піку над загальною амплітудою низьких частот. Таким же чином легко визначити вплив на звук різних ємностей (наприклад, шнурів) і резисторів. Одне з головних переваг цього способу в тому, що не потрібно змінювати устрій гітари, або демонтувати з неї звукознімачі. Отриманий результат по-справжньому точний тільки при перевірці однокотушковими датчиками.

Справа в тому, що в хамбакера звук знімається зі струни одразу в двох точках. Високі обертони, де на одному полюсі однієї і тієї ж хвилі виявляється пік, а на іншому - провал, можуть частково взаімовичітаться. У результаті піки знаходяться на різних частотах для кожної струни. Наприклад, при стандартному розмірі хамбаккера, для шостої струни пік знаходиться на частоті 3000 Гц, а для п'ятого - на 4000 Гц. Для високих ж струн цей пік перебуває за межею частоти зрізу і його майже не чути. Різниця між звучанням однієї котушки і двох часто переоцінюється. Головна причина більшої кількості високих частот при одній котушці в тому, що резонансна частота підвищується в результаті зменшення індуктивності вдвічі. Вплив надає і те, що звук зі струни знімається тільки в одній точці, але цей вплив набагато менше. Даний метод вимірювання також не враховує нелінійних спотворень датчика, які також впливають на звук. Але тим не менше, перевірка звукознімача даними чином дає корисну інформацію про його характеристики. Знаючи її, можна визначити, які звуки підходять Вам найбільше, і змінити частотну характеристику за допомогою зовнішніх конденсаторів і резисторів, налаштовуючи звукознімач на свій смак (а також у найкращому відповідно до корпуса і струнами).