Темброобразующие устройства для электрогитары, использующие нелинейные искажения

Как известно, звучание электрогитары имеет ряд не­достатков: оно малонасыщено и слишком «прозрачно», теряется в звучании других инструментов и недостаточ­но выразительно при исполнении сольных партий. При­чина указанных явлений в относительной бедности спектра выходного сигнала электрогитары. Действитель­но, колебания с выхода звукоснимателя электрогитары являются квазипериодическими с формой, близкой к си­нусоидальной.

В то же время, потребность исполнителей в обогаще­нии тембральных возможностей электрогитары является мощным стимулом к разработке различного рода элект­ронных устройств, исключающих указанные недостатки. Эти устройства позволяют целенаправленно и эффектив­но изменять и формировать спектр выходного сигнала электрогитары с целью достижения новых оригинальных звучаний, характеризующихся весьма широкими экспрес­сивными возможностями.

Наиболее широко и успешно используются в настоя­щее время устройства, принцип действия которых осно­ван на нелинейных искажениях входного сигнала.

В отличие от устройств, использующих частотно за­висимый коэффициент передачи сигнала, нелинейные устройства обладают частотнонезависимым действием, то есть одинаково преобразуют звук, взятый в любой октаве. Еще одним достоинством использования нелиней­ных искажений является то, что достаточно простыми средствами удается существенно обогатить спектр сигна­ла. Следует иметь в виду, что при нелинейных преобра­зованиях не выполняется принцип суперпозиции, поэто­му при подаче на вход нелинейного устройства даже двух колебаний с разными частотами спектр выходного сигнала настолько «засоряется» комбинационными ча­стотами, что полученное звучание следует скорее отне­сти к хаотическому шуму, чем к музыкальному звуку. Это обстоятельство практически исключает возможность игры аккордами при использовании устройств с нели­нейными искажениями.

В данной статье описывается несколько простых в повторении нелинейных устройств, позволяющих полу­чить новые эффекты звучания электрогитары: «Fuss»-эффект, «органный эффект», компрессию. Первыми при­водятся схемы «Fuss»-ycTpoficTB, появление которых в начале 60-х годов сыграло заметную роль в росте по­пулярности рок-музыки.

«Fuss»-ycTpoficTBO позволяет:

расширить спектр гитарного сигнала;

сузить динамический диапазон гитарного звука;

осуществить амплитудно-зависимое формирование спектра, то есть получить выходной сигнал, спектр кото­рого зависит от амплитуды входных колебаний.

Многообразие схем и звучаний «Fuss»-ycтpoйcтв об­условлено возможностью выделения того или иного из перечисленных свойств. Вместе с тем привлекательность использования этих устройств объясняется, главным об­разом, не их свойством обогащать спектр выходного сиг­нала, а способностью сужать динамический диапазон звука электрогитары (хотя эти свойства и взаимосвяза­ны). Именно этим обусловлены «выпуклость», «тягу­честь» полученного звучания, характерные для систем с использованием компрессии, а также лучшее выделе­ние гитарного звука с «Ризз»-эффектом в звучании других инструментов. Наиболее известны в качестве

Рис. 1. "Fuss"-устройство на усилителе — ограничителе

«Fuss»-устройств усилители — ограничители. Принци­пиальная схема одного из них приведена на рис. 1. Здесь на транзисторах VI и V2 собран предварительный неискажающий малошумящий усилитель, причем для уменьшения шумов предусилителя транзистор VI рабо­тает в режиме микротоков. Транзистор V3 осуществля­ет дополнительное усиление, а ограничение сигнала по амплитуде осуществляется в дифференциальном кас­каде, построенном на транзисторах V4 и V5, за счет перехода этих транзисторов в насыщение. Симметрию ограничения устанавливают подбором резистора R5, а чувствительность — регулировкой R4. Сила тока, по­требляемого усилителем, не превышает 2 мА, что обес­печивает возможность длительной работы устройства с гальваническими элементами, например, .типа «Крона». Эпюры входного и выходного сигналов устройства, приведенного на рис. 1, приведены на рис. 2, а. Как видно, ограничение по амплитуде осуществляется доста-. точно резко, и форма выходного сигнала имеет резкие изломы. Такой характер ограничения является причиной неприятного «зудения» электрогитары, появление и про­падание которого носят к тому же скачкообразный ха­рактер. Кроме того, сужение динамического диапазона звука в этой схеме оказывается настолько сильным, что ограничивает возможность исполнителя управлять гром­костью звучания путем изменения амплитуды колебаний струны. С другой стороны, как видно из рис. 2, а, с уве­личением амплитуды входного сигнала увеличивается сте­пень ограничения, что, в свою очередь, приводит к уве­личению числа амплитуд высших гармоник в спектре выходного сигнала. Следовательно, увеличение ампли­туды колебаний струны изменяет тембр выходного звука. Такой характер зависимости тембра звука от силы звукоизвлечения характерен для звучания большинства неэлектронных музыкальных инструментов, например, медных духовых (труба, саксофон).

Рис. 2. Эпюры напряжений на входах и выходах "Fuss"-устройств:

а — на усилителе-ограничителе; б — "Fuss"-эффект на ограничительных диодах; в — "Fuss"-эффект на логарифмическом усилителе

Следует отметить, что присущая данному устрой­ству способность эффективно обогащать спектр входно­го сигнала высшими гармониками, обусловила широкое использование таких усилителей — ограничителей в со­четании с формантными темброобразующими- устрой­ствами.

Рис. 3. "Fuss"- устройство на ограничительных диодах

В схеме на рис. 3 для ограничения сигналов по амп­литуде использованы ключи на полупроводниковых дио­дах. Сигнал с предусилителя, собранного на транзисто­рах VI и V2, поступает в каскад дополнительного

усиления на транзисторе V3, включенный по схеме с об­щим эмиттером. Параллельно коллекторной нагрузке транзистора V3 — резистору R7 — включены цепочки V4C3 и V5C4. Когда выходной сигнал превышает уровень отпирания диодов V4, V5, они отпираются (V4 при поло, жительной полуволне сигнала, a V5 — при отрицатель, ной) и шунтируют нагрузку каскада — резистор R7,

Рис. 4. "Fuss"-устройство с ограничительными диодами в цепи ОС

Таким образом для выходных напряжений, превышающих уровни отпирания диодов V4 и V5, усиление каскада на транзисторе V3 резко уменьшается. После отпирания диодов через них протекает ток, заряжающий конденса­торы СЗ, С4. Наличие в цепях диодов заряженных кон­денсаторов равносильно включению источников напря­жения, увеличивающих уровень ограничения, поэтому угол отсечки выходного синусоидального напряжения при изменениях амплитуды сигнала на входе устройства поддерживается примерно постоянным, а динамический диапазон выходного сигнала равен динамическому диа­пазону входного. Сказанное справедливо, однако, только в том случае, когда между диодами не включен рези­стор R9. В схеме же на рис. 3 через резистор R9 про­текает ток, разряжающий конденсаторы СЗ и С4, вслед­ствие чего угол отсечки выходного сигнала меняется при изменении амплитуды входного и, следовательно, динамический диапазон выходного сигнала оказывается меньше динамического диапазона входного. Таким об­разом, в устройстве на рис. 3 резистором R9 можно ре­гулировать динамический диапазон выходного сигнала. Вид выходного сигнала этого устройства при изменениях амплитуды входного показан на рис. 2, б. Как видно, при увеличении амплитуды сигнала на входе в схеме осуще­ствляется достаточно плавный переход от неограничен­но сигнала к ограниченному. Главное же достоинство устройства по схеме рис. 3 — возможность оперативного регулирования исполнителем длительности и динамиче­ского диапазона звучания электрогитары. Чувствительность схемы регулируют резистором R4. Входное сопро­тивление устройства — 25 кОм, потребляемый ток 1 мА

Рис. 6. "Fuss"-устройство на базе логарифмиче­ского усилителя

В устройстве на рис. 4 использован тот же принцип ограничения, что и в схеме рис. 3, однако, диодные це­почки V3C3 и V4C4 включены здесь в цепь отрицатель­ной обратной связи усилителя. Такое включение позво­лило заметно повысить экономичность устройства: сила тока потребления составляет 0,3 мА, входное сопротив­ление 10 кОм.

На рис. 5 приведена схема «Fuss»-ycTpoficTBa на базе логарифмического усилителя. Снижение усиления при увеличении амплитуды входного сигнала достигается в этой схеме за счет изменения глубины обратной свя­зи из-за нелинейной (экспоненциальной) зависимости сопротивления диодов V3, V4, включенных в цепь отри­цательной обратной связи, от приложенного напряже­ния. Чувствительность устройства регулируют измене­нием глубины обратной связи с помощью резистора R6.

Рис. 6. "Fuss"-устройство, преобразующее sin напряжение в пря­моугольное

Вид выходного напряжения устройства (см. рис. 5) при разных уровнях сигнала на входе показан на рис. 2, в. Заметим, что в схеме осуществляется плавный переход от неискаженного выходного сигнала при малых входных амплитудах к искаженному при больших и амшштудно-зависимое обогащение спектра, так что прц наибольших громкостях звучания спектр выходного сигнала содержит наибольшее число и амплитуду гармоник. Более того, форма выходного напряжения не име­ет изломов, а динамический диапазон звука сжимается здесь экспоненциально. Указанные достоинства прибли­жают звучание электрогитары к естественному. В описанных выше «Fuss»-уcтpoйcтвax транзисторы работают в активном режиме и, поскольку эти устройства сжи­мают динамический диапазон входного сигнала, они от­личаются низким отношением сигнал/шум. От этого недостатка свободны устройства, использующие преоб­разователи синусоидального напряжения в прямоуголь­ное. Действительно, в таких преобразователях транзи­сторы работают в ключевом режиме, характеризую­щемся малым уровнем шумов. При воздействии на вход такого устройства синусоидального сигнала на выходе формируется прямоугольное напряжение с неизменной амплитудой, независимой от амплитуды сигнала на вхо­де. Звучание подобных устройств отличает так назы­ваемый «органный эффект», ибо аналогичный характер имеет и огибающая звуковых колебаний электрооргана. Один из вариантов «Fuss»-ycTpoficTBa, использующего преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольное, приведен на рис. 6. Устройство содержит ли­нейный предусилитель (транзисторы VI — V4), с выхода которого усиленный сигнал подан на формирователь (транзисторы V5, V6) — двухкаскадный усилитель, охва­ченный глубокой положительной обратной связью через резистор R10. Состояние формирователя определяется уровнем входного напряжения. В отсутствии сигнала на входе транзистор V5 открыт током через резисторы R10, Rll, а транзистор V6 заперт. При превышении входным сигналом некоторого уровня транзистор V5 запирается, a V6 открывается.

Данный преобразователь позволяет исключить треск, возникающий по окончании звучания струны из-за мо­дуляции сигнала звукоснимателя электрогитары сетевы­ми наводками.

В отсутствии сигнала на входе устройства малое входное сопротивление открытого транзистора V5 шун­тирует выход предусилителя, снижая его усиление. Когда же транзистор V5 закрывается, его входное со­противление резко увеличивается и усиление предусили­теля соответственно возрастает. В момент извлечения звука амплитуда входного сигнала быстро достигает своего максимального значения и эффект от такого изме­нения усиления предусилителя слушателями не ощу­щается. При уменьшении же амплитуды колебаний в фазе затухания, в какой-то момент после очередного открывания транзистора V5, входной сигнал, даже с той же амплитудой, что и до открывания, уже не может изменить состояния формирователя из-за малого коэф­фициента усиления предусилителя. Поэтому процесс окончания выходного звука в этом «Fuss»-ycTpoflcTBe но­сит скачкообразный характер, причем модуляция вход­ного сигнала сетевыми наводками не может на него повлиять. Чувствительность схемы регулируется резисто­ром R10, При шунтировании резистора R12 конденса­тором С6 достигается интересный эффект плавного на­растания амплитуды сигнала на выходе 2 в фазе атаки.

По мере заряда конденсатора С6 на выходе 2 фор­мируется прямоугольное напряжение с экспоненциально нарастающей во времени амплитудой. Длительность сформированной фазы атаки можно регулировать изме­нением емкости конденсатора Сб. Чтобы сделать звуча­ние электрогитары более «тягучим», выявляющим все тонкости звукоизвлечения, необходимо осуществлять сжатие динамического диапазона звука без заметного внесения нелинейных искажений. Этот эффект можно реализовать компрессором, схема которого приведена на рис. 7. Устройство содержит усилитель с управляемым коэффициентом усиления, построенный на транзисто­рах VI — V4. Собственно усиление осуществляется в кас­каде на транзисторе VI, работающем в режиме микро­токов. Параллельно эмиттерному сопротивлению тран­зистора VI включен канал полевого транзистора V2. При изменении напряжения затвор-исток транзистора V2 со­противление его канала меняется от сотен ом до единиц мегом и соответственно изменяются глубина отрицатель­ной обратной связи каскада и его коэффициент уси­ления. Транзисторы V3 и V4 предназначены для согла­сования первого каскада с нагрузкой и обеспечения ре­жима транзистора VI по постоянному току. С эмиттера транзистора V4 сигнал через вспомогательный усили­тельный каскад на транзисторе V5 поступает на выпря­митель, собранный по схеме удвоения напряжения. На­пряжение с выхода выпрямителя использовано для управления сопротивлением канала транзистора V2. Таким образом устройство (см. рис. 7) охвачено отрица­тельной обратной связью, стабилизирующей амплитуду выходного напряжения.

Рис. 7. Компрессор для электрогитары

Описанные схемы «Fuss»-ycTpoftcTB целесообразно ис­пользовать также и в качестве модулей гитарного син­тезатора. Соединяя эти устройства в различных комби­нациях, правильно согласовывая при этом их входные и выходные уровни, можно получить звучания электро­гитары, самые разнообразные по окраске и Выразитель­ности.