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 VIи V2
собран предварительный неискажающий малошумящий усилитель, причем для
уменьшения шумов предусилителя транзистор VIработает 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 VIи
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, aV5 — 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, aV6 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 VIвключен
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 VIпо
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.